一种跟踪式新型表面形状测头的研究
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摘要
叶轮机械在航天、航空、汽车、能源等领域都有非常广泛的应用。随着对叶片质量要求的提高，测量精度和效率显得越来越重要。目前国内外研究的焦点是用三坐标测量机进行测量，因为三坐标机具有测量范围大、精度高、效率高等优点。三坐标测量机的功能、工作效率、精度与测头密切相关，新型测头的出现将使测量机的功能更加完善。因此，本文选定了这一具有应用价值的研究课题。
本文通过分析论证，提出了一种新型的表面形状测头；设计了实验系统并就所研制的实验系统进行了详细的阐述；对程序总体及各部分程序所完成的功能进行了简单介绍；设计了实验方法、介绍了实验过程并分析了实验数据；通过对几种跟踪测量方法进行比较，得出结论：本课题研究的跟踪测量方法具有较高的分辨率与测量精度，值得进一步研究推广；本文还对影响测量精度的因素进行了详细的分析，并提出改进措施，为课题走向实用化奠定了基础。
本课题涉及光学、电子、计算机、控制、测量、图像等学科领域，其内容广泛，涉及面宽。本课题研究的新型表面形状测头，为物体表面形状的测量提供了一个行之有效的方法。通过实验验证该测头具有测量不伤及被测表面、检测自动化程度高、测量精度高、测量范围大、可实现远距离测量等优点。该测头不仅可以实现叶片的表面形状测量，而且适用于各种漫反射表面的表面形状测量。该测头不仅可以安装在三坐标测量机上，也可以结合其它的测长仪如双频激光干涉仪进行测量，具有广泛的推广前景和很强的现实意义。
The impeller machine is widly used in many field, such as spaceflight, aviation, automobile, energy souce and so on. With the require of quality improved of laminae, the precision and efficiency of the measurement become more and more important. At present, the emphasis of research is to use the Three-coordinate Measurement Machine to take measurement in and out of our country, because it has the advantages of wide measurement scope, high precision and high efficiency and so on. The fuction, working efficiency and precision of the Three-coordinate Measurement Machine is closely related to the detector. The emergence of new type of detector will be bound to make the fuctions of the measurement machine more consummate. Therefore, the thesis chooses this research task which have great advantages in application .
In this thesis, a new surface shape detector is put forward by the method of analyse and demonstration. Experiment system is degsigned and demonstated in detail. The fuction of the whole body and every part of the program is introduced. The method of experiment is degsigned, the experiment's process is talked about and the data are analysed. Comparing with other track measurement , we draw the conclusion :the track measurement in our reseach has higher resolving power and higher measure precision, so it is worth to study and extend further. Also, the reasons which affect the measurement precision are analysed detailedly and the improved measures are put forward so as to establish the base to make this research to practice.
This research content is abroad and deal with many disciplines such as
optics, electron, computer, control, measurement and image process and so on. The new surface shape detector provide a practical and effecitive method to measure the object's surface shape. In the experiment, the detector is proved to have the advantage that it do not injure the suface in measurement, have high degree of automation, have high measurement precision ,and can make far distance measurement. This detector can take the measurement not only of the lamina's surface shape but also of varied surface with diffuse reflection. It can not only set on the Three-dimensional Coordinate Measurement Machine but also combine with other machine such as Interferometer to take measurement, so it has broad foreground and high application value.
本文通过分析论证，提出了一种新型的表面形状测头；设计了实验系统并就所研制的实验系统进行了详细的阐述；对程序总体及各部分程序所完成的功能进行了简单介绍；设计了实验方法、介绍了实验过程并分析了实验数据；通过对几种跟踪测量方法进行比较，得出结论：本课题研究的跟踪测量方法具有较高的分辨率与测量精度，值得进一步研究推广；本文还对影响测量精度的因素进行了详细的分析，并提出改进措施，为课题走向实用化奠定了基础。
本课题涉及光学、电子、计算机、控制、测量、图像等学科领域，其内容广泛，涉及面宽。本课题研究的新型表面形状测头，为物体表面形状的测量提供了一个行之有效的方法。通过实验验证该测头具有测量不伤及被测表面、检测自动化程度高、测量精度高、测量范围大、可实现远距离测量等优点。该测头不仅可以实现叶片的表面形状测量，而且适用于各种漫反射表面的表面形状测量。该测头不仅可以安装在三坐标测量机上，也可以结合其它的测长仪如双频激光干涉仪进行测量，具有广泛的推广前景和很强的现实意义。
The impeller machine is widly used in many field, such as spaceflight, aviation, automobile, energy souce and so on. With the require of quality improved of laminae, the precision and efficiency of the measurement become more and more important. At present, the emphasis of research is to use the Three-coordinate Measurement Machine to take measurement in and out of our country, because it has the advantages of wide measurement scope, high precision and high efficiency and so on. The fuction, working efficiency and precision of the Three-coordinate Measurement Machine is closely related to the detector. The emergence of new type of detector will be bound to make the fuctions of the measurement machine more consummate. Therefore, the thesis chooses this research task which have great advantages in application .
In this thesis, a new surface shape detector is put forward by the method of analyse and demonstration. Experiment system is degsigned and demonstated in detail. The fuction of the whole body and every part of the program is introduced. The method of experiment is degsigned, the experiment's process is talked about and the data are analysed. Comparing with other track measurement , we draw the conclusion :the track measurement in our reseach has higher resolving power and higher measure precision, so it is worth to study and extend further. Also, the reasons which affect the measurement precision are analysed detailedly and the improved measures are put forward so as to establish the base to make this research to practice.
This research content is abroad and deal with many disciplines such as
optics, electron, computer, control, measurement and image process and so on. The new surface shape detector provide a practical and effecitive method to measure the object's surface shape. In the experiment, the detector is proved to have the advantage that it do not injure the suface in measurement, have high degree of automation, have high measurement precision ,and can make far distance measurement. This detector can take the measurement not only of the lamina's surface shape but also of varied surface with diffuse reflection. It can not only set on the Three-dimensional Coordinate Measurement Machine but also combine with other machine such as Interferometer to take measurement, so it has broad foreground and high application value.
引文
[1]常书易等：《叶片测量技术》国防工业出版社，1984
[2]唐文彦、强锡富：“一种新的涡轮叶片型面的自动测量方法”，《计量学报》Vol．16，No．2，1995
[3]张国雄等：《三坐标测量机》，天津大学出版社，1999
[4]吴晓峰：“激光自动聚焦三维形状测量系统研究”，《仪器仪表学报》Vol．17，No．2，Apr．1996
[5]赵辉等：“图象式自动瞄准系统的研究”，《光电工程》，2000．10
[6]kevin Harding: "Overview of 3D Contouring Systems for Reverse Engineering Application", Fourth International Conference on Rapid prototyping proceedings, University of Dayton,Management Development Center,June,
[7]安卫等：“三坐标测量机使用现状与发展动态”，《计量技术》，1996．9
[8]张畅、张祥林：“快速造型中的反求工程”，《计量技术》，1998．1
[9]陈明：《激光光刀及其在自由曲面反求中的应用》，西安理工大学学位论文，1999
[10]Frank Chen、Gordon M.Brown、Mumin song:"Overview of three-dimensional shape measurement using optical methods", 《Optical Engineering》, Vol.39, No.1, January 2000
[11]高稚允、高岳：《光电检测技术》，国防工业出版社，1995
[12]张国雄：《精密仪器电路》，机械工业出版社，1988
[13]《美国德州仪器技术半导体资料》，美国德州仪器公司
[14]童诗白：《模拟电子技术》高等教育出版社，1991
[15]王仕元：《C语言实用程序设计》，清华大学出版社，1994
[16]康博创作室：《Visual C++6.0高级编程》，清华大学出版社，1999
[17]叶声华：《激光在精密计量中的应用》，机械工业出版社，1985
[18][美]Katsuhiko Ogata：《现代控制工程》，电子工业出版社，2000
[19]张晋格：《计算机控制原理与应用》电子工业出版社，1995
[20]贾波、苏显渝等：“采用激光光刀的叶片三维面形测量方法”，《中国激光》，Vol．19，No．4，April，1999
[21]陈明、郭彦珍等：“一种用于曲面快速测量的激光片光源的研究”，《中国机械工程》第11卷第10期，2000．10
[22]费业泰等：“坐标测量机激光非接触式测头的研制”，《现代计量测试》，1994年第5期
[23]胡庆英、尤政、罗维国：“激光三角法及其在几何量测量中的应用”，《宇航计测技术》，Vol．16，No．2，April，1996
[24]戴立铭、江潼君：“激光三角测量传感器的精密位移测量”，《仪器仪表学报》，Vol．15，Vo．4，Nov．1994
[25]谢峰、谢铁邦、张新宝：“表面形貌焦点跟踪测量方法的研究”，《计量学报》，Vol．21，No．3，July，2000
[26][日]精机学会图像测量分会：《图像测量入门》，计量出版社，1983
[27]赵容椿等：《数字图像处理导论》，西北工业大学出版社，1995
[28]吕风军：《数字图像处理编程入门》，清华大学出版社，1999
[29]周孝宽等：《实用微机图像处理》，北京航空航天大学出版社，1996
[30]王积分、张新荣：《计算机图像识别》，中国铁道出版社，1988
[31]Tamas Sziranyi: "Subpixel Pattern recognition by image histograms",《Pattern Recognition》, Vol.27, No.8, 1994
[32]S. Shaklan、M. C. Sharman and S. H.Pravdo: "High-precision measurement of pixel position in a charge-coupled device", 《Applied Optics》, Vol.34, Vo.29, Oct. 1995
[33]Hamid K. Aghajan charies D.Schaper.Thomas Kallath: "Machine vision techniques for subpixel estimation of critical dimension",《Optical Engineering》, Vol.32, No.4, April,1993
[34]周长发：《精通Visual C++ 图像编程》，电子工业出版社，2000
[35]何斌等：《Visual C++ 数字图像处理》，人民邮电出版社，2001
[36][美]Jon Bates, Tim Tompkins:《Visual C++6 使用批南》,电子工业出版社，1999
[37][美]David J. Kruglinski、Scot Wingo、George Shepherd: 《Visual C++6.0 技术内幕》，北京希望电子出版社，1999
[38]Subbarao、 Metal: "Depth recovery from blurred dege[j] ", IEEE Computer Society Conf. Computer Vision and Pattern Recogtition,1988
[39]王学军，袁健康：“光电自动测量三维曲面仪的研究”，《仪器仪表学报》，第20卷第四期，1999年8月
[40]费业泰：《误差理论及数据处理》，合肥工业大学出版社，1995
[41]荣雅君、余琼芳：《数字电子技术》机械工业出版社，1995
[42]曹琳琳、曹巧媛：《单片机原理及接口技术》国防科技大学出版社，2000
[43]刘乐善、叶济忠、叶永坚：《微型计算机接口技术及应用》华中理工大学出版社，1993
[44]坚如等译：《线性集成电路应用指南》，电子工业出版社，1994
[45]王振永、冯兆纯：《电机与控制》，机械工业出版社，1980
[46]陈离、秦清俊：《电路与电机技术》，机械工业出版社，1994
[47]王国定等：《TTL集成电路》，国防工业出版社，1985
[48]谭浩强《C语言程序设计》，清华大学出版社，1991
[49][美]Michael J.Young:《Visual C++6从入门到精通》，电子工业出版社
[50]关信安、袁树忠、刘玉照：《双频激光干涉仪》，中国计量出版社，1982
[51]张善钟：《精密仪器精度理论》，机械工业出版社，1993
[53]徐家骅：《工程光学基础》，机械工业出版社，1993
[54]钱晓凡、吕晓旭等：“提高激光三角法测量精度的新方法”，《激光杂志》，Vol．21，No．3．2000
[55]Shenping Li、Qiming Yang: "The Application of bistable optical device", Appl, Opt. 1989,28(5)
[56][日]山崎弘郎：《电子电路的抗干扰技术》，科学出版社，1989
[57]陈海燕、陈荡、陈宏：“传感器接口电路的抗干扰设计”，《仪表技术与传感器》，1994年第四期
[58]中国光学、光电子行业协会、光电器件专业协会：《国内外半导体光电子器件实用手册》，电子工业出版社，1992
[59]张峰生、龚全宝：《光电子器件应用基础》，机械工业出版社，1993
[2]唐文彦、强锡富：“一种新的涡轮叶片型面的自动测量方法”，《计量学报》Vol．16，No．2，1995
[3]张国雄等：《三坐标测量机》，天津大学出版社，1999
[4]吴晓峰：“激光自动聚焦三维形状测量系统研究”，《仪器仪表学报》Vol．17，No．2，Apr．1996
[5]赵辉等：“图象式自动瞄准系统的研究”，《光电工程》，2000．10
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[49][美]Michael J.Young:《Visual C++6从入门到精通》，电子工业出版社
[50]关信安、袁树忠、刘玉照：《双频激光干涉仪》，中国计量出版社，1982
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[54]钱晓凡、吕晓旭等：“提高激光三角法测量精度的新方法”，《激光杂志》，Vol．21，No．3．2000
[55]Shenping Li、Qiming Yang: "The Application of bistable optical device", Appl, Opt. 1989,28(5)
[56][日]山崎弘郎：《电子电路的抗干扰技术》，科学出版社，1989
[57]陈海燕、陈荡、陈宏：“传感器接口电路的抗干扰设计”，《仪表技术与传感器》，1994年第四期
[58]中国光学、光电子行业协会、光电器件专业协会：《国内外半导体光电子器件实用手册》，电子工业出版社，1992
[59]张峰生、龚全宝：《光电子器件应用基础》，机械工业出版社，1993