金刚石砂轮用白光干涉系统的自动控制算法及实现

摘要

砂轮是一种被广泛应用于磨削加工的工具,其表面形貌参数不仅影响其切削加工性能还决定了工件表面的加工质量。如果可以得到砂轮的三维表面形貌信息将会有助于提高产品质量、优化磨削过程。在测量砂轮表面形貌的方法中,白光干涉法作为一种非接触式的测量方法,具有高精度、大量程、相位不模糊等优点。
　　白光干涉仪多为手动对焦即用手动调整物镜与被测物之间的距离,使仪器可以采集到干涉图像。由于白光的相干性很差,这种方法费时费力,为了提高工作效率,提出基于帧差法的自动采集方法使系统实现自动化。
　　本文主要内容如下:
　　(1)综述了本文采用的垂直扫描白光干涉法和其他各种常用的砂轮表面形貌测量技术,以及自动对焦技术及其在白光干涉测量技术中的应用。
　　(2)介绍了白光干涉原理,依此搭建了垂直扫描白光干涉系统。系统由干涉显微镜组、CCD、控制电机、压电陶瓷驱动器、光栅及三维工作台、砂轮定位装置等组成。系统主要运动包含镜头组件的垂直方向运动、工作台两个方向的水平平移运动和砂轮的回转运动。采用平移、旋转和缩放极限上升、下降曲线的方法对压电陶瓷的磁滞曲线进行了拟合。
　　(3)分析了自动对焦最常用的两种方法:灰度方差法和Sobel算子梯度法,指出了白光干涉仪中图像自动采集与相机自动对焦的区别。提出了基于帧差法确定干涉条纹发生区间的方法:在一系列由白光干涉仪采集到的图像中,计算每一像素在相邻两张图像中灰度值的变化,将变化值作为灰度值构成一系列新的灰度图像。找出每张新图像的非零像素点,计算这些像素的灰度均值和极值来确定干涉区域以实现白光干涉仪的自动扫描。通过实现对比,此方法运算速度快,并且能识别出灰度方差法和 Sobel算子梯度法无法识别出的局部小范围干涉,得到的干涉范围更为精确。
　　(4)为了扩大垂直扫描量程,用压电陶瓷微动台和步进电机来实现接力控制。为了提高效率,利用Sobel算子梯度法来缩减扫描范围,使仪器在较小的扫描范围内搜索干涉区域。为了解决视场小的问题,控制电机带动砂轮水平平移或旋转,使干涉仪能够采集到砂轮表面不同位置的形貌。
　　(5)编写了测量控制软件,主要功能包括CCD图像采集、电机控制程序、压电陶瓷微动台的控制程序和光栅实时读数程序。介绍了软件界面,使用方法和注意事项。

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第1章 引言

1.1 课题来源

1.2 研究意义及目的

1.3 砂轮表面形貌测量方法及发展现状

1.4 自动对焦技术及现状

1.5 本文的主要内容

第2章 白光垂直扫描干涉仪

2.1 白光垂直扫描干涉法基本原理

2.2 系统总体结构

2.3 位移测量部分

2.4 垂直方向运动部分

2.5 水平方向运动与旋转运动的控制

2.6 光学系统及参数

2.7 本章小结

第3章 垂直方向自动采集算法

3.1 常用的自动对焦算法

3.2 白光干涉仪自动采集的特殊性

3.3 基于帧差法自动扫描算法

3.4 实验结果及分析

3.5 本章小结

第4章 垂直方向控制策略优化及平移回转运动的实现

4.1 步进电机与压电陶瓷接力控制

4.2 快速缩减初始扫描范围

4.3 砂轮宽度的确定

4.4 平移及旋转方向控制

4.5 本章小结

第5章 系统测量控制的软件实现

5.1 总体框架

5.2 软件界面

5.3 软件使用步骤

5.4 软件使用注意事项

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 本文主要创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果