第5章长度测量技术2.ppt

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1、1第五章 长度测量技术 第一节第一节 长度检测概述长度检测概述第二节第二节 尺寸测量尺寸测量第三节第三节 形位误差测量形位误差测量第四节第四节 表面粗糙度测量表面粗糙度测量第五节第五节 线位移与距离测量线位移与距离测量第六节第六节 物位检测技术物位检测技术第七节第七节 纳米测量技术纳米测量技术2形位误差测量是将被测要素和理想要素进行比形位误差测量是将被测要素和理想要素进行比较，从而用数值描述实际要素与理想要素形状或较，从而用数值描述实际要素与理想要素形状或位置上的差异。位置上的差异。每个参数的测量过程包括每个参数的测量过程包括测量和评定测量和评定两个阶段两个阶段。形位误差的基本概念形位误差的基

2、本概念第三节第三节 形位误差测量形位误差测量3形位误差的分类形位误差的分类4形状误差形状误差评定时，形状误差评定时，理想理想要素的位置应符合最小要素的位置应符合最小条件条件。最小条件最小条件:是指被测实际是指被测实际要素对其理想要素的最要素对其理想要素的最大变动量为最小。大变动量为最小。5第三节第三节 形位误差测量形位误差测量圆度误差指包容同一正截面实际轮廓且半径差为最小的两圆度误差指包容同一正截面实际轮廓且半径差为最小的两同心圆的距离同心圆的距离f fm m。maxminmfRR一、圆度误差定义一、圆度误差定义：最大内切圆法：最大内切圆法：以内切于实际轮廓，以内切于实际轮廓，且半径为最大的内

3、切圆圆心为理想且半径为最大的内切圆圆心为理想圆的圆心。圆的圆心。最小包容区域法：最小包容区域法：理想圆位置符理想圆位置符合最小条件。合最小条件。判别准则：判别准则：由两同心圆包容实际由两同心圆包容实际轮廓时，至少有四个实测点内外轮廓时，至少有四个实测点内外相间的在两个圆周上。相间的在两个圆周上。只适用于内圆只适用于内圆 7最小外接圆法：最小外接圆法：以包容实际轮廓且半以包容实际轮廓且半径为最小的外接圆圆径为最小的外接圆圆心为理想圆的圆心。心为理想圆的圆心。最小二乘圆法：最小二乘圆法：以实际轮廓上各点至圆以实际轮廓上各点至圆周距离的平方和为最小周距离的平方和为最小的圆的圆心为理想圆的的圆的圆心为

4、理想圆的圆心。圆心。圆度误差的评定结果以最小包容区圆度误差的评定结果以最小包容区域法最小，最小二乘法稍大，其他域法最小，最小二乘法稍大，其他两种更大。两种更大。只适用于外圆。只适用于外圆。8圆度误差测量圆度误差测量圆度仪测量法：圆度仪测量法：将被测零件安置在量仪工作台上，调整其将被测零件安置在量仪工作台上，调整其轴线与量仪回转轴同轴。记录被测零件在回转一周内截面轴线与量仪回转轴同轴。记录被测零件在回转一周内截面各点的半径差，绘制出极坐标图，最后评定出圆度误差。各点的半径差，绘制出极坐标图，最后评定出圆度误差。9第三节第三节 形位误差测量形位误差测量二、直线度误差二、直线度误差的测量的测量直线度

5、误差：包容被测直线实际轮廓直线度误差：包容被测直线实际轮廓 且距离为最小的两平行直线的距离且距离为最小的两平行直线的距离测量方法：测量方法：评定方法：求最小二乘直线，计算各点与直线的评定方法：求最小二乘直线，计算各点与直线的 距离距离i i，直线度误差，直线度误差S S=maxmaxminmin 包容直线实际线S自准直仪法自准直仪法xy单测头法单测头法刀口尺法刀口尺法10第三节第三节 形位误差测量形位误差测量三、平面度误差三、平面度误差的测量的测量平面度误差：包容同一正截面实际轮廓平面度误差：包容同一正截面实际轮廓 且距离为最小的两平行平面的距离且距离为最小的两平行平面的距离测量方法：测量方法

6、：评定方法：计算最小二乘平面，评定方法：计算最小二乘平面，计算各点与平面的距离计算各点与平面的距离i i，平面度误差平面度误差P P=maxmaxminmin 自准直仪法自准直仪法单测头法单测头法激光干涉法激光干涉法11四、异形曲面的测量四、异形曲面的测量异形曲面异形曲面：又称空间自由曲面，通常指无法确切用：又称空间自由曲面，通常指无法确切用解析几何的方法描述的曲面。如火箭、飞机、汽解析几何的方法描述的曲面。如火箭、飞机、汽车等的复杂外观造型。车等的复杂外观造型。异形曲面的高精度检测技术，研究的热点。异形曲面的高精度检测技术，研究的热点。1213测量方法：测量方法：手工测量法手工测量法：使用最

7、早，造价高、速度慢等。：使用最早，造价高、速度慢等。机器人测量法机器人测量法：装探头于机器人手上；适用范围广，速度：装探头于机器人手上；适用范围广，速度快，精度不高。快，精度不高。三坐标机测量法三坐标机测量法：采用离散点检测，速度慢，工作量大，：采用离散点检测，速度慢，工作量大，无法实现在线检测。无法实现在线检测。经纬仪组合测量法经纬仪组合测量法：经纬仪；经纬仪；系统组合灵活，可实现大型系统组合灵活，可实现大型零部件的在线非接触高精度测量，但需人工瞄准，工作零部件的在线非接触高精度测量，但需人工瞄准，工作强度大，效率较低。强度大，效率较低。机器视觉测量法机器视觉测量法：用：用视觉传感器视觉传感

8、器采集目标图像，通过分析采集目标图像，通过分析图像，获取被测曲面信息。图像，获取被测曲面信息。很有发展前途。很有发展前途。14视觉传感器的类型及工作原理视觉传感器的类型及工作原理1 基于基于三角测距原理三角测距原理的视觉传感器：测量精度高，的视觉传感器：测量精度高，可测范围大，适用于生产现场使用。可测范围大，适用于生产现场使用。激光器激光器-被测物体表面的被测点被测物体表面的被测点-成像在成像在PSD或或CCD上。上。点光源点光源。2 三维扫描仪三维扫描仪也是采用视觉测量原理的，采用的也是采用视觉测量原理的，采用的光源为光源为线光源线光源或或光栅式结构光光栅式结构光（多平行线。）（多平行线。）

9、3 双目体视传感器双目体视传感器：利用：利用立体视差立体视差。即两台性能。即两台性能相同、相互位置固定的摄像机，同时获取同一相同、相互位置固定的摄像机，同时获取同一被测表面两个方向的图像，计算空间特征点在被测表面两个方向的图像，计算空间特征点在两幅图像中的两幅图像中的“视差视差”，继而得到物体表面的，继而得到物体表面的距离信息。距离信息。15双目立体视觉双目立体视觉80年代美国麻省理工学院人工智能实验室的年代美国麻省理工学院人工智能实验室的Marr提出了一种视觉计算理论并应用在双睛提出了一种视觉计算理论并应用在双睛匹配上，使两张有视差的平面图产生在深度匹配上，使两张有视差的平面图产生在深度的立

10、体图形，奠定了的立体图形，奠定了双目立体视觉双目立体视觉发展理论发展理论基础。基础。其他体视方法，如透镜板三维成像、投影式三其他体视方法，如透镜板三维成像、投影式三维显示、全息照相术等，维显示、全息照相术等，双目立体视觉直接双目立体视觉直接模拟人类双眼处理景物的方式模拟人类双眼处理景物的方式，可靠简便，可靠简便，在许多领域均极具应用价值，如微操作系统在许多领域均极具应用价值，如微操作系统的位姿检测与控制、机器人导航与航测、三的位姿检测与控制、机器人导航与航测、三维测量学及虚拟现实等。维测量学及虚拟现实等。16双目立视技术的实现可分为以下步骤：图像获取、双目立视技术的实现可分为以下步骤：图像获取

11、、摄像机标定、特征提取、图像匹配和三维重建。摄像机标定、特征提取、图像匹配和三维重建。彩色视觉传感器双目显微镜17视觉系统的一般构成视觉系统的一般构成光源图像卡场景摄像机计算机典型视觉系统典型视觉系统工作原理：工作原理：光光 敏感元件敏感元件 电电（光电元件）（光电元件）光源光源光通路光通路光电元件光电元件测量电路测量电路光光光光电电电电yx1x2传感器：传感器：18单目视觉：一个摄像组件（镜头单目视觉：一个摄像组件（镜头+摄像机）摄像机）多目视觉：多个摄像组件（镜头多目视觉：多个摄像组件（镜头+摄像机）摄像机）图像采集部分、图像处理部分、通信和图像采集部分、图像处理部分、通信和I/O部分以及

12、输出和执行机构。部分以及输出和执行机构。图像采集系统：可视化图像或特征图像采集系统：可视化图像或特征数据数据场景场景镜头镜头光源光源摄像机摄像机图像存储体图像存储体计算机计算机输出输出镜头镜头摄像机摄像机镜头镜头摄像机摄像机控制控制电缆电缆视觉系统流程图视觉系统流程图图像质量好图像质量好 图像处理简单、结果理想图像处理简单、结果理想图像质量差图像质量差 图象处理麻烦、结果不理想图象处理麻烦、结果不理想由由光源、镜头、摄像机、图像采集卡等构成光源、镜头、摄像机、图像采集卡等构成19机器视觉检测系统机器视觉检测系统1 固定式系统固定式系统：传感器固定在刚性框架上，对定位在：传感器固定在刚性框架上，

13、对定位在测试区内的工件进行检测。适用于大批量同类产品测试区内的工件进行检测。适用于大批量同类产品的快速检测。的快速检测。被测工件变化时，框架需要重新制作被测工件变化时，框架需要重新制作或改造。或改造。2 可动式系统可动式系统：传感器沿着指定的路线移动来实现对：传感器沿着指定的路线移动来实现对工件的检测。一般用于单件产品或小批量生产的产工件的检测。一般用于单件产品或小批量生产的产品的检测。品的检测。固定式系统的测量速度和精度优于可动式系统固定式系统的测量速度和精度优于可动式系统，因而，因而大型复杂工件的在线检测，应选择固定式。大型复杂工件的在线检测，应选择固定式。20车身视觉检测系统车身视觉检测

14、系统传统的汽车车身检测是采用传统的汽车车身检测是采用坐标测量机坐标测量机和和靠模法靠模法，两者都不，两者都不能实现全部车辆各个位置的在线检测。能实现全部车辆各个位置的在线检测。天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室叶声华教授研天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室叶声华教授研制的制的车身三维尺寸视觉检测技术车身三维尺寸视觉检测技术，可以说是汽车车身检测的，可以说是汽车车身检测的火眼金睛火眼金睛，它以图像敏感元件（，它以图像敏感元件（CCD摄像机）、图像处理技摄像机）、图像处理技术、计算机技术、现场网络控制技术为基础，实现在汽车车术、计算机技术、现场网络控制技术为基础，实现在汽车车身制造过程

15、中的非接触、快速测量。身制造过程中的非接触、快速测量。21视觉检测系统传感器阵列示意图视觉检测系统传感器阵列示意图 22完整的汽车车身三维尺寸视觉检测系统包括被测车完整的汽车车身三维尺寸视觉检测系统包括被测车身定位机构、身定位机构、视觉传感器视觉传感器、传感器控制盒、传感器控制盒、计算计算机系统机系统及测量软件等组成。及测量软件等组成。视觉传感器分三种，共视觉传感器分三种，共30个个，分别测量车身上不同，分别测量车身上不同的测量点。的测量点。光条结构光传感器光条结构光传感器测量车身上各种棱测量车身上各种棱线的空间位置；线的空间位置；立体视觉传感器立体视觉传感器测量车身上各个测量车身上各个特征点

16、的空间坐标；特征点的空间坐标；十字线结构光传感器十字线结构光传感器测量车测量车身上的圆孔尺寸及孔心坐标。身上的圆孔尺寸及孔心坐标。用这种方法检测车身，只需要检测用这种方法检测车身，只需要检测30多个检测点，多个检测点，用不到用不到40秒的时间就可以对每个车身进行实时、秒的时间就可以对每个车身进行实时、准确的检测。准确的检测。23第五章 长度测量技术 第一节第一节 长度检测概述长度检测概述第二节第二节 尺寸测量尺寸测量第三节第三节 形位误差测量形位误差测量第四节第四节 表面粗糙度测量表面粗糙度测量第五节第五节 线位移与距离测量线位移与距离测量第六节第六节 物位检测技术物位检测技术第七节第七节 纳米测量技术纳米测量技术241 1、零件表面的形貌：、零件表面的形貌：(3)(3)表面粗糙度：零件表面中峰谷的波长和波高之比表面粗糙度：零件表面中峰谷的波长和波高之比 小于小于5050成为表面粗糙度。成为表面粗糙度。(2)(2)表面波纹度：零件表面中峰谷的波长和波高之比表面波纹度：零件表面中峰谷的波长和波高之比 等于等于505010001000的不平程度称为波纹度。的不平程度称为波纹度。会引起零件运