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1、1,第五章 長度測量技術(shù),第一節(jié) 長度檢測概述 第二節(jié) 尺寸測量 第三節(jié) 形位誤差測量 第四節(jié) 表面粗糙度測量 第五節(jié) 線位移與距離測量 第六節(jié) 物位檢測技術(shù) 第七節(jié) 納米測量技術(shù),2,形位誤差測量是將被測要素和理想要素進(jìn)行比較,從而用數(shù)值描述實(shí)際要素與理想要素形狀或位置上的差異。 每個(gè)參數(shù)的測量過程包括測量和評定兩個(gè)階段。,形位誤差的基本概念,第三節(jié) 形位誤差測量,3,形位誤差的分類,4,形狀誤差,形狀誤差評定時(shí),理想要素的位置應(yīng)符合最小條件。 最小條件:是指被測實(shí)際要素對其理想要素的最大變動量為最小。,5,第三節(jié) 形位誤差測量,圓度誤差指包容同一正截面實(shí)際輪廓且半徑差為最小的兩同心圓的距離
2、fm。,一、圓度誤差定義:,最大內(nèi)切圓法:以內(nèi)切于實(shí)際輪廓,且半徑為最大的內(nèi)切圓圓心為理想圓的圓心。,最小包容區(qū)域法:理想圓位置符合最小條件。 判別準(zhǔn)則:由兩同心圓包容實(shí)際輪廓時(shí),至少有四個(gè)實(shí)測點(diǎn)內(nèi)外相間的在兩個(gè)圓周上。,只適用于內(nèi)圓,7,最小外接圓法:,以包容實(shí)際輪廓且半徑為最小的外接圓圓心為理想圓的圓心。,最小二乘圓法:,以實(shí)際輪廓上各點(diǎn)至圓周距離的平方和為最小的圓的圓心為理想圓的圓心。,圓度誤差的評定結(jié)果以最小包容區(qū)域法最小,最小二乘法稍大,其他兩種更大。,只適用于外圓。,8,圓度誤差測量,圓度儀測量法:將被測零件安置在量儀工作臺上,調(diào)整其軸線與量儀回轉(zhuǎn)軸同軸。記錄被測零件在回轉(zhuǎn)一周內(nèi)截
3、面各點(diǎn)的半徑差,繪制出極坐標(biāo)圖,最后評定出圓度誤差。,9,第三節(jié) 形位誤差測量,二、直線度誤差的測量,直線度誤差:包容被測直線實(shí)際輪廓 且距離為最小的兩平行直線的距離,測量方法:,評定方法:求最小二乘直線,計(jì)算各點(diǎn)與直線的 距離i,直線度誤差S=maxmin,自準(zhǔn)直儀法,單測頭法,刀口尺法,10,第三節(jié) 形位誤差測量,三、平面度誤差的測量,平面度誤差:包容同一正截面實(shí)際輪廓 且距離為最小的兩平行平面的距離,測量方法:,評定方法:計(jì)算最小二乘平面, 計(jì)算各點(diǎn)與平面的距離i, 平面度誤差P=maxmin,自準(zhǔn)直儀法,單測頭法,激光干涉法,11,四、異形曲面的測量,異形曲面:又稱空間自由曲面,通常指
4、無法確切用解析幾何的方法描述的曲面。如火箭、飛機(jī)、汽車等的復(fù)雜外觀造型。 異形曲面的高精度檢測技術(shù),研究的熱點(diǎn)。,12,13,測量方法:,手工測量法:使用最早,造價(jià)高、速度慢等。 機(jī)器人測量法:裝探頭于機(jī)器人手上;適用范圍廣,速度快,精度不高。 三坐標(biāo)機(jī)測量法:采用離散點(diǎn)檢測,速度慢,工作量大,無法實(shí)現(xiàn)在線檢測。 經(jīng)緯儀組合測量法:經(jīng)緯儀;系統(tǒng)組合靈活,可實(shí)現(xiàn)大型零部件的在線非接觸高精度測量,但需人工瞄準(zhǔn),工作強(qiáng)度大,效率較低。 機(jī)器視覺測量法:用視覺傳感器采集目標(biāo)圖像,通過分析圖像,獲取被測曲面信息。很有發(fā)展前途。,14,視覺傳感器的類型及工作原理,1 基于三角測距原理的視覺傳感器:測量精度
5、高,可測范圍大,適用于生產(chǎn)現(xiàn)場使用。 激光器-被測物體表面的被測點(diǎn)-成像在PSD或CCD上。點(diǎn)光源。 2 三維掃描儀也是采用視覺測量原理的,采用的光源為線光源或光柵式結(jié)構(gòu)光(多平行線。) 3 雙目體視傳感器:利用立體視差。即兩臺性能相同、相互位置固定的攝像機(jī),同時(shí)獲取同一被測表面兩個(gè)方向的圖像,計(jì)算空間特征點(diǎn)在兩幅圖像中的“視差”,繼而得到物體表面的距離信息。,15,雙目立體視覺,80年代美國麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的Marr提出了一種視覺計(jì)算理論并應(yīng)用在雙睛匹配上,使兩張有視差的平面圖產(chǎn)生在深度的立體圖形,奠定了雙目立體視覺發(fā)展理論基礎(chǔ)。 其他體視方法,如透鏡板三維成像、投影式三維顯示、全
6、息照相術(shù)等,雙目立體視覺直接模擬人類雙眼處理景物的方式,可靠簡便,在許多領(lǐng)域均極具應(yīng)用價(jià)值,如微操作系統(tǒng)的位姿檢測與控制、機(jī)器人導(dǎo)航與航測、三維測量學(xué)及虛擬現(xiàn)實(shí)等。,16,雙目立視技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可分為以下步驟:圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、圖像匹配和三維重建。,彩色視覺傳感器,雙目顯微鏡,17,視覺系統(tǒng)的一般構(gòu)成,工作原理:,光 敏感元件 電 (光電元件),傳感器:,18,單目視覺:一個(gè)攝像組件(鏡頭+攝像機(jī)) 多目視覺:多個(gè)攝像組件(鏡頭+攝像機(jī)),圖像采集部分、圖像處理部分、通信和I/O部分以及輸出和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,圖像采集系統(tǒng):可視化圖像或特征數(shù)據(jù),圖像質(zhì)量好 圖像處理簡單、結(jié)果理想 圖像質(zhì)量
7、差 圖象處理麻煩、結(jié)果不理想,由光源、鏡頭、攝像機(jī)、圖像采集卡等構(gòu)成,19,機(jī)器視覺檢測系統(tǒng),1 固定式系統(tǒng):傳感器固定在剛性框架上,對定位在測試區(qū)內(nèi)的工件進(jìn)行檢測。適用于大批量同類產(chǎn)品的快速檢測。被測工件變化時(shí),框架需要重新制作或改造。 2 可動式系統(tǒng):傳感器沿著指定的路線移動來實(shí)現(xiàn)對工件的檢測。一般用于單件產(chǎn)品或小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品的檢測。 固定式系統(tǒng)的測量速度和精度優(yōu)于可動式系統(tǒng),因而大型復(fù)雜工件的在線檢測,應(yīng)選擇固定式。,20,車身視覺檢測系統(tǒng),傳統(tǒng)的汽車車身檢測是采用坐標(biāo)測量機(jī)和靠模法,兩者都不能實(shí)現(xiàn)全部車輛各個(gè)位置的在線檢測。 天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室葉聲華教授研制的車
8、身三維尺寸視覺檢測技術(shù),可以說是汽車車身檢測的火眼金睛,它以圖像敏感元件(CCD攝像機(jī))、圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)在汽車車身制造過程中的非接觸、快速測量。,21,視覺檢測系統(tǒng)傳感器陣列示意圖,22,完整的汽車車身三維尺寸視覺檢測系統(tǒng)包括被測車身定位機(jī)構(gòu)、視覺傳感器、傳感器控制盒、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及測量軟件等組成。 視覺傳感器分三種,共30個(gè),分別測量車身上不同的測量點(diǎn)。光條結(jié)構(gòu)光傳感器測量車身上各種棱線的空間位置;立體視覺傳感器測量車身上各個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo);十字線結(jié)構(gòu)光傳感器測量車身上的圓孔尺寸及孔心坐標(biāo)。 用這種方法檢測車身,只需要檢測30多個(gè)檢測點(diǎn),用不到40秒的
9、時(shí)間就可以對每個(gè)車身進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測。,23,第五章 長度測量技術(shù),第一節(jié) 長度檢測概述 第二節(jié) 尺寸測量 第三節(jié) 形位誤差測量 第四節(jié) 表面粗糙度測量 第五節(jié) 線位移與距離測量 第六節(jié) 物位檢測技術(shù) 第七節(jié) 納米測量技術(shù),24,1、零件表面的形貌:,(3)表面粗糙度:零件表面中峰谷的波長和波高之比 小于50成為表面粗糙度。,(2)表面波紋度:零件表面中峰谷的波長和波高之比 等于501000的不平程度稱為波紋度。 會引起零件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動、噪聲,(1)形狀誤差 :零件表面中峰谷的波長和波高之比 大于1000的不平程度屬于形狀誤差。,具有微小峰谷,可分為三種情況:,一、粗糙度的基本概念,25,
10、粗糙度定義:表面粗糙度是一種微觀的 幾何形狀誤差。,粗糙度特點(diǎn):量值?。úň嘈∮?mm),變化頻率高。,對零件性能的影響:,影響零件的耐磨性。 影響配合性質(zhì)的穩(wěn)定性。 影響零件的疲勞強(qiáng)度。 影響零件的抗腐蝕性。 影響零件的密封性。 影響零件的外觀、測量精度、表面光學(xué)性能 影響導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和膠合強(qiáng)度等,2、粗糙度的定義:,26,國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:評定基準(zhǔn)為輪廓中線。 包括:最小二乘中線和算術(shù)平均中線,最小二乘中線:使輪廓上各點(diǎn)至該線的 距離平方和為最小。,評定基準(zhǔn):評定表面粗糙度的一段參考線。,算術(shù)平均中線:將實(shí)際輪廓?jiǎng)澐稚舷聝刹糠郑?且使上下面積相等的直線。,3、粗糙度評定基準(zhǔn):,27,(1) 輪
11、廓算術(shù)平均偏差Ra:,(2) 微觀不平度十點(diǎn)高度Rz:,(3) 輪廓最大高度Ry:,在取樣長度內(nèi),被測實(shí)際輪廓上各點(diǎn) 至中線距離絕對值的平均值.,在取樣長度內(nèi),被測實(shí)際輪廓上5點(diǎn)最大峰高平均值與5點(diǎn)最大谷深平均值的絕對值和.,在取樣長度內(nèi),被測實(shí)際輪廓上峰頂 與谷底之間距離.,4、粗糙度的評定參數(shù):,評定參數(shù):通常采用下列參數(shù)之一來定量評定表面粗糙度。,28,1、粗糙度的接觸式測量:,工作原理:觸針接觸被測表面, 移動一段長度(切斷長度), 傳感器輸出位移信號,位移傳感器:電感傳感器、壓電傳感器,測量頭:導(dǎo)頭保持移動方向,近似測量基準(zhǔn) 觸針獲取輪廓信號,觸針式輪廓儀: 電感式輪廓儀、 激光干涉
12、式輪廓儀、壓電式輪廓儀,二、粗糙度的測量方法,29,電感式輪廓儀:采用電感傳感器把觸針的微小位移信號轉(zhuǎn)換成電量輸出。 激光干涉式輪廓儀:干涉系統(tǒng)測量鏡與觸針分別位于杠桿的兩端,其位移量為確定的比例關(guān)系,由此可有測得的測量鏡的位移量計(jì)算得到觸針的位移量。 壓電式輪廓儀:采用具有壓電特性的晶體作為傳感器的換能元件,把觸針的位移量轉(zhuǎn)化為壓電晶體的形變量,最終轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷骸?激光干涉式輪廓儀測量原理圖,壓電式輪廓儀測量原理圖,30,工作原理:激光束聚焦于被測表面, 反射光束至光電探測器, 表面微觀輪廓引起離焦, 控制物鏡系統(tǒng)重新聚焦, 輸出控制信號大?。娏鳎?。,光學(xué)輪廓儀,2、粗糙度的非接觸式測量
13、:,31,第五章 長度測量技術(shù),第一節(jié) 長度檢測概述 第二節(jié) 尺寸測量 第三節(jié) 形位誤差測量 第四節(jié) 表面粗糙度測量 第五節(jié) 線位移與距離測量 第六節(jié) 物位檢測技術(shù) 第七節(jié) 納米測量技術(shù),32,一、線位移測量,1、接觸式線位移測量:,(1) 電感位移傳感器:,自感式傳感器:,原理:位移 線圈電感變化 特點(diǎn):可靠,非線性嚴(yán)重 范圍:測量微位移(1mm),互感式傳感器(差動變壓器):,原理:位移 兩線圈互感變化 特點(diǎn):非線性小 范圍:測量大范圍位移(100mm),33,(2) 光柵式位移傳感器,工作原理:疊合在一起形成一個(gè)小角度, 移動時(shí),形成明暗相間的條紋莫爾條紋,定義:光柵是在玻璃基體上刻有均
14、勻分布條紋的光學(xué)元件。 構(gòu)成:主光柵(標(biāo)尺光柵)、指示光柵、光路系統(tǒng)、光電元件。,特點(diǎn):,莫爾條紋寬度:,W=a+b:W-柵距, a-線寬,b-縫寬,精度高:光柵刻線誤差的平均效應(yīng) 范圍大:取決于主尺長度 響應(yīng)快:光電式,適于動態(tài),34,(2) 光柵式位移傳感器,1、光柵的構(gòu)造:,35,2、工作原理,(2) 光柵式位移傳感器,把兩塊柵距W 相等的光柵平行安裝,且讓它們的刻痕之間有較小的夾角時(shí),這時(shí)光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋,這種條紋稱莫爾條紋,它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列,如圖所示。,36,莫爾條紋具有如下特點(diǎn): 1.莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。光柵每移動過一個(gè)柵距W,莫爾
15、條紋就移動過一個(gè)條紋間距B。 2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為 3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。,(2) 光柵式位移傳感器,37,通過光電元件,可將莫爾條紋移動時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號,如圖所示。,(2) 光柵式位移傳感器,其電壓為:,38,將此電壓信號放大、整形變換為方波,經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號,再經(jīng)辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),則可用數(shù)字形式顯示出位移量,位移量等于脈沖與柵距乘積。測量分辨率等于柵距。,(2) 光柵式位移傳感器,39,2、非接觸式線位移測量:,(1) 電容位移傳感器:,原理:位移 極板移動極距變化電容變化,特點(diǎn):,范圍:測
16、量微位移(1mm),初始電容量:,分辨力極高:位移1nm 動極板質(zhì)量小,慣性小,動態(tài)響應(yīng)好; 非接觸,自身發(fā)熱和功耗?。?非線性嚴(yán)重,40,(2) 電渦流位移傳感器,原理:,交變電流I1,傳感器線圈,被測導(dǎo)體,交變磁場H1,電渦流I2,交變磁場H2,參數(shù)變化,輸出信號,線圈與導(dǎo)體距離變化 電感、阻抗、品質(zhì)因數(shù)等變化 - 輸出信號,特點(diǎn):不受液體、油污、灰塵等介質(zhì)的影響 測量范圍有限:僅適于近距離測試 數(shù)百毫米 非線性,精度不高 體積大,功耗高,41,(3) 激光位移傳感器,原理:,構(gòu)成:激光器:發(fā)射激光束 發(fā)射端鏡頭:準(zhǔn)直、匯聚 接收端鏡頭:成像 接收器:光電轉(zhuǎn)換(CCD, PSD),特點(diǎn):測
17、量精度高(0.03),分辨率高(0.005)。 與被測體無關(guān)(軟硬、顏色、冷熱、材料) 量程可達(dá)數(shù)十厘米。,傳感器探頭發(fā)射出的激光,通過特殊的透鏡被匯聚成一個(gè)直徑極小的光束,此光束被測量表面漫反射到一個(gè)分辨率極高的CCD或PSD探測器上,通過CCD或PSD所感應(yīng)到光束位置的不同,精確測量被測物體位置變化。,42,43,二、距離測量,1、飛行時(shí)間測距,被測距離:,c - 光速 t - 往返飛行時(shí)間,原理:,特點(diǎn):對時(shí)間測量精度要求高,適于測量超長距離,激光器發(fā)出單個(gè)激光脈沖, 并返回發(fā)射端接收,應(yīng)用:建筑測繪、橋梁監(jiān)測、軍事探測、野外勘探、天體測量,44,2、相位差測距,被測距離:,c-光速 f
18、0-頻率 -相位差,特點(diǎn):測量精度高, 測量范圍大(中短距離),應(yīng)用:相機(jī)自動對焦 建筑測繪、 軍用目標(biāo),原理:激光器發(fā)出連續(xù)激光脈沖 返回發(fā)射端接收,二、距離測量,45,第五章 長度測量技術(shù),第一節(jié) 長度檢測概述 第二節(jié) 尺寸測量 第三節(jié) 形位誤差測量 第四節(jié) 表面粗糙度測量 第五節(jié) 線位移與距離測量 第六節(jié) 物位檢測技術(shù) 第七節(jié) 納米測量技術(shù),46,1、 壓力式液位計(jì),原理:液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比,(a) 壓力表式液位計(jì),測量開口容器液位高度的壓力式液位計(jì),(b)法蘭式液位變送器 (隔膜式電容壓力傳感器 ),47,對于密閉容器中的液位測量,還可用差壓法進(jìn)行測量,消除液面
19、上部氣壓及氣壓波動對示值的影響。,差壓式液位計(jì),48,2. 鋼帶浮子式液位計(jì),右圖為直讀式鋼帶浮子式液位計(jì),這是一種最簡單的液位計(jì);,浮子做成空心剛體,使它在平衡時(shí)能夠浮于液面。當(dāng)液位高度發(fā)生變化時(shí),浮子就會跟隨液面上下移動。因此測出浮子的位移就可知液位變化量。,49,3、電容式物位計(jì),同心圓柱式電容器,R、r外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外徑,50,3、電容式物位計(jì),大致可分成三種工作方式,棒狀電極 導(dǎo)電容器 物料非導(dǎo)電液體,整體絕緣探頭 導(dǎo)電容器 物料為導(dǎo)電性液體 變面積型電容器,具有內(nèi)外電極的管式電極 非金屬容器,物料為非導(dǎo)電性液體,51,4、超聲波物位計(jì),可測量液體及粒狀松散并含有大量氣體的被測材
20、料。,52,5、雷達(dá)物位計(jì),雷達(dá)物位計(jì)也采用發(fā)射反射接收的工作模式。 雷達(dá)物位計(jì)的天線發(fā)射出電磁波,這些波經(jīng)被測對象表面反射后,再被天線接收,電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間與到液面的距離成正比。,D雷達(dá)物位計(jì)到表面的距離 C光速 T電磁波運(yùn)行時(shí)間,采用一體化設(shè)計(jì),無可動部件,不存在機(jī)械磨損,使用壽命長; 幾乎可以測量所有介質(zhì); 采用非接觸式測量,不受槽內(nèi)物體的密度、濃度等物理特性的影響; 測量范圍大,最大可達(dá)035m,可用于高溫、高壓的液位測量。,D=CT/2,53,第五章 長度測量技術(shù),第一節(jié) 長度檢測概述 第二節(jié) 尺寸測量 第三節(jié) 形位誤差測量 第四節(jié) 表面粗糙度測量 第五節(jié) 線位移與距離測量 第六節(jié) 物位檢測技術(shù) 第七節(jié) 納米測量技術(shù),54,第七節(jié) 納米測量技術(shù),定義:尺度為0.01nm-100nm的測量技術(shù)。 一、掃描隧道顯微鏡(STM) 1981年,IBM公司蘇黎世
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