基于光谱共聚焦的厚度和表面形貌检测技术研究
这是一篇关于光谱共聚焦,厚度测量,表面形貌,固着水滴,三维测量的论文, 主要内容为光谱共聚焦技术是一种基于色差编码的共聚焦光谱传感技术,具有非接触、测量精度高、检测速度快、分辨率高、系统简单、体积相对较小等优点,被广泛应用于位移测量、厚度测量、表面形貌检测和亚毫米深度生物组织检测等领域。光谱共聚焦技术利用多波长色散替代传统单色激光共聚焦技术测量过程中的轴向扫描,这对于高度或厚度持续变化的物体的动态监测来说具有天然的优势。但在使用光谱共聚焦技术测量厚度和表面形貌的过程中,仍然存在诸多问题,比如测量系统的设计与优化问题、厚度测量误差问题和表面形貌测量误差问题。针对这些问题,本文论述了光纤光谱共聚焦测量系统的设计和搭建过程,为系统的设计和优化提供参考。利用搭建的系统对不同环境下的固着水滴蒸发过程进行监测,并提出球冠模型来校正固着水滴透镜效应引起的厚度误差,为厚度测量误差问题的解决提供方法。在水滴蒸发监测系统的基础上增加横向二维电控扫描模块,使其同时具有测量表面形貌的功能,并对表面形貌测量中存在的光学伪影、表面倾斜、高度测量误差等测量误差开展了研究分析并提出算法进行校正,为表面形貌测量误差问题的解决提供策略。这些研究对拓展光谱共聚焦的应用前景、开发新的厚度动态监测技术和发展高精度的表面形貌测量技术有重要意义。本文的主要研究内容及成果如下:1.针对光谱共聚焦测量系统的器件参数选择问题,提出了一个共焦光谱模型来研究分析光源、光纤、透镜等光学组件对光谱共聚焦测量系统的影响,为光谱共聚焦测量系统的器件参数选择提供指导。针对光谱共聚焦测量系统测量玻璃、水等弱反射样品时存在的低信噪比问题,采用APC(Angled Physical Contact)端面光纤替代常用的PC(Physical Contact)端面光纤,提高了光谱共聚焦测量系统的测量信噪比。针对系统中色散探头的设计问题,论述了利用ZEMAX设计色散探头的具体设计思路和过程,为设计和优化新的色散探头提供参考。针对光谱峰值波长的提取问题,提出了一种分段阈值抛物线拟合法来提取光谱的峰值波长的算法,该算法保持了常用的高斯、抛物线等拟合算法的准确性和稳定性,并可实现常用拟合算法难以处理的多峰值波长提取。在完成器件选参和色散探头设计的基础上,搭建了一套光纤光谱共聚焦测量系统。实验标定的结果显示该系统在435～683 nm的波长范围内的量程为1.52 mm,轴向测量精度为0.25 μm,该系统的测量性能优于部分学者所设计系统的测量性能,说明提出的方法能够有效解决搭建系统过程中遇到的具体问题。2.提出了基于波像差最小化的平行平板模型对基于边缘光线追迹的平行平板模型进行了校正,通过测量盖玻片的厚度并与电镜测量的结果进行对比,证明了提出的校正方法能够有效提高厚度测量结果的准确性。利用光谱共聚焦测量系统测量了固着水滴在不同环境下的蒸发过程,针对固着水滴透镜效应引起的厚度测量误差,在平行平板模型的基础上提出了球冠模型进行校正,并利用球冠模型计算得到固着水滴接触角随时间的变化,展现了光谱共聚焦在液体的动态监测方面的应用潜力。3.利用LabVIEW开发了一个二维电控扫描平台与光谱仪联合控制程序用于物体表面形貌的测量,实验测量了硬币、凹球面反射镜等样品的表面形貌,结合ZEMAX计算得到的归一化响应光谱对表面形貌测量中出现的光学伪影、表面倾斜、高度测量误差进行了分析。针对光学伪影,通过设置测量盲区识别程序进行消除。针对表面倾斜,通过分别计算X方向和Y方向的倾斜系数进行消除。针对高度测量误差,可以通过测量标准样品,获得一个与倾斜角度以及波长相关的误差表进行校正。这些误差处理方法推动了基于光谱共聚焦的高精度表面形貌测量技术的发展。
基于光谱共聚焦的厚度和表面形貌检测技术研究
这是一篇关于光谱共聚焦,厚度测量,表面形貌,固着水滴,三维测量的论文, 主要内容为光谱共聚焦技术是一种基于色差编码的共聚焦光谱传感技术,具有非接触、测量精度高、检测速度快、分辨率高、系统简单、体积相对较小等优点,被广泛应用于位移测量、厚度测量、表面形貌检测和亚毫米深度生物组织检测等领域。光谱共聚焦技术利用多波长色散替代传统单色激光共聚焦技术测量过程中的轴向扫描,这对于高度或厚度持续变化的物体的动态监测来说具有天然的优势。但在使用光谱共聚焦技术测量厚度和表面形貌的过程中,仍然存在诸多问题,比如测量系统的设计与优化问题、厚度测量误差问题和表面形貌测量误差问题。针对这些问题,本文论述了光纤光谱共聚焦测量系统的设计和搭建过程,为系统的设计和优化提供参考。利用搭建的系统对不同环境下的固着水滴蒸发过程进行监测,并提出球冠模型来校正固着水滴透镜效应引起的厚度误差,为厚度测量误差问题的解决提供方法。在水滴蒸发监测系统的基础上增加横向二维电控扫描模块,使其同时具有测量表面形貌的功能,并对表面形貌测量中存在的光学伪影、表面倾斜、高度测量误差等测量误差开展了研究分析并提出算法进行校正,为表面形貌测量误差问题的解决提供策略。这些研究对拓展光谱共聚焦的应用前景、开发新的厚度动态监测技术和发展高精度的表面形貌测量技术有重要意义。本文的主要研究内容及成果如下:1.针对光谱共聚焦测量系统的器件参数选择问题,提出了一个共焦光谱模型来研究分析光源、光纤、透镜等光学组件对光谱共聚焦测量系统的影响,为光谱共聚焦测量系统的器件参数选择提供指导。针对光谱共聚焦测量系统测量玻璃、水等弱反射样品时存在的低信噪比问题,采用APC(Angled Physical Contact)端面光纤替代常用的PC(Physical Contact)端面光纤,提高了光谱共聚焦测量系统的测量信噪比。针对系统中色散探头的设计问题,论述了利用ZEMAX设计色散探头的具体设计思路和过程,为设计和优化新的色散探头提供参考。针对光谱峰值波长的提取问题,提出了一种分段阈值抛物线拟合法来提取光谱的峰值波长的算法,该算法保持了常用的高斯、抛物线等拟合算法的准确性和稳定性,并可实现常用拟合算法难以处理的多峰值波长提取。在完成器件选参和色散探头设计的基础上,搭建了一套光纤光谱共聚焦测量系统。实验标定的结果显示该系统在435～683 nm的波长范围内的量程为1.52 mm,轴向测量精度为0.25 μm,该系统的测量性能优于部分学者所设计系统的测量性能,说明提出的方法能够有效解决搭建系统过程中遇到的具体问题。2.提出了基于波像差最小化的平行平板模型对基于边缘光线追迹的平行平板模型进行了校正,通过测量盖玻片的厚度并与电镜测量的结果进行对比,证明了提出的校正方法能够有效提高厚度测量结果的准确性。利用光谱共聚焦测量系统测量了固着水滴在不同环境下的蒸发过程,针对固着水滴透镜效应引起的厚度测量误差,在平行平板模型的基础上提出了球冠模型进行校正,并利用球冠模型计算得到固着水滴接触角随时间的变化,展现了光谱共聚焦在液体的动态监测方面的应用潜力。3.利用LabVIEW开发了一个二维电控扫描平台与光谱仪联合控制程序用于物体表面形貌的测量,实验测量了硬币、凹球面反射镜等样品的表面形貌,结合ZEMAX计算得到的归一化响应光谱对表面形貌测量中出现的光学伪影、表面倾斜、高度测量误差进行了分析。针对光学伪影,通过设置测量盲区识别程序进行消除。针对表面倾斜,通过分别计算X方向和Y方向的倾斜系数进行消除。针对高度测量误差,可以通过测量标准样品,获得一个与倾斜角度以及波长相关的误差表进行校正。这些误差处理方法推动了基于光谱共聚焦的高精度表面形貌测量技术的发展。
基于HoloLens的三维测量混合现实系统的设计与开发
这是一篇关于混合现实,实验教学,三维测量,HoloLens的论文, 主要内容为混合现实(Mixed Reality,MR)是虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术的升级,通过在虚拟环境中引入现实场景信息,搭建了虚拟世界、现实世界和用户之间交互反馈的信息桥梁,打破了真实世界与虚拟世界的界限,拓展了人们对虚拟世界的认知,给各个行业的发展都带来了巨大的影响。在实验教学方面存在学生人数过多、配套的实验设备数量有限、实验教学时间较短的问题,严重影响了教学质量。虽然有不少国内外学者将虚拟现实应用在实验教学中,开发出了虚拟实验室,解决了一些传统实验教学存在的问题,但虚拟现实呈现的是完全虚拟的世界,不能与真实设备进行交互。而混合现实将虚拟物体与现实世界相结合,并具备多种交互方式,可以尽可能还原实际实验的过程。因此,本文将混合现实与三维测量实验设备相结合,开发了三维测量混合现实实验系统,这种虚实结合的实验教学系统不仅能弥补传统实验教学的不足,还能提高学生的学习兴趣。本文主要工作包括:1.总结实验教学存在的问题,探讨混合现实在国内外教育教学中的应用,分析混合现实的优势,明确了混合现实应用在实验教学中的意义。2.利用不同的建模工具制作了实验所需的仪器模型,对模型优化算法边塌陷法进行了研究,并利用其对所建模型进行了优化,提升了系统运行时的流畅性。3.使用烘焙、调节相机设置等相关的优化手段,对三维测量系统在HoloLens运行中的流畅性进行了优化,并对系统进行了相关的测试。4.对包围盒碰撞算法进行了详细研究,并将其应用在系统中,实现测量点的选择和系统的开发。设计并实现了多种人机交互方式,并且通过凝视配合语音指令的方式,完成测量点的选择。还对语音指令进行了测试,能满足实际需求。5.设计并实现了三维测量混合现实系统。通过手势交互可以了解设备的结构和作用,能与实验模型进行手势交互,还能根据虚拟按钮的交互提示进行三维测量实验,完成系统标定、被测物体图片采集、物体的三维重构以及选点并显示测量长度等实验步骤。针对实际的实验课程开发了理论知识学习模块。通过对系统的应用反馈,证实本系统在提高学生学习效果上有一定的作用。
基于立体视觉的翻领成型器焊接机器人系统研究
这是一篇关于焊接机器人,翻领成型器,线激光视觉,三维测量,自动编程的论文, 主要内容为翻领成型器是立式包装机上制袋成型的关键零部件,其制造精度直接影响立式包装机的包装速度、包装形式和包装质量。当前翻领成型器的焊接主要依靠人工完成,焊接质量高度依赖焊工的经验,产品一致性难以保证,因此研发一款翻领成型器焊接机器人系统是相关企业实现自动化升级的切实需求。本文针对翻领成型器的自动化焊接自主设计了一套焊接机器人系统,主要研究内容与结论如下:(1)根据翻领成型器的焊接需求,设计了一套翻领成型器焊接机器人系统。首先分析了翻领成型器的焊接需求,并根据焊接需求设计了翻领成型器焊接机器人系统的总体方案,包括自主设计了一套工装夹具以实现翻领成型器的快速高精度装夹定位;采用六自由度协作机械臂加单自由度变位机的焊接机器人构型以确保焊炬位姿的可达性;确定了线激光单目视觉的立体视觉测量方法以实现实际待焊件的表面测量和焊缝测量方案。最后,根据总体方案完成了焊接机器人系统的硬件设计和软件设计,硬件部分完成了选型、模块间通讯设计以及系统氩弧焊抗干扰设计;软件部分确定了整体架构并完成了控制软件设计。(2)研究了线激光单目立体视觉系统,通过立体视觉实现了待焊件表面的三维重建以及焊缝的预识别与三维测量。首先,建立了线激光单目立体视觉的模型,并对视觉系统进行了标定。然后,研究了线激光图像处理的相关算法,通过提出的改进多阈值激光条纹区域分割算法、多尺度自适应激光条纹中心提取算法以及基于最大确定性推演的反光干扰去除算法实现了激光条纹中心的准确提取。接着,通过统计滤波、体素栅格滤波实现了点云的离群点剔除和降采样。最后,利用待焊点的角点特征,结合基于卡尔曼滤波的待焊点区域预测实现了焊缝的预识别与三维测量。(3)研究了翻领成型器焊接机器人的自动编程系统。首先,基于D-H参数法建立了六轴机械臂和变位机的运动学模型,并将各设备的运动学模型相互关联,建立了复杂空间曲面焊接的运动学模型。然后,为解决复杂空间曲线轨迹难以精确捕获的问题,引入NURBS曲线对三维点云描述的轨迹进行光顺逼近,相较于传统插值方法,可获得更光顺、更接近原始轨迹的曲线。最后,研究了焊接过程的轨迹规划,并实现了基于四元数球面线性插值的空间曲面焊接姿态插补。(4)搭建了翻领成型器焊接机器人系统并进行了相关实验验证。首先,搭建了翻领成型器焊接机器人系统硬件平台和软件系统,实现了读入三维点云文件以自动生成焊接作业文件、机器人等设备的手动控制与三维可视化运动仿真等功能。然后,分别对线激光单目立体视觉系统和自动编程系统进行了实验测试。测试结果表明,线激光单目立体视觉系统对标准量块的Z轴测量误差小于0.088 mm,自动编程系统各项功能正常,符合设计预期。最后,通过工艺试验探究了焊接的工艺参数,并进行了自动焊接实验。实验结果表明,系统能够实现翻领成型器的各项焊接动作,符合设计预期。
面向TWS耳机设计的外耳形态分类研究
这是一篇关于外耳形态分类,统计形状建模,聚类分析,TWS耳机设计,三维测量的论文, 主要内容为功能多样的可穿戴产品已覆盖了人们的日常生活,消费者的产品选购依据也从功能导向逐步转为舒适导向,这要求与人体有直接物理接触的可穿戴产品造型需要符合人体形态。对外耳可穿戴产品来说,产品的适配性是其功能性和舒适性的重要保证,而外耳的复杂性为相关产品的设计带来了极大挑战。因此,本文以外耳为研究对象,以模型配准技术、统计形状建模技术、聚类分析技术为主要研究方法,旨在研究耳甲腔和耳道曲面形态的变化规律,挖掘其分类模式,从而为TWS耳机设计提供人因支撑。论文的主要技术路线及研究成果为:(1)提出基于模板的外耳模型配准方法,并生成耳甲腔和耳道形状模型库。为方便对点云分布不均匀的原始外耳模型进行后续形状分析,使用基于模板的非刚性配准方法将外耳模型进行网格配准。通过刚性变换消除形状变化之外的影响,对模板模型进行网格重构使6657个顶点均匀分布,应用有界双调和权重计算权重(BBW)的线性混合蒙皮(LBS)技术和非刚性迭代最近点(NICP)算法进行外耳配准。最后得到具有1157个具有密集点点对应关系的形状模型。(2)对耳甲腔和耳道形状模型库进行统计形状建模,研究变化规律。依据形状模型库,使用主成分分析(PCA)方法对模型顶点矩阵进行统计形状分析,从1157个样本共6657*3个数据维度中抽取15个主成分代表外耳形态变化的主要模式;通过平均模型和主成分向量计算生成可视化统计形状模型(SSM);以相关性分析和偏差分析量化外耳的形状变化,解释其变化模式。(3)基于主成分得分对外耳K-means++划分,研究分类模式。使用K-means++算法基于主成分得分进行聚类分析,依据DBI和SSE两个聚类评价指标和大规模生产制造的需求将18-65岁中国成年人共1157个样本划分为4类,通过距离聚类中心最近的5个样本生成对应聚类的平均模型和相关特征,代表该聚类的外耳形态特征。通过组内和组间的偏差分析结果验证分类的可靠性。(4)应用形态研究结果,以入耳式耳机为例进行设计探讨。依据入耳式耳机特性进行针对性研究。首先提取平均模型的耳道入口特征进行拟合和数据分析,为入耳式耳机的耳塞设计提供了标准和依据;然后应用聚类平均模型和SSM形态特征作为约束,进行入耳式耳机优化设计和佩戴实验。本研究首次以耳甲腔和耳道区域研究复杂外耳的变化规律和分类模式,且模型样本量和采样精度均保证了中国人口学代表性,为TWS耳机的设计及大批量生产制造提供人因研究基础和设计指导。
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