基于数字微镜原理的砂轮表面复杂形貌跨尺度三维测量理论与方法

The 3D surface topography of grinding wheel is essential for precision grinding processing but there is a nearly insurmountable issue in 3D surface topography measurement of grinding wheel, that is the contradiction between high resolution measurement for characteristics of grain and large field measurement for relationships among grains..Multi-scale 3D measurement theory and method for complex surface topography of grinding wheel based on Digital Micromirror Device (DMD) principle will be researched in this project. It will help achieve large field and high resolution measurement for surface topography of grinding wheel, and this improvement will be without any change of parameters of measuring device, and also without any modeling process for complex surface topography of grinding wheel. The main researches can be summarized as follows:.(1) Control method and scanning strategy of DMD-based structured light will be researched, and some technologies of super-resolution measurement and contour extraction for grains will be studied, then a theoretical multi-scale measurement model will be established..(2) Flexible illuminating method for surface of grinding wheel will be researched, which can help solve 'measuring problem for surface topography with large tilt angle', 'reflection characteristics differences of multi points in the field of view', and other common problems in optical measurements..(3) Multi-scale image processing methods will be studied, and a multi-scale error model will be established; measuring data fusion method will be researched, and the results will be evaluated via experiments..The multi-scale 3D measurement method for complex surface topography of grinding wheel based on DMD principle will be proposed in this project, and the researches can provide novel theoretical basis and technical supports for high precision and efficiency curved surfaces precision machining technology and other related precision measurement fields.

砂轮表面的三维形貌特征对精密磨削过程起着至关重要的作用，目前砂轮表面的三维形貌测量存在着磨粒形貌高分辨测量和磨粒群分布大视场描绘难以同时满足的矛盾。.本项目研究基于数字微镜原理的砂轮表面复杂形貌跨尺度三维测量理论与方法，无需借助测量装置硬件参数的任何改变，亦无需对砂轮表面复杂形貌建模，可实现对砂轮表面形貌的大视场高分辨测量。研究内容包括：.1、研究DMD结构光控制方法、扫描策略，及针对磨粒的超分辨技术与磨粒轮廓快速提取方法，建立DMD跨尺度测量理论模型；.2、研究砂轮表面柔性化照明方法，解决磨粒反光特性造成的光学测量共性难题；.3、研究多尺度图像处理方法，建立多测量尺度误差模型，研究数据融合方法，并通过实验手段对结果进行验证和评价。.本项目的研究，拟提出基于数字微镜原理的砂轮表面复杂形貌跨尺度三维测量方法，可为高效、高精度曲面精密加工技术及相关精密测量领域提供一项新的理论依据和技术支撑。

准确地获取砂轮表面的三维形貌特征是精密磨削领域的重要研究内容，它不仅可以提高人们对砂轮磨削机理的认识，更是数字化磨削中设计-加工-测量一体化闭环制造的重要组成部分，对磨削过程的建模、仿真、预测、优化产生重要的积极意义，同时也可为其他精密加工工艺中刀具的三维形貌特征测量方法提供参考。.本项目通过理论与仿真分析，自主研发并建立了基于数字微镜器件的共焦测量实验平台，并在此实验平台上发展了基于数字微镜原理的砂轮表面复杂形貌跨尺度三维测量理论与方法，利用数字微镜器件良好的可控性，无需借助测量装置硬件的任何转换或改变，亦无需对砂轮表面的复杂形貌进行建模，通过形成用于不同尺度测量需求的柔性化空间结构光，实现对砂轮磨粒表面轮廓和磨粒间位置关系，以及砂轮表面轮廓等参数的跨尺度测量。较好地解决了数字化结构光对被测物表面的柔性化照明问题，以及针对被测物面的超分辨测量及磨粒轮廓快速提取等关键科学技术问题。项目整体研究内容及相关成果包括：.1、基于数字微镜器件的结构光参数控制方法及扫描策略研究.理论研究了数字微镜器件的反射和衍射模型，建立了数字微镜器件结构光的控制方法，利用所编制的软件，能够产生稳定、柔性的结构光；还研究了数字微镜器件结构光的扫描策略，对比了两种扫描方式的优劣。通过对数字微镜器件结构光控制方法和扫描策略的研究，建立了较完善的数字微镜器件调制模型，结合共焦测量技术，建立了基于数字微镜器件的并行共焦技术的理论模型和实验平台。.2、被测物表面柔性化照明系统与方法研究.利用数字微镜器件设计了区域化照明方案，只对所关心的区域进行局部照明，理论分析表明，该照明方案有效排除了杂散光的干扰，提高了图像对比度及边缘辨识能力，改善了图像质量；设计了相关对比实验，通过测试数据研究了结构光参数对于柔性化照明的影响，根据理论分析和实验结果，选择了合适的结构光参数。.3、多尺度图像处理方法与数据融合方法研究.构建了基于数字微镜器件的并行共焦测量实验平台，利用量块作为被测物，对实验平台的分辨率进行了标定；以硬币为测量对象，通过实验验证了所提出的柔性化照明方法；最后，以砂轮以及砂轮表面的磨粒为对象，研究了多尺度下的图像处理算法及评价方法。.通过本项目的研究，建立了基于数字微镜原理的砂轮表面复杂形貌跨尺度三维测量方法，为精密加工中的高精度曲面测量领域提供了新的理论依据和技术支撑。