超精密加工原位测量中异类光学传感器融合关键技术的研究

光学自由曲面等复杂曲面零件的超精密加工技术已成为国防和现代高科技领域的前沿研究方向。超精密原位测量和误差评定方法是提高超精密加工零件的尺寸、形状精度及表面粗糙度的基础，也是实现复杂曲面零件表面完整性控制和评价的关键技术环节。本项目提出了一种基于多尺度异类光学传感器融合技术且适用于纳米级超精密加工的非接触原位测量方法，使用该方法可以在大测量范围内对复杂曲面零件进行纳米级精度的扫描测量，且不接触加工零件表面，测量速度快。为了实现这种方法，将具有高清编码图像投影功能的视觉检测单元和白光干涉测量单元融合于同一纳米级运动控制平台，并研究了系统实现中的关键技术，主要包括：多传感器融合测量系统的高精度非线性坐标变换，多目标动态系统全局优化设计，异类光学传感器海量数据融合和性能评估方法，以及测量系统的误差分析与补偿技术等。研究成果能够为复杂曲面零件的超精密加工非接触原位测量提供一种新的技术途径。

高反射曲面零件的超精密加工技术已成为国防和现代高科技领域的前沿研究方向，准确测量和评价超精密加工高反射曲面零件的三维形貌，研究表面几何特性与使用性能的关系，对提高加工表面的质量和产品性能具有重要的意义。现有的接触式测量方法具有测量速度慢、易划伤测量表面的缺点，而单一的光学非接触测量方法难以完成对大面形或曲率较大的高反射曲面零件三维形貌的高精度测量。本项目创新性地提出了将光栅相位偏折测量技术和白光扫描干涉测量技术相结合的异类光学传感器融合测量方法，实现了超精密加工高反射曲面三维形貌的高精度非接触测量。课题的主要研究工作包括：(1) 提出融合光栅相位偏折测量方法和白光扫描干涉测量技术的超精密加工高反射曲面光学非接触三维形貌测量方法，并完成了测量系统的设计。 (2) 光栅相位偏折测量方法中，在深入研究光栅编码方案和相位提取算法的基础上，提出了一种结合摄动光栅的调制度排序相位展开算法。 (3) 采用基于运动靶标的标定方法，完成了对摄像机内参数的高精度标定。 (4) 在光栅相位偏折测量方法中，提出虚拟参考面方法。 (5) 提出光栅相位偏折高反射曲面三维形貌测量模型，基于迭代策略，建立相位偏折信息与被测工件表面梯度和高度的对应关系，并进而由梯度重建工件三维形貌。 (6) 完成了白光扫描干涉测量子系统的搭建以及白光干涉测量子系统的现场标定，分析了多目标动态系统的路径规划，实现了光学曲面局部特定区域的三维形貌测量。