深孔类零件,包括轴承、气缸、液压缸和火炮身管等,在汽车工业和国防工业等领域有着广泛且重要的应用。深孔加工是机械制造领域的难题之一,由于刀具的挠度和振动,保证直线度、圆柱度和内径公差十分困难。同时,深孔类零件常常用于轴孔配合中,通常面临较严峻的磨损、振动和热环境,因此其内壁容易发生裂纹等缺陷,从而进一步影响零部件的密封和运动性能。因此,深孔内表面的形状误差、尺寸误差和缺陷情况的检测对该类零件的质量控制和故障诊断有着十分重要的意义。同时,由于深孔的特殊性质,其内表面检测还存在很多困难,因此成为了仪器科学领域的研究难点和热点。首先,深孔零件内表面的直径较小且待测表面是封闭的,要求检测设备结构紧凑直径小,因此诸如线结构光投影等已经得到广泛应用的面形测量技术由于设备难以布置而不能胜任。其次,深孔尤其是轴孔配合中的孔内壁上任一点的缺陷和误差都可能导致零件失效,因此需要测量手段有非常高的测点密度和测量效率以实现全场测量,这使得三坐标测量机和百分表等离散点测量技术也不适用。进一步来说,几乎所有的接触式测量技术都因为较低的测量效率而不适用。最后,影响深孔工作性能的内壁参数非常多,包括内径等尺寸误差、直线度和圆柱度等形状误差以及各种缺陷。同时得到这些参数的最好方法即是得到内壁的高精度高分辨三维面形,并从三维点云中提取出各项关键信息,因此,一套实用的深孔内壁检测技术还需要拥有三维测量能力。为了同时满足深孔内壁检测中的结构紧凑、全场测量能力和三维测量能力这些要求,本文结合激光三角法和数字摄影测量技术提出了一种基于圆结构光的深孔内壁三维测量系统。该系统的测量原理为:激光束经锥面镜反射后形成圆结构光,结构光的传播路径为圆锥面或平面,同深孔内壁相交形成光环并被CCD相机拍摄;基于光学三角法,从结构光几何参数、相机参数和光环上点的图像坐标获得内壁点的三维坐标;检测器进深运动对内表面进行扫描,并将所有扫描点的局部坐标统一到全局坐标系下以获得完整的内壁三维点云数据;采用本文提出的多种点云数据处理算法,从三维点云中提取出尺寸误差、形状误差和缺陷等信息。为完成上述原理的测量,首先要建立整个结构光测量系统的数学模型。本文对相机的成像模型、像差模型和标定算法进行了研究,针对系统的特点对张正友平面模板标定法进行了改进,改用圆形标记点的标定板并使用综合考虑径向和切向畸变的像差模型;本文同时研究了圆结构光发生器的各项误差,得到了考虑多种安装误差的结构光数学表达式;为了得到多自由度的系统数学模型中的各项参数,本文提出了基于双目视觉的圆结构光标定算法。该方法灵活方便,对标定设备的要求低,能够实现圆结构光的高精度多参数标定。在经过改进后,该方法也能对线结构光表面扫描系统进行准确标定。本文还对三维点云的数据处理进行了研究,主要包括基于三维点云的形状误差评定和基于点云配准的分段扫描方法。针对深孔零件的形状误差评定,提出了基于迭代几何优化的圆柱度评定算法和基于计算几何判据的空间直线度评定算法,以较低的计算代价完成了符合国标定义的形状误差评定。基于点云配准的分段扫描算法降低了系统扫描长度对滚珠丝杠行程的依赖性,扩展了其在大长度深孔测量中的应用。最后,本文实现了全系统的结构设计、硬件选型和搭建。在搭建的系统上进行了内径测量、圆柱度及直线度评定以及内壁缺陷检测等实验。实验结果证明,本文搭建的系统以及提出的各项算法能够准确有效地实现深孔内壁各项几何参数的测量与评定。