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像点比较仪改造方法研究

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摘要针对老旧计量仪器像点比较仪利用CCD视觉系统技术取代了原目视瞄准与测量系统以高分辨率处理技术代替原复杂落后的机械电子式光栅数显修正装置图像识别与自动采样、数据处理软件实现计算机辅助测量与评定提高了仪器测量重复性和测量效率。

关键词像点瞄准;位移基准系统;误差补偿

引言

像点比较仪也称阿贝测量仪它是利用光学像点原理进行非接触瞄准并且测量轴线位于标尺轴线延长线上符合阿贝原则设计的高精度测量仪。其定位瞄准是像点影像直接反映工件的工作面可对被测件尺寸区域的任一截面进行测量。像点比较仪主要用来测量高精度要求的通孔直径特别是小孔直径、小槽、缝隙等精密尺寸也可对圆柱外径、平行平面的间距等长度尺寸进行高精度的绝对测量。

该像点比较仪为二十世纪七十年代购买其位移基准装置和电子位移计数系统结构复杂随着使用年限的增加故障频繁发生。尽管电气元件严重老化但其机械结构、传动系统仍体现着德国制造的优势为了发挥该台仪器的余热有必要对其进行技术改造使其能够继续开展量值传递和计量检测工作。

1像点生成与瞄准系统研究与应用

像點瞄准是测量误差的重要来源之一。该机像点瞄准靠人工目视完成存在人为视觉误差并且瞄准效率极低极易导致视觉疲劳而影响测量效率和准确度。为此利用CCD图像处理技术研究像点生成系统以及CCD自动识别与自动瞄准的工程化应用实现快速自动瞄准采样[1]。

如图1所示光源发出的光束通过聚光镜照到分划板上的十字线A上经投影物镜O1使A点成像于瞄准物镜O2的物点A1上然后A1由物镜O2成像于双刻线分划板上的双刻线之间的A2上。当通过移动工作台使被测工件进入视场但不与光轴重合时成像系统内不仅看见像A2还看见来自被测量表面的反射像当被测工作的孔径面与光轴重合时A2的反射像就与A2重合通过图像处理测量面的位置就可精确确定对被测孔径两次进行瞄准定位两次读数之差即为被测孔径尺寸。

拆除原瞄准用光学镜头组件代之以研究设计的CCD图像识别系统通过与之配套开发的图像处理软件实现像点自动瞄准从而避免人为目视瞄准的误差使瞄准重复性达到0.2μm。（如图2）

2位移基准系统的数字化研究

位移基准系统是尺寸测量的位置基准。原位移基准为专用玻璃光栅附带机械电子式实时误差修正系统误差信号采用模拟控制实现修正。位移计数系统采用光电式传感器模拟信号放大板卡电子细分板卡、计数器板卡、译码显示等组成属结构复杂的全硬件电路板卡及电子元器件繁多故障频繁发生。研究采用新型光栅技术高集成度、高分辨力光栅位移系统与电脑集成以及软件修正技术等替代原位移基准装置、物理式误差修正等落后系统实现全电脑测量控制确保其位移测量不确定度符合原指标的前提下大大提高仪器的测量效率和工作稳定性[2]。（如图3）

3位移到瞄准再到报告生成的全数字化集成

3.1数字化系统流程

原设备仅具备位移实时显示功能无数据采集、数据处理、报告输出等功能需人工抄数、计算、编写报告改造后采用适用的图像识别与自动采样、数据处理软件实现计算机辅助测量与评定并自动输出检测报告系统流程图见图4从而提高测量重复性和测量效率。同时应用现代计算机及软件技术实现长度示值的补偿处理示值精度进一步提高测量功能进一步扩展使工件的找正及采点更加精确、迅速实现智能化测量消除人为因素影响保证测量精度减小工作人员的劳动强度提高劳动效率。

图像测量软件是整套系统的核心主要包括图像采集显示模块、图像处理模块、数据运算存储模块以及视觉测量系统的调焦模块、标定模块等几部分采用VC++6.0和MAn.AB混合编程利用VC++6.0语言实现有关图像的处理算法编程同时利用MATLAB强大的计算功能用于对数据拟合的运算充分利用了两种语言的优势提高了软件的处理速度和稳定性。

3.2影像视场的标定

对测量影像视场的标定就是要确定影像视场所反应的实际物面的大小。而确定影像视场所反应实际物面的大小需要精确地将构成影像面阵单个像素的当量值（即单位长度）测定出来这一过程被设计在配套软件中只需调用相应软件功能完成相应操作即可。

视场标定是对特定物镜放大倍数下物镜所反映物面的大小而言的而对视场的标定只对（自动捕捉像点位置的）测量状态具有意义。在配备有同步变焦物镜只需对最佳可重复的物镜放大状态进行标定即可。（如图5）

如上图所示变焦物镜（在尽可能大的倍率上）被调整到视场刚刚能观察到像点上下横线线头的位置来对视场进行标定。这一位置以上下横线的线头为参照在每次测量时进行物镜放大倍率的复原。

影像视场的标定是以CCD给出像素的物理尺寸结合物镜放大倍率的估计值粗算出接近的像素测量单位值先行输入至校准菜单输入栏而后通过对标准器（标准量块和标准环规）反复测量修改来完成的。

3.3像点合像位置偏置距离补偿

由于成像系统本身存在误差像点合