基于萬工顯的數(shù)字化影像測量系統(tǒng)

李在崢 林云川

（中航工業(yè)成都飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司，成都 610091）

0 引言

影像測量是工程測量的重要手段，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場及校準(zhǔn)實驗室，萬能工具顯微鏡（以下簡稱萬工顯）是影像測量技術(shù)的典型應(yīng)用[1]。它具有測量精度高、可測形狀復(fù)雜工件的優(yōu)勢，在高精度的幾何量測量中使用頻繁。

目前，成飛公司在用的各種型號的萬工顯有十幾臺，生產(chǎn)一線及校準(zhǔn)實驗室均在使用。但該種設(shè)備在幾十年的應(yīng)用過程中，依然沿用人工壓線、找正、瞄準(zhǔn)等落后的測量方式，存在測量效率低、勞動強度大等明顯不足，難以滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)機的研制需求[2-3]。

近20 多年來，數(shù)字化影像測量技術(shù)在國內(nèi)外飛速發(fā)展，已廣泛用于幾何量尺寸的測量、精密復(fù)雜零件的微尺寸測量和外形輪廓的檢測等，隨著CCD制造工藝和IC技術(shù)的完善，CCD攝像的性能越來越高，成本越來越低[4]。為此，我們提出了基于萬工顯的數(shù)字化影像測量系統(tǒng)的研究。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)由照明系統(tǒng)提供照明，經(jīng)成像系統(tǒng)將被測件的輪廓信息送人計算機，再由軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。

如圖1 示，LED燈射出的光，經(jīng)非球面聚光鏡、磨砂玻璃，通過反光鏡垂直向上反射，再經(jīng)聚光鏡形成遠心光束，照射玻璃工作臺上的被測件。由主顯微鏡物鏡將工件輪廓放大后在工業(yè)攝像面陣上成像（系統(tǒng)原理圖見圖2），圖像被轉(zhuǎn)換成視頻信號后送人計算機內(nèi)的圖像采集卡。測量軟件對采集到的圖像及儀器當(dāng)前光柵坐標(biāo)測量到的坐標(biāo)值進行處理，確定被采集點、線、弧、圓等元素的尺寸和位置，結(jié)合數(shù)學(xué)模型獲得各元素的形狀及相互關(guān)系，輸出結(jié)論。

圖1 系統(tǒng)光路圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機臺底座

為提高測量精度，本系統(tǒng)機械部分的主體部件采用失效時間較長的鑄鐵件，在縱橫向工作臺均采用高精度軸承作為支承點，使移動更加輕便。

圖2 系統(tǒng)原理圖

2.2 照明成像

因LED光源具有使用壽命長等優(yōu)點，本系統(tǒng)的透、反射光源均用其取代萬工顯的白熾光源，并且通過調(diào)節(jié)開關(guān)，實現(xiàn)對透、反射光的光照飽和度控制，保證了不同環(huán)境下的成像效果。透射光源安裝于底座內(nèi)腔中，LED燈環(huán)行布局兩圈，且均向中心偏擺11°，保證了亮度集中于被測試件上。

為實現(xiàn)二級成像，系統(tǒng)中央顯微鏡配置0.7～4.5 ×的連續(xù)變倍物鏡及1/3″彩色攝像頭，將工件成像直接傳輸?shù)綔y量計算機并顯示于顯示器中，實現(xiàn)28～180 ×的無極縮放。

2.3 調(diào)焦定位

為使調(diào)焦升降更加輕便，本系統(tǒng)在Z軸開發(fā)了配重機構(gòu)。配重塊通過鋼絲與前端升降滑塊連接，平衡升降滑塊自重，升降傳動采用無間隙無牙螺母，運動機構(gòu)采用精密P級直線導(dǎo)軌，且為滾動摩擦，導(dǎo)軌副更耐磨、穩(wěn)定，保證了Z軸的直線調(diào)焦升降。

特別指出，Z軸的直線度直接影響本系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，為保證Z軸的直線度，采用自準(zhǔn)直儀對其進行校準(zhǔn)。具體操作方法為，在物鏡前端裝一塊反光鏡，另一塊成45°角放置于工作臺面上，通過自準(zhǔn)直儀讀出整個升降系統(tǒng)在調(diào)焦行程內(nèi)的直線精度，本系統(tǒng)將Z軸全行程的直線度控制在10′以內(nèi)。

如何實現(xiàn)被測件的準(zhǔn)確快速定位，提高測量效率，也是本系統(tǒng)研究的重點。受激光跟蹤儀原理的啟發(fā)，本系統(tǒng)在物鏡旁邊設(shè)計加裝了一個微型激光器，激光器射出的細小光束照射在被測件表面形成紅色小光斑，通過此斑點可明確被測件在視頻窗口中成像點的位置，還可移動被測件使斑點快速到達下一被測點，即減少了操作強度，又提高了測量效率。

2.4 數(shù)據(jù)采集

光柵具有質(zhì)量穩(wěn)定、抗震抗污、抗干擾能力強的突出優(yōu)點，在測量儀器中得到了大量應(yīng)用。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集也是通過安裝于X、Y、Z軸的金屬光柵和Z軸安裝的MCP測座與探針實現(xiàn)的。將光柵直接貼于金屬基準(zhǔn)面上，因材料相近，與機械部分膨脹系數(shù)相差不大，受溫度影響較小，分辨力可達0.2μm。光柵在記數(shù)過程中，通過數(shù)據(jù)采集卡將X、Y、Z向的變動量輸人計算機，完成數(shù)據(jù)采集。

2.5 軟件開發(fā)及數(shù)據(jù)共享

本系統(tǒng)的研究，思在改變?nèi)f工顯落后的人工操作計量模式，與公司數(shù)字化、智能化的戰(zhàn)機制造接軌。因此，測量軟件重點研究了如何實現(xiàn)工件的智能化測量，通過軟件實現(xiàn)工件的快速找正、旋轉(zhuǎn)、置零、平移坐標(biāo)系等基本操作[5]，取代傳統(tǒng)的人工壓線，找正、瞄準(zhǔn)。測量軟件的開發(fā)設(shè)計，不僅滿足了我公司戰(zhàn)機研制過程中的特殊需求，還可實現(xiàn)復(fù)雜零件輪廓尺寸的快速測量。

為保證測量準(zhǔn)確度，本系統(tǒng)對X、Y方向的數(shù)據(jù)進行了線性及非線性修正，且形成相應(yīng)的誤差修正文件，大大提高了測量準(zhǔn)確度。

數(shù)字化、智能化是我公司的發(fā)展趨勢，本系統(tǒng)在軟件開發(fā)時也考慮到了今后與公司其它系統(tǒng)的互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及共享。因此，軟件在設(shè)計接口時，測量數(shù)據(jù)可提供dxf、doc、xls文件格式，實現(xiàn)與AutoCAD、Word、Excel的互換，測量圖片提供BMP、JPG等格式，基本滿足我公司數(shù)字化裝配后原始數(shù)據(jù)的共享需求。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 系統(tǒng)準(zhǔn)確度測試

本系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)孔板進行精度驗證。通過測量標(biāo)準(zhǔn)直徑為2.2mm的小孔，采集小孔邊緣上的5個點的坐標(biāo)值，用本系統(tǒng)專用測量軟件計算獲得的測量結(jié)果，并與利用大型投影儀獲得的結(jié)果比較，差值小于0.1μm，軟件算法的正確性得到驗證。

3.2 測量結(jié)果的不確定度評估對比

萬工顯及本系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量如表1 示。

表1 測量結(jié)果的不確定度評估對比

由表1 看出，本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的萬工顯相比，儀器本身的測量準(zhǔn)確度及重復(fù)性均有所提高。

3.3 樣板試件的測試

選取齒紋樣板、型面樣板各一件，如圖3、圖4 示，在環(huán)境溫度21℃，相對濕度64%的條件下，分別用萬工顯及本系統(tǒng)進行6 次重復(fù)測量，實驗結(jié)果見表2。

圖3 型面樣板試件圖例

圖4 齒紋樣板試件圖例

表2 試件測試結(jié)果對比

由表2 看出，利用本系統(tǒng)測量樣板，測量準(zhǔn)確度高，性能穩(wěn)定可靠，與傳統(tǒng)的萬工顯相比，省時省力，大大縮短了測量時間。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)采用CCD非接觸式測量，用工業(yè)攝像頭取代目測，用6 級縮放倍率取代了萬工顯的3 級縮放倍率，用可調(diào)照度光源取代傳統(tǒng)光源，用測量軟件取代人工測量。具有圖像采集與識別、數(shù)據(jù)交互、測量數(shù)據(jù)處理計算、測量報表生成以及報表輸出等功能。

本系統(tǒng)不僅提高了傳統(tǒng)影像測量的準(zhǔn)確度，其測量效率也得到了大幅提升。本系統(tǒng)的研發(fā)，解決了我公司戰(zhàn)機研制過程中面臨的大量檢定任務(wù)，為數(shù)字化影像測量技術(shù)在我公司的全面推廣奠定了基礎(chǔ)。