基于圖像處理的機(jī)械刻劃在位檢測裝置

石廣豐，丁健生，史國權(quán),2

（1.長春理工大學(xué)，長春 103322；2.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，蘇州 215163）

0 引言

高槽線密度的機(jī)械刻劃是一個(gè)極為精密且十分耗時(shí)的過程，刻劃期間發(fā)生的任何意外均可能導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)槽形的缺陷，致使整塊微結(jié)構(gòu)母版的制作失敗。而現(xiàn)有的微結(jié)構(gòu)槽形檢測手段，如機(jī)械刻劃衍射光柵所采用的原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡等檢測方法，均屬于離線檢測手段[1～3]；也有基于刻劃機(jī)的動態(tài)參量進(jìn)行間接表征的刻劃控制的方法[4,5]等；但對于在刻劃過程中產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)表面缺陷大都不能宏微結(jié)合地有效而形象地表征，導(dǎo)致昂貴的刻劃機(jī)與刻劃刀具消耗[6]，嚴(yán)重地浪費(fèi)了資源和時(shí)間。當(dāng)然精密刻劃機(jī)的封閉性也導(dǎo)致很難和通用檢測裝置進(jìn)行有效銜接。

本文在刻劃機(jī)上設(shè)計(jì)了一種離線圖像檢測裝置來實(shí)現(xiàn)刻劃結(jié)果的在位檢測技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)在工件表面調(diào)平基礎(chǔ)上的刻劃質(zhì)量在位檢測和監(jiān)控，進(jìn)而保證機(jī)械刻劃質(zhì)量。

1 系統(tǒng)組成

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械刻劃微結(jié)構(gòu)槽形的在位評價(jià)，設(shè)計(jì)了在位評價(jià)系統(tǒng)，整個(gè)檢測系統(tǒng)按功能劃分由四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：刻劃子系統(tǒng)、調(diào)平子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)、槽形檢測子系統(tǒng)，具體組成如圖1所示。

圖1 調(diào)平系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

刻劃子系統(tǒng)為一臺精密機(jī)械刻劃機(jī)，可實(shí)現(xiàn)X，Y，Z三個(gè)自由度的精確定位。在機(jī)床的運(yùn)動平臺上安裝了工件毛坯調(diào)平機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)刻劃和分度兩個(gè)方向的水平傾角調(diào)節(jié)，如圖2所示。在調(diào)平機(jī)構(gòu)上安裝夾具，用于固定工件毛坯。工件毛坯上方，刻劃機(jī)刀橋上安裝刻劃刀刀座和觀測顯微鏡，二者在水平方向上保持靜止，垂直方向上可各自獨(dú)立升降。其中刻劃刀刀座的升降由機(jī)床自帶的Z軸實(shí)現(xiàn)，顯微鏡的升降由額外加裝的一維運(yùn)動滑臺實(shí)現(xiàn)。通過機(jī)械刻劃機(jī)在刻劃方向的往復(fù)運(yùn)動和分度方向的單向運(yùn)動，可以使工件表面各區(qū)域逐行通過顯微鏡鏡頭，從而完成顯微鏡對整個(gè)工件微結(jié)構(gòu)表面的掃描。由于檢測與加工在同一套運(yùn)動機(jī)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)，加工好的微結(jié)構(gòu)工件不需要從刻劃機(jī)上取下既可實(shí)現(xiàn)表面微結(jié)構(gòu)形貌檢測，甚至可以邊刻邊檢，實(shí)現(xiàn)在線檢測。

圖2 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

除刻劃子系統(tǒng)運(yùn)行在刻劃機(jī)的控制計(jì)算機(jī)上以外，其余三個(gè)子系統(tǒng)的控制程序均運(yùn)行在工控機(jī)上。四個(gè)子系統(tǒng)密切相關(guān)，協(xié)同工作。其中劃刻子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其他三個(gè)子系統(tǒng)均需要刻劃子系統(tǒng)的配合才能正常工作。調(diào)平子系統(tǒng)需要圖像采集子系統(tǒng)所采集的圖像做為水平度的反饋來達(dá)到調(diào)平效果，這樣才能使工件毛坯表面各點(diǎn)在測量前具有相同的起始高度。槽形檢測子系統(tǒng)需要圖像采集子系統(tǒng)所采集的圖像做為槽形判斷的依據(jù)，同時(shí)檢測過程中還需要根據(jù)刻劃機(jī)的坐標(biāo)信息來決定采樣時(shí)機(jī)和采樣速度，當(dāng)檢測出槽形異常時(shí)還需要向刻劃機(jī)發(fā)送停止指令，使其停止刻劃。基于圖像處理的機(jī)械刻劃在位檢測裝置的系統(tǒng)硬件組成系統(tǒng)如圖2所示，軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2 實(shí)驗(yàn)裝置搭建

在已有的機(jī)械刻劃機(jī)之上，搭建了機(jī)械刻劃微結(jié)構(gòu)槽形在線檢測系統(tǒng)，如圖4所示。機(jī)械刻劃機(jī)采用氣浮導(dǎo)軌及直線電機(jī)驅(qū)動機(jī)床運(yùn)動平臺做直線運(yùn)動，分辨率5納米。電動傾斜臺由2路伺服電機(jī)及精密傾斜臺組成，可通過編程控制傾斜臺在光柵刻劃方向及分度方向進(jìn)行傾角調(diào)節(jié)，重復(fù)定位精度2″。顯微鏡及CCD攝像機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的傾角測量，其光學(xué)放大倍數(shù)為50-500倍，配合高分辨率CCD攝像機(jī)，分辨率可達(dá)84納米。受顯微鏡景深限制，系統(tǒng)工作之前必須先對傾斜臺進(jìn)行粗調(diào)，（如圖2所示）使A、B兩點(diǎn)的高度之差小于10微米。

調(diào)平子系統(tǒng)的兩個(gè)傾斜角調(diào)節(jié)電機(jī)，圖像采集系統(tǒng)的鏡頭升降電機(jī)通過一塊阿爾泰PCI1020運(yùn)動控制卡接入工控機(jī)。該卡是一塊四軸的運(yùn)動控制卡，可對伺服/步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確的位置控制。圖像采集子系統(tǒng)的CCD攝像機(jī)通過專用的數(shù)字圖像采集卡接入工控機(jī)。

圖3 檢測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

為適應(yīng)系統(tǒng)高速的圖像檢測要求，工控機(jī)配備了主頻3.3GHz的i5 4590四核處理器，8G內(nèi)存，Windows 7 64位操作系統(tǒng)。運(yùn)動控制卡的控制程序，CCD攝像機(jī)的圖像采集程序以及槽形檢測程序均布署在該工控機(jī)上。檢測系統(tǒng)還需要與光柵刻劃機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行交互，來獲取刻劃機(jī)床的狀態(tài)信息，以及向刻劃機(jī)發(fā)送控制指令。為此在刻劃機(jī)的控制計(jì)算機(jī)上開發(fā)了狀態(tài)采集及指令響應(yīng)程序，并將刻劃機(jī)的控制計(jì)算機(jī)與工控機(jī)之間用以太網(wǎng)進(jìn)行了直連。

顯微鏡及CCD攝像機(jī)通過連接板固定在一維位移平臺上，位移平臺固定在機(jī)床刀架上，平臺運(yùn)動方向垂直于機(jī)床水平運(yùn)動平面，與刻劃機(jī)的Z軸平行。當(dāng)刻劃刀沿分度方向移動時(shí)，同時(shí)帶動位移平臺運(yùn)動。

位移平臺采用伺服電機(jī)驅(qū)動，結(jié)合精密絲杠、減速齒輪及高分辨率編碼器，可實(shí)現(xiàn)垂直方向0.1微米的位移分辨率。伺服電機(jī)連接驅(qū)動器，再通過運(yùn)動控制卡接入工控機(jī)。在工控機(jī)上編寫運(yùn)動控制程序，實(shí)現(xiàn)對位移平臺的精確定位。

圖4 檢測系統(tǒng)實(shí)物圖

圖5 三維可視化的檢測系統(tǒng)

考慮到圖像采集的實(shí)時(shí)性，圖像采集子系統(tǒng)采用的是Olympus顯微鏡，CCD攝像機(jī)傳感器為Sony ICX252，分辨率為1194×1194。通過圖像融合，已經(jīng)可以獲取微結(jié)構(gòu)槽形的三維數(shù)據(jù)。為了便于操作者直觀的觀察到微結(jié)構(gòu)槽形的三維形貌，基于OpenGL3D圖形庫開發(fā)了三維可視化檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)在繪制三維槽形結(jié)構(gòu)時(shí)以四邊形為繪圖單元，將槽形截面上各點(diǎn)按頂點(diǎn)數(shù)組的形式存儲，最后繪制成像。（中階梯光柵）樣件微結(jié)構(gòu)槽形的表面形貌和缺陷特征檢測結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié)束語

開發(fā)了一套基于圖像處理的在位檢測裝置。該裝置包括刻劃子系統(tǒng)、調(diào)平子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)、槽形檢測子系統(tǒng)，能夠在對工件表面調(diào)平的基礎(chǔ)上通過圖像采集與加工形貌檢測來實(shí)現(xiàn)對加工質(zhì)量的評價(jià)，實(shí)現(xiàn)了檢測結(jié)果如刻劃微槽形表面等特征的可視化呈現(xiàn)。這對于及時(shí)發(fā)現(xiàn)刻劃缺陷問題并作出有效判斷或工藝調(diào)整具有重要指導(dǎo)作用，達(dá)到了在位檢測功能與機(jī)械刻劃機(jī)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合并能實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量在位評價(jià)的目的。需要指出的是，加工軟、硬件系統(tǒng)性能的提高對于該裝置的性能指標(biāo)還具有很大提升空間。

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