大尺寸二維網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)板的開(kāi)發(fā)與溯源性

秦潔 陳君 王曉飛 / 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)快速發(fā)展，因其具有高準(zhǔn)確度、高效率、連續(xù)性等特點(diǎn)，能完成對(duì)零件高效化、無(wú)損化、批量化的測(cè)量，因此，該項(xiàng)技術(shù)已在制造業(yè)，如航空航天、汽車(chē)、電子等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)運(yùn)而生的各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)或定制的各類(lèi)應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的測(cè)量?jī)x器成為了大專(zhuān)院校、研究院所、檢測(cè)機(jī)構(gòu)以及企業(yè)常用的精密測(cè)量?jī)x器，而影像測(cè)量?jī)x為典型設(shè)備之一。

隨著該類(lèi)設(shè)備的生產(chǎn)、應(yīng)用規(guī)模愈來(lái)愈大、準(zhǔn)確度愈來(lái)愈高，為了全面、真實(shí)、準(zhǔn)確地校準(zhǔn)和評(píng)價(jià)該類(lèi)測(cè)量?jī)x器，保證其量值的準(zhǔn)確可靠， JJF 1318-2011《影像儀校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定了該類(lèi)設(shè)備的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)參數(shù)。根據(jù)規(guī)范要求，二維掩模板（即本文所指網(wǎng)格板）是一項(xiàng)重要的標(biāo)準(zhǔn)器，用于校準(zhǔn)“測(cè)量平面內(nèi)的尺寸測(cè)量誤差”和“影像測(cè)頭尺寸測(cè)量誤差”。

二維掩模板是一種光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)器，是利用先進(jìn)的光刻制造技術(shù)制作的，帶有各種點(diǎn)、線(xiàn)、圓斑等幾何圖案的新型二維標(biāo)準(zhǔn)器，它的二維量值除了包含X、Y軸方向坐標(biāo)點(diǎn)示值誤差，還包含X、Y軸間的夾角信息，可以比一維線(xiàn)紋尺更方便地應(yīng)用于二維坐標(biāo)的評(píng)價(jià)和修正，因此，大量應(yīng)用于影像測(cè)量?jī)x、光刻機(jī)、帶視覺(jué)測(cè)頭的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等坐標(biāo)設(shè)備的修正補(bǔ)償和評(píng)價(jià)。然而，目前網(wǎng)格板多為300 mm以下，大尺寸影像儀測(cè)量往往只能通過(guò)分段測(cè)量等方式，既不便利，也影響了量值傳遞的準(zhǔn)確可靠。

因此，為填補(bǔ)我國(guó)高端裝備制造中二維幾何參量的準(zhǔn)確量值傳遞需求，本文基于典型應(yīng)用中的影響因素，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種大尺寸二維網(wǎng)格計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器；并針對(duì)開(kāi)發(fā)的大尺寸二維網(wǎng)格計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、便捷性等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析；結(jié)合典型用戶(hù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)大尺寸光學(xué)測(cè)量設(shè)備的量值傳遞應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證大尺寸二維網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)板的量值傳遞特性。

1 大尺寸二維網(wǎng)格計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器

通過(guò)調(diào)研相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)和典型用戶(hù)企業(yè)，收集各類(lèi)大尺寸影像設(shè)備的校準(zhǔn)需求，完成了對(duì)大尺寸二維網(wǎng)格計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的研發(fā)工作，包括尺寸設(shè)計(jì)、基材選擇、技術(shù)要求的確定等。為滿(mǎn)足高端裝備制造現(xiàn)場(chǎng)量值傳遞應(yīng)用，網(wǎng)格板需準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、便于攜帶。

1.1 二維網(wǎng)格板坐標(biāo)分布

如圖1所示，二維網(wǎng)格板以25 mm為間隔距離，整體設(shè)計(jì)480個(gè)坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)（24×20），每個(gè)測(cè)量點(diǎn)為圓心刻有外徑2 mm、內(nèi)徑1 mm的圓環(huán)，尺寸和最大允許誤差見(jiàn)表1。

圖1 二維網(wǎng)格板

表1 二維網(wǎng)格板技術(shù)要求

1.2 二維網(wǎng)格板的基材選擇

制造二維網(wǎng)格板的基材主要有：蘇打基材、石英基材以及大理石基材。根據(jù)二維網(wǎng)格板的尺寸，計(jì)算三種不同基材的質(zhì)量，結(jié)果如表2所示。可以看出，蘇打基材與石英基材質(zhì)量相當(dāng)，而大理石略重。三種基材中，石英玻璃是二氧化硅單一成分的玻璃，莫氏七級(jí)硬度，透光性好，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性與電絕緣性，并且較蘇打玻璃與大理石更耐高溫，膨脹系數(shù)更低（三者的膨脹系數(shù)見(jiàn)表2）；用石英玻璃制成的網(wǎng)格板，其誤差受環(huán)境溫度變化的影響最小。

表2 基材參數(shù)比較

綜上所述，選擇石英材料作為二維網(wǎng)格板的基材。

2 大尺寸二維網(wǎng)格計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證大尺寸二維網(wǎng)格計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的關(guān)鍵參數(shù)與適用性，通過(guò)第三方測(cè)試等方式對(duì)大尺寸二維網(wǎng)格計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、異地可靠性等性能進(jìn)行了測(cè)試與分析。

2.1 準(zhǔn)確度測(cè)試

二維網(wǎng)格板由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行了全坐標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)定工作。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院出具的報(bào)告（圖2）表明，二維網(wǎng)格板上坐標(biāo)點(diǎn)的各項(xiàng)參數(shù)都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由此說(shuō)明，目前我國(guó)的制造企業(yè)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，有能力完成上述大尺寸二維網(wǎng)格板的制造和檢測(cè)工作，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度是可行的。

圖2 校準(zhǔn)證書(shū)封面

2.2 穩(wěn)定性測(cè)試

完成標(biāo)準(zhǔn)器的制作和測(cè)試后，為驗(yàn)證其量傳的準(zhǔn)確性和可靠性，需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性的考核，并參考JJF 1318-2011用二維網(wǎng)格板對(duì)大尺寸影像儀進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，主要校準(zhǔn)影像測(cè)量?jī)x（測(cè)量平面內(nèi)的）尺寸測(cè)量誤差EXY。

委托某計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)二維網(wǎng)格板的穩(wěn)定性進(jìn)行考察?？疾禳c(diǎn)為二維網(wǎng)格板上均勻分布的9個(gè)點(diǎn)，考察時(shí)間為4個(gè)月，每個(gè)點(diǎn)各考察5次。布點(diǎn)如圖3所示，考察數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖3 穩(wěn)定性考察布點(diǎn)

表3 穩(wěn)定性數(shù)據(jù) 單位：mm

通過(guò)表3數(shù)據(jù)可以看出，考察的9個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，在4個(gè)月內(nèi)的最大差值為0.001 9 mm，小于設(shè)計(jì)要求的最大允許誤差0.002 mm，可見(jiàn)該二維網(wǎng)格板的穩(wěn)定性符合計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的考察要求，可作為標(biāo)準(zhǔn)器使用。

2.3 異地可靠性測(cè)試

網(wǎng)格板制作完成后，在深圳、北京、南京、無(wú)錫等多地，通過(guò)物流、人工攜帶等方式，歷時(shí)4個(gè)月，進(jìn)行了異地可靠性測(cè)試。在測(cè)試周期內(nèi)，測(cè)試結(jié)果表明：通過(guò)多個(gè)異地測(cè)試，大尺寸二維網(wǎng)格計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器本體無(wú)損，具有較好的可靠性。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)器輕便、可攜帶，具有廣泛的適用性。

3 典型的示范應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)方法

1）將二維網(wǎng)格板放置于影像測(cè)量?jī)x工作臺(tái)面上，調(diào)整影像探測(cè)系統(tǒng)，使成像清晰，依次測(cè)量平行于X軸、Y軸方向，以及對(duì)角線(xiàn)方向，共3個(gè)方向上各5個(gè)點(diǎn)。以3次測(cè)量的平均值作為該點(diǎn)的測(cè)量值。具體試驗(yàn)布點(diǎn)見(jiàn)圖4。

圖4 校準(zhǔn)試驗(yàn)布點(diǎn)

2）坐標(biāo)系的建立規(guī)則：以平行于點(diǎn)（0，225）和點(diǎn)（575，225）的連線(xiàn)作為X軸方向，X或Y軸零點(diǎn)為原點(diǎn)（0，0）建立坐標(biāo)系。

本次用戶(hù)試驗(yàn)共4家企事業(yè)單位參與，涉及3種機(jī)型，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4，參考值為中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院提供。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：mm

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)做總體分析，使用二維網(wǎng)格板測(cè)量大尺寸的影像測(cè)量?jī)x，可以較好地發(fā)現(xiàn)機(jī)器存在的問(wèn)題，如X或Y軸的坐標(biāo)點(diǎn)示值誤差、X軸與Y軸的垂直度、溫度的影響等。尤其是X軸與Y軸的垂直度，傳統(tǒng)的線(xiàn)紋尺、激光干涉儀等無(wú)法測(cè)量，因此，使用二維網(wǎng)格板測(cè)量影像測(cè)量?jī)x是一種更為全面、科學(xué)的測(cè)量方法，達(dá)到了本次研究的基本目的。

3.2 測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

測(cè)量不確定度的評(píng)定中，主要考慮測(cè)量二維標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格板X(qián)軸、Y軸坐標(biāo)點(diǎn)示值誤差、重復(fù)性測(cè)量、儀器數(shù)顯分辨力、影像測(cè)量?jī)x光柵尺與標(biāo)準(zhǔn)器線(xiàn)膨脹系數(shù)差、溫度差等因素引入的不確定度分量，需要注意的是在全量程上選擇典型測(cè)量點(diǎn)，經(jīng)綜合評(píng)定，其擴(kuò)展不確定度U= （0.7+L/500）μm，能夠滿(mǎn)足大部分大尺寸影像儀的校準(zhǔn)需求，不確定度分量見(jiàn)表5。

表5 不確定度分量

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于相關(guān)生產(chǎn)和典型用戶(hù)企業(yè)的迫切需求，通過(guò)關(guān)鍵幾何參量與結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)，完成了一種大尺寸參考網(wǎng)格計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器總體設(shè)計(jì)；通過(guò)材料選型分析，標(biāo)準(zhǔn)器試制，擬定測(cè)量程序，完成性能指標(biāo)測(cè)量試驗(yàn)；結(jié)合典型用戶(hù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)大尺寸光學(xué)測(cè)量設(shè)備的量值傳遞應(yīng)用，利用大尺寸參考網(wǎng)格計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)測(cè)量設(shè)備的尺寸測(cè)量誤差進(jìn)行了校準(zhǔn)；研究測(cè)量誤差傳遞與分配模型，完成大尺寸參考網(wǎng)格計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量不確定度結(jié)果分析與評(píng)定。量傳應(yīng)用研究證明，開(kāi)發(fā)的大尺寸二維網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)板，可將高準(zhǔn)確度光學(xué)測(cè)量?jī)x器溯源至國(guó)家工作基準(zhǔn)裝置，保證了量值溯源的統(tǒng)一。