表面粗糙度國際比對自動測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

卜祥鵬， 張 樹,2， 皮 磊， 施玉書

(1.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029; 2.深圳中國計(jì)量科學(xué)研究院技術(shù)創(chuàng)新研究院，廣東 深圳 518132)

1 引 言

隨著精密制造、航空航天、納米材料等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對表面粗糙度的精確測量提出了更高的要求。參與表面粗糙度國際比對對于客觀評價(jià)表面粗糙度測量結(jié)果，保證表面粗糙度測量量值的等效一致性具有重要意義[1～4]。 2021年，中國計(jì)量科學(xué)研究院參加了歐洲計(jì)量合作組織的表面粗糙度國際比對。

在表面粗糙度國際比對協(xié)議中，規(guī)定了測量使用的標(biāo)準(zhǔn)器和測量流程[5～9]。國際比對中常用的表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)器如圖1所示。在按照國際比對協(xié)議規(guī)定的流程進(jìn)行測量時(shí)，需要操作人員用肉眼判斷和手動調(diào)節(jié)的方式保證測量位置的準(zhǔn)確性，這在一定程度上會影響國際比對測量結(jié)果，從而降低測量量值的等效一致性。尤其是在間隔時(shí)間較長的測量中，對同一表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)器的測量受到人為因素的影響更加嚴(yán)重。例如，在國際比對協(xié)議中對某一標(biāo)準(zhǔn)器規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測量位置如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)器表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)值為0.94 μm，根據(jù)表面粗糙度比對協(xié)議，測量起始點(diǎn)均勻排列在測量表面，相鄰測量起始點(diǎn)橫向間隔和縱向間隔均為為2 mm。任一測量位置的偏離常常會降低最終測量結(jié)果的可信度，而對于均勻性較差的標(biāo)準(zhǔn)器這一現(xiàn)象更為明顯。

圖1 國際比對中常用的標(biāo)準(zhǔn)器

圖2 標(biāo)準(zhǔn)測量位置

為了減少在表面粗糙度國際比對測量中人為因素的影響，提高定位測量的重復(fù)性，在中國計(jì)量科學(xué)研究院表面粗糙度基準(zhǔn)計(jì)量裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研制了表面粗糙度自動測量系統(tǒng)，應(yīng)用視覺定位系統(tǒng)，自動操作系統(tǒng)和多自由度位移系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了表面粗糙度的自動測量，減少了國際比對測量過程中人為誤差的引入，提高了定位測量的重復(fù)性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該自動測量系統(tǒng)以表面粗糙度基準(zhǔn)裝置為基礎(chǔ)，通過視覺定位系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)器位置的識別；自動操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測量過程的自動測量，多自由度位移系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)器位置姿態(tài)的精確調(diào)整，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.1 視覺定位系統(tǒng)

為了減少測量位置的選取受到人肉眼精度的影響，設(shè)計(jì)搭建了視覺定位系統(tǒng)進(jìn)行待測樣品的位置信息識別。視覺系統(tǒng)使用的是500萬像素的工業(yè)相機(jī)，并配有專用的光學(xué)桿架和夾持機(jī)構(gòu)固定于立柱與探針箱的動作機(jī)構(gòu)上。在不影響測量的條件下可以在測量過程中保持探針到鏡頭的距離不變，使相機(jī)能夠采集到清晰、完整的圖像。為了兼顧國際比對常用標(biāo)準(zhǔn)器測量區(qū)域的尺寸，視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)成像視野最大可達(dá)到100 mm×100 mm，可通過更換相機(jī)配套鏡頭和調(diào)節(jié)相機(jī)的高度改變。由相機(jī)參數(shù)計(jì)算可知，圖像單個(gè)像素代表的實(shí)際尺寸最大約為50 μm，降低成像視野后可進(jìn)一步縮小單個(gè)像素代表的實(shí)際尺寸，從而提高待測標(biāo)準(zhǔn)器位置和角度識別的精度。

首先使用視覺系統(tǒng)采集待測樣品的圖像，然后通過濾波、特征匹配等圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)樣品測量位置的識別，視覺定位系統(tǒng)工作流程如圖4所示。相比于傳統(tǒng)的人眼識別的方法具有更好的準(zhǔn)確性，同時(shí)在間隔時(shí)間較長的復(fù)校中會有更好的重復(fù)定位精度。

圖4 視覺定位系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)使用尺度不變特征變換(scale-invariant feature transform，SIFT)算法實(shí)現(xiàn)待測樣品的匹配識別，并確定待測樣品的位置和姿態(tài)信息。SIFT特征匹配對平移、旋轉(zhuǎn)、尺度縮放、亮度變化、遮擋和噪聲等具有良好的不變性，同時(shí)速度相對較快適合即時(shí)檢測系統(tǒng)的樣品圖像匹配。其算法的實(shí)質(zhì)是尋找圖像不同尺度空間上的特征點(diǎn)，并計(jì)算特征點(diǎn)的方向進(jìn)行匹配[10～12]。首先，使用高斯差分算子(DOG)來進(jìn)行極值檢測，識別圖像中的對于尺度和旋轉(zhuǎn)不變的特征點(diǎn)。DOG算子可表示為

D(x,y,σ)=(G(x,y,kσ)-G(x,y,σ))*I(x,y)

(1)

式中：G(x,y,kσ)為標(biāo)準(zhǔn)差為kσ的高斯函數(shù),k為常數(shù)；G(x,y,σ)為標(biāo)準(zhǔn)差為σ的高斯函數(shù)；I(x,y)為原圖像。

獲得DOG之后，每個(gè)像素點(diǎn)與相鄰像素點(diǎn)以及相鄰兩層不同尺度高斯差分圖像的像素點(diǎn)進(jìn)行比較，從而尋找圖像在尺度空間中的局部極值點(diǎn)作為潛在的特征點(diǎn)。首先，對獲得的所有特征點(diǎn)進(jìn)行篩選，去除低對比度的特征點(diǎn)和不穩(wěn)定的邊緣響應(yīng)點(diǎn)，并計(jì)算特征點(diǎn)的梯度和方向，將梯度直方圖中的最大值作為特征點(diǎn)的主方向，從而實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)不變性；最后，通過檢測圖像與目標(biāo)圖像的特征點(diǎn)匹配進(jìn)行目標(biāo)圖像的位置信息識別。由于測量位置在待測樣板圖像中的位置是固定的，識別獲得待測樣板在圖像中的位置后通過坐標(biāo)變換即可實(shí)現(xiàn)測量位置的確定。

在CCD采集圖像中獲得矩形目標(biāo)圖像的匹配后，識別矩形頂點(diǎn)坐標(biāo)擬合出該矩形邊的直線方程，通過該直線方程的斜率即可求出待測標(biāo)準(zhǔn)器的角度信息。角度識別調(diào)整的誤差主要來自于旋轉(zhuǎn)臺精度、相機(jī)與待測樣板所在平面的垂直度、相機(jī)內(nèi)部參數(shù)的校準(zhǔn)等。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)角度識別與調(diào)整中最主要的誤差來源是相機(jī)與待測標(biāo)準(zhǔn)器測量平面的垂直度，即相機(jī)成像平面與待測標(biāo)準(zhǔn)器測量平面的平行度。因此，在CCD安裝過程中使用水平儀對相機(jī)的夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并使用精密旋轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)角度與圖像識別結(jié)果進(jìn)行對比校準(zhǔn)，從而降低角度識別調(diào)整過程中引入誤差的影響。調(diào)整校準(zhǔn)后的角度識別結(jié)果可以有效地將角度誤差降低至0.1°以下，對于本系統(tǒng)的測量結(jié)果影響極小。同時(shí)，系統(tǒng)中使用具備更高分辨率的CCD以更高性能的位移系統(tǒng),將會獲得更高的識別調(diào)整精度。

2.2 自動操作系統(tǒng)

將國際比對規(guī)范的人為流程寫入軟件程序，進(jìn)行自動化的測量參數(shù)選取、分析參數(shù)選取以及自動生成測量原始記錄。測量結(jié)果使用光學(xué)字符識別(OCR)實(shí)現(xiàn)自動讀取。程序以開源的光學(xué)字符識別引擎為基礎(chǔ)，通過儀器顯示的數(shù)字作為樣本訓(xùn)練其自適應(yīng)分類器。測量結(jié)果通過電腦顯示器顯示在指定區(qū)域，由于結(jié)果顯示區(qū)域干擾較少且字體大小等固定不變，因此使用光學(xué)字符識別來進(jìn)行讀取可以取得較好的效果，測量結(jié)果識別流程見圖5。

圖5 測量結(jié)果識別流程圖

獲得測量結(jié)果的數(shù)值后，再進(jìn)行算術(shù)平均值等數(shù)據(jù)計(jì)算處理，并按照既定的記錄模板自動生成測量結(jié)果原始記錄。

2.3 多自由度位移系統(tǒng)

根據(jù)國際比對協(xié)議的要求，在測量前需要對待測標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)來達(dá)到合適的起始測量位置和測量姿態(tài)；在完成1次測量后同樣需要平移切換到下1測量位置，見文獻(xiàn)[6～8]。因此在完整的測量流程中對于待測標(biāo)準(zhǔn)器共需要進(jìn)行3個(gè)自由度的調(diào)整。

由于受限于原有儀器的固有機(jī)構(gòu)，使用二維平面位移臺難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)，故系統(tǒng)使用2個(gè)一維電動位移臺和1個(gè)電動旋轉(zhuǎn)臺垂直疊加的方式構(gòu)成多自由度位移系統(tǒng)，如圖6所示。使用位移臺和旋轉(zhuǎn)臺代替人手進(jìn)行待測樣板位置姿態(tài)調(diào)整以及按照國際比對規(guī)范進(jìn)行測量位置的切換都會獲得更好的定位精度[13，14]。同時(shí)，對于位移系統(tǒng)安裝平行度以及2個(gè)一維位移臺正交性帶來的位移誤差，可以通過視覺定位系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而進(jìn)一步的提高了位移的精度。

圖6 多自由度位移系統(tǒng)

2.4 整體工作流程

在觸針式表面粗糙度計(jì)量基準(zhǔn)裝置的基礎(chǔ)上整合上述3個(gè)子系統(tǒng)，以提高對表面粗糙度國際比對的適用性。自動測量流程如圖7所示。使用系統(tǒng)進(jìn)行表面粗糙度國際比對自動測量，有效地減少了測量過程中人為因素的影響。

圖7 自動測量流程圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用表面粗糙度國際比對協(xié)議規(guī)定的比對標(biāo)準(zhǔn)器和測量方法，在中國計(jì)量科學(xué)研究院粗糙度基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)功能測量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度20 ℃±2 ℃，相對濕度不高于65%。

實(shí)驗(yàn)包括均勻性實(shí)驗(yàn)和重復(fù)性實(shí)驗(yàn)兩部分，均勻性實(shí)驗(yàn)用于研究不同定位偏差的測量量值的分散程度，重復(fù)性實(shí)驗(yàn)用于研究不同測量方法對固定位置重復(fù)定位測量量值的分散程度，并應(yīng)用均勻性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來得出不同方法的定位精度。

3.1 國際比對標(biāo)準(zhǔn)器

將標(biāo)準(zhǔn)器表面某一區(qū)域加工成測量區(qū)域，在測量區(qū)域生成具有指定參數(shù)值的微觀表面形貌[15，16]。本次實(shí)驗(yàn)中使用的標(biāo)準(zhǔn)器為Ra(輪廓算術(shù)平均偏差)標(biāo)稱值為0.94 μm的Type C1標(biāo)準(zhǔn)器，測量區(qū)域和表面形貌示意圖如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)器測量區(qū)域及其表面形貌

國際比對規(guī)定了使用觸針式表面粗糙度測量儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)器參數(shù)測量的規(guī)范方法。標(biāo)準(zhǔn)器測量參數(shù)包括評定長度ln;取樣長度λc；濾波比λc/λs，λs為輪廓濾波器濾波波長。具體測量參數(shù)值見表1。

表1 表面粗糙度測量參數(shù)值

3.2 均勻性實(shí)驗(yàn)

將某一區(qū)域內(nèi)多個(gè)位置測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差作為該區(qū)域的均勻性指標(biāo)。通常，對于實(shí)際使用的測量樣板，隨著測量區(qū)域的增大，其均勻性指標(biāo)也會增大，直至達(dá)到某一范圍內(nèi)波動。由于定位精度的影響，對同一位置反復(fù)測量實(shí)際上是在以理想位置為中心的一個(gè)微小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的測量。由均勻性指標(biāo)的性質(zhì)可知，多個(gè)位置測量的標(biāo)準(zhǔn)差一定程度上反映了該微小區(qū)域內(nèi)多次重復(fù)測量點(diǎn)與原始測量點(diǎn)的位置偏差，可用于間接評價(jià)重復(fù)定位測量的精度，從而驗(yàn)證系統(tǒng)功能。

在標(biāo)準(zhǔn)器有效特征區(qū)域內(nèi)選取1個(gè)點(diǎn)作為測量的起始位置，并在以該點(diǎn)為中心的正方形區(qū)域內(nèi)均勻選取其他8個(gè)測量位置為起點(diǎn)，相鄰點(diǎn)的距離為d，如圖9所示。由于使用的位移臺最小位移量為10 μm，因此d值的最小變化量為10 μm。

圖9 均勻性實(shí)驗(yàn)測量位置的選取

按照表1中的參數(shù)進(jìn)行測量，保持中心點(diǎn)位置不變，不同d值下的測量結(jié)果如表2所示。

表2 均勻性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)可得到均勻性指標(biāo)隨d值變化的規(guī)律，如圖10所示。在40 μm范圍內(nèi)隨著d值的不斷增大，樣板的均勻性指標(biāo)也隨之增大，當(dāng)d值大于40 μm后，樣板均勻性逐漸維持在一個(gè)范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明，測量位置越集中、偏移量越小其均勻性即多次測量的標(biāo)準(zhǔn)差越小。

圖10 均勻性變化曲線圖

3.3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)自動定位測量的功能，分別對儀器自身、手動定位測量、自動定位測量的重復(fù)性進(jìn)行測量，3種測量方法的區(qū)別在于對測量位置的定位方法和調(diào)整方法，見表3。將待測標(biāo)準(zhǔn)器固定于位移臺上，對同一位置連續(xù)快速重復(fù)測量次，將多次測量的標(biāo)準(zhǔn)差作為儀器重復(fù)性指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。通過手動定位測量的方式對某一位置重復(fù)測量，將多次測量的標(biāo)準(zhǔn)差作為手動定位測量的重復(fù)性指標(biāo)，改變位置重復(fù)測量過程，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。同樣條件下使用該系統(tǒng)自動定位測量的方式對樣板的同一位置重復(fù)測量，將多次測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差作為自動定位測量的重復(fù)性指標(biāo)，改變位置重復(fù)測量過程，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)測量方法

表4 儀器重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 手動測量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 自動測量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

取5次獨(dú)立測量結(jié)果的算術(shù)平均值作為最終的重復(fù)性指標(biāo)，計(jì)算可得手動定位測量的平均重復(fù)性為11.0 nm，自動定位測量的平均重復(fù)性為4.2 nm，相比于手動定位測量提高了2.6倍，更接近于儀器自身的重復(fù)性。儀器重復(fù)性不隨測量位置的改變而改變，將重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與均勻性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合繪制曲線圖，如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖

由圖11可知：自動定位對應(yīng)的測量位置偏移量約為5 μm；手動定位對應(yīng)的測量位置偏移量約為30 μm，是自動定位測量的6倍。因此該系統(tǒng)的自動定位測量能夠有效提高重復(fù)定位精度，滿足國際比對中對于測量位置的要求。

4 結(jié) 論

針對表面粗糙度國際比對，本文設(shè)計(jì)了基于視覺定位、自動操作、多自由度位移技術(shù)的表面粗糙度自動測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 將國際比對測量流程寫入程序，實(shí)現(xiàn)了表面粗糙度按照國際比對規(guī)范流程的自動化測量，減少了測量過程中的人力參與，從而減少了測量過程中人為誤差的引入。

(2) 在實(shí)驗(yàn)中該系統(tǒng)對同一測量位置的平均重復(fù)性為4.2 nm，相比于手動定位測量提高了2.6倍。

同時(shí)，系統(tǒng)的測量技術(shù)具有較強(qiáng)的參考價(jià)值，可應(yīng)用于其他儀器遵循規(guī)范的自動化測量。