基于坐標測量機的非接觸測量應用與實踐

張小梅，安旭明，趙育強

(西安航空動力股份有限公司計量中心，陜西西安710021)

0 引言

近年來，航空企業(yè)科研任務日益繁多，良好的加工設備和制造技術(shù)為航空制造業(yè)完成任務打下了堅實的基礎，但是目前本單位現(xiàn)有計量檢測設備卻無法滿足科研生產(chǎn)交付檢測的需求，從而在產(chǎn)品質(zhì)量檢驗過程中制約了生產(chǎn)任務的順利交付。由于受到大型(L＞300 mm)線紋類工件測量儀器承重以及量程范圍的限制，此類工件均無法在現(xiàn)有光學儀器上檢測。

常規(guī)的三坐標測量機大多是通過測針與零件產(chǎn)生接觸來實現(xiàn)測量，即利用測針與零件的接觸產(chǎn)生探測信號，信號經(jīng)過測量軟件處理成測量點來實現(xiàn)工件尺寸的直接檢測，而工件上的刻線類尺寸，均無法實現(xiàn)觸發(fā)式測針(最小測針為φ0.35 mm)的接觸采點，目前此類工件的準確檢測異常困難，探索研究對該類工件的間接精確測量具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 問題提出

在長度精密測量中按接觸方式分為接觸式測量和非接觸式測量，而現(xiàn)有三坐標測量機(Coordinate Measuring Machining，簡稱CMM)只是接觸式測量，通常用于較復雜工件的檢測，且儀器量程都比較大，一般長軸可達到1000～2000 mm，有些更長達5000 mm。某科研生產(chǎn)任務所使用的線紋類量具、工裝測具如圖1所示的零件結(jié)構(gòu)的刻線(寬度0.02～0.20 mm、深度0.02～0.10 mm)、狹縫(尺寸＜1 mm)、小臺階(臺階差＜1 mm)(以下統(tǒng)一簡稱為“刻線類尺寸”)的準確檢測一直以來是影響公司科研任務交付的瓶頸問題。因此設想在三坐標測量機上增加輔助硬件并進行軟件開發(fā)，引入非接觸測量技術(shù)，可有效地解決一般非接觸測量儀器量程不足的問題。

圖1 線紋類型面樣板示意簡圖

對于此類問題，具備光學測量的檢測設備是最佳的技術(shù)保障，但是這些專用檢測設備往往價格不菲。利用現(xiàn)有的儀器設備進行二次開發(fā)，在主設備上增加輔助硬件和軟件系統(tǒng)，來開拓實現(xiàn)專用檢測設備的相應測量范圍，實現(xiàn)此類工裝測具和零件刻線類尺寸的檢測，并且保證其檢測精度，這樣不僅能解決此類工裝測具和零件的檢測問題，而且能夠擴展主設備的檢測功能和檢測范圍，極大地節(jié)省購置新設備的高成本。

2 技術(shù)要點

通過對萬能工具顯微鏡和三坐標測量機測量原理進行研究和分析，利用現(xiàn)有三坐標測量機配備CCD鏡頭和光路系統(tǒng)實現(xiàn)非接觸測量，滿足工裝測具設計圖紙、刻線類尺寸、關(guān)鍵特征尺寸的檢測要求，達到對刻線類尺寸的準確和規(guī)范檢測，從而滿足生產(chǎn)和科研的需要，并極大地節(jié)約生產(chǎn)成本，為科研任務的完成提供更有效的計量保證和強有力的技術(shù)支持。

傳統(tǒng)現(xiàn)有的三坐標測量機大多都是接觸式測量，嘗試通過技術(shù)改造和軟件開發(fā)，促使現(xiàn)有的三坐標測量機能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測量功能，其中需要增改的主要有以下幾個技術(shù)要點:

2.1 光路系統(tǒng)

在非接觸測量系統(tǒng)中，光源和照明方式會影響全系統(tǒng)的效果。為了實現(xiàn)上述工件的非接觸精密測量，需要選用穩(wěn)定性高，抗干擾能力強，成本低的LED冷光源光路系統(tǒng)。由于選取LED燈，可有效的改善經(jīng)常進行更換光源照明燈的缺陷，而且LED燈的功率和發(fā)熱量小，可極大的降低光路系統(tǒng)的功耗【2】，不需增加額外的散熱裝置，節(jié)省很多光路元件，同時避免熱效應對測量精度的影響。

2.2 測量模塊及硬件連接

測量模塊包括鏡頭連接桿，五向固定座，換向連接桿，照相機(分辨力1280×1024，0.5″彩色CMOS)和CCD鏡頭(放大倍數(shù)0.7X-4.5X)，如圖2所示。

圖2 測量模塊

為了確保測量模塊的正常使用，必須確保測量模塊與三坐標測量機的有效連接，并保證系統(tǒng)的安裝穩(wěn)定和可靠運行。安裝順序如下:

1)將換向連接桿插入五向固定座，旋緊螺紋緊固，將換向連接桿固定;

2)將鏡頭連接桿插入換向連接桿，旋緊螺紋緊固件將鏡頭連接桿固定;

3)將照相機接上CCD鏡頭裝入鏡頭連接桿內(nèi)孔，旋緊螺紋，緊固照相機和鏡頭。

本文采用的測量系統(tǒng)是由現(xiàn)有三坐標測量機、光源/成像系統(tǒng)、圖像采集及處理系統(tǒng)等部分組成。既是將上述圖2、圖3合理地組合裝配形成新的測量系統(tǒng)，其測量系統(tǒng)裝配見圖4。

圖3 測量系統(tǒng)裝配圖

2.3 測量軟件

為了實現(xiàn)三坐標測量機非接觸測量功能，經(jīng)與測量設備公司多次共同探討，最終商榷制定開發(fā)方案，并協(xié)同測量設備公司完成其測量機測量軟件的二次開發(fā)。測量軟件是基于計算機圖像處理技術(shù)的影像式坐標功能軟件，通過CCD鏡頭利用工業(yè)攝像技術(shù)將被測物影像直接采集到計算機屏幕上做取樣處理，測量軟件對采樣點進行數(shù)據(jù)計算得到被測物體的測量特征，最后得到被測物體的形狀和位置尺寸信息，實現(xiàn)被測物體的檢測。開發(fā)后的測量軟件具有以下特點:

1)便捷的攝像機像素校準方法。校準時使用與三坐標測量機校準相同的標準器，減少了儀器校準檢定所需的標準器種類。

2)可編程控制照明光源，為測量提供高效、便利的照明條件。

3)采用擬合邊采點、擬合圓采點，大大提高了測量精度。

4)坐標系自動找正功能，被測工件可以在工作臺上隨意擺放，不影響測量結(jié)果。測量結(jié)果不僅可以以文本、表格等形式輸出，也可以用曲線、位圖等圖形導出，便于技術(shù)、質(zhì)量等部門質(zhì)量分析控制。

3 測量步驟

3.1 新測量系統(tǒng)標定

在恒定溫度下，將一標準刻度的三等標準金屬線紋尺放置于三坐標測量機的工作臺上，通過調(diào)焦，使其清晰成像在計算機上【2】，選取其中若干段長度參照JJG 71-2005《三等標準金屬線紋尺檢定規(guī)程》中的方法進行標定，計算機采集CCD圖像來實現(xiàn)圖像捕獲?？蓪?X，4.5X等常用鏡頭的像素校正值確定后保存，方便后續(xù)檢測程序的調(diào)用，也不用每次測量前都去標定。

3.2 建立工件坐標系

將被測件平放于三坐標測量機工作臺上并找正，建立工件坐標系。在建立坐標系前首先要在工件上測量(結(jié)合上例簡單說明)(或構(gòu)造)所需的特征(基本幾何元素)，使用特征建立工件坐標系。

3.3 測量

將像素校正好的鏡頭調(diào)整至被測位置附近，用操縱盒移動各軸使被測位置或特征在顯示器影像窗口成像清晰，鎖定Z軸，記錄Z坐標值，后續(xù)檢測鏡頭在此Z軸坐標值位置聚焦，完成尺寸測量所需的邊沿特征量的提取，按照先易后難的順序依次檢測被測尺寸。

3.4 分析測量結(jié)果

測量結(jié)果是測量的要素之一，而其它測量要素如測量對象、資源、環(huán)境等均會在測量過程中產(chǎn)生不同程度影響。利用三坐標測量機二次開發(fā)的測量軟件對被測尺寸完成檢測后，必須要重點分析影響檢測結(jié)果準確性，由新裝置的測量原理和系統(tǒng)的檢測過程可知，其測量結(jié)果的不確定度來源主要有以下方面:

1)對模擬式儀器的讀數(shù)不準，對模擬式儀器在讀取其示值時，一般是估讀到最小分度值的1/10［3］。由于觀測者視覺和個人習慣等原因，可能對同一狀態(tài)下的示值會有差異;

2)新測量裝置標定所引入的不確定度;

3)操作人員視覺誤差以及操作準確程度所引入的不確定度;

4)測量結(jié)果重復性引入的不確定度。

因此，可保存若干次檢測結(jié)果并進行測量系統(tǒng)分析，最終評價確定出準確的測量結(jié)果。

4 測量結(jié)果比對

由于新測量裝置是選取其中若干段長度參照JJG71-2005《三等標準金屬線紋尺檢定規(guī)程》中的方法進行標定的，所以必須進行測量結(jié)果的比對驗證【4】。利用上述現(xiàn)有三坐標測量機二次開發(fā)的測量軟件系統(tǒng)對上例型面樣板刻線類尺寸參數(shù)進行多次(5次以上)測量，求得各個平均值得到一組數(shù)值;然后再使用本單位現(xiàn)有的三坐標測量機SZ120100(精度指標(5+L/300)μm)同樣進行多次測量，得到另一組數(shù)值，兩組測量數(shù)值及它們之間的差別比對情況如表1所示。

表1 兩種方法測量結(jié)果對比

通過對兩組數(shù)值進行比對，結(jié)果表明本系統(tǒng)的測量結(jié)果能夠保證型面樣板輪廓度的圖紙設計要求，檢測結(jié)果不低于該三坐標測量機的常規(guī)檢測指標(8+L/300)μm。

5 結(jié)論

本文介紹了在本單位現(xiàn)有三坐標測量機上，通二次開發(fā)改造的非接觸測量系統(tǒng)，在保留了三坐標測量機原有測量功能的基礎上，解決了大尺寸線紋類量具、專用測具和零件刻線、狹縫、小臺階等刻線類特性尺寸檢測難題，拓展了三坐標測量機的檢測功能。通過比對驗證該測量系統(tǒng)具有較高的精度和檢測效率，能夠滿足公司科研生產(chǎn)任務檢測的需要。三坐標測量機的非接觸測量具有良好的應用前景，該系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)三坐標測量機的非接觸測量功能，為大力推廣非接觸測量打下了一定的基礎，具有一定的借鑒和推廣價值，但與專業(yè)的計量檢測設備相相比，仍然存在技術(shù)比較落后，自動化程度低等不足，測量范圍和功能也具有一定的局限性。

［1］周加濤，鄧文怡，劉力雙.一種基于視覺測量技術(shù)的復雜工件檢測系統(tǒng)［J］.北京信息科技大學學報，2010，25(1):34-37.

［2］江舟，周建瑜，陳德金，等，三維幾何量非接觸測量技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2007(12):114-116.

［3］國防科工委科技與質(zhì)量司.計量技術(shù)基礎［M］.北京:原子能出版社，2002.

［4］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG 71-2005三等標準金屬線紋尺檢定規(guī)程［S］.北京:中國計量出版社，2005.