李在崢 林云川

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

0 引言

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

目前，成飛公司在用的各種型號(hào)的萬工顯有十幾臺(tái)，生產(chǎn)一線及校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(cè)量方式，存在測(cè)量效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等明顯不足，難以滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)機(jī)的研制需求[2-3]。

近20 多年來，數(shù)字化影像測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)外飛速發(fā)展，已廣泛用于幾何量尺寸的測(cè)量、精密復(fù)雜零件的微尺寸測(cè)量和外形輪廓的檢測(cè)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(cè)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(cè)件的輪廓信息送人計(jì)算機(jī)，再由軟件系統(tǒng)進(jìn)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(yuǎn)心光束，照射玻璃工作臺(tái)上的被測(cè)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(hào)后送人計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像采集卡。測(cè)量軟件對(duì)采集到的圖像及儀器當(dāng)前光柵坐標(biāo)測(cè)量到的坐標(biāo)值進(jìn)行處理，確定被采集點(diǎn)、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(jì)

2.1 機(jī)臺(tái)底座

為提高測(cè)量精度，本系統(tǒng)機(jī)械部分的主體部件采用失效時(shí)間較長(zhǎng)的鑄鐵件，在縱橫向工作臺(tái)均采用高精度軸承作為支承點(diǎn)，使移動(dòng)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)試件上。

為實(shí)現(xiàn)二級(jí)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(cè)量計(jì)算機(jī)并顯示于顯示器中，實(shí)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(jī)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(dòng)采用無間隙無牙螺母，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用精密P級(jí)直線導(dǎo)軌，且為滾動(dòng)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(cè)量準(zhǔn)確度，為保證Z軸的直線度，采用自準(zhǔn)直儀對(duì)其進(jìn)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(tái)面上，通過自準(zhǔn)直儀讀出整個(gè)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(shí)現(xiàn)被測(cè)件的準(zhǔn)確快速定位，提高測(cè)量效率，也是本系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。受激光跟蹤儀原理的啟發(fā)，本系統(tǒng)在物鏡旁邊設(shè)計(jì)加裝了一個(gè)微型激光器，激光器射出的細(xì)小光束照射在被測(cè)件表面形成紅色小光斑，通過此斑點(diǎn)可明確被測(cè)件在視頻窗口中成像點(diǎn)的位置，還可移動(dòng)被測(cè)件使斑點(diǎn)快速到達(dá)下一被測(cè)點(diǎn)，即減少了操作強(qiáng)度，又提高了測(cè)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(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量?jī)x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(cè)座與探針實(shí)現(xiàn)的。將光柵直接貼于金屬基準(zhǔn)面上，因材料相近，與機(jī)械部分膨脹系數(shù)相差不大，受溫度影響較小，分辨力可達(dá)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(dòng)量輸人計(jì)算機(jī)，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(jì)量模式，與公司數(shù)字化、智能化的戰(zhàn)機(jī)制造接軌。因此，測(cè)量軟件重點(diǎn)研究了如何實(shí)現(xiàn)工件的智能化測(cè)量，通過軟件實(shí)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(cè)量軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)，不僅滿足了我公司戰(zhàn)機(jī)研制過程中的特殊需求，還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件輪廓尺寸的快速測(cè)量。

為保證測(cè)量準(zhǔn)確度，本系統(tǒng)對(duì)X、Y方向的數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)量準(zhǔn)確度。

數(shù)字化、智能化是我公司的發(fā)展趨勢(shì)，本系統(tǒng)在軟件開發(fā)時(shí)也考慮到了今后與公司其它系統(tǒng)的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及共享。因此，軟件在設(shè)計(jì)接口時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)可提供dxf、doc、xls文件格式，實(shí)現(xiàn)與AutoCAD、Word、Excel的互換，測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 系統(tǒng)準(zhǔn)確度測(cè)試

本系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行精度驗(yàn)證。通過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)直徑為2.2mm的小孔，采集小孔邊緣上的5個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，用本系統(tǒng)專用測(cè)量軟件計(jì)算獲得的測(cè)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(yàn)證。

3.2 測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)估對(duì)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(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)估對(duì)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(cè)量準(zhǔn)確度及重復(fù)性均有所提高。

3.3 樣板試件的測(cè)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(duì)濕度64%的條件下，分別用萬工顯及本系統(tǒng)進(jìn)行6 次重復(fù)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)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(cè)試結(jié)果對(duì)比

由表2 看出，利用本系統(tǒng)測(cè)量樣板，測(cè)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(shí)省力，大大縮短了測(cè)量時(shí)間。

4 結(jié)論

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

本系統(tǒng)不僅提高了傳統(tǒng)影像測(cè)量的準(zhǔn)確度，其測(cè)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(jī)研制過程中面臨的大量檢定任務(wù)，為數(shù)字化影像測(cè)量技術(shù)在我公司的全面推廣奠定了基礎(chǔ)。