赫 　 野，　張 　 偉，　賀 鳳 寶，　胡 建 忠

( 大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 大連　116034 )

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影像處理刀具測量儀的誤差補償

赫 野，張 偉，賀 鳳 寶，胡 建 忠

( 大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 大連116034 )

摘要:絕對零點的選擇是誤差分析和補償?shù)幕A(chǔ)，通過對測量儀自身特點的分析，選擇帶有零位參考點的光柵尺確定補償系統(tǒng)的絕對零點，消除原有絕對零點中人為因素所造成的影響，使得采集的數(shù)據(jù)點更加精確可靠。利用分段三次樣條插值函數(shù)將離散數(shù)據(jù)點處的誤差值由離散性插值變?yōu)檫B續(xù)性，以軟件編程的方式將誤差值從實測數(shù)據(jù)中除去，使得輸出的數(shù)據(jù)更加精確。通過補償實驗驗證了絕對零點選擇的合理性，提高了測量儀測量精度和產(chǎn)品的市場競爭力。

關(guān)鍵詞:誤差；絕對零點；插值函數(shù)；補償

0引言

機械設(shè)備的精度不僅是實現(xiàn)精密加工和超精密加工以及精密測量的前提, 更是衡量其工作性能的重要指標[1]。目前要提高儀器精度有兩種方法，分別為防止法和誤差值補償法[2]。防止法采用的是通過提升儀器的硬件精度來提高儀器的測量精度，該方法存在的缺陷是當硬件精度達到一定程度后很難再提高，并且成本造價可能會以幾何倍數(shù)增長。誤差值補償法是在取得原始誤差值后，從整個系統(tǒng)的硬件設(shè)施和程序軟件兩個方面著手消除原始誤差所造成的影響，提高儀器的測量精度，此方法既經(jīng)濟又有效，更適合市場的發(fā)展需求。

由于測量儀器出廠前硬件的安裝和調(diào)整已經(jīng)完成，在后續(xù)測量過程中所產(chǎn)生的誤差將由誤差補償來完成。本論文是在前人對刀具測量儀誤差分析[3]的基礎(chǔ)上，以大連工業(yè)大學刀具技術(shù)研究中心開發(fā)的基于影像處理刀具測量儀為實驗儀器，在盡量少增加額外硬件的基礎(chǔ)上，在X和Y兩坐標軸有效量程范圍內(nèi)采集大量離散的數(shù)據(jù)點，算出每個數(shù)據(jù)點處的累積誤差值，最后通過誤差補償?shù)姆椒▽⒄`差值補償?shù)綔y量程序中，提升儀器的測量精度。

1誤差補償

1.1誤差補償工作流程

誤差補償工作流程如圖1所示。

圖1　工作流程圖

1.2絕對零點的選擇

數(shù)控機床中各坐標軸的零點，一般分程序零點和機床零點，或者叫相對零點和絕對零點[4]。在現(xiàn)代機床補償技術(shù)上選擇出科學準確的絕對零點是機床精度補償中重要的部分，同時這也是誤差補償?shù)幕A(chǔ)，如果沒有絕對零點，補償工作無從談起[5]。因此絕對零點精度的高低直接影響接下來的誤差補償工作。

測量系統(tǒng)原有絕對零點是在V型鐵上鉆直徑為3 mm的盲孔(見圖2)，通過十字光標刻線外切盲孔邊緣的方式來確定絕對零點。由于是靠人眼視覺來確定，因此人為因素所造成的影響是避免不了的。本次補償工作選擇帶有零位參考點的光柵尺和能識別零點信號的光柵采集卡來確定補償系統(tǒng)的絕對零點。

圖3為X軸光柵尺，總共設(shè)有5個零位參考點，當光柵尺讀數(shù)頭每經(jīng)過一個零位參考點時會產(chǎn)生一個零位脈沖信號，該信號由數(shù)據(jù)采集卡識別并反饋到系統(tǒng)中。但是原有測量系統(tǒng)中并不存在讀取以及使用該信號的功能，因此需要編譯相應(yīng)的零點識別程序。絕對零點控制窗口如圖4所示，補償工作開始時選擇<打開>功能，這樣光柵尺讀數(shù)頭每經(jīng)過一個零位參考點就會識別該零位信號并清零，當確定選擇其中某個零位參考點作為絕對零點后，激活<關(guān)閉>功能，此時剛剛經(jīng)過的零位參考點就是選擇好的絕對零點，讀數(shù)頭再經(jīng)過其他零位參考點就不再有清零功能。通過驗證該絕對零點的重復(fù)性精度可達1～2 μm，并且穩(wěn)定性好，消除了人為因素所造成的影響，確保后續(xù)采集數(shù)據(jù)的準確性。

圖3　X軸光柵尺

圖4　軟件截圖

1.3實驗數(shù)據(jù)采集

通過設(shè)計的模板微調(diào)夾具調(diào)整好棋盤格標定板與鏡頭視線的垂直度，選擇絕對零點，然后開始實驗數(shù)據(jù)采集，采集過程由三個人進行，分別對X和Y兩坐標軸的正負方向進行數(shù)據(jù)采集，總共12次，根據(jù)長度的不同在X軸和Y軸方向上分別采集60個和27個離散數(shù)據(jù)點，去除粗大誤差，求得每個數(shù)據(jù)點處的累積誤差，用MATLAB軟件繪制累積誤差趨勢圖。以X軸正向為例，如圖5所示，累積誤差隨著工作距離的增加而增大，在180 mm量程范圍內(nèi)累積誤差最高達到了0.04 mm，0.04 mm 的誤差已經(jīng)滿足不了測量精度，因此通過后續(xù)誤差補償來解決。

圖5　X軸正向誤差

1.4補償方法的選擇

在對影像處理刀具測量儀進行補償中，由于已經(jīng)擁有測量儀整套的測量軟件和程序，并且收集了X軸和Y軸大量的離散數(shù)據(jù)點，通過數(shù)據(jù)分析處理后得到了每個數(shù)據(jù)點的誤差值，但是這些數(shù)據(jù)點之外的數(shù)據(jù)點誤差未知，插值函數(shù)能夠滿足這個要求，將離散變量“聯(lián)成”連續(xù)變量[6]。其中分段3次樣條插值函數(shù)具有逼近曲線光滑、穩(wěn)定性好的特點，因此本次補償采用分段3次樣條插值作為補償函數(shù)，將誤差直接補償?shù)匠绦蛑腥ァ?/p>

以X軸正向采集數(shù)據(jù)為例，用[0,180]量程范圍作為插值區(qū)間，區(qū)間內(nèi)總共選取了60個數(shù)據(jù)點作為分段3次樣條插值函數(shù)的插值節(jié)點，插值步長為3 mm，通過3次插值多項式

S(x)=ci1(x-xi)3+ci2(x-xi)2+ci3(x-xi)+ci4

對任意兩個插值節(jié)點間的數(shù)據(jù)進行誤差補償。其中x為光柵尺當前位置時的坐標值，xi為x前面的插值節(jié)點，S(x)為當前位置處光柵尺的累計誤差，記為Δ，那么通過補償后顯示在屏幕窗口處的輸出值S=x-Δ。插值后的曲線見圖6。

圖6　插值曲線圖

2對比實驗

2.1誤差補償前后

如圖7所示，對比誤差補償前180 mm量程范圍內(nèi)累積誤差算數(shù)平均值達到了0.037 mm，且誤差趨勢隨著工作距離的增加而增大，誤差補償后的累積誤差值在1～4 μm上下波動，總體來說趨勢趨于穩(wěn)定,補償效果明顯。

圖7　量程補償前后對比

2.2誤差補償前后100 mm量塊測量對比

標定補償實驗后對長度為100 mm的量塊分別進行10次測長數(shù)據(jù)采集，并將此數(shù)據(jù)與標定補償前的10次數(shù)據(jù)作對比見表1所示。由表1可以看出，誤差補償后誤差值波動范圍比誤差補償前小，在將10次測長值取平均值后，補償后的平均值更接近100 mm量塊的長度，補償前累積誤差平均值為-0.001 9 mm，補償后為-0.000 2 mm，由此可見補償效果明顯。

表1　實驗測量數(shù)據(jù)

3結(jié)論

通過誤差補償實驗，證明了絕對零點選取的合理性以及分段3次樣條插值函數(shù)在補償計算中的可行性。

通過誤差補償，使得X和Y兩坐標軸有效量程范圍內(nèi)的累積誤差大幅度降低，且兩坐標軸的累積誤差值由線性增長變?yōu)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)的平穩(wěn)波動，使測量儀在整體上提升了測量精度，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

參考文獻:

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[6] 薛定宇,陳陽泉.高等應(yīng)用數(shù)學問題的MATLAB求解[M].北京:清華大學出版社,2004:325-332.

Error compensation of image processing based on cutting-tool measuring instrument

HEYe，ZHANGWei，HEFengbao，HUJianzhong

( School of Mechanical Engineering and Automation, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Abstract:Because choosing absolute zero was the basis of error analysis and compensation, the characteristics analysis of instrument itself and the system compensation of absolute zero by grating with zero reference point could eliminate human factors to collect data point more accurately and reliably. The output data was more accurate when using piecewise cubic spline interpolation function to become error value of the discrete data points from discrete to continuous interpolation and removed the error value from the measured data by the way of software programming.

Key words:error; absolute zero; interpolation function; compensation

作者簡介:赫 野(1987-)，男，碩士研究生；通信作者：張 偉(1962-)，男，教授.

收稿日期:2014-06-06.

中圖分類號:TH71

文獻標志碼:A

文章編號:1674-1404(2016)01-0076-03