像点比较仪改造方法研究

摘 要 针对老旧计量仪器像点比较仪，利用CCD视觉系统技术取代了原目视瞄准与测量系统，以高分辨率处理技术代替原复杂落后的机械电子式光栅数显修正装置，图像识别与自动采样、数据处理软件，实现计算机辅助测量与评定，提高了仪器测量重复性和测量效率。

关键词 像点瞄准;位移基准系统;误差补偿

引言

像点比较仪也称阿贝测量仪，它是利用光学像点原理进行非接触瞄准，并且测量轴线位于标尺轴线延长线上符合阿贝原则设计的高精度测量仪。其定位瞄准是像点影像直接反映工件的工作面，可对被测件尺寸区域的任一截面进行测量。 像点比较仪主要用来测量高精度要求的通孔直径，特别是小孔直径、小槽、缝隙等精密尺寸，也可对圆柱外径、平行平面的间距等长度尺寸进行高精度的绝对测量。

该像点比较仪为二十世纪七十年代购买，其位移基准装置和电子位移计数系统结构复杂，随着使用年限的增加，故障频繁发生。尽管电气元件严重老化，但其机械结构、传动系统仍体现着德国制造的优势，为了发挥该台仪器的余热，有必要对其进行技术改造，使其能够继续开展量值传递和计量检测工作。

1像点生成与瞄准系统研究与应用

像點瞄准是测量误差的重要来源之一。该机像点瞄准靠人工目视完成，存在人为视觉误差并且瞄准效率极低，极易导致视觉疲劳而影响测量效率和准确度。为此利用CCD图像处理技术，研究像点生成系统以及CCD自动识别与自动瞄准的工程化应用，实现快速自动瞄准采样[1]。

如图1所示，光源发出的光束通过聚光镜，照到分划板上的十字线A上，经投影物镜O1使A点成像于瞄准物镜O2的物点A1上，然后A1由物镜O2成像于双刻线分划板上的双刻线之间的A2上。当通过移动工作台使被测工件进入视场，但不与光轴重合时，成像系统内不仅看见像A2，还看见来自被测量表面的反射像，当被测工作的孔径面与光轴重合时，A2的反射像就与A2重合，通过图像处理，测量面的位置就可精确确定，对被测孔径两次进行瞄准定位，两次读数之差即为被测孔径尺寸。

拆除原瞄准用光学镜头组件，代之以研究设计的CCD图像识别系统，通过与之配套开发的图像处理软件实现像点自动瞄准，从而避免人为目视瞄准的误差，使瞄准重复性达到0.2μm。（如图2）

2位移基准系统的数字化研究

位移基准系统是尺寸测量的位置基准。原位移基准为专用玻璃光栅附带机械电子式实时误差修正系统，误差信号采用模拟控制实现修正。位移计数系统采用光电式传感器，模拟信号放大板卡，电子细分板卡、计数器板卡、译码显示等组成，属结构复杂的全硬件电路，板卡及电子元器件繁多，故障频繁发生。研究采用新型光栅技术，高集成度、高分辨力光栅位移系统与电脑集成以及软件修正技术等替代原位移基准装置、物理式误差修正等落后系统，实现全电脑测量控制，确保其位移测量不确定度符合原指标的前提下，大大提高仪器的测量效率和工作稳定性[2]。（如图3）

3位移到瞄准再到报告生成的全数字化集成

3.1 数字化系统流程

原设备仅具备位移实时显示功能，无数据采集、数据处理、报告输出等功能，需人工抄数、计算、编写报告，改造后，采用适用的图像识别与自动采样、数据处理软件，实现计算机辅助测量与评定并自动输出检测报告，系统流程图见图4，从而提高测量重复性和测量效率。同时，应用现代计算机及软件技术，实现长度示值的补偿处理，示值精度进一步提高，测量功能进一步扩展，使工件的找正及采点更加精确、迅速，实现智能化测量，消除人为因素影响，保证测量精度，减小工作人员的劳动强度，提高劳动效率。

图像测量软件是整套系统的核心，主要包括图像采集显示模块、图像处理模块、数据运算存储模块以及视觉测量系统的调焦模块、标定模块等几部分，采用VC++6.0和MAn.AB混合编程，利用VC++6.0语言实现有关图像的处理算法编程，同时利用MATLAB强大的计算功能，用于对数据拟合的运算，充分利用了两种语言的优势，提高了软件的处理速度和稳定性。

3.2 影像视场的标定

对测量影像视场的标定就是要确定影像视场所反应的实际物面的大小。而确定影像视场所反应实际物面的大小需要精确地将构成影像面阵单个像素的当量值（即单位长度）测定出来，这一过程被设计在配套软件中，只需调用相应软件功能，完成相应操作即可。

视场标定是对特定物镜放大倍数下物镜所反映物面的大小而言的，而对视场的标定只对（自动捕捉像点位置的）测量状态具有意义。在配备有同步变焦物镜，只需对最佳可重复的物镜放大状态进行标定即可。（如图5）

如上图所示，变焦物镜（在尽可能大的倍率上）被调整到视场刚刚能观察到像点上下横线线头的位置，来对视场进行标定。这一位置以上下横线的线头为参照，在每次测量时进行物镜放大倍率的复原。

影像视场的标定是以CCD给出像素的物理尺寸结合物镜放大倍率的估计值粗算出接近的像素测量单位值，先行输入至校准菜单输入栏，而后通过对标准器（标准量块和标准环规）反复测量修改来完成的。

3.3 像点合像位置偏置距离补偿

由于成像系统本身存在误差，像点合像的中心位置对被测工件表面的测量位置点会有一定的偏置距离，这一误差在测量时2倍的数量关系影响测量精度，并且对内尺寸 外尺寸两种不同类型的测量表现为不同的方向性。

这一系统误差需要用尺寸不大于5mm的标准量块和环规反复检测才能发现。系统以外尺寸测量的大小规定正负值，像点合像后，中心位置在实体之外为正值，反之为负值。

3.4 光栅尺示值误差补偿

原位移基准为专用玻璃光栅尺附带机械电子式实时误差修正系统，误差信号采用模拟控制实现修正;计数电路由电子细分、计数器计数、译码显示等组成，属结构复杂的全硬件电路。本次研究采用新型光栅技术，软件修正技术等替代原位移基准装置、误差修正系统、计数显示系统，在提高系统稳定性和效率的前提下确保其位移测量不确定度符合原指标。

系统可自动以两种方式对光栅尺示值误差进行补偿。即线性和非线性误差的补偿。首先将等同于测量行程的校准量块的工作面一端置于测量行程接近负向极限的位置（保证校准能在满行程范围进行校准），对量块调平找正之后，即可实现光栅尺示值误差补偿校准[3]。

4结束语

像点比较仪测量系统的研究与改进，实现了像点自动处理与瞄准，排除了人为瞄准引入的误差，采用CCD机器视觉、软件图像处理等新技术，实现了数据采样、处理的数字化，提高了仪器的测量效率和工作稳定性。现代检测技术要能适应快速发展的制造业，根据先进制造技术发展的要求，以及精密测量技术自身的发展规律，不断拓展新的测量原理和测试方法，满足高精度测量仪器的检测。

参考文献

[1] 刘兴明.最新计量测试与仪器仪表检定、维修、使用技术标准及计量管理工作规范[M].北京：中国计量科技出版社，2007：376.

[2] 张泰昌.几何量检测1000问，下册.工程测量[M].北京：中国标准出版社，2006：115.

[3] 张玉文，周自力.量仪调修技术[M].北京：中国计量出版社，2002：61.

作者简介

李其（1974-），男，陕西西安人;职称：工程师，研究方向：计量技术。