（机械制造及其自动化专业论文）球面孔系坐标非接触测量系统的研究.pdf

球面孔系坐标非接触测量系统的研究 机械制造及其自动化专业 研究生余良忠指导教师龙伟 随着现代航天航空技术的迅速发展，球形工件上各种圆孔的加工位置精度 要求也越来越高。相应地，对球面圆孔位置的检测精度提出了很高的要求，并 且检测时要求采用非接触测量形式。 本文提出的测量系统使用当今先进的光电技术和数字图像处理技术实现了 球面孔系相对位置的非接触式测量。测量系统利用光学成像技术把球面孔系坐 标的三维测量转换为二维测量，使用线阵c c d 和光栅传感器与机械运动机构 相配合以扫描方式对球面圆孔进行图像采集，通过计算机数字图像处理技术对 图像进行圆孔中心识别，并通过软件处理的方式把二维测量、计算结果转换为 三维测量结果。 本文介绍了球面孔系坐标非接触测量系统组成结构、原理和工作过程，以 及系统使用到的c c d 、光栅传感器和轴角编码器等光电技术。同时介绍了步进 电机单片机控制系统的软硬件设计原理与方法，详细分析了上位计算机如何控 制前端单片机控制系统和图像采集系统实现对球面圆孔的图像采集，并结合球 面孔系坐标的测量时间和精度要求提出了四种具有一定针对性的图像采集方 法：“全程采集”、“双段采集”、“变速采集”和“局部采集”。同时介绍了中值 滤波、二值化以及圆孔边缘提取等常用数字图像处理技术，并着重阐述了适合 于本测量系统的“弦中心法”、“三点定圆法”和“最小二乘圆法”三种圆孔中 心识别方法。最后建立了球面孔系坐标的几何模型及算法，实现二维测量到三 维测量的转换，并以详尽的实验结果对本测量系统所能达到的精度进行验证。 关键词：球面圆孔，位置精度，非接触，光电测量 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h en o c o n t a c tm e a s u r e m e n t s y s t e m o f s p h e r i c a lc i r c u l a r h o l es e r i e s s p e e i a l t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：y ul i a n g z h o n gs u p e r v i s o r ：l o n gw e i t h ef a s td e v e l o p m e n to fs p a c e f l i g h ta n da v i a t i o nt e c h n o l o g yl e a d st or i g o r o u s p r e c i s i o nr e q u i r e m e n to ft h em a c h i n i n gp o s i t i o no fc i r c u l a rh o l eo nt h es p h e r i c a l w o r k p i e c e a c c o r d i n g l y , i tr e q u i r e sm u c hh i g h e rd e t e c t i n gp r e c i s i o no nt h ep o s i t i o n o fs p h e r i c a lc i r c u l a r h o l e ，a n da d o p t i n g n o n c o n t a c t m e a s u r i n gm e t h o d s w h e n d e t e c t i n g t h em e a s u r e m e n t s y s t e m r a i s e d b y t h i s p a p e r u s e ds o m ea d v a n c e d p h o t o e l e c t r i c a n dd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t om e a s u r et h er e l a t i v e p o s i t i o n o ft h e s p h e r i c a l c i r c u l a rh o l es e r i e si n n o n c o n t a c tm e t h o d t h i s m e a s u r e m e n t s y s t e m t r a n s f o r m st h et h r e e - d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n to nt h e c o o r d i n a t e so f s p h e r i c a lc i r c u l a rh o l es e r i e st op l a n a rm e a s u r e m e n tb yt h eo p t i c a l i m a g i n gt e c h n o l o g y b yt h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h i sm e a s u r e m e n t s y s t e ms o f t w a r ei d e n t i f i e st h ec e n t e ro f c i r c u l a rh o l ei nt h ei m a g e ，w h i c hi sc a p t u r e d b y t h em e a s u r e m e n ts y s t e m b ym e a r l so f m e c h a n i c a l s c a n n i n gu s i n gl i n e a rc c d a n d r a s t e rs e n s o r c o o p e r a t i n g w i t hm o b i l em e c h a n i s m t h e p l a n a r m e a s u r ea n d c a l c u l a t i n g r e s u l t sa r ec o n v e a e di n t o t h r e e d i m e n s i o n a lm e a s u r er e s u l t s a u t o m a t i c a l l yb y t h em e a s u r e m e n t s y s t e ms o f t w a r e t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ee l e m e n t sa n d w o r k i n gp r i n c i p l ea n dp r o c e s so f t h em e a s u r e m e n ts y s t e m ，t o g e t h e rw i t hs o m ep h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g yu s e db yt h i s s y s t e ms u c ha sc c d ，r a s t e rs e n s o r , a n dp h o t o e l e c t r i cr o t a r ye n e o d e lt h ed e s i g n i n g p r i n c i p l ea n dm e t h o do f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rt h es i n g l e c h i pc o n t r o ls y s t e mo f s t e pm o t o r a r es e c o n d l yi n t r o d u c e di nt h ep a p e r _ t h i r d l y , t h i sp a p e ri l l u s t r a t e sh o w t h e u p p e rc o m p u t e r t oc o n t r o lt h e s i n g l e c h i p c o n t r o l s y s t e m a n dt h e i m a g e a b s t r a c t c a p t u 由gs y s t e mi nt h ef o r e 目0 u n dt oa c c o m p l i s ht h ei m a g ec a p t u r i n gp r o c e s so f t h e s p h e r i c a lc i r c u l a rh o l ei nm e c h a n i c a lm e t h o d ，a n da i m i n g a tt h et i m ea n dp r e c i s i o n r e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ，i tb r i n g su pf o u rk i n d so fi m a g ec a p t u r i n gm e t h o d s ： “f u l la r e ac a p t u r e ”，d o u b l es e g m e n tc a p t u r e ”，v a r i a n ts p e e dc a p t u r e ”，a n d “p a r t i a la r e ac a p t u r e ”f o u r t h l y , t h i sp a p e rp r e s e n t ss o m ec o m l n o nd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gm e d i a nf i l t e r ，b i n a r y t h r e s h o l da n de x t r a c t i n go f c i r c u l a rh o l ee d g e ，a n db e s i d e s ，e x p o u n d st h r e ek i n d so f r e c o g n i s i n gm e t h o df o rt h e c e n t e ro fc i r c u l a rh o l e ，i e “c i r e l ec h o r dc e n t e r ”，“c i r c l ef i x e db yt h r e ep o i n t s ”， a n d l e a s t s q u a r ec i r c u l a r i t y ”，a c c o r d i n g t ot h i sm e a s u r e m e n ts y s t e m f i n a l l y , b a s e do nt h eg e o m e t r i cm o d e la n da r i t h m e t i cf o rt h ec o o r d i n a t e so f s p h e r i c a lc i r c u l a r h o l es e r i e s ，t h i s p a p e rd e m o n s t r a t e s h o wt oc o n v e r tt h e p l a n a rm e a s u r i n ga n d c a l c u l a t i n g r e s u l t st ot h r e e d i m e n s i o n a l m e a s u r i n g r e s u l t s ，a n d e x h a u s t i v e e x p e r i m e n t r e s u l t sv a l i d a t et h ep r e c i s i o nt l l i sm e a s u r e m e n tc o u l da c h i e v e k e y w o r d s ：s p h e r i c a l c i r c u l a r h o l e ，p o s i t i o n p r e c i s i o n ，n o c o n t a e t ， p h o t o e l e c t r i cm e a s u r i n g 1 1 四川丈学硕士学位论文 】测量系统概述 本章将从项目的技术要求出发对国内外相关的测量方法做出详细的比较分 析，并讨论测量系统所涉及到的线阵c c d 、面阵c c d 、光栅传感器、轴角编 码器等方面的光电技术。 1 1 课题来源及技术要求 球面孔系坐标非接触测量系统的研究课题承接的是中国工程物理研究 院第六研究所的军工配套项目，是四川大学制造学院数控实验室、四川大学激 光技术研究所与中国工程扬理研究院第六研究所合作进行的科研课题。 被测量工件是一系列半径从5 0 r a m 到8 5 m m 表面光洁度较高的铝制半球壳 部件，球体表面密布牵l 至由5 的轴线经过球心的圆孔( 逶孔和盲孔) ，如图i i 所示。 基准孔z 芩 赋。龇 ，二。斥 j l 1 “ h 端面定垃 厅 一葑 、 。 ! 一 。、l 图1 1 球体示煮图 球面孔系坐标非接触秘量系统的研究 在每一个被测量球体的顶部均有一轴线经过球心且垂直于半球壳端面的通 孔，在本测量系统把它定义为基准孔，并有一定位孔垂直于球体端面。本测量 系统以球心、定位孔、基准孔以及端面建立如图1 所示的空间三角坐标系：x 轴平行于端面并经过球心并与定位孔轴线相交y 轴平行于端面并经过球心与 x 轴垂直，z 轴经过球与端面垂直。 项目的目的是检测球体表面圆孔之间的相对位置，要求在1 小时内测量1 5 0 个圆孔与基准孔之间的空间夹角，即平均每孔的转位及测量时间不超过4 0 秒， 同时要求测量精度不超过3 0 角秒。其中球体自动旋转装置由中国工程物理研究 院第六研究所研制，要求球体表面每个圆孔的转位时间不超过1 6 秒，转位精度 不超过1 5 角秒；四川大学激光应用技术研究所和四川大学制造学院数控实验室 负责测量部分的实现，要求球体表面每个圆孔的测量与处理时间不超过2 4 秒， 测量精度不超过1 5 角秒。 本课题的主要任务是完成测量部分的设计，使测量系统在试验的过程中达 到定的精度要求： 当球体静止不转动时，球面圆孔多次测量结果的精密度( 即静态重 复度) 口的4 倍不超过1 5 角秒，即要求t y 3 7 5 ”； 对圆孔多次旋转一定空间角度的测量结果的精密度( 即动态重复度) ( 7 - 的3 倍不超过1 5 角秒，即要求o - 5 ”。 1 2 各种实现方法比较 球形工件( 球体、球冠、半球等) 随着航天航空等领域惯性导航技术的发 展而得到的广泛的应用。球形工件上各种圆孔的加工位置精度要求非常高，相 应地，对球面团孔位置的检测精度也提出了很高的要求。球面团孔位置的测量 属于三维测量，当今机械工业中三维测量的工具大多数仍然是三坐标测量机、 万能工具显微镜( 简称万工显) 等传统设备，其自动化程度和工作效率非常低， 难于满足工业自动化与陕速测量的需要。各种非接触测量方法随着现代光电技 术、数字图像处理技术的迅速发展而出现，若在物体的二维和三维测量中得到 广泛的应用。 国内外关于球面圆孔位置检测方面的报道比较少，基本上是使用三坐标测 量机、万工显实现，而很少使用光电测量的方法实现。以下对使用三坐标测量 四j 大学硕士学位论文 机、万工显和光电技术等三种实现球面孔系坐标测量的方法做一个简要的分析 与比较。 ( 1 ) 使用三坐标测量机实现球面孔系坐标的测量 三坐标测量机( c m m ) 是一种咀精密机械为基础，综合应用电子、计算机 技术、光栅与激光干涉技术等先进技术的高精度、高效率的自动化检测设备。 三坐标测量机的主要功能是： 可实现空间点的测量，可方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸、位 置精度等。测量精度可靠，适用范围广。 由于计算机的引入，可方便地进行数字运算与程序控制并具有很 高的智能化程度。 测量球面圆孔位置时，球体固定在工作台上，在x 、y 方向上移动工作台 并调节测量主轴套在z 方向上下移动多元测量头，使测量头与圆孔圆周接触采 样得到圆周上若干点的空间坐标值，最后通过计算求得圆孔中心的空间坐标值， 进而求得被测圆孔与基准孔之间的空间夹角。 但三坐标测量机价格昂贵、数据采集速率低，而且一般采用接触式直接测 量法，容易划伤被测球体的光洁表面和圆孔边缘球面；更主要的是，受测量头 尺寸的限制测量小微孔非常困难。基于上述原因，三坐标测量机不适合于本 项目。 ( 2 ) 使用万工显实现球面孔系坐标的测量 万工显是计量工作中频繁使用的仪器之一，可以测量平面上的点、线、圆 弧以及由点、线、圆弧所组成的复杂轮廓，实现各种复杂的二维综合测量，最 高准确度可以达到微米级。例如，测量螺纹的各项参数、凸轮的轮廓、各种切 削刀具、锥体、样板和孔间距等【l j 。 由于万工显为二维测量仪器，因此为了实现球面孔系坐标的三维测量，必 须在万工显上安装球体旋转分度装置。测量时，把被测量球面圆孔旋转至测角 目镜下，通过测角目镜瞄准圆孔进行定位并转动米字分划板使米字线中间虚线 与圆周相切，然后采样得到切点坐标，在圆周上采样三点或四点计算圆孔中心 坐标。为了进一步提高测量精度，必须对圆孔圆周采样更多的测量点。可见其 测量效率非常低，既使先进的万工显采用了微机控制在测量时无需人工读数和 记录以及数据处理由于必须在被测工件上建立自身的坐标系统以便对圆孔进 球面孔系坐标非接触测量系统的研究 行定位，其智能化及工作效率也依然不是很高。 ( 3 ) 使用c c d 实现球面孔系坐标的非接触测量 随着科学技术的发展，光电测量技术的应用日益广泛。电荷耦合器件 ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，简称c c d ) 作为新型半导体光电转换器件，逐渐成 为光电测量中的关键部分。c c d 尺寸测量技术可以满足测量速度快、精度高、 非接触式及动态的自动测量的要求，使加工、检测和控制融为一体成为可能。 因此c c d 非常适用于各种精密图像传感和无接触工件尺寸的在线检测，在精 密测量及自动检测领域得到了广泛应用【2 j 。 与万工显类似，可以把球面孔系坐标的三维测量通过光学系统转换为球面 上圆孔的二维测量，而二维测量可以采用c c d ( 或c c d 与光栅传感器配合) 实现，即使用c c d 采集圆孔图像，通过图像识别圆孔中心坐标，计算得到圆 孔与基准孔的相对位置。使用c c d 以非接触方式实现球面孔系坐标测量的优 点是测量时不会损伤球体的光洁表面和圆孔的边缘，且不受孔径的限制，数据 获取速度快，工作效率高。 归根结底以上三种方法都是在测量出球面上各圆孔的中心位置( 三维的 或二维的) 的基础上，通过一定的几何运算得到各圆孔与基准孔之间的空间夹 角关系。但使用c c d 配合光学系统以非接触的方式可以实现球面圆孔位置快 速、高效、自动化、高精度检测。在满足项目精度要求的前提下，综合考虑项 目实施成本、测量工作效率以及技术先进性等因素我们放弃了使用三坐标测 量机和万能工具显微镜，而决定使用c c d 实现球面孔系坐标的测量。 1 3 相关光电技术讨论 c c d 对球面孔系坐标进行测量时，不像三坐标测量机自身装配有旋转工作 台，而需要装配额外的球体旋转装置，球体的旋转角度可以使用当今使用比较 普遍的光电轴角编码进行计量。当采用一维的c c d 以一维的方式实现二维测 量时，c c d 常常需要与光栅传感器相配合使用。以下讨论一下c c d 、光栅传 感器、光电轴角编码器等相关的光电技术的原理与特点。 1 3 1 电荷耦合器件( c c d ) c c d 是2 0 世纪7 0 年代初发展起来的一种新型光电器件。与其它光电器件 四川大学硕士学位论文 相比c c d 传感器有许多优点，它具有自扫描、高分辨、高灵敏度、重量轻、 体积小、像素位置准确、耗电少、寿命长、可靠性好、信号处理方便、便于和 计算机接口等优点，近3 0 年来发展迅速，成为近代光电成像领城里非常重要的 一种高新技术。而且c c d 光电尺寸测量的使用范围和特性比现有的机械式、 光学式、电磁式量仪优越得多。 c c d 器件上有许多光敏单元，它们可以将光线转换成电荷从而形成对应 于景物的电子图像，每一个光敏单元对应图像中的一个像素，像素越多图像越 清晰，如果我们想增加图像的清晰度，就必须增加c c d 的光敏单元的数量。 按照光敏元件排列结构的不同c c d 可分为线阵c c d 和面阵c c d 。线阵c c d 可完成一维光强空问分布的探测，而面阵c c d 能完成二维全场光强空间分布 的探测。 c c d 用集成电路工艺制成主要由光敏单元、输入结构和输出结构等部分 组成。光敏单元排列成一行的称之为线阵c c d ，像元数从1 2 8 位至5 0 0 0 位， 最多可达7 0 0 0 位构成一个产品系列。通过c c d 可以实现光电转换、信号存储、 传输、处理及电子快门等一系列功能。 c c d 的每个光敏像元即为一个m o s 电容器，现在的c c d 均采用光敏二 极管代替，其示意图如图1 2 所示。与m o s 电容器相比，光敏二极管具有灵敏 度高、光谱响应宽、蓝光响应好、暗电流小等特点【3 1 。 + 一 - - - - - - - - - - - - - - + o o r lf n + 0 0 0 0 n 十十 图l 五光敏二极管 光敏二极管是在p 一型s i 衬底上扩散一个n + 区域以形成p n 节二极管。通 过多晶硅相对二极管反向偏置，于是在二极管中产生一个耗尽区。在耗尽区中， 光生电荷与空穴分离，光生电荷被收集在势阱( 空间电荷区对带负电的电子而 言，是一个势能特别低的区域，此区域称之为势阱) 中。若将一列m o s 电容 球面孔系坐标非接触铡量系统的研究 器或光敏二极管排列起来，并以两相、三相或四相工作方式把相应的电极并联 在一起，并在每组电级上加上一定时序的驱动脉冲，就能实现对被测目标的一 维光电扫描和信号读出。当目标经过光学系统在c c d 光敏区上成像时，入射 光子被像元吸收同时产生一定数量的光生电荷。在光积分期间这些光生电荷被 存储在彼此隔离的相应像元的势阱中，每个像元势阱中所积累的光生电荷数， 与照射在该像元面上的平均照度和光积分时间的乘积，即曝光量成正比。在电 荷转移期间，各个像元中的光生电荷，通常是按奇、偶数分配同时转移到设置 在像元上下两侧的移位寄存器中，然后在传输脉冲的控制下，依次转移到输出 端。电荷包通过输出晶体管转换成信号电压并把两列像元信号依次重新排列， 最后输出一行完整的图像视频信号，完成一次光电扫描，这就是线阵c c d 的 基本工作原理【4 j 。 按一定的方式将一维线阵c c d 的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列， 即可以构成二维面阵c c d 。由于排列方式不同面阵c c d 常有帧转移、隔列 转移、线转移和全帧转移等方式。帧转移摄像器由成像区( 光敏区) 、暂存区和 水平读出寄存器三部分构成成像区由并列排列的若干电荷耦合沟道组成，各沟 道之间用沟阻隔开，水平电极横贯和沟道，暂存区与水平读出寄存器均被遮蔽。 图像经物镜成像到光敏区，光生电荷将被收集到相应的势阱里。这样就将被摄 光学图像变成了光积分电极下的电荷包图像。当光积分周期结束时，加到成像 区和存储区电极上的时钟脉冲使所收集到的信号迅速转移到存储区水平读出寄 存器中。然后依靠加在存储区和水平读出寄存器上的脉冲驱动水平读出寄存器 经输出通道输出一帧信息。当第一场读出的同时，第二场信息通过光积分又收 集到势阱中。一旦第一场信息被全部读出，第二场信息马上就传送给寄存器， 使之连续地读出。 1 3 2 光栅传感器 光栅传感器( r a s t e rs e n s o r ) 的优点是测量精度高，性能稳定、可靠，抗 干扰能力强，使用和安装方便以及产品寿命长。目前，光栅技术已广泛应用于 数控加工设备、仪器仪表和生产过程中的测量和控制中，实现测量加工自动化、 读数显示数字化。 光栅传感器的作用是利用莫尔条纹原理，把输入量( 位移量) 转换成相应 四川大学颈士学位论文 的电信号输出【”。它由光源、透镜、光栅副( 标尺光栅、指示光栅) 和光电接 收元件组成。光栅传感器中，除去主光栅外，由其它部分组合在一起的机械光 学部件称为光栅读数头，当它与主光栅作相对位移的过程中读出移动件的位移 量。光栅按每毫米内的栅线数分粗光栅和细光栅，光栅常数等于光栅的线宽与 缝宽之和，一般线宽等于缝宽p j 。 当将光栅常数相等的标尺光栅和指示光栅相对叠合在一起，并使两者栅线 ( 光栅刻线) 之间保持很小的夹角。这样由于光的干涉效应，产生和栅线接近 垂直的明暗相间的条纹，即莫尔条纹( m o i r ef r i n g e s ) 。如果用表示光栅栅距， 口表示两光栅刻线夹角，b 表示莫尔条纹( 亮带与暗带) 之间距离，则当日很 小时，近似有p j ： b w | e 莫尔条纹具有以下特点瞪j ： 虽然栅距很小，但只要调整夹角。即可得到很大的莫尔条纹宽度 曰即莫尔条纹的间距对光栅间距具有放大作用。这样，就把一个 微小移动量的测试转变成一个较大的移动量的测试，既方便，又提 高了测量准确度。同时，在两块光栅的栅线交角0 一定的条件下， 莫尔条纹的移动方向与光栅尺的位移方向之间的关系也是固定的。 因此在实际测量中，可咀根据莫尔条纹的位移量来判断光栅尺的位 移量，根据其位移方向来判断光栅移动件的位移方向。 当光栅副作相对移动时，莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，即 光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间距，电压输出按正弦 函数变化，通过电路整形处理变成脉冲输出。脉冲数和条纹数与移 过的栅距数一一对应。因此位移量为：x = n w 。式中n 为条纹数， w 为栅距。据此可测得运动部件的位移量。 莫尔条纹对光栅栅距局部误差具有误差平均作用。莫尔条纹是由一 系列刻线的交点组成的。如果光栅栅距有误差则各交点的连线将 不是直线，而通过指示光栅的整个刻线区域，由光电接收元件接收 到的是这个区域中所包含的所有到线的综合结果。这个综合结果对 各栅距起到了平均作用。 光栅传感器实现了位移量由非电量到电量的转换，为了辨别位移的方向， 球面孔系坐标非接触测量系统的研究 提高测量精度，以及实现数字显示等要求，可以把传感器的输出信号送入数显 表作进一步处理，使其具有辨向、细分及显示功能。 1 3 3 光电轴角编码器 光电轴角编码器，又称光电角位置传感器( p h o t o e l e c t r i cr o t a r ye n c o d e r ) 。 它以高精度圆计量光栅为检测元件，通过光电转换将主轴角位移转换成相应的 脉冲数字量，即由主轴带动轴角编码器旋转，发出矩形脉冲通过微机控制和 机械部件驱动转换成直线位移量和角位量【l 】。它可与计算机及显示装置相连接， 不仅能够实现数字测量与数字控制，而且与其它同类用途的传感器相比，具有 精度高、测量范围广、体积小、重量轻、使用可靠、易于维护等优点具有较 高的性能价格比，因此已普遍应用在光电经纬仪、机器人和数控机床等诸多领 域，是自动化设备理想的角度传感器。 根据形成代码方式不同，光电轴角编码器分为增量式和绝对式两大类 6 1 。 增量式轴角编码器的码盘刻线间隔均一，对应每一个分辨率区间，可输出 一个增量脉冲，计数据相对于基准位置( 零位) 对输出脉冲进行累加计数，正 转则加，反转则减。增量式编码器的优点是易于实现小型化，响应迅速，结构 简单，其缺点是掉电后容易造成数据损失，且有误差累积现象。若在增量式编 码器上再加上一个固定参考零位( r e f e r e n c em a r k ) ，每次上电后先使编码器转 动经过零位，从零位处开始计数。这样，即使编码器在掉电后重薪上电，只要 转动到同一个位置，便会指示相同的角位移值，即编码器具有了“记忆”功能。 绝对式光电轴角编码器一般使用二进制码盘，码盘上的码道按一定规律排 列，对应每一分辨率区间有唯一的二进制数，因此在不同的位置，可输出不同 的数字代码。绝对式光电轴角编码器同增量式相比，具有固定零点，输出代码 是轴角的单值函数，抗干扰能力强，掉电后再启动无须重新标定，无累积误差 等优点，因此在国防、航天以及科研部门得到了广泛应用。绝对式光电轴角编 码器的缺点是制造工艺复杂，不易实现小型化。 四川大学硕士学位论文 2 测量系统总体设计 项目决定采用以c c d 为主的光电测量技术实现球面孔系坐标的非接触式 测量，本章将详细介绍测量系统的实现方案的设计过程、基本组成结构以及工 作原理。 2 1 测量系统方案设计 球面孔系坐标测量属于三维测量，而c c d 只能实现物体的一维或二维测 量，因此必须把三维测量转换为二维测量。由于被测量球体的半径为已知，因 此这个转换过程可以使用光学成像系统实现，然后使用c c d 采集圆孔图像， 通过图像识别圆孔中心坐标，计算得到圆孔与基准孔的相对位置。实现球面圆 孔图像采集的方案有两种： “) 使用面阵c c d 进行球面圆孔图像采集 将面阵c c d 固定在与z 轴( 图1 1 ) 垂直的平面内，测量时旋转每个被测 圆孔使其中心轴线通过面阵中心，这样便可以通过面阵c c d 真接获取圆孔图 像。为达到测量系统所要求的高精度，必须采用高分辨率的专用面阵c c d 。这 种方案速度快、进度高，但是需要有专用驱动器和图像采集器，而且价格极其 昂贵，如分辨率为5 1 2 0 x5 1 2 0 的面阵c c d 高达几十万。 ( 2 ) 使用线阵c c d 和光栅传感器相配合进行球面圆孔图像采集 线阵c c d 作一维测量时可以获得很高的分辨率，但单独使用只能实现一 维测量。当线阵c c d 与机械运动机构相配合采用机械扫描方式即可实现面阵 c c d 的功能，完成二维高分辨率测量。图像采集完成后，组合线阵c c d 每一 采集行的数据成一幅完整的图像，线阵c c d 每一采集行的位置可以利用高精 度的光栅传感器来确定。采用此种方案，既可提高测量精度和速度又可以降 低项目实施成本。 综合以上对面阵c c d 与线阵c c d 实现球面孔系坐标测量的两种方案分 析，我们从价格等方面考虑放弃直接使用高分辨率的面阵c c d 进行球面圆孔 图像采集的第( 1 ) 种方案，而采用第( 2 ) 种方案的思想，并结合面阵c c d 图像采集 速度快的优点，提出了本测量系统的详细实现方案： 球面孔系坐标非接触测量系统曲研究 使用由步进电机驱动的球体旋转装置实现球体的转位：使用低分辨率的面 阵c c d 对球面圆孔的旋转进行观察与粗定位；使用由5 倍物镜等光学元件组 成的光学成像系统实现球体孔系坐标三维测量到二维测量的转换；使用步进电 机驱动高分辨率的线阵c c d 实现对放大后的球面圆孔图像的扫描，同时使用 高精度的光栅传感器对线阵c c d 采集行位置进彳亍同步计量。晟后通过计算机 数字图像处理得到圆孔中心坐标，计算求得圆孔与基准孔之间的空间夹角关 系，实现二维测量结果到三维测量结果的转换。 该方案的优点是： 采用非接触的方式对圆孔中心测量，不会损伤球体的光洁表面以及 圆孔边缘，且不受孔径的限制； 利用5 倍物镜对圆孔进行放大以及使用高分辨率的线阵c c d ，提高 了采样精度： 在计算机控制下实现自动采集，可完成采样数据的自动存储和传输： 采用计算机数字图像处理技术，在先进算法支持下识别圆孔中心坐 标精度高，使整个系统的精度有了保证： 测量自动化程度高，数据获取速度快，工作效率高项目实施成本 低。 2 2 测量系统组成结构 根据测量系统总体方案设计的整个装置如图2 1 所示。整个测量系统主要 由球体转位系统、光学成像系统、图像采集系统、步进电机控制系统和测量计 算系统五大部分组成，各部分的详细组成结构如图2 2 所示。其中的球体转位 系统实现自动化的任务由中国工程物理研究院第六研究所研制，本文主要完成 球面圆孔旋转到位后的二维测量与计算( 即圆孔图像采集、圆心识别及最终的 空间夹角计算) 。 四川丈学硕士学位论文 垂直工作台图像采集头 图2 - 1 测量系统装置示意图 图2 - 2 测量系统组成结构示意图 测量系统的六大组成部分的详细构件及其功能为： ( 1 ) 球体转位系统： 转架：包括球体夹具等，可以绕x 、y 轴旋转。 转角装置：通过控制转角装置，可使转架及球体绕两个相互垂直的 x 、y 轴旋转，把球面上的圆孔旋转至物镜光轴处。 轴角编码器：s e 0 9 3 2 0i 【型增量式光电轴角编码器，安装在转架的 两旋转轴轴端。同步记录两轴的旋转角度。 球面孔系坐标非接触测量系统的研究 数显箱：数字化显示对应轴角编码器的编码，以串行方式与上位计 算机进行通讯其波特率为9 6 0 0 ，1 位起始位( 0 ) ，8 位数据( 低 位在先) 和1 位停止位( 1 ) 。每个角度值共4 个字节：先传送符号 位，正负号的十六进制代码分别为# a b h 和# a a h ，后3 个字节为压 缩的b c d 码次序是从高位到低位。 ( 2 ) 光学成像系统： 光源：包括灯罩及发光二极管。两圈致密的高亮发光二极管安装在 灯罩里，灯罩顶端有一通孔供球面反射光线通过。发光二极管由1 2 v 的稳压直流电源供电，通过调节控制箱的电位器可以调整光源的亮 度。 物镜：5 倍。球面圆孔在光源的照射下经物镜放大5 倍后成像在线 阵c c d 像元所在的水平面( 即像元平面) 上。 分光片：采用7 0 光透过3 0 光反射的波片。即7 0 的光线透过 分光片照射于线阵c c d 像元平面上，而3 0 光线经反射后照射于 面阵c c d 像元平面上。 面阵c c d 及其驱动器：分辨率为6 4 0 x 4 8 0 ，驱动器通过u s b 接口 与上位计算机相连。通过面阵c c d 可以对球面圆孔转位的情况进行 观察。 ( 3 ) 图像采集系统： 线阵c c d 及其驱动器：t c d l 5 0 1 c 型线阵c c d ( 日本东芝公司生 产) ，光敏像元数目为5 0 0 0 ，像元尺寸为7 u m 7u m 7 u m ( 相 领邻像元中心距) ，光谱响应范围为3 0 0 肿1 0 0 0 m ，光谱响应峰值 波长为5 5 0 n m ；内置采样保持电路，外表采用2 2 脚标准双列直插封 装( d i p 2 2 ) ，具有高灵敏、低噪声和宽动态范围的特点。该线阵c c d 及其驱动器位于图像采集头中两水平导轨之间的滑板上，在步进电 机驱动下水平往返移动，对经物镜放大后的圆孔图像进行逐行采集。 线阵c c d 驱动器：c d d m 0 4 c 型驱动器，与1 d 1 5 0 1 c 型线阵c c d 配套使用，具有两组驱动频率供用户手工选择，两组驱动频率分别 为：1 m h z 、5 0 0 k h z 、2 5 0 k h z 、1 2 5 h z 和5 0 0 k h z 、2 5 0 k h z 、1 2 5 k h z 、 6 2 2 5 k h z ；具有t t l 电平设置1 6 档线阵c c d 积分时间的功能，并 四川大学硕士学位论文 可通过软件编程动态设定( 即设定采样步距) 。 光栅尺：s k s 5 0 型光栅传感器。与线阵c c d 保持同步运动，实现 对线阵c c d 位移的高精度测量。 采集卡：位于上位计算机的i s a 插槽中。主要作用是控制线阵c c d 驱动器的工作、保存线阵c c d 所采集的图像数据及每一采集行所对 应的光栅数据。同时，对来自s k s 5 0 型光栅传感器的原始信号进行 电子细分处理，使它能够精确地测定0 1 微米的直线量。 ( 4 ) 步进电机控制系统： 步进电机：驱动滑板及其上的线阵c c d 在两导轨之间水平前后移 动。 步迸电机驱动器：d l 一0 3 f 0 5 m 型三相反应式步进电机驱动器，对由 单片机控制系统发出的步进脉冲进行分配及功率放大，驱动步进电 机带动线阵c c d 工作。 单片机控制系统：以8 9 c 5 2 为核心的步进电机控制卡，位于上位计 算机的i s a 插槽中。 ( 5 ) 测量计算系统： 上位计算机( p c 机) ：运行测量系统软件( m i c r o s o f tw i n d o w s9 8 版) ，控制着整个测量系统的运行，实现圆孔图像的处理以及球面孔 系坐标的计算。 另外测量系统构件还有为p c 机、步进电机驱动器、光源等供电的专用电 源等。 光学成像系统、线阵c c d 及其驱动器、光栅尺和步进电机安装在图2 1 所 示的图像采集头中。图像采集头通过导轨安装在垂直工作台上，通过调节可以 上下移动对光学成像系统进行调焦。另外，步进电机驱动器、电源等一部分器 件放置在如图2 一l 所示的控制箱中。 系统所使用的s k s 5 0 型光栅传感器属于相对光栅，以增量的形式反映位移 量的大小，在测量时零位可任意确定。如果在测量过程中一旦遇到停电、停机 或中断运行等意外事故，对同一孔重新测量时由于光栅零位各自不同，得到 的测量结果也将不同。对这个问题的解决办法是人为地给光栅传感器定零位： 保证p c 机每次加电工作时光栅传感器都固定在同一位置。由于光栅传感器是 球面孔系坐标非接触测量系统的研究 对线阵c c d 的位置进行同步计量，这样一个固定位置可以设定为线阵c c d 行 程的一个极限位置，如最左端或最右端。这就要求关闭p c 机前应控制步进电 机把线阵c c d 移动到所设定的固定位置：p c 机在遇外停电重启后，应把线阵 c c d 移动到所设定的固定位置正常关闭p c 机后再重新启动。这样，光栅传 感器的零位就基本保持一致了。本测量系统把线阵c c d 行程的最右端定义为 光栅尺的“零位”( 如图2 - 4 中右限位开关处所示) 。 2 ，3 测量系统工作原理 测量系统的基本工作原理如图2 3 所示。系统在测量过程中将完成三维与 二维之间的两次转换，同时以软件处理的方式替代部分硬件设备来简化系统。 图2 - 3 测量系统工作原理示意圈 ( 1 ) 三维n - 维测量的转换 球面孔系坐标三维测量n - - 维测量的转换是由光学成像系统完成的。 灯罩内的发光二极管在通电后发出的高亮度光照射于高洁度较高的球体表 面，圆孔经过物镜放大5 倍后成像在线阵c c d 像元平面上，如图2 - 4 所示( 图 中a b c d ：线阵c c d 最大采集区域) 。圆孔孔外部分，即圆孑l 周围的光洁球体 表面，经过反射后在线阵c c d 像元平面形成高亮区域；而圆孔孔内部分属于 非反光或弱反光区域。这个区域将在线阵c c d 像元平面上形成一个黑暗的圆 四川大学硕士学位论文 形区域。因此，在线阵c c d 像元平面上形成了一幅以圆孔边缘为边界里外具 有高对比度的图像。 图2 - 4 圆孔成像示意图 ( 2 ) 二维测量与计算 在测量计算系统控制下图像采集系统和步进电机控制系统配合实现二维测 量，测量计算系统实现二维测量结果的计算。 在步进电机驱动下，线阵c c d 在其驱动器的作用下从其行程的最右端a b 处( 图2 - 4 中右限位开关处) 逐行采集到最左端c d 处( 图2 - 4 中左限位开关 处) ，光栅尺同步记录每一采集行所对应的位置。线阵c c d 所采集的图像数据 以及光栅数据保存在采集卡的s r a m ( 静态存储器) 中。当整个采集过程完成 后，p c 机从采集卡的s r a m 中读出所有的图像和光栅数据，即可组合成一幅 完整的图像，然后进行数字图像处理、坐标转换以及圆孔中心检测，得到这个 圆孔的几何参数( 中心坐标、半径等) 。 首先进行球面基准孔的测量，并进行图像处理，得到球面基准孔的中心坐 球面孔系坐标非接触测量系统的研究 标值( x o ，r o ) 。随后调节两个转角装置，使转架带动球体分别绕x 、y 轴旋转， 把球面上要测量的圆孔转到光源下，通过面阵c c d 的观察可以粗略地判断被 测量孔的轴线是否与物镜光轴重合。在球体旋转的同时，两轴端的轴角编码器 同步记录球体绕x 、y 轴旋转的转角，并通过数显箱显示，假设此时两个转角 分别为v 、t 。通过低分辨率面阵c c d 观察而确定的被测量孔轴线与物镜光轴 的重合实际上是不可能完全重合的，则不能认为、l ，、v 就是被测量圆孔与基准 孔之间在绕x 和y 轴旋转方向的夹角。因此必须通过高分辨率线阵c c d 的测 量来“修正”这种误差。利用上述方式对被测量圆孔进行线阵c c d 图像采集， 经图像处理后得到圆孔中心坐标值( 彳，n 。 ( 3 ) 二维测量结果到三维测量结果的转换 测量系统软件根据基准孔的坐标值( 五，k ) 、被测量圆孑l 的坐标值( z ，r ) 以 及两个转角v 和t 实现从二维空间到三维空间的转换，完成被测量圆孔与基准 孔之间夹角的计算。 2 4 球面孔系坐标计算 为了实现球面孔系坐标二维测量结果到三维测量结果的转换针对本系统 所测量的半球体，建立如图2 5 所示的几何模型，其中的坐标系与图1 - 1 所定 义的空间三角坐标系一致。 图2 - 5 球面孔系坐标几何模型 四门l 大学硕士学位论文 在球体上，一个平面不通过球心与球表面相截的圆弧称为小圆弧，而过球 心的平面与球表面相截的圆弧称为大圆弧。设球体半径为r ，点a 为被测量球 体的基准孔中心点正负方向以右手法则为准则。为求球面上任意一圆孔中心 点p 与基准孔中心点a 的角度关系，需对其作一系列的辅助线： 作直线p q 垂直坐标平面x y 于点q ； 过