显微视觉检测系统精度分析及仪器校准的方法

随着科技的发展,对微小装置的功能、性能及可靠性等要求越来越高,使得对精密微小零件及产品的需求日益迫切,因而对中间尺度几何量的精密检测技术也随之成为了国内外研究的热点。显微视觉辅助以精密机械移动的检测方法由于不要瞄准、对齐等操作,相对于其他检测方法(如工具显微镜、接触式三坐标测量机等)具有快速性和可视化操作的优点,更适合于对微小型零件的检测需要。



显微视觉检测仪器由于结构特征及诸多因素影响不可避免地存在着仪器检测误差,而系统检测误差大小直接影响微小型零件检测结果的准确度。本文从显微视觉检测原理出发,建立检测系统的误差模型,分析误差来源和误差修正方法,并参照国家仪器校准标准,提出了微小型零件显微检测仪标准的仪器校准方法。



1显微视觉检测原理

如图1所示,显微视觉检测技术是通过利用非相干光源照射微小型零件,透过显微镜头成像投影到CCD靶面转换为数字图像信号输入计算机,进行预处理、边缘检测等图像处理,检测出零件的轮廓边缘点。当显微摄像机直接摄取零件轮廓时,由于其视场很小,所能观测零件的实际轮廓甚小,不能一次获取整个零件轮廓的全部数据。为此选择面阵CCD器件与位移平台,采用轮廓跟踪的检测方法来确定零件轮廓的实际位置。测量时将图像中的轮廓边缘点从图像坐标系oxy转换到空间坐标系OXY,当移动工作台时,视场在空间坐标系中作图1检测原理平移运动,实现对零件边缘轮廓的跟踪测量。零件边缘轮廓上的任意点在一次跟踪过程中,其坐标是确定的。

显微视觉检测原理

2.1运动系统位置精度影响因素

位置精度对精密运动系统重要,运动系统的位置精度用位置误差来表示。几何量仪运动系统的位置误差是指运动部件实际位置和显示位置的示值的偏差。影响运动系统位置精度的因素主要有:



1)开环控制运动系统的位置精度受到所有电气和机械装置及元件结构设计和制造精度的综合影响。在使用过程中,位置精度进一步受到振动、热变形、导轨和丝杠螺母副的磨损以及控制元件特性变化等的影响。



2)闭环控制是在移动台上安装位置检测装置,把位移信号反馈到输入端与输入信号进行比较,实现对运动的反馈控制。系统位置误差主要取决于位置检测元件的制造误差,以及由于检测元件的安装调整引起的误差,包括如安装倾斜、自重变形、热变形、短尺接长等产生的检测误差和安装中检测元件离被测物体距离太远引起的阿贝误差。闭环系统中的机械系统中各种机构间隙、结构弹性变形等综合形成的反向运动时的矢动量虽不直接影响定位精度,但实际上过大的矢动量会造成闭环系统的动态不稳定和振荡,使系统的精度下降。可见对于闭环和开环系统来说,对械运动系统制造和安装精度要求较高。



2.2视觉系统图像检测精度的影响因素



用光学显微视觉的方法对微小型零件进行检测的过程中,被拍摄及处理后的图像是否真实反映了被测物理量,直接影响到系统的测量误差:

1)检测系统所处理的图像通常存在由镜头引起的非线性失真和由相机位置引起的透视误差,导致图像内的被测对象发生变形,使被测影像不能真实反映被测物理量,终给测量结果带来误差。图像的透视误差(图2a)是由与相机轴向和被测对象所在平面不垂直造成的;非线性失真(图2b)是由显微镜头的光学误差引起的几何失真,离轴线越远,图像畸变现象越严重。

视觉系统图像检测精度的影响因素

2)边缘点位置的检测是指图像中物体轮廓边缘点坐标位置的检测。经典的边缘检测算法只针对微小型结构件的像图像进行,不考虑与物体的实际边缘(物像)的映射关系,边缘点定位分辨率在像素级。



3)像素的标定主要是指标定图像单位像素代表的物理尺寸。镜头畸变校正以后,可以用校正过的图像像素坐标对像素值进行标定。标定线纹尺的宽度为amm,经过校正后图像上线纹尺两端的坐标位置差为n,则图像上一个像素所代表的实图2视觉成像误差际尺寸Kp=anmm。因此,标定误差也取决于图像中刻线边缘点的位置检测精度。



3检测系统的仪器校准

3.1运动系统设计及位置误差补偿

显微视觉检测方法不需要对准操作,因此设计时可采用开环控制+位置检测方式:利用开环控制方式控制运动执行装置,通过位置检测元件检测机械部分的位移,检测信号不参与系统的反馈控制。系统具有以下特点:

1)具有开环系统的稳定、快速性,无需进行系统PID调整;

2)具有闭环系统的位置精度,精度取决于位置检测元件的精度;

3)减小运动矢量对系统性能的影响。由于位置检测信号不参与反馈,矢动量不会造成系统的动态不稳定和震荡,从而降低对机械系统的制造和安装精度的要求。系统的位置误差主要由(位置检测元件)光栅尺的制造、安装误差以及环境温度等影响造成,位置检测系统误差模型如图3所示。图3位置检测系统误差1)光栅尺的周期误差△l1,由光栅尺的细分读数所产生;

检测系统误差模型

2)光栅尺线性度误差(光栅尺的制造误差)△l2,随光栅尺测量长度的增加而增大;

3)由于光栅尺安装角度所产生的误差Δl3=L(cosθ-1),L为被检测尺寸,θ为光栅尺安装倾斜角度;

4)热膨胀特性的影响。当光栅尺在端部紧固,因此迫使其膨胀特性与基体材料的膨胀特性一致,无须对不同的膨胀系数进行补偿。温度影响误差为Δl4=αLΔt;α为导轨基体材料热膨胀系数,L为被测尺寸,Δt为与标准室温20℃的偏差。运动系统的位置误差可通过激光干涉仪进行测量。测量后利用小二乘法对图3所示的测量误差采用分段线性或3次样条拟合,然后对光栅尺的位置读数进行补偿,可地消除由光栅尺的线性误差以及安装角度所产生的位置误差。

3.2畸变校正

在微小型零件光学显微检测系统中,解决系统的标定问题,使光学系统的畸变能够校正。对于透视误差,可以通过提高相机和被测对象的垂直精度来减小或消除;非线性畸变的形成是入射光线在通过各个透镜时的折射误差和CCD点阵位置误差所致,可用坐标间的多项式来表示。



3.4检测仪器校准

微小型零件视觉测量仪在结构上类似于三坐标测量机,测量原理上类似于工具显微镜,因此,参照国家几何量仪校准技术中工具显微镜的检定、校准规范[10],提出对微小型零件视觉测量仪校准方法。

3.4.1标准器检测温度为20℃;校准使用的计量标准为二等石英标准线纹尺,不确定度为0.2μm(k=3)。3.4.2检验方法及实施将被测轴移动到零点,将标准石英尺放到工作台,使石英尺的零刻线位于视场中央,检测出零点刻线位置a0,移动被测轴工作台,每一点均进行3次校准和读数,取平均值作为该点的读数ai,各受检的示值误差δi按下式计算:δi=(ai-a0)-Li(6)式中,Li为标准玻璃纹线尺实际值,ai、a0为各受检点和起始零位仪器读数的平均值。误差检定时,任意两点示值误差之差不大于(A+L/K)μm。



4试验结果与结论

设计系统采用开环+位置检测控制方式,采用光栅尺的线形误差为Δl2=0.75μm/60mm;光栅尺安装角度误差为0.5°时误差Δl2=L/26μm,运动系统误差Δtx=0.75+L/26。视觉系统物理分辨率0.4μm,不考虑温度影响因素时,视觉系统误差为0.4μm。根据式(3)计算系统误差为ΔX>0.5+0.75+L/26=1.25+L/26μm。通过上述系统误差补偿后,预期系统误差Exy=(1+L/1000)μm,按仪器校准方法进行校准,校准结果如表1所示。

仪器校准结果

从表1可以看出，系统经过误差补偿后误差小于1+L/1000μm，精度达到预期要求。可见通过位置误差补偿后的开环+位置检测控制方式可有效提高运动系统的位置精度;畸变补偿和基于多项式拟合的边缘检测算法能提高视觉系统的图像检测精度。



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