CN104964626A - 基于ccd视觉光栅式三等金属线纹尺标准测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CCD视觉光栅式三等金属线纹尺标准测量装置。钢直尺通过夹具装置水平固定安装在级平板底座上，轴向运动控制系统包括丝杆、套在丝杆上的丝杆螺母以及电机，电机的输出轴与丝杆同轴连接，丝杆水平安装在钢直尺上方并与钢直尺平行；光栅式测量系统包括读数头和光栅尺，读数头与CCD视觉系统均固定安装在轴向运动控制系统的丝杆螺母上；CCD视觉系统连接HMI人机界面显示屏；PLC工控系统分别与轴向运动控制系统的电机、光栅式测量系统的读数头和HMI人机界面显示屏连接。本发明主要解决了现有技术易受检测环境和人为因素影响，检测可靠性低，使用灵活性差等问题，大大提高了测量精度。

Description

基于CCD视觉光栅式三等金属线纹尺标准测量装置

技术领域

本发明涉及长度计量领域，具体地说是一种基于CCD视觉光栅式三等金属线纹尺标准测量装置。

背景技术

线纹计量是长度计量的一个主要内容，是利用线纹尺进行的计量。线纹尺(钢直尺)是几何量计量的一种主要的实物标准，它以两刻线间的距离来复现长度量值。线纹计量在现代社会中广泛应用，线纹量值是否准确统一对国民经济将产生重大影响。

目前，对钢直尺的测量方法和原理还是停留在传统的、机械式的比较测量。将三等标准金属线纹尺与被检尺分别放在钢直尺检定台上，使被检尺的刻线面与标准尺的尺边同在同一平面上。调整被检尺，使其线纹轴线与标准尺的尺边平行，使标准尺的首段或末端线纹与被检尺的端边对齐，用标准尺所附的两个7倍放大镜在标准尺上读出被检尺的误差。

在测量工作过程中，分辨率引入的不准确度、三等标准金属线纹尺的示值误差引起的不确定度、违背阿贝原则引起的标准不确定度，为影响最大的不确定来源。如直尺和三等标准线纹尺之间的平行度稍微有所变化，就会使这次的测量不确定度超出评价要求，导致钢直尺示值误差符合性评定不合格。因此测量工作过程繁琐，人工数据处理相对复杂，检定过程非常缓慢，耗时耗力，工作效率低，而且容易使检定合格与否误判。

发明内容

为克服现有三等标准金属线纹尺装置的不足，本发明提供了一种基于CCD视觉光栅式三等金属线纹尺标准测量装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括钢直尺、0级平板底座、CCD视觉系统、读数头、光栅尺、丝杠和HMI人机界面显示屏；钢直尺通过夹具装置水平固定安装在0级平板底座上，钢直尺上的刻线面朝上，在X轴、Y轴、Z轴、XY向、YZ向、ZX向不出现移动或偏摆的变化，轴向运动控制系统包括丝杠、套在丝杠上的丝杆螺母以及电机，电机的输出轴与丝杆同轴连接，丝杆水平安装在钢直尺上方并与钢直尺平行；光栅式测量系统包括读数头和光栅尺，光栅尺安装在导轨后侧平面上并与丝杠轴向平行，光栅尺刻线垂直方向朝上；读数头与CCD视觉系统均通过专用连接块固定安装在轴向运动控制系统的丝杆螺母上，读数头基面垂直方向朝下，读数头和光栅尺的平行度保证在0.1mm之内，读数头和光栅尺的间隙控制在0.8±0.08mm之内；CCD视觉系统连接HMI人机界面显示屏。

还包括PLC工控系统，PLC工控系统分别与轴向运动控制系统的电机、光栅式测量系统的读数头和HMI人机界面显示屏连接。

所述的CCD视觉系统为显微镜头，显微镜头竖直向下朝向钢直尺的刻线。

所述的夹具装置包括基座、弹簧及推压板，推压板一侧面经弹簧弹性连接基座，推压板另一侧面推压钢直尺将其固定，推压板上设有用于推动的空心把手。推压板的空心把手可以将压板推向基座这一端；在松开推压板的空心把手后，推压板借助弹簧的弹性力可将钢直尺压稳固定，保证了的工作稳定性，操作十分方便，减少了工作量。

所述的轴向运动控制系统还包括用于连接电机控制旋转的电子手轮。当电子手轮工作时，电子手轮内置编码器产生相对应的信号，驱动指挥电机转动。丝杆与电机的输出轴同轴连接，将旋转运动变换为直线运动，带动丝杆螺母及安装在专用连接块上的读数头与CCD视觉系统轴向运动。

发明是集光、机、电、计算机图像技术于一体的高精度、高科技的测量装置。由光学显微镜对待测位置尺寸进行高倍率光学放大成像，经过CCD摄像机系统放大后的影像送入人机界面。

CCD视觉系统采集图像，双刻线发生器在屏幕上产生的视频双刻线为基准，对被位置进行瞄准测量，并通过工作台带动光栅读数头在轴向上移动，工作台位移量的数据由PLC工控系统进行数据处理，从而对钢直尺的检定测量工作。

本发明同现有的三等标准金属线纹尺装置相比，其有益效果是：

本发明采用CCD视觉系统，利用线性激光将光线投射到工件表面，由线阵CCD摄像机获取工件表面的图像并进行处理。采用光栅测量系统，通过读数头集成的内置细分电路，输出分辨率从0.1μm的数字信号，示值精度可达2μm/1000mm。

本发明采用PLC工控系统，集成高位计数脉冲端口以及RS232、RS485通讯协议端口，实现中央处理器的功能。

本发明采用HMI人机界面，实现动态的CCD视图，实现测量数据的监控，实现对测量参数进行设置、储存等功能，操作方便、安全直观。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图。

图2为本发明各个部件连接示意图。

图3为本发明CCD视觉系统采集的影像图。

图4为本发明夹具装置的局部放大图。

图5为本发明轴向运动控制系统的相关部件和结构的局部放大图。

图中：1为钢直尺，2为夹具装置，3为CCD视觉系统，4为读数头，5为光栅尺，6为0级平板底座，7为HMI人机界面显示屏，8为电子手轮，9为PLC工控系统，10为专用连接块，11为丝杠，12为丝杆螺母。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括钢直尺1、0级平板底座6、CCD视觉系统3、读数头4、光栅尺5、电子手轮8、丝杠11和HMI人机界面显示屏7；钢直尺1通过夹具装置2水平固定安装在0级平板底座6上，在X轴、Y轴、Z轴、XY向、YZ向、ZX向不出现移动或偏摆的变化，轴向运动控制系统包括丝杆11、套在丝杆上的丝杆螺母12以及电机，电机的输出轴与丝杆11同轴连接，丝杆11水平安装在钢直尺1上方并与钢直尺1平行；光栅式测量系统包括读数头4和光栅尺5，光栅尺安装在导轨后侧平面上并与丝杠11轴向平行，光栅尺5刻线垂直方向朝上；读数头4与CCD视觉系统3均通过专用连接块10固定安装在轴向运动控制系统的丝杆螺母12上，读数头4基面垂直方向朝下，读数头4和光栅尺5的平行度保证在0.1mm之内，读数头4和光栅尺5的间隙控制在(0.8±0.08)mm之内；CCD视觉系统3连接HMI人机界面显示屏7。

如图2所示，本发明还包括PLC工控系统9，PLC工控系统9分别与轴向运动控制系统的电机、光栅式测量系统的读数头4和HMI人机界面显示屏7连接。

如图3所示，CCD视觉系统3为显微镜头，显微镜头朝向钢直尺1的刻线，采集到的钢直尺1的刻线。

HMI人机界面显示屏7中有运动按键，通过运动按键或电子手轮8可驱动轴向运动控制系统4工作。

本发明由CCD视觉系统3直接获取钢直尺1的刻线图象及位置，由光栅式测量系统5精确获取轴向测量读数，在HMI人机界面显示屏7中动态输出。

如图4所示，夹具装置2包括基座、弹簧及推压板，推压板的空心把手可以将压板推向基座这一端；在松开推压板的空心把手后，推压板借助弹簧的弹性力可将钢直尺1压稳固定，保证了的工作稳定性，操作十分方便，减少了工作量。

如图5所示，轴向运动控制系统还包括电子手轮8、专用连接块10、丝杠11、丝杆螺母12、电机等。当电子手轮8工作时，内置编码器产生相对应的信号，驱动指挥电机转动。丝杆11与电机的输出轴同轴连接，将旋转运动变换为直线运动，带动丝杆螺母12及安装在专用连接块10上的读数头4与CCD视觉系统3轴向运动。

参见图1，0级平板底座6是用来承载和安放钢直尺1，钢直尺1通过夹具装置2固定在0级平板底座6上。钢直尺1上的刻线正面朝上，CCD视觉系统3的显微镜头垂直方向安装在钢直尺1正上方，CCD视觉系统3获取钢直尺1上的刻线的图像并传输到HMI人机界面显示屏7中。

CCD视觉系统3的显微镜头固定安装在轴向运动控制系统的丝杆螺母12上，当轴向移动运动时，带动CCD视觉系统3的显微镜头在钢直尺1正上方水平移动并获取图像。

轴向运动控制系统的丝杆螺母12上通过转接件固定安装有光栅式测量系统的读数头4，当轴向移动运动时，读数头4也水平移动读取光栅位置信号，由PLC工控系统9进行数据处理，计算转化后在HMI人机界面显示屏7中输出显示。

参见图2，轴向运动控制系统和光栅式测量系统，通过高位脉冲连接与PLC工控系统9进行速度、位置信号以及光栅位置信号的传输。PLC工控系统9与HMI人机界面显示屏7之间通过通讯协议RS485连接。CCD视觉系统3获取的图像以视频信号直接传输到HMI人机界面显示屏7中。

参见图3，HMI人机界面显示屏7中的CCD影像视图窗口，以CCD视觉系统3中的双刻线发生器，在屏幕上产生的视频双刻线为基准，读取钢直尺各校准点的位置。

由于机械安装存在微小的阿贝误差，既由于基准轴线与测量轴线不在同一轴线上，存在不可消除的倾斜角度。本发明能通过PLC工控系统8对存在的阿贝误差进行定点测量补偿法修正，就是采用激光干涉仪对仪器进行定点测量，而后将逐点所得的测量误差输入PLC工控系统8，在读数时进行补偿。

本发明的具体实施工作如下：

测量时，将钢直尺1安置在0级平板底座6上，使纲直尺1的“0”刻度示值处于零位附近，将被测工件放置在钢直尺1上。调整夹具装置2，使夹具装置2的弹性推压板和纲直尺1的长边方向上的靠近弹性推压板的侧面接触并压紧，以限定纲直尺1在X轴、Y轴、Z轴、XY向、YZ向、ZX向的位置。

通过HMI人机界面显示屏7中的运动控制按键或电子手轮8，微调轴向运动控制系统的丝杆4，丝杆螺母12配合连接的专用连接块10上固定有CCD视觉系统3的显微镜头，显微镜头移动到“0”附近。在HMI人机界面显示屏7中点击“对零对焦”按键，显微镜头能对“0”刻线自动对焦并在测量结果显示窗口显示：0”mm。

然后，根据JJG 1-1999钢直尺检定规程示值误差的要求，移动显微镜头位置，在第一个半毫米分度、第一个毫米分度、任一刻度、全长等各个校准点，以同样的工作原理对各个校准点刻线自动对焦并读取测量位置，得到钢直尺1各个校准点的实际尺寸。

本发明装置的精度由光栅式测量系统来提供保证，在各个校准点位置预输入激光干涉仪修正值，PLC工控9计算出各测量点的示值误差，如表1所示。

表1

由此可见，本发明装置引入的不确定度由原三等标准金属线纹尺装置的0.03mm提高到本装置的0.002mm，大大提高了测量精度。

同时本发明测量过程中也最大限度的降低了分辨率引入的不准确度，由原三等标准金属线纹尺装置的0.04mm提高到本装置的0.001mm，并减轻了检测人员的工作量，提高了测量效率；并且解决了现有技术易受检测环境和人为因素影响，检测可靠性低，使用灵活性差等问题，具有突出显著的技术效果。

Claims (5)

1. 一种基于CCD视觉光栅式三等金属线纹尺标准测量装置，其特征于：包括钢直尺（1）、0级平板底座（6）、CCD视觉系统（3）、读数头（4）、光栅尺（5）、丝杠（11）和HMI人机界面显示屏（7）；钢直尺（1）通过夹具装置（2）水平固定安装在0级平板底座（6）上，钢直尺（1）上的刻线面朝上，在X轴、Y轴、Z轴、XY向、YZ向、ZX向不出现移动或偏摆的变化，轴向运动控制系统包括丝杠（11）、套在丝杠（11）上的丝杆螺母（12）以及电机，电机的输出轴与丝杆同轴连接，丝杆水平安装在钢直尺（1）上方并与钢直尺（1）平行；光栅式测量系统包括读数头（4）和光栅尺（5），光栅尺安装在导轨后侧平面上并与丝杠（11）轴向平行，光栅尺刻线垂直方向朝上；读数头（4）与CCD视觉系统（3）均通过专用连接块（10）固定安装在轴向运动控制系统的丝杆螺母（12）上，读数头（4）基面垂直方向朝下，读数头（4）和光栅尺（5）的平行度保证在0.1mm之内，读数头（4）和光栅尺（5）的间隙控制在0.8 ±0.08mm之内；CCD视觉系统（3）连接HMI人机界面显示屏（7）。

2. 根据权利要求1所述的一种基于CCD视觉光栅式三等金属线纹尺标准测量装置，其特征于：还包括PLC工控系统（9），PLC工控系统（9）分别与轴向运动控制系统的电机、光栅式测量系统的读数头（4）和HMI人机界面显示屏（7）连接。

3. 根据权利要求1所述的一种基于CCD视觉光栅式三等金属线纹尺标准测量装置，其特征于：所述的CCD视觉系统（3）为显微镜头，显微镜头竖直向下朝向钢直尺（1）的刻线。

4. 根据权利要求1所述的一种基于CCD视觉光栅式三等金属线纹尺标准测量装置，其特征于：所述的夹具装置（2）包括基座、弹簧及推压板，推压板一侧面经弹簧弹性连接基座，推压板另一侧面推压钢直尺（1）将其固定，推压板上设有用于推动的空心把手。

5. 根据权利要求1所述的一种基于CCD视觉光栅式三等金属线纹尺标准测量装置，其特征于：所述的轴向运动控制系统还包括用于连接电机控制旋转的电子手轮（8）。