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

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陈欢
吕超群
何隽
吴国伟
潘潞
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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H等金属线纹尺标准测量装置
技术领域
[0001] 本发明设及长度计量领域,具体地说是一种基于CCD视觉光栅式=等金属线纹尺 标准测量装置。
背景技术
[0002] 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W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。
[0003] 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=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。
[0004] 在测量工作过程中,分辨率引入的不准确度、=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= 等标准线纹尺之间的平行度稍微有所变化,就会使该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
[0005] 为克服现有=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=等金属线纹尺标准测量装置。
[0006] 为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
[0007] 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、丝杠和歷I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W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.Imm之内,读数头和光栅尺的间隙控制在0. 8 + 0. 08mm之内;CCD 视觉系统连接歷I人机界面显示屏。
[000引还包括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 系统的读数头和歷I人机界面显示屏连接。
[0009] 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。
[0010] 所述的夹具装置包括基座、弹黃及推压板,推压板一侧面经弹黃弹性连接基座,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屯、把手。推压板的空屯、把 手可W将压板推向基座该一端;在松开推压板的空屯、把手后,推压板借助弹黃的弹性力可 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013]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化C 工控系统进行数据处理,从而对钢直尺的检定测量工作。
[0014]本发明同现有的=等标准金属线纹尺装置相比,其有益效果是:
[0015] 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. 1ym的数字信号,示值精度可达2ym/lOOOmm。
[0016] 本发明采用PLC工控系统,集成高位计数脉冲端口W及RS232、RS485通讯协议端 口,实现中央处理器的功能。
[0017]本发明采用歷I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
[0018] 图1为本发明的S维结构示意图。
[0019] 图2为本发明各个部件连接示意图。
[0020] 图3为本发明CCD视觉系统采集的影像图。
[0021] 图4为本发明夹具装置的局部放大图。
[0022] 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。
[0023] 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为歷I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
[0024] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0025] 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和歷I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12W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.Imm 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。
[0026] 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和歷I人机界面显示屏7连接。
[0027] 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。
[002引歷I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。
[0029] 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,在歷I人机界面显示屏7中动态输出。
[0030] 如图4所示,夹具装置2包括基座、弹黃及推压板,推压板的空屯、把手可W将压板 推向基座该一端;在松开推压板的空屯、把手后,推压板借助弹黃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。
[0031] 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。
[0032] 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歷I人 机界面显示屏7中。
[0033] 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。
[0034] 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,计算转化后在歷I人机界面显示屏7中输出显示。
[0035] 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W及光栅位置信号的传输。PLC工控系统9与歷I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W视频信号直接传输到歷I 人机界面显示屏7中。
[0036]参见图3,歷I人机界面显示屏7中的CCD影像视图窗口,WCCD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。
[0037] 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,就是采用激光干设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。
[003引本发明的具体实施工作如下:
[0039] 测量时,将钢直尺I安置在0级平板底座6上,使纲直尺I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,W限定纲直尺1在X轴、Y轴、Z 轴、XY向、YZ向、ZX向的位置。
[0040] 通过歷I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。在歷I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;〇"mm。
[0041] 然后,根据JJG1-1999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,W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。
[0042] 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 干设仪修正值,PLC工控9计算出各测量点的示值误差,如表1所示。
[0043] 表 1
[0044]
Figure CN104964626AD00061
[0045] 由此可见,本发明装置引入的不确定度由原S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。
[0046] 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=等标 准金属线纹尺装置的0. 04mm提高到本装置的0.OOlmm,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 (I)、O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O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 ) 的平行度保证在〇• Imm之内,读数头(4)和光栅尺(5)的间隙控制在0.8 ±0. 08mm之内; C⑶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C⑶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)。
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