微压力接触式台阶仪测量误差校正技术研究

Research on M icro--pressure--contact Le、velM easurement Error Correction TechniquesYUAN Huijing ，SONG Zhonghua ，QIN Xulei(1.Hebei Institute of Laser，Shijiazhuang 050081；2.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022)Abstract： M icro--pressure--contact surface profilometer is a morphology detector of two demension.It is developed bythe surface size measurement of thin sheet metal stamping parts such as automobile metal cylinder cushion.It studiedfrom working principle in this article.Three reasons that affected the precision of systems is analysed ：the error of mea-suring arm ratation，optical system distortion，workpiece tilt interference .By the software COlTection and parameter corn-pensation，system measurement accuracy was improved.It was also proved that precision ot equipments can be beterafter the error correction， the instrument minimum resolution can achieve 2 m and the measurement repeatabilityachieve 5 hem 。

Key words：level measurement；optical distortion；error corection；repeatability目前 ，国内外台阶尺寸检测采用的方法有光学法 、接触法等。其中光学法普遍采用激光测量法和成像法，激光法采用激光反射或干涉实现尺寸测量，对被测工件的表面要求较高，应用中具有-定的局限性。成像法采用高像素的CCD实时成像系统，并配合高水平的实时变焦及聚焦光学系统，测量视野孝测量速度慢，同时系统造价非常高昂，-般简单系统价格也要百万以上。国外的接触式测量产品借助于先进的精密加工技术 ，水平驱动及扫描装置加工精度高，对测量影响小，可以实现高精度的尺寸检测，但价格较高，-般在几十万元以上，不利于中小型企业的普及。国内现有的生产厂商普遍采用引进技术生产，生产中不触及核心技术，产品成本高，更新换代慢，限制了企业的发展。

微压力接触式台阶仪针对低成本尺寸检测技术制约精度的瓶颈问题进行专项研究，分析了影响系统精度的三个原因，并通过 则量臂旋转角度补偿技术、工件表面倾斜校正技术和光学系统图像畸变校正技术，降低了系统误差，提高了系统的测试精度。

1 结构原理微压力接触式台阶仪需要检测X轴方向和Y轴方向的尺寸变化，该仪器采用CCD作为Y轴方向位移传感部件，结合了扫描探针接触式检测技术及CCD光电尺寸检测技术，实现测量头与传感器之间的无接触传感，实现了微小压力的接触式尺寸检收稿 日期 ：2012-07-04作者简介 ：袁会敬 (1963-)，男，副研究员，主要从事光机电产品的研发T作。

长春理工大学学报 (自然科学版) 2012年测。y轴方向的高分辨率检测依靠光学成像放大原理，利用光学系统的横向放大率，将狭缝的微小位移进行放大并成像在CCD上，从而实现了y轴方向的微米级检测分辨率。

图l为机械结构设计图。其中光学传感部分由激光准直光源、狭缝 、光学系统 、CCD组成 ，激光器发出的光经狭缝后变成-条线宽很窄的线光源，狭缝的位移变化经光学系统放大后，在CCD上成像，从而检测出狭缝位置的变化。

探针测量系统由探针、平衡式传导测量臂、直线轴承等组成，采用测量臂后，能够减小探针位移时产生的横向剪切力 ，从而减小了带来直线轴承运动时的摩擦力，有利于降低探针压力。

图 1 机械结构设计 图Fig.1 The mechanical structure design光源采用线形光斑I D光源，驱动功率小 ，光强高，可以保证无光学遮蔽情况下的正常测量。LD光斑经狭缝变成线光源，狭缝经光学系统成像在CCD上，狭缝的位置变化反映了台阶高度的变化；光学系统为横向放大光学系统，狭缝位移被放大从而得到高分辨率的尺寸变化。为实现 y轴 2 m的分辨率，光学系统的横向放大率应为8倍，这样系统y轴量程约为3.8ram。

狭缝轴承采用 日本进口滚珠直线轴承，运行阻力小，与测臂采用球形探针接触，测臂与球形探针接触点采用金刚石薄膜，获得最小的摩擦力及长的使用寿命；测臂采用力臂对称杠杆形式，并配以平衡块，可以调节探针压力。

扫描机构采用普通光学-维电动平移台，为降低振动及提高横向分辨率，设计多级细分驱动电路，减小电机步进角，并可以通过软件编程控制细分级数，从而可以控制平移台运行速度，使平移台在探针归位及高度调节时高速运行，测量时低速运行。

2 优化设计2.1 测量臂旋转角度误差校正测量臂旋转角度误差产生原因：测量臂的探头为固定式，随测臂的转动而发生旋转，而直线轴承与测臂接触采用滑动接触 ，所以测量中会出现力臂比例随角度变化的问题，从而使测量产生误差，如图2所示。为此在软件设计中，采用测臂初始位置为参考点的转动补偿，通过测量数据的不断增加或减小，计算力臂变化对高度数据的影响系数，对测量数据进行补偿。

图2 测臂旋转变化示意图Fig.2 Side arm rotation changes diagram假设图2.1中，左侧测试探针针头坐标( ， )是镜面坐标系，( ， )是探头所在的测量坐标系。设测量坐标系原点相对于镜面坐标系原点的位置的不重合误差为 OL。

测量线在镜面坐标系中得曲线方程为式(1)所示YF(X)F(X) (1)由几何相似原理，实际数值代入并化简式(1)后得式(2).，/lrlahele：L ， 4-(2)2.2 光学系统畸变校准在横向放大光学系统中，几何畸变的影响是比较大的，为降低测量系统的成本，不可能采用高端的低畸变光学系统 ，为此对所采用的光学系统进行几何畸变测试，得到几何畸变补偿曲线，根据像的位置利用这条补偿曲线对所测数据进行补偿，降低几何畸变的影响。图3为光学系统几何畸变测试图。

f I图3 光学系统几何畸变Fig.3 Optical system geometric distortion第四期 袁会敬，等：微压力接触式台阶仪测量误差校正技术研究 55表 1 几何畸变补偿系数Tab.1 Geometric distoion coeficient of compensation对于初级畸变相差，用数学描述可表示为式(3)J ·F( ， ) △v - v.F( ，v )式中 为几何畸变补偿系数 ；( ，v)为无畸变时像点坐标∩以看出这是-种非线性的畸变。为了降低补偿难度，采用分段校正，即在整个量程范围内，根据光学系统几何畸变实测值，分成10段进行补偿，补偿系数采用实测值折合得到，最后将补偿系数乘上实测数据得到最终测量结果，表1为几何畸变补偿系数。

2.3 工件倾斜误差校正在测量柔性工件的时候，不可避免的会出现工件的翘曲，此时测得的曲线将是-条倾斜的曲线，计算的高度值是不准确的，如图4所示。

a正常测量结果 b倾斜后测量结果图4 工件倾 斜前 后测量结果示意图Fig.4 Before and after the work piece tilt measuringresults schematic diagram为了得到工件的真实尺寸，需要对图像的倾斜进行校正，倾斜校正可以采用参考基线对其进行旋转，或者采用手动校正，从校正后的测量曲线中可以得到与其平直时等效的测量结果，从而得到真实的工件尺寸。

3 软件测试结果为了验证仪器测试效果 ，图5为汽车发动机进气接管垫片。

图5 汽车发动机进气接管垫片Fig.5 The car engine inlet nozzle gasket测量全筋垫片的筋尺 r(选择垫片全筋的2个位置：A和B)，并与行业制造标准数据进行对比，反复测试标差小于5 fm，测试数据如表2。

表2 全筋尺寸测试结果(mm)Tab.2 Ful scale test results位置 筋高 筋高(标) 标差 筋宽 筋宽(标) 标差----- ---- l而 - 面 丽O 558 O.()c]2 2.598 O.oO2A 0.558 0.560 0.002 2.602 2，600 O.0020 562 O.OO2 2.6O2 0()(J2O 562 O OO2 2.598 O oo2O 468 -](](J2 2.8O2 O oO2O 472 O.0o2 2.802 O.OO2B 0.472 0.470 O.002 2.802 2.80O O OO2O.468 0 OO2 2.798 -O)(j2O.472 O oO2 2 798 -O.OO2通过对标准件进行对比测试，该仪器测试精度为2 fm ，重复测试精度绝对值小于5 frn。

4 结论(1)通过测量臂旋转误差校正、光学系统畸变校准和工件倾斜补偿误差校正，提高了该仪器的测试精度，使测试结果更加可靠，为产品使用者提供了充分的技术保障。

(2)测试精度完全能够满足国内中小企业的生产设计要求，并且该仪器设计成本低廉，为企业降低成本，有利于中小企业的普及使用。

(3)目前设备由于采用成品滚珠直线轴承，质量较大，为保证测量效果 ，探针压力不可能太小，为此下-步需要在机械传感结构上进行改进，以得到更小的探针压力，实现软质材料工件的尺寸测量。