大尺寸弧长非接触精密测量系统的研究

　　1　引　　言

　　在卫星基体制造中,通常将其分解为锥体、圆柱体、球体等几个部分加工,最后拼焊而成。这样就要求每一部分的弧长应较准确。为了保证弧长的测量精度,减少废品率,必需在零件加工过程中对各部分的弧长进行在线测量。而目前国内外对于这种大尺寸弧长的测量一直缺乏有效而实用的测量手段和措施,为此,本文提出一种基于“分段式图像测量原理”的在线测量系统,可满足上述的需要。

　　2　测量系统构成

　　由于被测零件尺寸大而且壁薄,因此传统的接触式测量方式无法满足要求。为同时满足大尺寸、高精度及非接触测量的要求,我们采用图像测量技术来实现该系统。测量系统的构成如图1所示。

　　被测工件装夹在立式车床的回转工作台上,并随工作台一起转动。在工件上方的横向刀架上安置摄像机及姿态调整支架,对工件顶部进行分段采样。摄像机的输出信号经图像卡及接口电路,送入计算机中进行处理。测量结果显示打印。由于摄像机的位置可调,因而这种系统可以测量不同曲率和不同形状的工件,如圆柱体、圆锥体、球体等。

　　3　分段式图像测量原理

　　分段测量原理如图2所示,首先在被测工件的测量端面上制作一系列分段标志。在测量时,随着工件不断转动,当计算机判断出分段信号(即在摄像机视场内同时出现两个分段标志)产生时,便通过控制电路向摄像机发出采样信号,对工件的这一段弧长进行采样。该段弧长信号通过图像卡预处理后,进入计算机中,经过模式识别和积分运算,求得该段弧长的数值。在每次分　　号产生时,在计算机的控制下,分别将各段弧长测量出来,最后累积在一起,便可得到工件的总弧长。

　　4　精度分析

　　4.1　弧长计算误差

　　是指对各段弧长进行采样后,由计算机处理时产生的误差。其中主要包括弧长计算数学模型误差、图像细分误差、图像预处理误差[1～2]等几方面。

　　经研究表明,单段弧长计算误差与图像测量分辨力f呈线性关系,其系数与弧长测量数学模型直接相关。在本测量系统中可取此比例系数为ks=2。假设摄像机CCD的像素间距为L0=0.008mm,摄像机光学放大倍数(即物像比例)为kF=4,图像处理细分倍数为kX=5,则图像测量的分辨率为:

　　f=kFL0/kX=0.0064mm

　　因此单段弧长计算误差为:

　　Δj=ksf=0.0128mm

　　而整个弧长的计算误差为分段数N相关。假设N=400,各段弧长测量是互不相关的,因此整个弧长的计算极限误差为:

　　Δ1=√ N·Δj=0.256mm

　　4.2　摄像机标定误差的影响

　　该项误差主要是指对摄像机进行标定时,由于存在标准件误差ΔBJ和标定过程中引入的误差ΔBD,而ΔBD主要是标定过程中的图像处理误差,它显著优于单段弧长测量计算误差ΔJ,可设ΔBD=0.2ΔJ。考虑到各段弧长测量时均受到标定误差的影响,若标准件误差ΔBJ=±0.005mm,则该项误差应为: