微型五坐标图像测量系统自动调焦技术研究

　　在近30年中,图像检测技术获得了迅速地发展,广泛应用于现场监视、成品检验和质量控制等领域,在提高自动化水平、生产效率方面发挥了重要的作用。而且近几年来随着各种新型CCD的出现,因其具有体积小、重量轻、分辨率高、精度高、稳定性能良好等优点,更是促进了图像检测技术的发展。以CCD作为图像传感器的测量方法具有非接触、高速度、动态范围大、信息量丰富等诸多优点,且便于与计算机通信,容易得到高质量的图像数据。因此CCD视觉测量方法是非常有效的工件尺寸测量手段[1]。而自动调焦技术作为保证CCD摄像机快速、准确地获取图像数据的先决条件其作用就显得尤为重要。

　　为了实现对微小尺寸且形状复杂工件的高精度非接触测量,作者开发了一台微型五坐标测量系统,该系统可以从不同方位对工件完成测量,增加了测量的柔性。同时,通过采用合理的标定方法,可以保证CCD摄像机的正确安装位置,调焦路径的正确规划保证了CCD运动的准确性。要实现自动调焦功能,选择合理的调焦评价函数是关键,常用的评价函数有:高频分量法、灰度差分法、阈值积分法等[2]。于此,作者提出了一种基于图像灰度的梯度均方差评价函数的近似算法。

　　1　测量系统简介

　　西安交通大学精密工程研究所研制的微型五坐标图像测量系统,X、Y、Z轴的行程为300 mm×180 mm×50 mm,A轴行程为±135°, B轴的为±90°。系统主体采用基座、立柱、悬臂梁结构,CCD测头位于横梁末端,可沿立柱导轨做Z方向的上下运动,同时可以绕A、B轴做旋转运动。工件位于工作台上,可沿X、Y方向导轨在水平方向运动。为了平衡横梁的重力作用,在立柱的背面加了一个16 kg的配重块。根据对横梁部件有限元分析的结果,采用预变形的安装方法保证了CCD测头安装垂直度的要求。各轴均采用带有细分功能的步进电机驱动,避免了在测量位置处的抖动。控制系统采用分布式的闭环控制模式。基座、立柱均采用性能稳定的大理石材料。

　　把CCD光轴处于竖直时的位置作为测量开始零位,为了找到这个位置,采用标定的方法分别在X方向和Y方向对CCD成像平面进行调平。首先,在X方向,借助带有标准长度刻线的标定板,利用水平仪先将标定板调平。如图2所示,AC为标定板上已知长度的线段,AB为其像长,微调CCD在X方向的倾斜角度,直到|AC-AB|<ε,ε为一给定的误差阈值。同理,在Y方向把CCD成像面调平。

　　2　调焦路径规划

　　为了保证CCD在空间任何位置自动调焦时都可以沿其光轴方向移动,需要根据CCD的空间位置姿态对其调焦路径进行规划。首先,利用CCD分别从竖直方向和水平方向对一12的标准球的最大圆周进行扫描,采用圆周拟合算法得到球心的空间坐标,将该点作为测量坐标系原点, 3个坐标轴的方向同机床坐标系3个坐标轴的方向保持一致。然后,由A轴和B轴的圆光栅读数得到CCD测头的空间位置姿态,调焦时为了保证CCD沿其光轴方向运动,又要保证其姿态不变,采用X、Y、Z三轴联动的方法实现。如图3所示,设定调焦步距,通过空间坐标的分解关系可以求解出X、Y、Z三轴的对应移动分量。