线阵CCD在异形回转体轮廓尺寸测量中的应用

　　0　引　　言

　　随着现代科学技术的发展,物体表面轮廓的三维测量已成为现代测试技术的一个重要分支。作为物体三维轮廓测量方法中,常用的有三坐标测量法、干涉测量法、莫尔等高线法、相位测量法等。基于非接触式在线测量,CCD图象测量方法较其它方法有其自身优势,测量效率高。对那些薄壁、软质易变形以及有化学污染一类的加工零件能实施非接触在线快速测量。

　　电耦合器件CCD由于具有自扫描、光电灵敏度高、几何尺寸精确、敏感单元尺寸小等一系列优点[1],因而被广泛的用于工业非接触测量领域中。在精密定位、尺寸测量等方面,光敏面上均表现为空间光强分布的形式,经过数据采集和处理获得被测图象有关信息。随着计算机技术的普及,采用CCD器件和计算机数据采集、光学成象,机械运动组成的图象测量系统,能实时的对被测图象进行快速采样、存储和数据处理,实现光机电一体化设计。本文介绍对5000像元线阵摄像机及其图象卡对异型回转体轮廓的三维尺寸非接触测量进行研究,取得满意的效果。

　　1　测量原理及方法

　　CCD图象测量原理如图1所示:

　　当入射光在CCD象元上成象时,入射光被CCD象元吸收并产生相应数量的光生电荷,在光积分期间,光生电荷被积累并存储在彼此隔离的象元的势阱中,每个象元势阱中所积累的信号电荷数与照射在该象元面上的平均照度和光积分时间的乘积成正比,在电荷转移期间,光生电荷依次转移至输出区,通过复位脉冲的控制,在输出级形成视频信号,每次积分的输出波形代表目标光图象在CCD采样方向的瞬态强度的空间分布。由CCD输出的模拟信号是一个个脉冲信号,这些随时间变化的脉冲信号与随空间分布的光敏像元一一对应,通过物距、像距关系及CCD输出脉冲量的计算来检测零件尺寸[2]。

　　本文针对异型回转体零件轮廓尺寸的检测进行研究,工件尺寸为R=100 mm到R=120 mm的变化范围的异形回转体零件。考虑零件尺寸较大,如采用全视场的接收工件图象,CCD采集到的是一个缩小倍率很大的像,这将引入较大误差。图2所示的一种测量方案,利用对工件轮廓边缘进行局部检测,将提高图象测量系统的分辨率和精度,有效的满足了测量精度的要求,图象检测装置如图2所示。

　　这套测量系统包括:高精度回转工作台、光电轴角编码器、二维机械传动装置、两坐标直线位移传感器、PC计算机、线阵CCD(5000线)、图象采集卡、接口卡、He-Ne激光器。整个测量系统工作如下:设置一个沿Z、Y方向二维运动数显工作台,其位移分辨率为0.5μm,由步进电机驱动使其完成沿水平方向和垂直方向的运动,二维工作台上安装一回转精度为0.02 (″)的高精度气浮回转台,可绕Z轴转动,工件安装在回转工作台上,这样就可完成工件沿Z、Y方向的运动及绕Z轴的转动,He-Ne激光器及CCD分别置于工作台两侧,使激光光斑成象于CCD器件的中央象元区间,此时的CCD输出信号如图3(a)所示,当移动工件轮廓边缘A点于激光光斑处,使其边缘轮廓成象在CCD上时,其输出信号将改变为如图3(b)所示,图中横坐标pix为CCD像元数,纵坐标为CCD采集到的信号灰度值。