喬麗，楊磊，米雪

(四川航天計(jì)量測試研究所，四川 成都610100)

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一種刀口形直尺直線度測量裝置研究

喬麗，楊磊，米雪

(四川航天計(jì)量測試研究所，四川 成都610100)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)刀口形直尺檢定存在的人為因素影響大、無法精確量化等問題，本文給出了刀口形直尺直線度的測量方案，通過使用所研制的刀口形直尺直線度自動(dòng)測量裝置，可提高刀口形直尺檢定結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：刀口形直尺；直線度；測量裝置；圖像處理

0引言

刀口尺的測量面呈刀口狀，常見的有刀口形直尺、三棱尺以及四棱尺。刀口形直尺廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場產(chǎn)品的檢驗(yàn)，以光隙法為理論基礎(chǔ)，主要用于測量機(jī)加零件表面的直線度和平面度。機(jī)加零件的直線度和平面度對(duì)零件的密封性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、耐磨性以及噪音等都有很大影響，因此，工廠加工零件的同時(shí)必須對(duì)機(jī)加零件的直線度和平面度進(jìn)行嚴(yán)格把控。為了保證機(jī)加零件直線度及平面度測量結(jié)果的可靠性，必須保證刀口形直尺工作棱邊的質(zhì)量。截至目前，常規(guī)的刀口形直尺檢定均采用人眼觀測的方法，存在人為因素影響大、測量結(jié)果無法精確量化等問題。

2009年，華中科技大學(xué)的楊坤濤利用刀口形直尺和高精度攝像機(jī)等對(duì)木工鋸片上表面的平面度測量進(jìn)行了研究，但其準(zhǔn)確度只能達(dá)到10μm[1]；馬振卿利用高精度的測微表對(duì)小平面的平面度測量進(jìn)行了研究，但這種方法只適用于平面，無法對(duì)刀口形直尺刃口處的直線度進(jìn)行測量[2]；1993年Joshua B.Fishkin等人利用刀口形直尺對(duì)光子的傳播特性進(jìn)行了研究[3]。Aghajan H.K.也將陣列式傳感器應(yīng)用到刀口形直尺上[4]。上述研究的核心并不是刀口形直尺刃口處的直線度測量。筆者曾查閱過國內(nèi)外相關(guān)資料，到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)刀口形直尺工作棱邊直線度測量方法的進(jìn)一步研究?；诖?，本文在討論傳統(tǒng)刀口形直尺檢定方法的基礎(chǔ)上，給出了刀口形直尺直線度的檢測方案。

1傳統(tǒng)的刀口形直尺檢定

1.1　光隙法

光隙法是利用人眼觀察透光縫隙，根據(jù)可見光顏色來判斷對(duì)應(yīng)光隙的寬度。由于操作簡單且測量準(zhǔn)確度相對(duì)較高，光隙法廣泛應(yīng)用于長度計(jì)量領(lǐng)域[5-6]。

標(biāo)準(zhǔn)光隙由3等量塊、2級(jí)平晶和0級(jí)刀口形直尺構(gòu)成。先將兩塊厚度為1 mm的量塊放置于2級(jí)平晶上，在1 mm的量塊中間依次放置0.999，0.998，0.997 mm直至0.991 mm的量塊；再將刀口形直尺放置于兩塊1 mm的量塊上，使其刃口與兩塊1 mm量塊的上表面良好接觸。因?yàn)楦髁繅K與1 mm量塊之間存在厚度差，故形成了標(biāo)準(zhǔn)光隙，標(biāo)準(zhǔn)光隙搭建原理見圖1。當(dāng)光源照射到標(biāo)準(zhǔn)光隙的一側(cè)時(shí)，人眼在標(biāo)準(zhǔn)光隙的另一側(cè)便可觀察到不同寬度的標(biāo)準(zhǔn)光隙所對(duì)應(yīng)的不同顏色的色光。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)光隙搭建原理圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般縫隙寬度達(dá)到0.5 μm即可透光。白光通過寬度為0.8 μm左右的縫隙后呈藍(lán)色，通過寬度為1.25~1.75 μm的縫隙后呈紅色，通過寬度超過2 μm或2.5 μm的縫隙后呈白色[7]。

1.2　檢定原理

傳統(tǒng)刀口形直尺的檢定主要依靠人眼判斷。將待檢刀口形直尺刃口垂直放置于標(biāo)準(zhǔn)研磨面平尺上，直線度較差的刀口形直尺與研磨面平尺相交處將形成一定寬度的縫隙。刀口形直尺后方的白熾燈發(fā)出的光照射到刀口形直尺刃口處的縫隙時(shí)，將發(fā)生單縫衍射現(xiàn)象。

可見光包含紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種色光，波長范圍為380~760 nm[7]。由單縫衍射原理可知，光的波長與縫隙寬度越接近，衍射現(xiàn)象越明顯；反之，光的波長與縫隙寬度的差距越大，衍射現(xiàn)象越弱。當(dāng)白熾燈發(fā)出的白光照射到刀口形直尺工作棱邊與研磨面平尺之間的縫隙時(shí)，不同寬度的縫隙后方各單色光發(fā)生衍射的強(qiáng)度不同，導(dǎo)致呈現(xiàn)的衍射光顏色也不一樣，同時(shí)，因?yàn)閱慰p衍射現(xiàn)象的存在，每一個(gè)縫隙后方的衍射光均由多種色光組成。根據(jù)JJG 63-2007《刀口形直尺檢定規(guī)程》，刀口形直尺刃口處不透光或只有藍(lán)光時(shí)，認(rèn)為其直線度小于1 μm；當(dāng)縫隙寬度大于1 μm時(shí)，采用與標(biāo)準(zhǔn)光隙顏色對(duì)比的方法即可確定刀口形直尺刃口處的直線度。

1.3　存在的不足

上述刀口形直尺直線度檢定方法存在兩點(diǎn)不足：①人眼無法僅憑視覺信息精確對(duì)比兩種色光的顏色；②經(jīng)過檢定的刀口形直尺并不能得到準(zhǔn)確的直線度檢定數(shù)據(jù)。

2刀口形直尺直線度測量裝置

刀口形直尺直線度測量裝置由線型激光器及其裝夾機(jī)構(gòu)、刀口形直尺裝夾定位機(jī)構(gòu)、工業(yè)相機(jī)及其裝夾機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)以及直線度測量軟件構(gòu)成。

2.1　線激光

根據(jù)前述標(biāo)準(zhǔn)光隙的透光特性可知：紅色激光不能透過寬度小于1.25 μm的縫隙，而藍(lán)色激光能夠通過所有寬度大于0.8 μm的縫隙。因此，本次刀口形直尺直線度測量裝置的研究選用藍(lán)色線激光。

2.2　刀口形直尺直線度測量方案

傳統(tǒng)刀口形直尺直線度檢定方法存在人眼很難準(zhǔn)確識(shí)別經(jīng)過衍射后的色光顏色、人為因素影響大和無法對(duì)縫隙寬度進(jìn)行定量測量等不足。針對(duì)上述問題，本文提出的刀口形直尺直線度測量方案如圖2所示。

圖2　刀口形直尺直線度測量裝置模型圖

2.2.1硬件部分

系統(tǒng)硬件包括ST635L5線型激光器、MV-1400UC USB II高精度工業(yè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)、待檢刀口形直尺、標(biāo)準(zhǔn)研磨面平尺和裝夾機(jī)構(gòu)。硬件部分的結(jié)構(gòu)如圖3所示。硬件選擇的關(guān)鍵在于保證刀口尺刃口圖像的成像效果及直線度測量結(jié)果的穩(wěn)定性。因此，在對(duì)激光器、高精度工業(yè)相機(jī)及刀口尺硬件裝夾機(jī)構(gòu)進(jìn)行選擇時(shí)，都要對(duì)上述因素進(jìn)行綜合考量。

圖3　刀口形直尺直線度測量裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

1)激光具有方向性好、顏色單一的特點(diǎn)。相對(duì)傳統(tǒng)刀口形直尺檢定方案中的白熾燈，具有單一波段的線激光能夠避免經(jīng)過單縫衍射后形成的多種顏色色光對(duì)后續(xù)識(shí)別工作造成的影響。ST635L5線型激光器在0.5 m處線寬最窄可達(dá)0.5 mm；1.5 m處線寬最窄可達(dá)0.8 m，扇角為135°。當(dāng)待檢刀口尺與激光器之間的距離為0.5 m時(shí)，激光線長可達(dá)2.414 m，完全能夠滿足300 mm刀口尺刃口直線度檢定的需要。

2)MV-1400UC USB II高精度工業(yè)相機(jī)采用計(jì)算機(jī)USB2.0接口，曝光時(shí)間、亮度、增益等參數(shù)均可以由計(jì)算機(jī)編程控制。該工業(yè)相機(jī)的最大分辨力可達(dá)4384×3288，最高幀率可達(dá)22 幀/s。高分辨力的工業(yè)相機(jī)能夠保證后續(xù)圖像處理過程中計(jì)算機(jī)成功提取到圖像中的有效像素信息。

3)刀口尺定位槽的設(shè)計(jì)需要保證每次放入待檢刀口尺后，刀口尺刃口與工業(yè)相機(jī)、激光器之間的相對(duì)距離不變。刀口尺定位槽兩側(cè)的6個(gè)導(dǎo)軌槽相對(duì)水平面傾斜10°，且呈對(duì)稱分布；每一側(cè)的導(dǎo)軌槽內(nèi)放置有2個(gè)小型的導(dǎo)軌；當(dāng)?shù)犊诔叻湃攵ㄎ徊酆螅?小型導(dǎo)軌因其自身自重會(huì)始終緊密貼合在刀口尺刃口處的兩側(cè)；4個(gè)圓柱面能夠?qū)⒋龣z的每一個(gè)刀口尺刃口調(diào)整到同一位置，也就能夠保證待檢刀口尺與工業(yè)相機(jī)、激光器之間的相對(duì)距離不變。

2.2.2軟件部分

刀口形直尺放置于標(biāo)準(zhǔn)研磨面平尺上方時(shí)，如果刀口形直尺工作棱邊直線度較差，研磨面平尺與刀口形直尺刃口之間會(huì)形成一細(xì)小縫隙。當(dāng)線型激光器發(fā)射出的線激光完全覆蓋到刀口形直尺與研磨面平尺的接觸位置時(shí)，如果該處存在細(xì)小縫隙，高精度工業(yè)相機(jī)便能夠在刀口形直尺的另一側(cè)獲取到透過激光的細(xì)小縫隙圖像。

圖4　圖像處理操作流程圖

高精度工業(yè)相機(jī)獲取得到的縫隙圖像需經(jīng)過預(yù)處理、圖像轉(zhuǎn)換、二值化處理、邊緣檢測等操作。圖像處理軟件可從二值化圖像中提取得到透光光隙對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)。圖像處理操作流程圖如圖4所示。

根據(jù)從圖像中提取得到的像素信息，圖像處理軟件可通過對(duì)索引數(shù)據(jù)庫進(jìn)行曲線擬合的方法，在保證測量誤差δ<(0.3+L/300)μm的前提下，獲取實(shí)際的縫隙寬度。軟件操作界面如圖5所示。

圖5　刀口形直尺直線度測量裝置軟件操作界面

2.2.3索引數(shù)據(jù)庫

索引數(shù)據(jù)庫是本次研究的關(guān)鍵，也是圖像處理軟件根據(jù)圖像像素信息計(jì)算得到實(shí)際縫隙寬度的基礎(chǔ)。首先在相同的情況下搭建寬度依次為1，2，3 μm直至10 μm的標(biāo)準(zhǔn)光隙，標(biāo)準(zhǔn)光隙經(jīng)過線激光照射后會(huì)在高精度工業(yè)相機(jī)中成像；然后經(jīng)過相同的圖像處理程序，提取各圖像中不同寬度縫隙對(duì)應(yīng)的像素信息。整個(gè)數(shù)據(jù)庫的輸入量為從各圖像中提取到的像素信息，輸出量為其對(duì)應(yīng)的實(shí)際縫隙寬度。把輸入量當(dāng)做一組x值，輸出量當(dāng)作一組y值，通過曲線擬合的方法，計(jì)算機(jī)便能夠確定輸入量x與輸出量y之間的高次函數(shù)關(guān)系。

對(duì)待檢刀口形直尺進(jìn)行直線度合格判定時(shí)，只需要把從高精度工業(yè)相機(jī)獲取的圖像中提取到的像素信息作為輸入量，代入由索引數(shù)據(jù)庫擬合得到的高次函數(shù)，便能計(jì)算出對(duì)應(yīng)的輸出量，也即實(shí)際的縫隙寬度。當(dāng)?shù)犊谛沃背咧本€度測量結(jié)果滿足JJG63-2007《刀口形直尺檢定規(guī)程》要求時(shí)，計(jì)算機(jī)則判定該刀口尺合格；反之，則判定其不合格。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文采用兩種方法對(duì)使用刀口形直尺直線度測量裝置測得的直線度測量結(jié)果進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

1)與傳統(tǒng)刀口尺直線度檢測方法相比較

測量裝置研制完成后，在接近一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，對(duì)每一把送至我單位進(jìn)行直線度計(jì)量的刀口尺都同時(shí)采用了兩種測量方法測量。兩種測量手段測得的結(jié)果如表1所示。

表1　傳統(tǒng)檢定方法與測量裝置測得結(jié)果對(duì)照表

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知：項(xiàng)目研制的測量裝置與傳統(tǒng)檢定方法測量的刀口形直尺直線度結(jié)果相接近，證明了整套裝置測量結(jié)果的有效性；

2)與上級(jí)機(jī)構(gòu)的刀口形直尺檢定數(shù)據(jù)做比較

為進(jìn)一步驗(yàn)證刀口尺直線度測量裝置測量得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，采用了與上級(jí)機(jī)構(gòu)的刀口尺檢定數(shù)據(jù)做對(duì)比的方法來驗(yàn)證本裝置測量結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表2　上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)測量結(jié)果與項(xiàng)目

表2中是我站現(xiàn)有的4種不同規(guī)格且具有一定直線度誤差的刀口形直尺同時(shí)經(jīng)上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)和本項(xiàng)目研制裝置測量的直線度測量結(jié)果。表2數(shù)據(jù)表明：同一把刀口形直尺經(jīng)上級(jí)機(jī)構(gòu)計(jì)量得出的直線度結(jié)果與經(jīng)本項(xiàng)目研制裝置測量得出的直線度結(jié)果偏差在0.1μm以內(nèi)。

綜上所述，相對(duì)傳統(tǒng)刀口形直尺檢定方法，本項(xiàng)目研制的裝置能夠給出準(zhǔn)確的刀口形直尺直線度數(shù)據(jù)，在測量結(jié)果的精度上也有較大提高。

4結(jié)束語

傳統(tǒng)刀口形直尺檢定工作中存在著人眼無法準(zhǔn)確對(duì)比兩種色光的顏色、檢定人員不能獲得準(zhǔn)確的刀口形直尺刃口處直線度數(shù)據(jù)等不足，本文介紹的刀口形直尺直線度測量裝置能夠解決上述問題，并有效提高計(jì)量單位刀口形直尺檢定結(jié)果的準(zhǔn)確度，為其客戶提供更可靠的檢定結(jié)果。

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Study on a Device for Measuring the Straightness of Straight Edge

QIAO Li，YANG Lei，MI Xue

(Sichuan Aerospace Measurement and Test Research Institute，Chengdu 610100，China)

Abstract：In order to solve the problems of the influence of human factors and inaccurate quantification present in the traditional straight edge verification，this paper puts forward a method for measuring the straight edge straightness，which can improve reliability and precision of the verification results for the straight edge by the developed automatic measuring device.

Key words：straight edge；straightness；measurement device；image processing

作者簡介：喬麗(1989-)，女，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺與圖像處理。

收稿日期：2015-07-07；修回日期：2015-09-23

中圖分類號(hào)：TB92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5795(2015)06-0033-04