广东省鹤山市质量技术监督检测所 广东省鹤山市 529700
摘 要：本文主要概括性的介绍了基于万能工具显微镜及CCD的外螺纹尺寸测量前所做的关于实验环境的前期准备工作。螺纹参数测量之前，首先要对外螺纹的参数要有详细清楚的了解，确定评价螺纹性能所需要的参数。为实现机器视觉，需要确定所使用的CCD相机以及合适的光学系统。对于目前万能工具显微镜现有的光学系统以及所需使用的照明环境进行了探索。
关键词：万能工具；工具显微镜；测量原理；检测方法
1相关概念及原理概述
1.1万能工具显微镜
万能工具显微镜是采用光栅细分和数字化技术的一种高效率的光学计量仪器，具有读数直观、简便和提高工作效率等特点，广泛地应用于各企业的计量检测、各级检测和校准试验室以及其他科学研究等部门的计量检测工作。仪器可用影像法、轴切法或接触法按直角坐标或极坐标对机械工具和零部件的长度、角度和形状进行精密测量。主要测量对象有：刀具、量具、模具、样板、螺纹和齿轮类工件及其它小型精密机械零件。
1.2螺纹参数测量原理
借助于万能具显微镜进行手动方式测量外螺纹参数过程繁琐，而且精度也比较低，主要用于精度要求不高的场合。如果要求精度高、速度快，必须寻求其他更快捷的方法，机器视觉测量则可以实现这一需求。机器视觉测量则是借助于计算机实现图像的拍摄、处理与测量。首先由图像采集设备拍摄图片并保存，之后经过用户编写的图像处理软件对采集到的图片进行处理，提取出螺纹牙型轮廓之后进行相关的测量。但是对于螺纹参数的测量，首先要明白螺纹参数的定义。图螺纹参数定义中轮廓线均是直线，所以在经过算法提取出螺纹轮廓之后，需要选择合适的直线拟合算法将轮廓拟合成直线才能进行测量算法的验证。
2 检测系统配置需求
本研究是基于万能工具显微镜的硬件和光学系统平台进行硬件上的改进之后，开发出螺纹参数测量系统，实现外螺纹参数的自动化测量。在显微镜平台上，需要添加相机、光栅位移传感器、数据采集卡、位移数显表等。检测系统工作原理如图2-1所示。
本单位提供了19JA型万能工具显微镜这一实验平台，为完成本课题还需要购置合适像素的相机。因为螺纹尺寸大小不一，如果要测量超屏幕大尺寸的螺纹，就需要在19JA型万能工具显微镜上添加光栅位移传感器来实现、向工作台移动的距离的读取，采用数据采集卡将光栅位移传感器的数据读入到计算机上，从而由开发出的外螺纹测量软件来实现螺纹参数的测量。因此，在进行课题实验之前，首先要针对所要研究对象尺寸精度的需求来确定光电耦合器件的性能参数、光栅位移传感器的规格。
2.1 CCD摄像机的选择
电荷耦合器件(Charge Coupled Device)，简称为CCD，是利用内光电效应，由单个光敏单元集成的一种光传感器，它集电荷存储、移位和输出为一体。单个光敏单元叫像素，它以一定尺寸大小按某一规则进行排列，从而组成CCD线阵或面阵。面阵CCD可以获取二维图像信息，在物体的面积、尺寸以及位置等多个测量领域应用广泛。本课题是要获取螺纹的二维图像来测量螺纹参数，所以采用面阵CCD。CCD摄像头是显微检测装置中的重要环节，其芯片质量与技术参数的选择将直接影响到最终检测结果的精度。机器视觉显微检测是通过计算图像像素间的尺寸来实现的，得到的数值并非是物体的实际尺寸。像素尺寸与实际尺寸之间存在式(2-1）所示的关系。
式中 ——待测件的实际尺寸(mm);
——图像处理之后得到的实际像素尺寸;
——CCD成像面上像元之间的距离(mm);
——系统镜头的放大倍数。
在显微镜放大倍数K一定的情况下，摄像头像素越高、像元尺寸S越大，显微测量的范围也就越大。但是另外一方面，像素尺寸S越小，CCD相机检测精度也就会越高。所以，要选择合适的分辨率和像元尺寸来得到需要的图像。
本课题选择大恒DH-HV315lUC摄像头，该相机可以通过USB 2.0接口直接可以与电脑主机相连。该相机主要技术指标为:最高分辨率为2048x1536,CCD像素尺寸为3.2μm x3.2μm，靶面尺寸为6553.6μm x 4915.2μm，芯片为逐行扫描的CMOS芯片，输出图像为彩色图像，由于此型号的相机采用的是USB接口，无需使用图像采集卡，但是此相机没有配置相应的软件开发包，用户只能自行编写程序来驱动相机实现单张图片的抓取。本测量系统是基于Visual C++6.0开发平台，相机使用之前首先编写了相应的程序进行驱动。由于CCD取代目镜进行工作，还需要设计相应的结构来固定相机并保持万能工具显微镜出射光束的垂直度。另一方面，还要保证在平行于万能工具显微镜出射光的方向上有一定的可调度来实现测量过程中焦距的调整。大恒DH-HV315lUC摄像头镜头接口为标准C型，螺纹尺寸为1英寸32牙，在设计接口的过程中，除了实现与CCD镜头之间的匹配，还设计了类似于套筒的结构来实现焦距的拉伸以便调整图像的清晰度。
2.2光学放大倍数的选取原则
显微检测时，若想得到最佳的检测精度，需在满足螺纹检测视野范围的条件下选择尽可能大的放大倍数。基于这一点要求，实验中选取3倍与5倍镜头各一支来实现螺纹图像采集区域的大范围调整。若要实现系统放大倍数的微调，可以通过运用图2-2所示的光学放大原理来实现。
当物体位于距离凸透镜左侧焦距之外，在距离凸透镜右侧2倍焦距之外可以获得清晰倒立的实相;如果物体位于距离凸透镜左侧焦距之内，将会在凸透镜的相同侧获得正立且放大的虚像;两种情况下的放大倍数均可以表示为/。本实验系统是基于第一种情况的，物体经过光学系统之后，形成倒立的实像，图2-2中有高斯公式(2-2)和倍率公式(2-3 )。
式中 ——表示物体AB至凸透镜中心的距离(mm);
——表示成像位置至凸透镜中心的距离(mm);
对于确定的物镜来说，焦距是固定不变的，此时放大倍数的调整是由参数，来实现的。如果增大时，可以通过调整使CCD芯片上重新呈现出清晰放大的实相。这就可以实现使用一个镜头，配合不同长度的摄像头转接头来改变摄像头的视野范围的微调。因此，设计了摄像头与显微镜镜筒的连接转换装置，由套筒结构实现值的调整，然后调节待测件至物镜镜头之间的距离来实现外螺纹图像的清晰拍摄。
2.3照明方式的选择
在本测量系统中，光学系统将被测件的光学信息传送至CCD的成像靶面，因此光学系统对于测量过程十分重要。普通光学系统基本上都可以满足成像清楚、透光性好、照度分布均匀等要求。目前光学照明方式有多种，如漫反射照明、背光照明、暗场照明以及结构光照明，正确恰当的选择照明方式可以提高图像的质量，降低图像处理的难度。
根据外螺纹的结构特点，照明方式选择背光照明，如图2-3所示，a)图表示照明方式，b)图表示拍摄到的图像。背光照明方式利用背光对不透明部件进行照射能产生高对比度图像。此种照明方式适合于不透光物体轮廓识别和定位以及透光物体内部缺陷检测等。将外螺纹置于万能工具显微镜载物台上，光源置于载物台的下方，这样能够最大限度的保证测量的精度，得到清晰的边缘信息。
测量之前，先对被测件进行清洗，去除表面污物，否则在图像处理中得到的污物像素点会影响实际提取到的测量边缘，从而影响测量结果，降低测量的精度。
3 超屏幕检测
被测工件如果尺寸比较大的话，其图像不能在采集图像区域完全显示，此时不能得到需要的全部测量信息。因此，在系统中添加了光栅尺，光栅尺是基于光栅光学原理来进行测量及反馈的一种装置，常用于机床与现代化的加工中心以及各种测量仪器等设备之上，可以用来检测直线位移和角位移。测量所依据的原理如图3-1所示。
3.1光栅尺与数据采集卡的选择
实验中根据待测量螺纹的尺寸范围来选择安装在19JA型万能工具显微镜X, Y向工作台的光栅尺。原测量系统的分辨率可以达到1μm，因此实验时选用更高分辨率的雷尼绍公司的RGH22H30D62系列的计量光栅来提高测量精度。该光栅测量精度高，重复性比较好。考虑到显微镜X, Y向工作平台的特点，选取X向标尺光栅的行程为200mm, Y向行程为120mm，分辨率为0.05μm。
本测量系统中选择研华公司的PCI-1784U数据采集卡将光栅读数头测量得到的数据通过串口的方式传送到计算机之后，由编写的外螺纹测量软件处理数据从而自动得到螺纹的参数，同时安装数显表方便用户实时观测工作台的移动距离。数显表选用了SF-600系列的光栅表，该数显表可以实现输入信号的自动四分频。
在本系统中，光栅位移传感器安装于万能工具显微镜外导轨平台上，自动检测出X, Y向导轨平台在两个方向上的移动距离。标尺光栅属于精密元件，使用过程中要防止摩擦刮损，因此设计加工了带有0.5mm凹槽的贴槽来保护标尺光栅。由于光栅读数头和标尺光栅需要保证0.8±0.1 mm的间距，因此为了便于调节该距离使读数头正常工作，针对万能工具显微镜X, Y向工作台的结构特点，设计了读数头安装平台，此可以实现读数头和标尺光栅不同距离的调整。整个实验硬件系统如图3-2所示。
3.2位移信号采集
在工作台移动过程中，经过光栅的光线，其光强呈正(余)弦函数变化，光栅位移传感器感受光信号的变化输出，反映莫尔条纹的移动的光信号由光电元件接收转换成近似正(余)弦函数的电压信号，然后经信号处理装置整形、放大及微分处理后，即可输出与检测位移成比例关系的脉冲信号。为了既能计数，又能判别工作台移动的方向，采用的雷尼绍光栅读数头的四个光电元件输出A+, A-, B+, B-四个差动信号，经过光电耦合电路，输出相位相差π/2的A,B两路脉冲。当工作台向右移动时，A路脉冲滞后B路脉冲90°；工作台向左移动时，A路脉冲比B路脉冲相位角滞后90°。
光栅读数头的输出信号分成两部分，一路信号直接进入数显表，设定数显表的显示倍率之后，由数显表显示位移数值。另一路信号送入PCI-1784U数据采集卡，由编写的软件显示并存储工作台的位移数据以便后续的螺纹大尺寸参数的测量。
结束语
本文主要概括性的介绍了基于万能工具显微镜及CCD的外螺纹尺寸测量前所做的关于实验环境的前期准备工作。螺纹参数测量之前，首先要对外螺纹的参数要有详细清楚的了解，确定评价螺纹性能所需要的参数。为实现机器视觉，需要确定所使用的CCD相机以及合适的光学系统。对于目前万能工具显微镜现有的光学系统以及所需使用的照明环境进行了分析。为了测量大尺寸螺纹，测量硬件系统中需要安装光栅位移传感器，在进行验证开发的测量软件之前，根据测量要求选择合适的光栅位移传感器以及配套的数显光栅表和数据采集卡。
参考文献
[1]刘园,张志斌. 浅谈万能工具显微镜的使用[J].机电信息. 2012(06)
[2]李雪,宋秀敏.用万能工具显微镜测量的原则及原理分析[J].电子工业专用设备. 2012(02)
论文作者:吕维江
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第10期
论文发表时间:2019/9/25
标签：测量论文; 光栅论文; 螺纹论文; 尺寸论文; 参数论文; 图像论文; 工具显微镜论文; 《当代电力文化》2019年第10期论文;