基于坐标测量机的非接触测量应用与实践

张小梅，安旭明，赵育强

(西安航空动力股份有限公司计量中心，陕西西安710021)

0 引言

近年来，航空企业科研任务日益繁多，良好的加工设备和制造技术为航空制造业完成任务打下了坚实的基础，但是目前本单位现有计量检测设备却无法满足科研生产交付检测的需求，从而在产品质量检验过程中制约了生产任务的顺利交付。由于受到大型(L＞300 mm)线纹类工件测量仪器承重以及量程范围的限制，此类工件均无法在现有光学仪器上检测。

常规的三坐标测量机大多是通过测针与零件产生接触来实现测量，即利用测针与零件的接触产生探测信号，信号经过测量软件处理成测量点来实现工件尺寸的直接检测，而工件上的刻线类尺寸，均无法实现触发式测针(最小测针为φ0.35 mm)的接触采点，目前此类工件的准确检测异常困难，探索研究对该类工件的间接精确测量具有非常重要的现实意义。

1 问题提出

在长度精密测量中按接触方式分为接触式测量和非接触式测量，而现有三坐标测量机(Coordinate Measuring Machining，简称CMM)只是接触式测量，通常用于较复杂工件的检测，且仪器量程都比较大，一般长轴可达到1000～2000 mm，有些更长达5000 mm。某科研生产任务所使用的线纹类量具、工装测具如图1所示的零件结构的刻线(宽度0.02～0.20 mm、深度0.02～0.10 mm)、狭缝(尺寸＜1 mm)、小台阶(台阶差＜1 mm)(以下统一简称为“刻线类尺寸”)的准确检测一直以来是影响公司科研任务交付的瓶颈问题。因此设想在三坐标测量机上增加辅助硬件并进行软件开发，引入非接触测量技术，可有效地解决一般非接触测量仪器量程不足的问题。

图1 线纹类型面样板示意简图

对于此类问题，具备光学测量的检测设备是最佳的技术保障，但是这些专用检测设备往往价格不菲。利用现有的仪器设备进行二次开发，在主设备上增加辅助硬件和软件系统，来开拓实现专用检测设备的相应测量范围，实现此类工装测具和零件刻线类尺寸的检测，并且保证其检测精度，这样不仅能解决此类工装测具和零件的检测问题，而且能够扩展主设备的检测功能和检测范围，极大地节省购置新设备的高成本。

2 技术要点

通过对万能工具显微镜和三坐标测量机测量原理进行研究和分析，利用现有三坐标测量机配备CCD镜头和光路系统实现非接触测量，满足工装测具设计图纸、刻线类尺寸、关键特征尺寸的检测要求，达到对刻线类尺寸的准确和规范检测，从而满足生产和科研的需要，并极大地节约生产成本，为科研任务的完成提供更有效的计量保证和强有力的技术支持。

传统现有的三坐标测量机大多都是接触式测量，尝试通过技术改造和软件开发，促使现有的三坐标测量机能够实现非接触测量功能，其中需要增改的主要有以下几个技术要点:

2.1 光路系统

在非接触测量系统中，光源和照明方式会影响全系统的效果。为了实现上述工件的非接触精密测量，需要选用稳定性高，抗干扰能力强，成本低的LED冷光源光路系统。由于选取LED灯，可有效的改善经常进行更换光源照明灯的缺陷，而且LED灯的功率和发热量小，可极大的降低光路系统的功耗【2】，不需增加额外的散热装置，节省很多光路元件，同时避免热效应对测量精度的影响。

2.2 测量模块及硬件连接

测量模块包括镜头连接杆，五向固定座，换向连接杆，照相机(分辨力1280×1024，0.5″彩色CMOS)和CCD镜头(放大倍数0.7X-4.5X)，如图2所示。

图2 测量模块

为了确保测量模块的正常使用，必须确保测量模块与三坐标测量机的有效连接，并保证系统的安装稳定和可靠运行。安装顺序如下:

1)将换向连接杆插入五向固定座，旋紧螺纹紧固，将换向连接杆固定;

2)将镜头连接杆插入换向连接杆，旋紧螺纹紧固件将镜头连接杆固定;

3)将照相机接上CCD镜头装入镜头连接杆内孔，旋紧螺纹，紧固照相机和镜头。

本文采用的测量系统是由现有三坐标测量机、光源/成像系统、图像采集及处理系统等部分组成。既是将上述图2、图3合理地组合装配形成新的测量系统，其测量系统装配见图4。

图3 测量系统装配图

2.3 测量软件

为了实现三坐标测量机非接触测量功能，经与测量设备公司多次共同探讨，最终商榷制定开发方案，并协同测量设备公司完成其测量机测量软件的二次开发。测量软件是基于计算机图像处理技术的影像式坐标功能软件，通过CCD镜头利用工业摄像技术将被测物影像直接采集到计算机屏幕上做取样处理，测量软件对采样点进行数据计算得到被测物体的测量特征，最后得到被测物体的形状和位置尺寸信息，实现被测物体的检测。开发后的测量软件具有以下特点:

1)便捷的摄像机像素校准方法。校准时使用与三坐标测量机校准相同的标准器，减少了仪器校准检定所需的标准器种类。

2)可编程控制照明光源，为测量提供高效、便利的照明条件。

3)采用拟合边采点、拟合圆采点，大大提高了测量精度。

4)坐标系自动找正功能，被测工件可以在工作台上随意摆放，不影响测量结果。测量结果不仅可以以文本、表格等形式输出，也可以用曲线、位图等图形导出，便于技术、质量等部门质量分析控制。

3 测量步骤

3.1 新测量系统标定

在恒定温度下，将一标准刻度的三等标准金属线纹尺放置于三坐标测量机的工作台上，通过调焦，使其清晰成像在计算机上【2】，选取其中若干段长度参照JJG 71-2005《三等标准金属线纹尺检定规程》中的方法进行标定，计算机采集CCD图像来实现图像捕获。可将3X，4.5X等常用镜头的像素校正值确定后保存，方便后续检测程序的调用，也不用每次测量前都去标定。

3.2 建立工件坐标系

将被测件平放于三坐标测量机工作台上并找正，建立工件坐标系。在建立坐标系前首先要在工件上测量(结合上例简单说明)(或构造)所需的特征(基本几何元素)，使用特征建立工件坐标系。

3.3 测量

将像素校正好的镜头调整至被测位置附近，用操纵盒移动各轴使被测位置或特征在显示器影像窗口成像清晰，锁定Z轴，记录Z坐标值，后续检测镜头在此Z轴坐标值位置聚焦，完成尺寸测量所需的边沿特征量的提取，按照先易后难的顺序依次检测被测尺寸。

3.4 分析测量结果

测量结果是测量的要素之一，而其它测量要素如测量对象、资源、环境等均会在测量过程中产生不同程度影响。利用三坐标测量机二次开发的测量软件对被测尺寸完成检测后，必须要重点分析影响检测结果准确性，由新装置的测量原理和系统的检测过程可知，其测量结果的不确定度来源主要有以下方面:

1)对模拟式仪器的读数不准，对模拟式仪器在读取其示值时，一般是估读到最小分度值的1/10［3］。由于观测者视觉和个人习惯等原因，可能对同一状态下的示值会有差异;

2)新测量装置标定所引入的不确定度;

3)操作人员视觉误差以及操作准确程度所引入的不确定度;

4)测量结果重复性引入的不确定度。

因此，可保存若干次检测结果并进行测量系统分析，最终评价确定出准确的测量结果。

4 测量结果比对

由于新测量装置是选取其中若干段长度参照JJG71-2005《三等标准金属线纹尺检定规程》中的方法进行标定的，所以必须进行测量结果的比对验证【4】。利用上述现有三坐标测量机二次开发的测量软件系统对上例型面样板刻线类尺寸参数进行多次(5次以上)测量，求得各个平均值得到一组数值;然后再使用本单位现有的三坐标测量机SZ120100(精度指标(5+L/300)μm)同样进行多次测量，得到另一组数值，两组测量数值及它们之间的差别比对情况如表1所示。

表1 两种方法测量结果对比

通过对两组数值进行比对，结果表明本系统的测量结果能够保证型面样板轮廓度的图纸设计要求，检测结果不低于该三坐标测量机的常规检测指标(8+L/300)μm。

5 结论

本文介绍了在本单位现有三坐标测量机上，通二次开发改造的非接触测量系统，在保留了三坐标测量机原有测量功能的基础上，解决了大尺寸线纹类量具、专用测具和零件刻线、狭缝、小台阶等刻线类特性尺寸检测难题，拓展了三坐标测量机的检测功能。通过比对验证该测量系统具有较高的精度和检测效率，能够满足公司科研生产任务检测的需要。三坐标测量机的非接触测量具有良好的应用前景，该系统虽然能够实现三坐标测量机的非接触测量功能，为大力推广非接触测量打下了一定的基础，具有一定的借鉴和推广价值，但与专业的计量检测设备相相比，仍然存在技术比较落后，自动化程度低等不足，测量范围和功能也具有一定的局限性。

［1］周加涛，邓文怡，刘力双.一种基于视觉测量技术的复杂工件检测系统［J］.北京信息科技大学学报，2010，25(1):34-37.

［2］江舟，周建瑜，陈德金，等，三维几何量非接触测量技术［J］.航空制造技术，2007(12):114-116.

［3］国防科工委科技与质量司.计量技术基础［M］.北京:原子能出版社，2002.

［4］国家质量监督检验检疫总局.JJG 71-2005三等标准金属线纹尺检定规程［S］.北京:中国计量出版社，2005.