多面体模具角参数自动测量方法的研究
第5期光学技术N o. 5
1998年9月O PT I CAL T ECHNOLO GY Sep t . 1998
多面体模具角参数自动测量方法的研究
郭文胜 朱自强
(四川联合大学光电科学技术系, 成都610064)
X
摘 要:多平面冷反光镜模具质量的好坏直接影响着出射光束照度的均匀度和出射光束的定向性, 目前使用的检测方法存在测量过程繁琐费时, 测量精度低等缺点。本文介绍了一种利用CCD 线阵光电探测器研制的多面体模具角参数自动测量系统。该装置采用光学方法, 将待测的几何参数——两相邻平面间夹角A 转化为测量该两平面反射光聚焦光斑的距离, 然后用CCD 图像数据采集系统处理数据。使整个系统简单、紧凑, 适用范围广, 对不能接触测量或因面形太小或因形状复杂而难以测量的平面夹角均可进行测量。本文亦讨论了实验数据处理, 并根据实际情况, 采用重心法计算光斑中心位置, 使测量精度有了很大提高。最后给出了利用该系统测量的结果。
关键词:CCD 探测器, 角度测量, 多面体模具, 自动测量。
An automa tic m ea surem en t m ethod for the angular param eter
of polyhedron ic m odel
G uo W e ns he ng Zhu Z iq ia ng
(Op to 2electron ics D epartm en t of Science &T echno logy , Sichuan U n i on U n iversity , Chengdu 610064)
Abstract :T he quality of the po lyhedral 2co ld 2reflecto r p s model determ ines the w ell 2distribu ti on and directi on of the ou tpu t ligh t beam . A t p resen t , there are no t specialized in strum enn ts su itab le fo r in 2
. A n au tom atic m easu rem en tal system fo r the angu lar param eter of po lyhedron ic specti on of such ob jects
model is developed by u sing a CCD linear array detecto r . In th is system , a op tical m ethod is app lied to tranfo rm the angle A sub tended by tw o adjacen t p lanes in to distance betw een the tw o focal ligh t spo ts
. A compu ter is in troduced to con tro l the w h ich are fo rm ed by the reflected ligh ts of these tw o p lanes
w ho le system and to p rocess the samp led data . T he w ho le system w o rk s au tom atically , accu rately and rap idly . A t last , the m easu rem en tal resu lts w ill be p resen ted .
Keywords :CCD detecto r , angu lar m easu rem en t , po lyhedron ic model , au tom atic m easu rem en t .
一、引 言
多平面冷反光镜与卤钨灯组合后, 构成冷反射定向照明新型光源。它除了能产生一般介质膜冷反光镜的高强度冷光外, 还具有以下性能:可提高出射光束照度均匀度, 减小或消除在光斑中由灯丝或玻壳所产生的阴影, 使被照射面的照度更均匀, 光斑中无阴影, 从而被照射面的清晰度大大提高。配上多平面冷反光镜的卤钨灯, 广泛地用于彩色照片扩印机、缩微放大阅读器等高清晰度照明的光学器械和深入千家万户的装饰照明。
多平面冷反光镜模具质量的好坏直接影响着出射光束照度的均匀度和出射光束的定向性。但是, 多平面冷反光镜模具目前尚无专门的检测仪器。在研磨生产模具过程中仍然需要有经验的工人来估测完成。本文就是根据工厂的实际要求, 完成模具生产智能化专家系统中的一部分工作。
冷反光镜模具的反射面是由几百个小平面规则有序地排列构成一个椭球面或抛物面。这些小平面是这样分布的:从反光镜口部到根部, 沿着子午线方向分为10余圈, 在这10余圈的
X 受四川省重点科技项目资助。 收稿日期:1997年8月4日
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每一圈上, 又均匀地按圆周方向分为30等分[或36、40、72等分]。而这几百个小平面组成了一个立体的空间几何图形[凸形, 见图1]。沿子午线方向看去, 上下两相邻的小平面之间有一个夹角。如果用一条线段来代替一个小平面, 就是如图2所示的折线
。
邻平面反射光夹角H 与该两相邻平面的夹角A
之间的关系为
图3 光学系统示意图
图1 多平面冷反光镜 图2 椭球多平面冷反光镜
模具示意图上模头工艺参数
(1) H =2A
对于两相邻平面反射的、具有一定夹角H 的两束平行光用成像透镜聚焦, 在成像透镜焦平面处放置接收器件, 根据光斑之间的距离L
为了尽量使模具接近理论设计要求, 就必须精确地计算出每一圈中小平面的同一宽度和该平面与轴向倾斜的角度, 这是两个重要的工艺参数。本文研究最重要的一个参数, 即角度的测量。
多平面冷反光镜模具的特点是:每一个平面均是小平面, 整个模具平面数量多达几百个。使用已知的一些检测方法和如机械测角方法、光学测角方法等, 都由于模具的不规则、面积小、定位困难而无法测量。现行生产中使用游标卡尺进行测量的方法, 不仅测量误差大, 而且测量过程繁琐费时, 因此研制自动化、高精度测角装置是十分必要的。
二、测量原理
光学系统原理框图如图3, 为了使目标物得到充分的照明, 以保证像平面有足够的照度, 而且保证物平面照度均匀, 照明光源使用形体小、灯丝亮度高的卤钨灯。透镜L 1将卤钨灯成像, 在像平面附近位置放置一个小孔, 以形成点光源。透镜L 2的物方焦点调整在小孔位置, 因此经L 2变换后成为均匀性较好的平行光。
平行光照射在模具子午线方向相邻两个小平面上, 则不同平面的反射光方向将不同, 两相30
来计算该两相邻平面的夹角A 。
设两光斑在CCD 上间隔了N 个单元, 由于TCD 142D 型CCD 探测器相邻单元中心间距为14L m , 则两光斑间隔为
L =N ×14(L m ) 如图4, 设成像透镜焦距为f , 则在近似条
件f m L 1, f m (L -L 1) 下, 有
(2) tan H =L f
当H 为小角度的情况下, 近似有
(3
) H tan H =L f =2A
图4 几何关系示意图
则两相邻平面夹角A 与CCD 上所测光斑距离
L 关系为
(4) A =L 2f =0. 007×L f
因此, 当我们测出两光斑之间的CCD 单元数目N , 并已知成像透镜焦距f , 就可以计算出相邻两平面之间的夹角A 。
使用光学组合透镜测焦距的方法, 精确测定成像透镜焦距f 为57187。TCD 142D 型CCD 线阵探测器共有2048个连续有效单元, 相邻单元间距14L m , 可利用的最大长度为
L m ax =2048×14L m =28. 672mm (5) 根据公式(4) 可知可测量最大角度A m ax
A . 2°m ax =14 因此理论上该光学系统可测最大角度为1412°。而本模具相邻两平面的最大夹角小于10°, 所以利用本光学系统来测量多面体模具角
整个数据采集系统是由计算机通过接口适
配器来控制。CCD 探测器的驱动、CCD 信号的数字化、采集数据及处理数据均由计算机协调完成, 实现了测量的自动化, 做到了准确、快速。
四、系统数据处理方法
11消除暗电流及光敏不均匀性的影响
由于CCD 所固有的暗电流及各个感光单元的光敏不均匀性, 使系统在无光照时仍存在不均匀的非零数据输出, 称之为本底。为消除本底对测量的影响, 可预先将光照时采集的数据送入计算机内存, 再与本底对应位相减, 即可消除本底。
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光斑的能量分布及理论中心的计算
参数是适宜的。
三、多面体模具角参数自动测量系统
整个光源部分, 一经调试好就固定于导轨上。将CCD 探测器调整到透镜的后焦平面处后, CCD 接收面和聚焦透镜作为一个整体固定在一个三维可动平台上, 平台固定于导轨, 待测的模具放置在可旋转平台之上
。
图6 光斑能量分布示意图
如图6所示。设会聚在CCD 探测器上的光斑覆盖m 个像感单元。对于平行光经模具的一个平面反射并聚焦后, 其光能分布理想情况下应为一对称分布包络线, 其光强最大处对应反射角的位置。根据一维空间对x 轴上任意点K 取矩, 就可以计算每一个光斑能量分布的理论中心。
m
m
i
i
i
x =K +
图5 测量系统示意图
∑x V ∑V
i =1
i =1
(6)
调节旋转平台位置可保证所需测量的两相邻平面反射的聚焦光斑被CCD 所接收。垂直及水平位置调整好后锁定。旋转模具平台, 就可以测出同一圈上多个子午线方向两相邻小平面的夹角。水平方向移动三维可动平台, 就可以测出沿子午线方向多个两相邻平面的夹角。因此, 本装置对于多面体模具角度测量, 操作是十分简便的。
式中x i —第K +i 个像感单元在x 轴上的坐标
位置;
V i —第K +i 个像感单元输出视频信号幅
度;
m —光斑覆盖像感单元的数目;
x —光斑能量理论中心在X 轴上的坐标
位置。在实际操作时, 我们寻找光斑中强度最大
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光 学 技 术 1998年9月
的单元作为光斑理论中心的单元, 在此单元左右各取固定数目CCD 单元数目参与能量中心的运算, 其计算结果能更接近实际。
五、实验结果
作为一台角度测量的测试仪器, 本文按《中华人民共和国国家计量技术规范》[JJG 1027291, 1991年8月5日批准, 1992年10月1日实施, 国家技术监督局]有关计量仪器《测量误差及数据处理(试行) 》规则进行。
次数
1
) 5. 4160测量数据(°
标准偏差
25. 4163
35.
4127
45. 4165
5
11测角系统的稳定性
在相同的条件下, 对同一被测对象每隔10m in 测量一次, 根据测量结果来考察整个测角系统的稳定性。系统的稳定性是综合考察系统电气、光路、数据采集及数据处理可靠性的一个综合参数, 使用标准偏差来表示。
实验结果如表1和图7所示, 标准偏差只有010022°10m in (0113′10m in ) , 系统测量的稳定性较好, 可用于长时间测量。
6
7
85. 4115
95. 4132
105. 4158
表1 稳定性实验结果
5. 41605. 41055. 4157
(等于0113′) 010022°
进行测量, 测量的五组数据如表2。
表2 系统测量精度实验
夹角A 编号
) 测量值(°
) 3标准值(°
115. 3335. 3000. 63%
125. 4005. 3500. 93%
135. 3005. 3000
165. 3005. 3000
175. 3175. 3000. 32%
相对误差
3标准值是由中国测试技术研究院机械量测量室使用万能工具显微镜圆转台测量的结果, 精度为±2′
图7 系统稳定性实验结果
) ——平均值(°) × 测量值(°
六、结束语
本系统是根据工厂的实际要求研制并建立的, 它利用光电相结合的方法进行非接触的测量, 测量不损坏被测对象; 系统测角范围大、精度高、测量适应范围广, 对不能接触测量或因面形太小或因形状复杂而难以测量的平面夹角, 更能显示出它的优越性; 由于两平面夹角A 是通过测量该两平面反射光聚焦光斑的距离得到的, 故是相对测量, 不需要进行初始定位, 测量参数亦只有一个, 因此大大地减小了测量时需要定位而引起的误差; 实验装置采用了CCD 图像数据采集系统, 实现自动测量, 快速, 可靠。本文所用的检测方法大大提高了原有方法的测量精度。测量时, 使用光强稳定的光源, 可以大大减小系统测量误差。
21系统测量的重复性
对于同一被测量夹角测量16次(测量时模具以任意方式回复测角位置) , 检查系统测量的重复性。标准偏差为0148′。
图8 系统重复性实验结果
) ——平均值(°) × 测量值(°
参考文献
1 王庆有, 孙学珠1CCD 应用技术, 天津大学出版社, 1993, 32 沈兰荪1数据采集技术, 中国科学技术大学出版社, 1990,
8
31系统测量精度
我们从一圈三十个夹角中任选五个夹角A 32