誤差分析 - 滾珠螺母形位誤差的CCD測量

　　引起測量誤差的主要因素有系統(tǒng)分辨率、幾何畸變和各種噪聲[8]。體現(xiàn)在以下幾方面:

　　(1) CCD誤差。本文使用的CCD像元間距為3.2μm,其誤差也為3. 2μm。由于采用了新的亞像素技術(shù),定位誤差理論上可達到整像素的1/42(約為3. 2/42≈0. 076μm),相當于將CCD的分辨率提高了42倍。被測零件的外形尺寸為44 mm×40mm,CCD分辨率為2 048×1 536,整像素對應尺寸0. 026mm,亞像素對應尺寸為0. 62μm。

　　(2)標定誤差。由于制造、安裝等原因,攝像機光學系統(tǒng)并不是精確地按理想化的小孔成像原理工作,存在透鏡畸變[9]。本文采用TEC-M55焦闌鏡頭(遠心鏡頭),畸變系數(shù)很小,經(jīng)過用5mm標準量塊實際測定,圖像范圍內(nèi)各處水平及垂直方向量塊寬度整像素誤差未檢測到。采用相對標定法,標定時對畸變進行了矯正。標準樣件尺寸由萬能工具顯微鏡測得,其外徑為?40. 008 mm。由于使用標準的檢測對象作為標定參照物,不需要標定攝像機的內(nèi)外參數(shù),只需要標定出攝像機的物面分辨率,簡化了標定過程,保證了標定精度和穩(wěn)定性。

　　(3)其它誤差。電源電壓的波動也對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,本文利用直流穩(wěn)壓電源供電,減少了電壓的波動。此外,在CCD攝像機、A/D轉(zhuǎn)換器及采集電路中存在熱電子噪聲,使采集圖像的屏幕上有許多閃爍跳躍的斑點和波紋。利用濾波和多次測量取平均值可抑制和減弱該噪聲,本文首先采集6幅相同的圖像將其平均,大大減少了加性噪聲,然后對圖像進行了中值濾波。最后對某些參數(shù)多次測量,取平均值作為測量結(jié)果,減少了誤差。測量過程中無法真實獲取某一截面中的數(shù)值,因為滾道是螺旋面而不是圓環(huán)面,用一個螺距內(nèi)的誤差值來表示某一截面的誤差將放大圓度誤差。另一方面,截取若干螺距內(nèi)的滾道代替整個滾道,且用有限個測球中心坐標代替螺距內(nèi)一周的坐標數(shù)據(jù),可能使得所測參數(shù)小于實際誤差數(shù)值從而減小誤差。通過在不同位置反復測試,可知這兩種誤差很小,且兩者的綜合作用可以抵消一部分誤差,使得實際誤差進一步減小。

　　6　結(jié)果與討論

　　本文基于CCD技術(shù)對滾珠螺母進行了直接定量測量。計算出其公稱直徑的形位誤差,測量過程與螺母的工作情況相似,影響測量結(jié)果的因素很少。測量時產(chǎn)生的誤差可以抵消一部分,使得實際誤差較小。

　　常規(guī)測量方法是打表法,由于指針無法觸及被測螺母的公稱直徑表面,只能將被測滾珠螺母與標準絲杠旋合,通過間接方法計算誤差,評定時不考慮其它環(huán)節(jié)誤差。這種測量方法首先要求特制標準絲杠,給檢測帶來不便,同時絲杠的誤差不可避免地要帶入測量結(jié)果。不同尺寸的螺母要求相應的標準絲杠與其匹配進行測量,這就需要大量的標準絲杠,既不經(jīng)濟也不便于管理。其次,滾珠絲杠與螺母之間存在間隙,也會影響測量精度。另外,表頭誤差及指針方向偏差均會降低測量精度。

　　本文所述測量方法符合測量原理,在眾多誤差來源中,測量誤差主要來自光學系統(tǒng)的誤差。光學系統(tǒng)的誤差主要是透鏡像差、感光像元排列誤差和透視誤差。成像系統(tǒng)的幾何畸變誤差是典型的系統(tǒng)誤差,它是多種誤差的組合,是影響光學測量精度的關(guān)鍵因素之一,提高系統(tǒng)分辨率及采取各種標定方法能有效降低系統(tǒng)誤差。本文測量方法適合類似圓柱及圓錐內(nèi)表面零件等接觸測量難以處理的零件。

　　7　結(jié)　論

　　(1)構(gòu)建了滾珠螺母視覺檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),開發(fā)了相應的測量軟件。用定量的方法進行了直接測量,為滾珠螺母形位誤差測量提供了一種新的方法。

　　(2)為提高圖像定位精度,提出了改進的二次多項式插值方法,大大提高了圖像邊緣的定位精度。

　　(3)在計算圓度誤差時,提出了圓的邊緣點離散分布時圓度誤差的最小區(qū)域評定解析計算方法,只需進行數(shù)次循環(huán)計算即可準確求出最小區(qū)域?qū)挾?圓度誤差)。而最小二乘法只適合求解連續(xù)數(shù)據(jù)的完整圓或離散數(shù)據(jù)的對稱數(shù)據(jù)。本文所述算法消除了方法誤差,提高了測量精度。