《電子技術(shù)應(yīng)用》
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接觸式輪廓掃描儀系統(tǒng)標(biāo)定算法
2021年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
高 彤1，陳 鴻1，張 亮2，王晉祺3
1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051； 2.太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，山西 太原030051；3.上海無線電設(shè)備研究所，上海201109
摘要： 接觸式輪廓掃描儀其原理是利用編碼器返回的長度序列以及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度來確定被測物體的輪廓坐標(biāo)，由于檢測鉤的起始點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心不重合，導(dǎo)致直接利用所測數(shù)據(jù)繪制出的輪廓不準(zhǔn)確。為解決這個(gè)誤差，提出一種不需要建立系統(tǒng)的精準(zhǔn)誤差模型，而是利用測量尺寸已知的正方形標(biāo)定板所得到的數(shù)據(jù)去獲取系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)輪廓坐標(biāo)進(jìn)行在線標(biāo)定的方法。通過編程模擬仿真了測量過程，并將獲取到的參數(shù)與理想?yún)?shù)值進(jìn)行比較，模擬數(shù)據(jù)表明該算法可以使測量誤差控制在0.5 mm以下，角度誤差控制在0.1°以下，符合設(shè)備的精度要求，可以快速還原被測圖形的真實(shí)輪廓。
中圖分類號(hào)： TN919.5；TB92
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200654
中文引用格式： 高彤，陳鴻，張亮，等. 接觸式輪廓掃描儀系統(tǒng)標(biāo)定算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2021，47(3)：65-70，74.
英文引用格式： Gao Tong，Chen Hong，Zhang Liang，et al. Calibration algorithm of contact contour scanner system[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(3)：65-70，74.
Calibration algorithm of contact contour scanner system
Gao Tong1，Chen Hong1，Zhang Liang2，Wang Jinqi3
1.State Key Laboratory of Electronic Test Technology，Key Lab of Instrument Science and Dynamic Measurement， North University of China，Taiyuan 030051，China； 2.College of Transportation and Logistics，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030051，China； 3.Shanghai Radio Equipment Research Institute，Shanghai 201109，China
Abstract： The principle of the contact contour scanner is to use the length sequence returned by the encoder and the rotation angle of the rotating platform to determine the contour coordinates of the object to be measured. Since the starting point of the detection hook does not coincide with the center of the rotating platform，it leads to the contour drawn directly from the measured data is not accurate. In order to solve this error, this paper proposes a method that does not need to establish the precise error model of the system, but to obtain system parameters by using the data obtained from the square calibration plate with known measurement size, and then calibrates the contour coordinates online. The measurement process was simulated through programming and the parameters obtained were compared with the ideal parameter values. The simulation data showed that the algorithm could control the measurement error below 0.5 mm and the angle error below 0.1°, which met the accuracy requirements of the equipment and could restore the real contour of the graph under test.
Key words : contact measurement；coordinate calibration；least squares；fitting；the calibration model

0 引言

    現(xiàn)如今檢測技術(shù)朝著精密、高效的方向不斷提升，眼鏡的生產(chǎn)和加工也向著高精度、自動(dòng)化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的方法需要定制相應(yīng)的模板，工序復(fù)雜，耗時(shí)長，而且精度不高[1]，不滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。目前國內(nèi)外普遍使用鏡片自動(dòng)磨邊機(jī)，它是一種根據(jù)輪廓掃描儀所提供的輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)加工鏡片的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鏡架凹槽或鏡片輪廓參數(shù)的獲取并傳給數(shù)控磨邊機(jī)從而實(shí)現(xiàn)加工全自動(dòng)。測量輪廓的方式主要分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量利用掃描探針與被測物體接觸，使掃描探針或被測物體旋轉(zhuǎn)一周，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測物體進(jìn)行離散的空間點(diǎn)位置的獲取，通過一定的數(shù)學(xué)計(jì)算，完成對(duì)所測數(shù)據(jù)點(diǎn)的分析擬合，最終還原出被測物體的輪廓；非接觸測量有超聲波法以及基于視覺技術(shù)的激光三角法、結(jié)構(gòu)光法等[2-4]，但利用光學(xué)的測量方式不適用于鏡架凹槽。本文所研究的接觸式探針掃描儀利用低壓力接觸式探針掃描鏡架內(nèi)凹槽或鏡片邊緣輪廓，其掃描原理就是利用檢測探針接觸被測物體一周的過程中得到旋轉(zhuǎn)編碼器返回的長度序列以及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度來確定輪廓的坐標(biāo)信息，編碼器記錄的長度是檢測探針升起位置到被測物體輪廓邊緣點(diǎn)的距離。實(shí)際工程中，由于儀器零部件的安裝不精準(zhǔn)，檢測探針的零點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)中心往往不重合，所以需要對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能得到準(zhǔn)確的曲線輪廓[5]。對(duì)于此類系統(tǒng)誤差問題，一般做法是對(duì)誤差來源進(jìn)行分析后，需要建立誤差的精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，提出系統(tǒng)誤差補(bǔ)償或抑制方法[6-9]。為了解決本文研究的問題，參考文獻(xiàn)[10]提出的方法是對(duì)誤差進(jìn)行了精確建模，建立系統(tǒng)的誤差數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用最小二乘法的基本原理求解最佳參數(shù)[10-12]，但這種方法運(yùn)算量較大，難以實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定[13]。本文提出一種利用尺寸已知的正方形標(biāo)定板，通過測量標(biāo)定板得到的數(shù)據(jù)來獲取到系統(tǒng)參數(shù)，從而對(duì)被測物體的輪廓坐標(biāo)進(jìn)行在線標(biāo)定。并通過Qt Creator軟件編程模擬仿真了測量過程驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性。




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作者信息：

高  彤1，陳  鴻1，張  亮2，王晉祺3

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051；

2.太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，山西 太原030051；3.上海無線電設(shè)備研究所，上海201109)

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