误差分析 - 滚珠螺母形位误差的CCD测量

　　引起测量误差的主要因素有系统分辨率、几何畸变和各种噪声[8]。体现在以下几方面:

　　(1) CCD误差。本文使用的CCD像元间距为3.2μm,其误差也为3. 2μm。由于采用了新的亚像素技术,定位误差理论上可达到整像素的1/42(约为3. 2/42≈0. 076μm),相当于将CCD的分辨率提高了42倍。被测零件的外形尺寸为44 mm×40mm,CCD分辨率为2 048×1 536,整像素对应尺寸0. 026mm,亚像素对应尺寸为0. 62μm。

　　(2)标定误差。由于制造、安装等原因,摄像机光学系统并不是精确地按理想化的小孔成像原理工作,存在透镜畸变[9]。本文采用TEC-M55焦阑镜头(远心镜头),畸变系数很小,经过用5mm标准量块实际测定,图像范围内各处水平及垂直方向量块宽度整像素误差未检测到。采用相对标定法,标定时对畸变进行了矫正。标准样件尺寸由万能工具显微镜测得,其外径为?40. 008 mm。由于使用标准的检测对象作为标定参照物,不需要标定摄像机的内外参数,只需要标定出摄像机的物面分辨率,简化了标定过程,保证了标定精度和稳定性。

　　(3)其它误差。电源电压的波动也对测量结果产生一定的影响,本文利用直流稳压电源供电,减少了电压的波动。此外,在CCD摄像机、A/D转换器及采集电路中存在热电子噪声,使采集图像的屏幕上有许多闪烁跳跃的斑点和波纹。利用滤波和多次测量取平均值可抑制和减弱该噪声,本文首先采集6幅相同的图像将其平均,大大减少了加性噪声,然后对图像进行了中值滤波。最后对某些参数多次测量,取平均值作为测量结果,减少了误差。测量过程中无法真实获取某一截面中的数值,因为滚道是螺旋面而不是圆环面,用一个螺距内的误差值来表示某一截面的误差将放大圆度误差。另一方面,截取若干螺距内的滚道代替整个滚道,且用有限个测球中心坐标代替螺距内一周的坐标数据,可能使得所测参数小于实际误差数值从而减小误差。通过在不同位置反复测试,可知这两种误差很小,且两者的综合作用可以抵消一部分误差,使得实际误差进一步减小。

　　6　结果与讨论

　　本文基于CCD技术对滚珠螺母进行了直接定量测量。计算出其公称直径的形位误差,测量过程与螺母的工作情况相似,影响测量结果的因素很少。测量时产生的误差可以抵消一部分,使得实际误差较小。

　　常规测量方法是打表法,由于指针无法触及被测螺母的公称直径表面,只能将被测滚珠螺母与标准丝杠旋合,通过间接方法计算误差,评定时不考虑其它环节误差。这种测量方法首先要求特制标准丝杠,给检测带来不便,同时丝杠的误差不可避免地要带入测量结果。不同尺寸的螺母要求相应的标准丝杠与其匹配进行测量,这就需要大量的标准丝杠,既不经济也不便于管理。其次,滚珠丝杠与螺母之间存在间隙,也会影响测量精度。另外,表头误差及指针方向偏差均会降低测量精度。

　　本文所述测量方法符合测量原理,在众多误差来源中,测量误差主要来自光学系统的误差。光学系统的误差主要是透镜像差、感光像元排列误差和透视误差。成像系统的几何畸变误差是典型的系统误差,它是多种误差的组合,是影响光学测量精度的关键因素之一,提高系统分辨率及采取各种标定方法能有效降低系统误差。本文测量方法适合类似圆柱及圆锥内表面零件等接触测量难以处理的零件。

　　7　结　论

　　(1)构建了滚珠螺母视觉检测系统的硬件结构,开发了相应的测量软件。用定量的方法进行了直接测量,为滚珠螺母形位误差测量提供了一种新的方法。

　　(2)为提高图像定位精度,提出了改进的二次多项式插值方法,大大提高了图像边缘的定位精度。

　　(3)在计算圆度误差时,提出了圆的边缘点离散分布时圆度误差的最小区域评定解析计算方法,只需进行数次循环计算即可准确求出最小区域宽度(圆度误差)。而最小二乘法只适合求解连续数据的完整圆或离散数据的对称数据。本文所述算法消除了方法误差,提高了测量精度。