《電子技術(shù)應(yīng)用》
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接触式轮廓扫描仪系统标定算法
2021年电子技术应用第3期
高 彤1，陈 鸿1，张 亮2，王晋祺3
1.中北大学 电子测试技术重点实验室 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051； 2.太原科技大学 交通与物流学院，山西 太原030051；3.上海无线电设备研究所，上海201109
摘要： 接触式轮廓扫描仪其原理是利用编码器返回的长度序列以及旋转平台的旋转角度来确定被测物体的轮廓坐标，由于检测钩的起始点与旋转平台中心不重合，导致直接利用所测数据绘制出的轮廓不准确。为解决这个误差，提出一种不需要建立系统的精准误差模型，而是利用测量尺寸已知的正方形标定板所得到的数据去获取系统参数，进而对轮廓坐标进行在线标定的方法。通过编程模拟仿真了测量过程，并将获取到的参数与理想参数值进行比较，模拟数据表明该算法可以使测量误差控制在0.5 mm以下，角度误差控制在0.1°以下，符合设备的精度要求，可以快速还原被测图形的真实轮廓。
中圖分類號： TN919.5；TB92
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 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磨邊機，它是一種根據(jù)輪廓掃描儀所提供的輪廓數(shù)據(jù)進行自動加工鏡片的設(shè)備，實現(xiàn)鏡架凹槽或鏡片輪廓參數(shù)的獲取并傳給數(shù)控磨邊機從而實現(xiàn)加工全自動。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，實現(xiàn)對被測物體進行離散的空間點位置的獲取，通過一定的數(shù)學(xué)計算，完成對所測數(shù)據(jù)點的分析擬合，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的距離。實際工程中，由于儀器零部件的安裝不精準(zhǔn)，檢測探針的零點與旋轉(zhuǎn)中心往往不重合，所以需要對得到的數(shù)據(jù)進行處理才能得到準(zhǔn)確的曲線輪廓[5]。對于此類系統(tǒng)誤差問題，一般做法是對誤差來源進行分析后，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]提出的方法是對誤差進行了精確建模，建立系統(tǒng)的誤差數(shù)學(xué)模型，運用最小二乘法的基本原理求解最佳參數(shù)[10-12]，但這種方法運算量較大，難以實現(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)，從而對被測物體的輪廓坐標(biāo)進行在線標(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)重點實驗室 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，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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