一種刀口形直尺直線度測量裝置研究

喬麗，楊磊，米雪

(四川航天計量測試研究所，四川 成都610100)

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一種刀口形直尺直線度測量裝置研究

喬麗，楊磊，米雪

(四川航天計量測試研究所，四川 成都610100)

摘要：針對傳統刀口形直尺檢定存在的人為因素影響大、無法精確量化等問題，本文給出了刀口形直尺直線度的測量方案，通過使用所研制的刀口形直尺直線度自動測量裝置，可提高刀口形直尺檢定結果的可靠性和準確度。

關鍵詞：刀口形直尺；直線度；測量裝置；圖像處理

0引言

刀口尺的測量面呈刀口狀，常見的有刀口形直尺、三棱尺以及四棱尺。刀口形直尺廣泛應用于生產現場產品的檢驗，以光隙法為理論基礎，主要用于測量機加零件表面的直線度和平面度。機加零件的直線度和平面度對零件的密封性、運動平穩性、耐磨性以及噪音等都有很大影響，因此，工廠加工零件的同時必須對機加零件的直線度和平面度進行嚴格把控。為了保證機加零件直線度及平面度測量結果的可靠性，必須保證刀口形直尺工作棱邊的質量。截至目前，常規的刀口形直尺檢定均采用人眼觀測的方法，存在人為因素影響大、測量結果無法精確量化等問題。

2009年，華中科技大學的楊坤濤利用刀口形直尺和高精度攝像機等對木工鋸片上表面的平面度測量進行了研究，但其準確度只能達到10μm[1]；馬振卿利用高精度的測微表對小平面的平面度測量進行了研究，但這種方法只適用于平面，無法對刀口形直尺刃口處的直線度進行測量[2]；1993年Joshua B.Fishkin等人利用刀口形直尺對光子的傳播特性進行了研究[3]。Aghajan H.K.也將陣列式傳感器應用到刀口形直尺上[4]。上述研究的核心并不是刀口形直尺刃口處的直線度測量。筆者曾查閱過國內外相關資料，到目前為止還沒有發現相關刀口形直尺工作棱邊直線度測量方法的進一步研究。基于此，本文在討論傳統刀口形直尺檢定方法的基礎上，給出了刀口形直尺直線度的檢測方案。

1傳統的刀口形直尺檢定

1.1　光隙法

光隙法是利用人眼觀察透光縫隙，根據可見光顏色來判斷對應光隙的寬度。由于操作簡單且測量準確度相對較高，光隙法廣泛應用于長度計量領域[5-6]。

標準光隙由3等量塊、2級平晶和0級刀口形直尺構成。先將兩塊厚度為1 mm的量塊放置于2級平晶上，在1 mm的量塊中間依次放置0.999，0.998，0.997 mm直至0.991 mm的量塊；再將刀口形直尺放置于兩塊1 mm的量塊上，使其刃口與兩塊1 mm量塊的上表面良好接觸。因為各量塊與1 mm量塊之間存在厚度差，故形成了標準光隙，標準光隙搭建原理見圖1。當光源照射到標準光隙的一側時，人眼在標準光隙的另一側便可觀察到不同寬度的標準光隙所對應的不同顏色的色光。

圖1　標準光隙搭建原理圖

根據經驗，一般縫隙寬度達到0.5 μm即可透光。白光通過寬度為0.8 μm左右的縫隙后呈藍色，通過寬度為1.25~1.75 μm的縫隙后呈紅色，通過寬度超過2 μm或2.5 μm的縫隙后呈白色[7]。

1.2　檢定原理

傳統刀口形直尺的檢定主要依靠人眼判斷。將待檢刀口形直尺刃口垂直放置于標準研磨面平尺上，直線度較差的刀口形直尺與研磨面平尺相交處將形成一定寬度的縫隙。刀口形直尺后方的白熾燈發出的光照射到刀口形直尺刃口處的縫隙時，將發生單縫衍射現象。

可見光包含紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種色光，波長范圍為380~760 nm[7]。由單縫衍射原理可知，光的波長與縫隙寬度越接近，衍射現象越明顯；反之，光的波長與縫隙寬度的差距越大，衍射現象越弱。當白熾燈發出的白光照射到刀口形直尺工作棱邊與研磨面平尺之間的縫隙時，不同寬度的縫隙后方各單色光發生衍射的強度不同，導致呈現的衍射光顏色也不一樣，同時，因為單縫衍射現象的存在，每一個縫隙后方的衍射光均由多種色光組成。根據JJG 63-2007《刀口形直尺檢定規程》，刀口形直尺刃口處不透光或只有藍光時，認為其直線度小于1 μm；當縫隙寬度大于1 μm時，采用與標準光隙顏色對比的方法即可確定刀口形直尺刃口處的直線度。

1.3　存在的不足

上述刀口形直尺直線度檢定方法存在兩點不足：①人眼無法僅憑視覺信息精確對比兩種色光的顏色；②經過檢定的刀口形直尺并不能得到準確的直線度檢定數據。

2刀口形直尺直線度測量裝置

刀口形直尺直線度測量裝置由線型激光器及其裝夾機構、刀口形直尺裝夾定位機構、工業相機及其裝夾機構、計算機以及直線度測量軟件構成。

2.1　線激光

根據前述標準光隙的透光特性可知：紅色激光不能透過寬度小于1.25 μm的縫隙，而藍色激光能夠通過所有寬度大于0.8 μm的縫隙。因此，本次刀口形直尺直線度測量裝置的研究選用藍色線激光。

2.2　刀口形直尺直線度測量方案

傳統刀口形直尺直線度檢定方法存在人眼很難準確識別經過衍射后的色光顏色、人為因素影響大和無法對縫隙寬度進行定量測量等不足。針對上述問題，本文提出的刀口形直尺直線度測量方案如圖2所示。

圖2　刀口形直尺直線度測量裝置模型圖

2.2.1硬件部分

系統硬件包括ST635L5線型激光器、MV-1400UC USB II高精度工業相機、計算機、待檢刀口形直尺、標準研磨面平尺和裝夾機構。硬件部分的結構如圖3所示。硬件選擇的關鍵在于保證刀口尺刃口圖像的成像效果及直線度測量結果的穩定性。因此，在對激光器、高精度工業相機及刀口尺硬件裝夾機構進行選擇時，都要對上述因素進行綜合考量。

圖3　刀口形直尺直線度測量裝置硬件結構圖

1)激光具有方向性好、顏色單一的特點。相對傳統刀口形直尺檢定方案中的白熾燈，具有單一波段的線激光能夠避免經過單縫衍射后形成的多種顏色色光對后續識別工作造成的影響。ST635L5線型激光器在0.5 m處線寬最窄可達0.5 mm；1.5 m處線寬最窄可達0.8 m，扇角為135°。當待檢刀口尺與激光器之間的距離為0.5 m時，激光線長可達2.414 m，完全能夠滿足300 mm刀口尺刃口直線度檢定的需要。

2)MV-1400UC USB II高精度工業相機采用計算機USB2.0接口，曝光時間、亮度、增益等參數均可以由計算機編程控制。該工業相機的最大分辨力可達4384×3288，最高幀率可達22 幀/s。高分辨力的工業相機能夠保證后續圖像處理過程中計算機成功提取到圖像中的有效像素信息。

3)刀口尺定位槽的設計需要保證每次放入待檢刀口尺后，刀口尺刃口與工業相機、激光器之間的相對距離不變。刀口尺定位槽兩側的6個導軌槽相對水平面傾斜10°，且呈對稱分布；每一側的導軌槽內放置有2個小型的導軌；當刀口尺放入定位槽后，4小型導軌因其自身自重會始終緊密貼合在刀口尺刃口處的兩側；4個圓柱面能夠將待檢的每一個刀口尺刃口調整到同一位置，也就能夠保證待檢刀口尺與工業相機、激光器之間的相對距離不變。

2.2.2軟件部分

刀口形直尺放置于標準研磨面平尺上方時，如果刀口形直尺工作棱邊直線度較差，研磨面平尺與刀口形直尺刃口之間會形成一細小縫隙。當線型激光器發射出的線激光完全覆蓋到刀口形直尺與研磨面平尺的接觸位置時，如果該處存在細小縫隙，高精度工業相機便能夠在刀口形直尺的另一側獲取到透過激光的細小縫隙圖像。

圖4　圖像處理操作流程圖

高精度工業相機獲取得到的縫隙圖像需經過預處理、圖像轉換、二值化處理、邊緣檢測等操作。圖像處理軟件可從二值化圖像中提取得到透光光隙對應的像素數。圖像處理操作流程圖如圖4所示。

根據從圖像中提取得到的像素信息，圖像處理軟件可通過對索引數據庫進行曲線擬合的方法，在保證測量誤差δ<(0.3+L/300)μm的前提下，獲取實際的縫隙寬度。軟件操作界面如圖5所示。

圖5　刀口形直尺直線度測量裝置軟件操作界面

2.2.3索引數據庫

索引數據庫是本次研究的關鍵，也是圖像處理軟件根據圖像像素信息計算得到實際縫隙寬度的基礎。首先在相同的情況下搭建寬度依次為1，2，3 μm直至10 μm的標準光隙，標準光隙經過線激光照射后會在高精度工業相機中成像；然后經過相同的圖像處理程序，提取各圖像中不同寬度縫隙對應的像素信息。整個數據庫的輸入量為從各圖像中提取到的像素信息，輸出量為其對應的實際縫隙寬度。把輸入量當做一組x值，輸出量當作一組y值，通過曲線擬合的方法，計算機便能夠確定輸入量x與輸出量y之間的高次函數關系。

對待檢刀口形直尺進行直線度合格判定時，只需要把從高精度工業相機獲取的圖像中提取到的像素信息作為輸入量，代入由索引數據庫擬合得到的高次函數，便能計算出對應的輸出量，也即實際的縫隙寬度。當刀口形直尺直線度測量結果滿足JJG63-2007《刀口形直尺檢定規程》要求時，計算機則判定該刀口尺合格；反之，則判定其不合格。

3實驗驗證

本文采用兩種方法對使用刀口形直尺直線度測量裝置測得的直線度測量結果進行可靠性驗證。

1)與傳統刀口尺直線度檢測方法相比較

測量裝置研制完成后，在接近一個月的時間內，對每一把送至我單位進行直線度計量的刀口尺都同時采用了兩種測量方法測量。兩種測量手段測得的結果如表1所示。

表1　傳統檢定方法與測量裝置測得結果對照表

根據表1中數據可知：項目研制的測量裝置與傳統檢定方法測量的刀口形直尺直線度結果相接近，證明了整套裝置測量結果的有效性；

2)與上級機構的刀口形直尺檢定數據做比較

為進一步驗證刀口尺直線度測量裝置測量得到的數據準確性，采用了與上級機構的刀口尺檢定數據做對比的方法來驗證本裝置測量結果數據的準確性。

表2　上級計量機構測量結果與項目

表2中是我站現有的4種不同規格且具有一定直線度誤差的刀口形直尺同時經上級計量機構和本項目研制裝置測量的直線度測量結果。表2數據表明：同一把刀口形直尺經上級機構計量得出的直線度結果與經本項目研制裝置測量得出的直線度結果偏差在0.1μm以內。

綜上所述，相對傳統刀口形直尺檢定方法，本項目研制的裝置能夠給出準確的刀口形直尺直線度數據，在測量結果的精度上也有較大提高。

4結束語

傳統刀口形直尺檢定工作中存在著人眼無法準確對比兩種色光的顏色、檢定人員不能獲得準確的刀口形直尺刃口處直線度數據等不足，本文介紹的刀口形直尺直線度測量裝置能夠解決上述問題，并有效提高計量單位刀口形直尺檢定結果的準確度，為其客戶提供更可靠的檢定結果。

參考文獻

[1] 黃田野，楊坤濤.基于圖像技術的木工鋸片平面度檢測技術研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[2]馬振卿.小平面不平度的測量[J].計量技術，1981(6)：46.

[3]Joshua B Fishkin.Propagation of photon-density waves in strongly scattering media containing an absorbing semi-infinite plane bounded by a straight edge[J].Journal of the Optical Society of America A，1993，10：127-127.

[4] Aghajan H K，Kailath T.Sensor array processing techniques for super resolution multi-line-fitting and straight edge detection[J].IEEE Transactions on Image Processing，1993，2(4)：454-465.

[5]董國乾，白鳳民.標準光隙的建立及光隙法的應用[J].品牌與標準化，2010(8)：13.

[6]方馗，鐘嶸.光隙法的具體檢測方法及影響因素分析[J].計量與測試技術，2011(1)：65.

[7]王備戰，朱景成.“藍天”，“白云”的理論分析[J].濟源職業技術學院學報，2005，4(4)：11-14.

Study on a Device for Measuring the Straightness of Straight Edge

QIAO Li，YANG Lei，MI Xue

(Sichuan Aerospace Measurement and Test Research Institute，Chengdu 610100，China)

Abstract：In order to solve the problems of the influence of human factors and inaccurate quantification present in the traditional straight edge verification，this paper puts forward a method for measuring the straight edge straightness，which can improve reliability and precision of the verification results for the straight edge by the developed automatic measuring device.

Key words：straight edge；straightness；measurement device；image processing

作者簡介：喬麗(1989-)，女，工程師，碩士，主要研究方向為機器視覺與圖像處理。

收稿日期：2015-07-07；修回日期：2015-09-23

中圖分類號：TB92

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)06-0033-04