基于智能相機直線導軌精度檢測方法的研究*

陳俊寰，李肖文，徐 海，曹智軍

(河南職業技術學院，河南 鄭州 450046)

0 引言

導軌是機床重要組件之一，同時也是機床其他主要部件相對位置的基準，其幾何精度直接關系著被加工件加工精度的優劣[1,2]。直線導軌的直線度誤差是衡量其幾何精度的重要指標，包括其在水平面內的直線度誤差以及垂直面內的直線度誤差[3]。

目前，導軌直線度誤差常用水平儀、自準直儀、激光干涉儀3種方法進行測量[4]。而微米級精度的激光干涉儀是直線精度檢測的先進手段之一，在導軌精度測量過程中發揮著重要作用[5]。然而激光干涉儀結構復雜，價格高，其核心技術多被國外廠商壟斷[6]。并且，在測量過程中激光干涉儀的光路校準調節繁瑣，費時費力，嚴重影響了檢測效率[7]。

本文設計了一種基于圖像傳感器識別激光像素的導軌直線誤差檢測系統。將智能相機像素識別技術與直線導軌測量技術相結合，得到能反映直線導軌直線度誤差的位置數據并無線傳送給由C#語言編制的界面進行實時顯示并處理。針對在實際應用中激光干涉儀結構復雜、操作繁瑣、需要環境補償等問題，提出僅僅利用激光源直線精度高與圖像識別技術相結合的技術，無需復雜精密的光學棱鏡和繁瑣的操作，無需考慮環境補償，便能測量機床導軌的直線度誤差，提高了檢測的精度和相應速度，降低了直線導軌精度的測量成本，具有一定的應用價值。

1 檢測系統

導軌的直線精度檢測系統包括軟件系統和硬件系統兩部分。硬件系統用于采集激光像素坐標信息，并把像素信息無線傳遞到計算機中；軟件系統主要負責處理實時像素坐標，并采用簡單的算法將像素坐標轉換為導軌的實際位置坐標，然后給出檢測結果。

1.1 硬件系統

硬件系統的構成如圖1所示，包括激光發射器、成像設備與直線導軌、計算機。

圖1 檢測系統硬件組成示意圖

1.1.1 激光發射器

選用圓形激光發射器安裝在三角支架上，激光發射器能發出圓形激光，通過調整三角支架從而調節圓形激光在圖像傳感器中的位置。

1.1.2 成像設備與直線導軌

選用智能相機用于接收激光發射器的圓形光斑，智能相機的圖像傳感器能夠自動計算出圓形光斑的圓心相對于圖像傳感器中心坐標點的像素坐標(x，y)，并將圓形光斑圓心像素坐標無線傳遞至計算機。直線導軌上有滑塊，智能相機通過調節螺母與其磁性底座相接，調節螺母可調節智能相機的高度，磁性底座依靠磁性吸附在滑塊上。如圖1所示，智能相機位于導軌左端檢測點A點。

1.1.3 計算機

計算機用于接收智能相機的像素坐標并做出相應的處理。

1.2 軟件系統

檢測原理如圖2所示，智能相機讀取直線導軌上任意點的圓形激光所成像的像素坐標，換言之，智能相機測得直線軌道在水平面和垂直面內的像素直線度誤差Δy和Δx，經過像素坐標與導軌直線度坐標轉換計算求出實際的直線度誤差S和P。

圖2 檢測原理示意圖

1.2.1 像素坐標轉換計算

將智能相機滑動至導軌任意一點，通過調節支架使激光發射器發出的圓形激光在電腦界面所形成的光斑成像于圖像傳感器的中心，即像素坐標為(0，0)，如圖3所示。通過調節智能相機下端的調節螺母，使智能相機升高或降低L1(mm)后，電腦界面的當前像素坐標的縱坐標變化為y1,則可得到智能相機每變化一個像素所對應的高度變化k1(微米/像素)：

圖3 圓形光斑在智能相機中的成像示意圖

k1=1 000L1/y1.

改變高度測量n次計算出一個平均值：

k=(k1+k2+…+kn)/n.

則k(微米/像素)值即為智能相機每變化一個像素所對應的高度變化。

1.2.2 計算機端界面編寫

用C#語言編寫計算機端界面程序，用于顯示圓形光斑及其像素坐標，并用于采集像素直線度誤差Δy和Δx，計算出實際的直線度誤差S=k×Δy,P=k×Δx。圖4為計算機程序界面示意圖。

圖4 計算機程序界面示意圖

2 測量方法

2.1 直線導軌在水平平面內直線度測量方法

如圖1所示安裝導軌、激光發射器、智能相機，連接計算機，打開程序界面，調節激光發射器的位置使計算機中的圓形光斑成像于圖像傳感器的中心，如圖5中所示，將滑塊移動至導軌端點B，通過調整導軌高度，使圓形光斑所成像的中心在圖像傳感器的中心水平線上，圓形光斑也可能位于圖像傳感器中心位置。

圖5 測量過程中光斑成像示意圖

在導軌端點A和B之間以適當速度移動滑塊，PC端實時顯示像素坐標，計算顯示出移動過程中直線導軌水平高度的變化，并在移動過程中比較并記錄最大的高度變化值Δy，依據標定比例因子k值，從A點到B點滑動結束獲取高度的最大變化值S，即為導軌在水平平面內的直線度。

2.2 直線導軌在垂直平面內直線度測量方法

直線導軌水平精度測量完后，將滑塊移動至B點，通過調整導軌垂直量，使圓形光斑所成像的中心在圖像傳感器的豎直中心線上，如圖5中的圓形垂直光斑，也位于圖像傳感器中心位置。

在導軌A和B點中間以適當速度移動滑塊，PC端實時顯示像素坐標，計算顯示出移動過程中直線導軌垂直度的變化，并在移動過程中比較并記錄最大的變化值Δx，依據標定比例因子k值，從A點到B點滑動結束獲取最大變化值P，即為導軌在垂直平面內的直線度。

3 結論

基于智能相機的直線導軌精度檢測方法，利用直線精度高的單激光源與智能相機，在PC端通過C#語言編寫的圖像界面接收智能相機的像素坐標，依據標定的比例因子(實際坐標/像素坐標)，將像素信息換算為實際的導軌位置信息，準確地測量數控機床導軌的幾何精度信息。與常規的激光干涉法相比，該檢測方法簡單，精度高，提高了測量效率并降低了設備成本，能夠快速準確地完成數控機床導軌直線度檢測。