复杂形状非接触精密测量设备

A/B尺寸测量仪原理与结构

【摘要】A/B尺寸测量仪采用了基于亚象素的边缘检测及BLOB分析等图象处理技术，另外，为了实现精确运动及准确定位，还采用了感应同步器及浮动锥销定位装置。由于采用了这些技术，系统达到了很高的测量精度。该系统到达了国际先进水平。

关键词：亚象素测量 BLOB分析 感应同步器 浮动锥销定位

A/B尺寸检测是HGA生产过程中一个重要的工序，直接关系到产品的品质，同时对生产线的质量监控也有重要的意义。由于尺寸精度要求高，并且只能用非接触式的测量方式，所以测量有相当的困难。目前国内外共有两种测量A/B尺寸测量方法：
1． 工具显微镜。用工具显微镜进行测量时，首先要调校好基准，然后将HGA放在XY台上，通过旋转滚筒以使浮动块的两个边对准刻度线，再记录下数据。由于这种方法是通过显微镜用肉眼进行观测，所以受人的主观影响很大，误差较大，可达：0.005~0.01mm，而PICO产品的精度要求为：A=4.712±0.025，显然不能满足要求。另外，该方法的测量速度很慢，测量者很容易疲劳。另外，测量数据需要手工记录，再整理十分烦琐，并容易出错；
2． 头偏测试仪。该方法是在装配孔和基准孔上个选取6个点，然后计算出两个圆心，确定弹性臂的轴线，再在浮动块的两条边上各取2个点，确定出两条边，然后计算出A尺寸和B尺寸。该方法辅以视觉系统，所有点的确定都是在屏幕上进行的，但最终还是通过人眼决定图象上的16个点，所以仍然受人的主观影响，导致测量精度不高。另外，由于要逐一测量16个点，所以速度较慢。
总之，目前的测量方法远不能满足PICO以及以后越来越小的产品需要。基于提高测量精度及速度的目的，我们部门开发了新一代的基于视觉系统的自动A/B尺寸测量仪。

1. 系统结构

整套系统的外形如图1及图2所示。测量系统安装在大理石台上，平稳牢固。立柱直径较大，刚性很好，并且立柱上有螺纹，便于摄象头聚焦。摄象头及镜头的尺寸很小，美观且不占空间。系统有两个步进电机，完成水平及垂直方向的运动。水平方向实现孔到孔及孔到边的移动；垂直方向完成图象聚焦。系统光源采用冷光源，并且使用同轴光。
系统的使用也极其简单。如图2所示，操作者左手按下开夹装置，右手上下HGA。测量时，只要在键盘上按动一个按钮即可，测量结果自动存到数据库里。

图1 系统外形

图2 工装结构

整个系统的原理图如图3所示。整套系统共包括：
l 机械子系统——运动执行机构及工装夹具；
l 信号子系统——直线感应同步器、数显表；
l 视觉子系统——CCD摄象头、光源、图象卡；
l 上位机控制子系统——PC机；
l 下位机控制子系统——MSC-51单片机、步进电机、驱动电源。
系统的工作原理是CCD摄象头将摄入的图象传给图象卡，图象卡将图象转换成数字图象，数字图象再经计算机上应用软件处理提取有用信息共计算A/B尺寸使用。X-Y台运动信号由计算机发出，通过RS-232口传给控制器，控制器通过驱动器来驱动步进电机。工作台的位置坐标由感应同步器进行精确测量，结果由数显表传递给控制器，控制器再将数据传回给计算机，计算机将数据比较后再发指令让步进电机进行误差补偿，从而形成一个闭环控制。
A/B尺寸自动测量仪的检测方法与头偏测试仪的检测方法差不多，也是检测出两个圆心及浮动块的两条边，然后计算出A和B的尺寸，所不同的是全部工作由计算机完成，而不是由人完成,其精度可达0.1μm，完全能够满足要求。

2. 系统特点

A/B尺寸测量仪是基于视觉系统的测量仪器，因此图象处理是整套系统能否实现高精度测量的关键。另外，由于测量中涉及到X-Y台的移动及HGA的定位问题，所以运动精度和装夹定位也是考虑的重点。

2.1. 图象处理

开发这台仪器的关键是实现高精度的直线边缘及圆心检测。按照目前的图象放大倍数及图象的分辨率，一个象素大概相当于4μm，不能满足我们的精度要求。
2.1.1. 亚象素测量
为了实现高精度的直线边缘测量，必须实现亚象素(sub-pixel)测量。亚像素边缘检测算法基本上是根据图像有一定模糊时目标边缘较宽的特点通过统计方法利用边缘法线方向的信息确定其边界的亚像素位置。另外可采用用2-D模板拟合的方法计算边界的亚像素位置，但计算量较大。在本系统中，我们采用统计方法确定边界的亚像素位置。
2.1.2. BLOB分析
对于圆心检测可采用BLOB分析。BLOB分析是将圆内的所有象素进行统计，然后计算出这些象素的几何中心来作为圆的中心。对于比较光滑圆边缘来说，测量结果是相当好的。但对于边缘有毛刺的圆来说，测量效果就不太好，对于这种情况可采用基于切线方向信息的亚像素边缘检测算法。由于我们的图象质量较好，所以可以采用BLOB分析法。

2.2. 误差补偿&控制

由于整个测量工作不能在一幅画面内完成，这就涉及到工件的移动。为了达到高精度的移动，运动距离的控制必须精确。运动部件由步进电机、高精度滚珠丝杠及滑块等组成。经多次测试，该结构的精度仅能达到±2.5μm，势必造成整体的测量精度下降。为了提高运动精度，可采用直线感应同步器来实现误差补偿，因为感应同步器具有以下特点：
1． 精度较高，可达±0.5μm；
2． 受环境温度、湿度变化的影响小；
3． 抗干扰能力强；
4． 使用寿命长；
5． 价格较低。
但对安装精度由一定的要求，主要是平行度及距离的要求。
控制部分可采用MSC-51单片机。因为MSC-51单片机具有5个中断源（分为两个优先级）；有全双工的串行口，便于与上位机通讯；另外还有强大的指令系统。所以MSC-51单片机十分适合本系统。

2.3. 浮动锥销定位

工装夹具是仪器设计的另外一个要点。从前面的测量原理可知，理论上测量结果与HGA的位置无关，但在实验中发现，测量结果与HGA的位置有很大关系。由于有的孔既是定位孔又是测量孔，所以这给夹具设计带来一定的难度。经多次改进，我们决定采用装配孔及腰形孔为定位孔，让出基准孔。这样作的目的是为了减小对基准孔图象质量的影响，以便用来进行测量。为了提高定位精度，采用了锥销定位方式。由于测试时，HGA要压到载高，如果采用固定锥销，势必对锥销的尺寸精度提出极高的要求，这是很难做到，基于这方面的考虑，我们采用浮动锥销定位方式来解决精度方面的矛盾。采用这种方式后，定位精度可达±0.5μm，完全满足系统的需要。

2.4. 同轴光源

光线对测量的精度影响极大，如果要得到高精度的测量结果，光线方向及亮度必须固定。如果光线变亮或变暗，浮动块的边缘会向某一方向偏移，对测量精度有极大的影响；另外，如果光线的入射角度改变，可能会在浮动块的的某一边产生阴影，影响边缘的确定。基于以上的考虑，我们采用了同轴光。因为它具有很好的方向性，并且容易固定，能保证测量的一致性。

2.5. 图象聚焦

理论上讲，图象焦距的微小变化不会对对圆心检测造成影响，但实际上其影响不仅仅是图象的模糊，而且会造成图象的偏移，从而影响测量精度。如图4所示，由于安装时摄象头与工装不可能完全垂直，所以当工装在其轴线方向移动时，如图4中虚线所示，其轴线与摄象头的轴线已经产生了偏移，从而影响了测量精度。因此要求准确聚焦。理论上讲，自动聚焦是最准确的，但由于目前这个函数还没有开发出来，所以目前只能靠步进电机走定长，这往往会产生系统误差。

2.6．系统调校

对于一个测量系统来说，系统调校是一件十分关键的事。如果不能进行系统调校或不能进行准确的调校，该测量系统是不能使用的。摄象头的焦距、软件系统误差补偿参数的变动、光线的变化、导轨与工装的平行度，图象二值化时阈值的选取等都会引起系统误差，因此必须有一个基准来测量系统误差并在软件只给予补偿。测量系统误差通过标准块进行测量，并定期测量调校。

2.7. 软件功能

上位机软件除完成图象处理、上位机控制的功能外，还提供了数据库的功能。将数据库引入到A/B尺寸测量仪中，实现了数据本地处理、与远程服务器连接的功能，并且数据很容易转到EXCEL等软件中做进一步的处理。

2.8．系统精度

由于采用了以上三项技术，整套系统的误差大大降低。按照极端的算法，将三部分误差相加，可得出整套系统的精度：±1.1μm，测量精度明显高于其他的测量方法。事实上，由于各项误差符合一定的分布规律（一般为正态分布），所以实际误差还要小。

3. R&R试验及数据分析

为了对比A/B尺寸测量仪与其它两种方法的测量精度，我们用同一组HGA，共20个（上、下头各10个）HGA进行了对比试验，试验是由3位操作员在同一天用3种仪器测量。R&R试验是一种评估系统测量的试验，R&R试验要求3位操作员各自独立地对同一组物料进行测量。整个试验严格按照R&R试验要求进行，以下是用A/B尺寸自动测量仪测得A尺寸的结果，如表1所示。在表1下面给出了平均值等计算出来的参数。最后可计算出来R&R=9.22%。表2是B尺寸的测量数据，可算出R&R=5.42%。工具显微镜及头偏测试仪的测量数据，限于篇幅，在这里没有列出，其结果见表3。

表1（略）；表2（略）。

从上面的数据可看出，A/B尺寸自动测量仪的测量结果比其它两种方法要好得多，达到了预期的目的。同时，A/B尺寸自动测量仪测量的A尺寸的要比B尺寸的差。这主要是由以下几个方面造成的：
1． 运动误差 尽管采用了感应同步器，但由于其精度只有±0.5μm，所以对R&R有较大的影响。如果要进一步提高运动精度，可采用光栅尺；
2． 图象质量 由弹性臂舌片的结构造成在浮动块A尺寸边缘处成象不够清楚，有时会造成误判断，这个问题不太好解决。但可通过调整光线来改善图象质量。另外，智能化确定判断框的位置也能提高精度。

表3 A/B尺寸数据（单位：%）

另外，系统的循环测试时间为30秒钟，而相应的工具显微镜及头偏测试仪要1分多钟，在测试速度上有明显的优势。

4. 结论

由于本仪器采用了视觉系统、感应同步器、浮动锥销定位等技术，其测量精度完全达到了设计要求。该仪器具有世界领先水平。目前，已有3台不同的A/B尺寸测量仪用在生产线上。