《电子技术应用》
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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。
中图分类号： TN919.5；TB92
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200654
中文引用格式： 高彤，陈鸿，张亮，等. 接触式轮廓扫描仪系统标定算法[J].电子技术应用，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

    现如今检测技术朝着精密、高效的方向不断提升，眼镜的生产和加工也向着高精度、自动化方向发展。传统的方法需要定制相应的模板，工序复杂，耗时长，而且精度不高[1]，不满足工业生产需求。目前国内外普遍使用镜片自动磨边机，它是一种根据轮廓扫描仪所提供的轮廓数据进行自动加工镜片的设备，实现镜架凹槽或镜片轮廓参数的获取并传给数控磨边机从而实现加工全自动。测量轮廓的方式主要分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量利用扫描探针与被测物体接触，使扫描探针或被测物体旋转一周，实现对被测物体进行离散的空间点位置的获取，通过一定的数学计算，完成对所测数据点的分析拟合，最终还原出被测物体的轮廓；非接触测量有超声波法以及基于视觉技术的激光三角法、结构光法等[2-4]，但利用光学的测量方式不适用于镜架凹槽。本文所研究的接触式探针扫描仪利用低压力接触式探针扫描镜架内凹槽或镜片边缘轮廓，其扫描原理就是利用检测探针接触被测物体一周的过程中得到旋转编码器返回的长度序列以及旋转平台的旋转角度来确定轮廓的坐标信息，编码器记录的长度是检测探针升起位置到被测物体轮廓边缘点的距离。实际工程中，由于仪器零部件的安装不精准，检测探针的零点与旋转中心往往不重合，所以需要对得到的数据进行处理才能得到准确的曲线轮廓[5]。对于此类系统误差问题，一般做法是对误差来源进行分析后，需要建立误差的精准数学模型，提出系统误差补偿或抑制方法[6-9]。为了解决本文研究的问题，参考文献[10]提出的方法是对误差进行了精确建模，建立系统的误差数学模型，运用最小二乘法的基本原理求解最佳参数[10-12]，但这种方法运算量较大，难以实现在线标定[13]。本文提出一种利用尺寸已知的正方形标定板，通过测量标定板得到的数据来获取到系统参数，从而对被测物体的轮廓坐标进行在线标定。并通过Qt Creator软件编程模拟仿真了测量过程验证了算法的准确性。




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作者信息：

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)

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