光柵影像復(fù)合自動(dòng)測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種光柵影像復(fù)合自動(dòng)測(cè)量方法，屬于測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域；為了發(fā)揮光柵的測(cè)量精度高、使用方便和影像非接觸測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，該發(fā)明解決了光柵測(cè)量技術(shù)與影像測(cè)量技術(shù)有機(jī)結(jié)合中的難題；定義了光柵坐標(biāo)系、影像坐標(biāo)系和被測(cè)工件之間的相互關(guān)系，提出了影像坐標(biāo)系度量單位與光柵坐標(biāo)系度量單位的在線標(biāo)定方法，定義了邊緣狀態(tài)特征值η并給出了計(jì)算方法，給出了被測(cè)工件真實(shí)邊緣灰度閾值β的標(biāo)定方法。光柵影像復(fù)合自動(dòng)測(cè)量方法具有測(cè)量精度高，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空、航天、電子等領(lǐng)域中光滑極限量規(guī)和高精度加工件的非接觸測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】光柵影像復(fù)合自動(dòng)測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專(zhuān)利屬于測(cè)量?jī)x器，具體涉及一種光柵影像復(fù)合自動(dòng)測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在機(jī)械制造中，制造精度是產(chǎn)品質(zhì)量的保證，在汽車(chē)零件等大批量生產(chǎn)的工件中，廣泛使用光滑極限量規(guī)檢測(cè)各種孔和螺紋的加工精度。光滑極限量規(guī)作為測(cè)量裝置，精度要求很高。光滑極限量規(guī)在制造和使用過(guò)程中，一般采用光學(xué)計(jì)比較測(cè)量，由于比較測(cè)量是接觸式測(cè)量，測(cè)頭有磨損；比較法測(cè)量，要經(jīng)常用量塊校對(duì)，測(cè)量效率低；而且測(cè)量精度與操作人員的技術(shù)水平有很大關(guān)系。在精密測(cè)量中也常常使用光柵測(cè)量系統(tǒng)，如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等測(cè)量?jī)x器就是采用光柵測(cè)量系統(tǒng)，光柵測(cè)量系統(tǒng)一般采用接觸式測(cè)量，由于接觸式測(cè)量會(huì)磨損測(cè)頭，如光滑極限量規(guī)精度很高，測(cè)頭磨損就會(huì)影響測(cè)量精度；同時(shí)接觸式測(cè)量在測(cè)量時(shí)測(cè)頭等部位受力，在力的作用下儀器的間隙會(huì)發(fā)生變化，儀器的受力部件也會(huì)產(chǎn)生變形，這些都是影響測(cè)量精度的因素。
[0003]由于圖像傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了影像測(cè)量技術(shù)的快速進(jìn)步，近幾年影像測(cè)量技術(shù)在機(jī)械量的機(jī)器視覺(jué)測(cè)量方面發(fā)展較快。影像測(cè)量是非接觸測(cè)量，可以應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室等環(huán)境下的測(cè)量。采用影像測(cè)量時(shí)，被測(cè)工件經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大，放大的影像投影到圖像傳感器器件上，圖像傳感器實(shí)際上是一個(gè)A / D轉(zhuǎn)換器件，由圖像傳感器將工件影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字電信號(hào)。轉(zhuǎn)換的精度取決于圖像傳感器器件的像素尺寸。由影像測(cè)量的原理可以知道，被測(cè)工件尺寸越大，每個(gè)像素所代表的工件尺寸也就越大，測(cè)量精度就越低，反之，當(dāng)測(cè)量對(duì)象是在很小的區(qū)域內(nèi)，測(cè)量精度就可以很高；由于影像測(cè)量的這個(gè)特點(diǎn)，限制了影像測(cè)量在機(jī)械量視覺(jué)測(cè)量方面的應(yīng)用范圍。
[0004]在傳統(tǒng)的工具顯微鏡中，為了解決人眼用目鏡對(duì)準(zhǔn)被測(cè)工件邊緣容易疲勞、影像太小等問(wèn)題，近幾年來(lái)有將工具顯微鏡目鏡換成圖像傳感器的趨勢(shì)，更換后也便于將測(cè)量結(jié)果與計(jì)算機(jī)連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。以類(lèi)似的工作原理，出現(xiàn)了各種影像測(cè)量?jī)x。而這些影像測(cè)量?jī)x的基本工作原理都是用影像測(cè)量部分代替了一般光柵中的機(jī)械觸頭，起到一個(gè)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)對(duì)象邊緣的作用。一般的測(cè)量方法是將工件的影像顯示到計(jì)算機(jī)顯示屏上，由人工判斷工件邊緣位置并通過(guò)鼠標(biāo)進(jìn)行選擇，精度一般只能達(dá)到3-4 μ m，測(cè)量自動(dòng)化程度不聞。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]采用光柵系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)大尺寸工件的測(cè)量，測(cè)量精度可以通過(guò)選擇光柵的不同精度來(lái)實(shí)現(xiàn)，但一般采用接觸式測(cè)量，存在接觸式測(cè)量的不足；影像測(cè)量是一種非接觸測(cè)量技術(shù)，但測(cè)量范圍與測(cè)量精度經(jīng)常是一對(duì)矛盾，工件越大，測(cè)量精度越低；同時(shí)影響影像測(cè)量精度的環(huán)節(jié)較多，整體測(cè)量精度不高，因此實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)測(cè)量難度大；光柵測(cè)量系統(tǒng)可以在大范圍實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，但常常采用接觸式測(cè)量方式；影像測(cè)量系統(tǒng)是非接觸測(cè)量，如果將影像測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的區(qū)域限制在很小區(qū)域，并消除影響影像測(cè)量精度的因素，就可以將影像測(cè)量系統(tǒng)疊加到光柵測(cè)量系統(tǒng)上，使光柵測(cè)量系統(tǒng)與影像測(cè)量系統(tǒng)組成一個(gè)有機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。
[0006]本發(fā)明專(zhuān)利采用的技術(shù)方案包括機(jī)架、X工作臺(tái)、X工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置和X軸光柵、Y工作臺(tái)、Y工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置和Y軸光柵、光源、工件夾持裝置、滑塊及滑塊高度調(diào)節(jié)裝置、顯微鏡和圖像傳感器、光柵信號(hào)處理器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；由X軸光柵、Y軸光柵形成一個(gè)正交的光柵坐標(biāo)系，人面對(duì)設(shè)備俯視工作臺(tái)，光柵坐標(biāo)系的原點(diǎn)在工作臺(tái)的左上方，X為坐標(biāo)系的橫軸，方向向右，Y為坐標(biāo)系的縱軸，方向向下；光柵坐標(biāo)系的度量單位采用工程測(cè)量中常用的長(zhǎng)度單位制，如_、μ m等；影像測(cè)量系統(tǒng)是由光源、顯微鏡、圖像傳感器器件和圖像信號(hào)采集系統(tǒng)組成；圖像傳感器器件可以是CCD器件，也可以是CMOS器件；圖像傳感器器件是由mXn個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件組成，在轉(zhuǎn)換的圖像中形成了 mXn個(gè)像素，每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件的面積為iXi，i為像素尺寸；圖像形成一個(gè)正交的U、V影像坐標(biāo)系，圖像顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上時(shí)，影像坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)在左上方，影像坐標(biāo)系的橫軸為U軸，方向向右，影像坐標(biāo)系的縱軸為V軸，方向向下；影像坐標(biāo)系的橫軸U與光柵坐標(biāo)系的X軸平行，影像坐標(biāo)系的方向與對(duì)應(yīng)的光柵坐標(biāo)系方向相同；影像坐標(biāo)系的度量單位為像素的個(gè)數(shù)，影像坐標(biāo)系U方向最大值為m，V方向最大值為n，影像坐標(biāo)系有效區(qū)域?yàn)閙Xn ;測(cè)量時(shí)，要將影像坐標(biāo)系中測(cè)量的像素值轉(zhuǎn)換成光柵坐標(biāo)系中的度量單位，顯微鏡的放大倍率為k，工件實(shí)體上用光柵測(cè)量長(zhǎng)度為I的一段距離，通過(guò)顯微鏡投影到圖像傳感器上，如果忽略圖形畸變，其長(zhǎng)度變成kl，由于每個(gè)像素的長(zhǎng)度尺寸為i，I長(zhǎng)度這段距離投影到圖像傳感器上占的像素個(gè)數(shù)j=kl / i，所以l=ji / k，這就是影像坐標(biāo)系度量單位轉(zhuǎn)換到光柵坐標(biāo)系度量單位的轉(zhuǎn)換公式，設(shè)μ =1 / j=i / k為影像坐標(biāo)系相對(duì)于光柵坐標(biāo)系的度量單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；光源安裝在移動(dòng)工作臺(tái)下方的機(jī)架上，顯微鏡安裝在光源的正上方；工件位置處于光源和顯微鏡之間，光源光線向上通過(guò)X、Y工作臺(tái)中間的孔進(jìn)入顯微鏡，通過(guò)顯微鏡到達(dá)圖像傳感器；當(dāng)待測(cè)工件的邊緣移動(dòng)到影像坐標(biāo)系有效區(qū)域內(nèi)時(shí)，工件實(shí)體部分遮擋了光源的光線，實(shí)體部分顯示在影像坐標(biāo)系中的灰度值較小，呈黑色，未被工件實(shí)體遮擋區(qū)域在影像坐標(biāo)系中的灰度值較大，呈白色，工件的邊緣在影像坐標(biāo)系中是一個(gè)過(guò)渡帶，過(guò)渡帶的灰度值是逐漸變化的；通過(guò)標(biāo)定，可以得到被測(cè)工件真實(shí)邊緣灰度閾值β ;光柵坐標(biāo)系、影像坐標(biāo)系和工件之間的位置關(guān)系，根據(jù)測(cè)量?jī)x器的不同設(shè)計(jì)，可以有兩種形式:1)光柵坐標(biāo)系作為絕對(duì)坐標(biāo)系不運(yùn)動(dòng)，工件相對(duì)于光柵坐標(biāo)系位置固定，影像坐標(biāo)系作為相對(duì)坐標(biāo)系，圍繞工件被測(cè)尺寸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的值就是光柵坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化量；2)影像坐標(biāo)系作為絕對(duì)坐標(biāo)系不動(dòng)，光柵坐標(biāo)系作為相對(duì)坐標(biāo)系在運(yùn)動(dòng)，工件相對(duì)于光柵坐標(biāo)系位置不變；按照運(yùn)動(dòng)的相對(duì)原理，也可以看作工件和光柵坐標(biāo)系不動(dòng)，影像坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)；實(shí)際結(jié)構(gòu)中的兩種情況可以合并分析；為了分析方便，定義光柵坐標(biāo)系為絕對(duì)坐標(biāo)系，工件相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系不動(dòng)，影像坐標(biāo)系為相對(duì)坐標(biāo)系，繞著被測(cè)工件運(yùn)動(dòng)；定義的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)關(guān)系不代表儀器測(cè)量時(shí)儀器真實(shí)的物理運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
[0007]測(cè)量時(shí)，首先移動(dòng)影像坐標(biāo)系，讓工件c上包含被測(cè)尺寸第一個(gè)點(diǎn)a的邊緣進(jìn)入影像坐標(biāo)系中，影像坐標(biāo)系原點(diǎn)位于光柵坐標(biāo)系的(XpY1)位置，用被測(cè)工件真實(shí)邊緣灰度閾值β提取圖像的邊緣，a點(diǎn)在影像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置為(U1, V1);然后移動(dòng)影像坐標(biāo)系，使工件上包含被測(cè)尺寸第二個(gè)點(diǎn)b的邊緣移動(dòng)到U、V坐標(biāo)系可視區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)后，影像坐標(biāo)系原點(diǎn)在光柵坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置為(X2，Y2) ;b點(diǎn)在影像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置為(U2, V2)；工件上a點(diǎn)到b點(diǎn)的測(cè)量尺寸L按下式求出:
【權(quán)利要求】
1.一種光柵影像復(fù)合自動(dòng)測(cè)量方法，技術(shù)方案包括機(jī)架、X工作臺(tái)、X工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置和X軸光柵、Y工作臺(tái)、Y工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置和Y軸光柵、光源、工件夾持裝置、滑塊及滑塊高度調(diào)節(jié)裝置、顯微鏡和圖像傳感器、光柵信號(hào)處理器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；其特征在于:由X軸光柵、Y軸光柵形成一個(gè)正交的光柵坐標(biāo)系；光柵坐標(biāo)系的度量單位米用工程測(cè)量中常用的長(zhǎng)度單位制；影像測(cè)量系統(tǒng)是由光源、顯微鏡、圖像傳感器器件和圖像信號(hào)采集系統(tǒng)組成；圖像傳感器器件是由mXn個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件組成，圖像形成一個(gè)正交的U、V影像坐標(biāo)系，影像坐標(biāo)系的橫軸為U軸，影像坐標(biāo)系的縱軸為V軸，影像坐標(biāo)系的橫軸U與光柵坐標(biāo)系的X軸平行，影像坐標(biāo)系的方向與對(duì)應(yīng)的光柵坐標(biāo)系方向相同；在轉(zhuǎn)換的圖像中形成了 mXn個(gè)像素，影像坐標(biāo)系的度量單位為像素的個(gè)數(shù)，影像坐標(biāo)系有效區(qū)域?yàn)閙Xn;影像坐標(biāo)系中測(cè)量的像素值轉(zhuǎn)換成光柵坐標(biāo)系中的度量單位，每個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件的面積為iXi，i為像素尺寸，顯微鏡的放大倍率為k，轉(zhuǎn)換系數(shù)y=i / k;工件位置處于光源和顯微鏡之間，當(dāng)待測(cè)工件的邊緣移動(dòng)到影像坐標(biāo)系有效區(qū)域內(nèi)，工件實(shí)體部分遮擋了光源的光線，實(shí)體部分在影像坐標(biāo)系中的灰度值較小，呈黑色，未被工件實(shí)體遮擋區(qū)域在影像坐標(biāo)系中的灰度值較大，呈白色，工件的邊緣在影像坐標(biāo)系中是一個(gè)過(guò)渡帶；通過(guò)標(biāo)定，可以得到被測(cè)工件真實(shí)邊緣灰度閾值β ;定義光柵坐標(biāo)系為絕對(duì)坐標(biāo)系，影像坐標(biāo)系為相對(duì)坐標(biāo)系，工件相對(duì)光柵坐標(biāo)系位置不變；定義的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)關(guān)系不代表儀器測(cè)量時(shí)儀器真實(shí)的物理運(yùn)動(dòng)關(guān)系；測(cè)量時(shí)，首先移動(dòng)影像坐標(biāo)系，讓工件c上包含被測(cè)尺寸第一個(gè)點(diǎn)a的邊緣進(jìn)入影像坐標(biāo)系中，影像坐標(biāo)系原點(diǎn)位于光柵坐標(biāo)系的(XpY1)位置，用被測(cè)工件真實(shí)邊緣灰度閾值β提 取圖像的邊緣，a點(diǎn)在影像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置為(UnV1);然后移動(dòng)影像坐標(biāo)系，使工件上包含被測(cè)尺寸第二個(gè)點(diǎn)b的邊緣移動(dòng)到U、V坐標(biāo)系可視區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)后，影像坐標(biāo)系原點(diǎn)在光柵坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置為(X2，Y2) ;b點(diǎn)在影像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置為(U2，V2);工件上a點(diǎn)到b點(diǎn)的尺寸L按下式求出:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵影像復(fù)合自動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于:圖像傳感器器件可以是CCD器件，也可以是CMOS器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵影像復(fù)合自動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于:采用了影像坐標(biāo)系度量單位與光柵坐標(biāo)系度量單位的在線標(biāo)定法；標(biāo)定步驟為: 1)在工件中尋找一個(gè)與待標(biāo)定坐標(biāo)軸垂直的工件邊緣； 2)將該邊緣移動(dòng)到影像坐標(biāo)系有效區(qū)域內(nèi)，且使該邊緣處在影像坐標(biāo)系待標(biāo)定坐標(biāo)軸靠近零點(diǎn)的位置； 3)在工件邊緣的過(guò)渡帶中任取一灰度值λ，作為工件的邊緣灰度值，推薦取工件真實(shí)邊緣灰度閾值β ; 4)移動(dòng)相對(duì)坐標(biāo)系，使工件邊緣在影像坐標(biāo)系有效區(qū)域內(nèi)沿被標(biāo)定坐標(biāo)軸方向移動(dòng)P次，工作臺(tái)在每次移動(dòng)后，記錄影像坐標(biāo)系在光柵坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值Wi,同時(shí)在影像坐標(biāo)系中按灰度值λ取點(diǎn)，在影像坐標(biāo)系中得到一系列的坐標(biāo)點(diǎn)，對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到一條工件邊緣線方程，取該直線在影像坐標(biāo)系區(qū)域內(nèi)的中點(diǎn)作為本次移動(dòng)時(shí)工件邊緣在標(biāo)定坐標(biāo)方向的坐標(biāo)值Si, i = l, ......, P, ρ+1 ； 5)對(duì)ρ+1組數(shù)據(jù)(WiAi)進(jìn)行最小二乘法擬合，得到標(biāo)度變換線方程W=yS+e，μ為該直線的斜率，其物理意義就是影像坐標(biāo)系中每個(gè)像素對(duì)應(yīng)光柵坐標(biāo)系中的長(zhǎng)度，也就是影像坐標(biāo)系相對(duì)于光柵坐標(biāo)系的度量單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，具體數(shù)值與光柵坐標(biāo)系中所取長(zhǎng)度單位有關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵影像復(fù)合自動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于:定義了邊緣狀態(tài)特征值n，該特征值反映影像坐標(biāo)系中相鄰兩像素點(diǎn)灰度值變化情況；計(jì)算的方法是在圖像坐標(biāo)系中，沿著被測(cè)尺寸平行的方向，求出相鄰兩像素點(diǎn)的灰度差值的平方，然后將計(jì)算區(qū)域內(nèi)全部灰度差值的平方求和。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵影像復(fù)合自動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于:被測(cè)工件真實(shí)邊緣灰度閾值β標(biāo)定方法為:首先調(diào)整光柵影像復(fù)合測(cè)量?jī)x顯微鏡的工作距離，使邊緣過(guò)渡帶清晰，呈逐漸變化狀態(tài)，記錄邊緣狀態(tài)特征值n ;然后將標(biāo)準(zhǔn)量棒或量塊分別作為測(cè)量對(duì)象進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量得到的量棒直徑尺寸或量塊厚度尺寸是隨邊緣灰度閾值變換而變化，不斷調(diào)整邊緣灰度閾值，直至測(cè)量的尺寸與標(biāo)準(zhǔn)量棒或量塊的尺寸相同為止，將該值記作真實(shí)邊緣灰度閾值β ;標(biāo)準(zhǔn)量棒為圓弧邊緣形態(tài)，量塊為直邊緣形態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵影像復(fù)合自動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于:相對(duì)坐標(biāo)系在絕對(duì)坐標(biāo)系中的移動(dòng)位置，由工件的設(shè)計(jì)尺寸決定；將要測(cè)量的工件尺寸按測(cè)量順序設(shè)計(jì)測(cè)量路線，編程時(shí)用工件的設(shè)計(jì)尺寸，控制相對(duì)坐標(biāo)系在絕對(duì)坐標(biāo)系中移動(dòng)距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光柵影像復(fù)合自動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于:定義光柵坐標(biāo)系為絕對(duì)坐標(biāo)系，工件相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系不動(dòng)，影像坐標(biāo)系為相對(duì)坐標(biāo)系，繞著被測(cè)工件運(yùn)動(dòng)；定義的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)關(guān)系不代表儀器測(cè)量時(shí)儀器真實(shí)的物理運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK103557790SQ201310547318
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】楊明亮, 吳秀娥, 陳曼龍, 楊帆, 景敏, 翟任何 申請(qǐng)人:漢中米克隆工量具實(shí)業(yè)有限公司
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