光柵影像復合自動測量方法
【專利摘要】本發明專利公開了一種光柵影像復合自動測量方法，屬于測量儀器領域；為了發揮光柵的測量精度高、使用方便和影像非接觸測量的優勢，該發明解決了光柵測量技術與影像測量技術有機結合中的難題；定義了光柵坐標系、影像坐標系和被測工件之間的相互關系，提出了影像坐標系度量單位與光柵坐標系度量單位的在線標定方法，定義了邊緣狀態特征值η并給出了計算方法，給出了被測工件真實邊緣灰度閾值β的標定方法。光柵影像復合自動測量方法具有測量精度高，自動化程度高等特點，可以廣泛應用于汽車、航空、航天、電子等領域中光滑極限量規和高精度加工件的非接觸測量。
【專利說明】光柵影像復合自動測量方法
【技術領域】
[0001]本發明專利屬于測量儀器，具體涉及一種光柵影像復合自動測量方法。
【背景技術】
[0002]在機械制造中，制造精度是產品質量的保證，在汽車零件等大批量生產的工件中，廣泛使用光滑極限量規檢測各種孔和螺紋的加工精度。光滑極限量規作為測量裝置，精度要求很高。光滑極限量規在制造和使用過程中，一般采用光學計比較測量，由于比較測量是接觸式測量，測頭有磨損；比較法測量，要經常用量塊校對，測量效率低；而且測量精度與操作人員的技術水平有很大關系。在精密測量中也常常使用光柵測量系統，如三坐標測量機等測量儀器就是采用光柵測量系統，光柵測量系統一般采用接觸式測量，由于接觸式測量會磨損測頭，如光滑極限量規精度很高，測頭磨損就會影響測量精度；同時接觸式測量在測量時測頭等部位受力，在力的作用下儀器的間隙會發生變化，儀器的受力部件也會產生變形，這些都是影響測量精度的因素。
[0003]由于圖像傳感器技術的快速發展，帶動了影像測量技術的快速進步，近幾年影像測量技術在機械量的機器視覺測量方面發展較快。影像測量是非接觸測量，可以應用于生產現場和實驗室等環境下的測量。采用影像測量時，被測工件經光學系統放大，放大的影像投影到圖像傳感器器件上，圖像傳感器實際上是一個A / D轉換器件，由圖像傳感器將工件影像轉變成數字電信號。轉換的精度取決于圖像傳感器器件的像素尺寸。由影像測量的原理可以知道，被測工件尺寸越大，每個像素所代表的工件尺寸也就越大，測量精度就越低，反之，當測量對象是在很小的區域內，測量精度就可以很高；由于影像測量的這個特點，限制了影像測量在機械量視覺測量方面的應用范圍。
[0004]在傳統的工具顯微鏡中，為了解決人眼用目鏡對準被測工件邊緣容易疲勞、影像太小等問題，近幾年來有將工具顯微鏡目鏡換成圖像傳感器的趨勢，更換后也便于將測量結果與計算機連接并進行數據處理。以類似的工作原理，出現了各種影像測量儀。而這些影像測量儀的基本工作原理都是用影像測量部分代替了一般光柵中的機械觸頭，起到一個對準被測對象邊緣的作用。一般的測量方法是將工件的影像顯示到計算機顯示屏上，由人工判斷工件邊緣位置并通過鼠標進行選擇，精度一般只能達到3-4 μ m，測量自動化程度不聞。
【發明內容】
[0005]采用光柵系統進行測量，可以實現大尺寸工件的測量，測量精度可以通過選擇光柵的不同精度來實現，但一般采用接觸式測量，存在接觸式測量的不足；影像測量是一種非接觸測量技術，但測量范圍與測量精度經常是一對矛盾，工件越大，測量精度越低；同時影響影像測量精度的環節較多，整體測量精度不高，因此實現高精度自動測量難度大；光柵測量系統可以在大范圍實現高精度測量，但常常采用接觸式測量方式；影像測量系統是非接觸測量，如果將影像測量系統測量的區域限制在很小區域，并消除影響影像測量精度的因素，就可以將影像測量系統疊加到光柵測量系統上，使光柵測量系統與影像測量系統組成一個有機的測量系統，實現高精度測量。
[0006]本發明專利采用的技術方案包括機架、X工作臺、X工作臺驅動裝置和X軸光柵、Y工作臺、Y工作臺驅動裝置和Y軸光柵、光源、工件夾持裝置、滑塊及滑塊高度調節裝置、顯微鏡和圖像傳感器、光柵信號處理器、步進電機驅動器和計算機控制系統；由X軸光柵、Y軸光柵形成一個正交的光柵坐標系，人面對設備俯視工作臺，光柵坐標系的原點在工作臺的左上方，X為坐標系的橫軸，方向向右，Y為坐標系的縱軸，方向向下；光柵坐標系的度量單位采用工程測量中常用的長度單位制，如_、μ m等；影像測量系統是由光源、顯微鏡、圖像傳感器器件和圖像信號采集系統組成；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個光電轉換元件組成，在轉換的圖像中形成了 mXn個像素，每個光電轉換元件的面積為iXi，i為像素尺寸；圖像形成一個正交的U、V影像坐標系，圖像顯示在計算機屏幕上時，影像坐標系的坐標原點在左上方，影像坐標系的橫軸為U軸，方向向右，影像坐標系的縱軸為V軸，方向向下；影像坐標系的橫軸U與光柵坐標系的X軸平行，影像坐標系的方向與對應的光柵坐標系方向相同；影像坐標系的度量單位為像素的個數，影像坐標系U方向最大值為m，V方向最大值為n，影像坐標系有效區域為mXn ;測量時，要將影像坐標系中測量的像素值轉換成光柵坐標系中的度量單位，顯微鏡的放大倍率為k，工件實體上用光柵測量長度為I的一段距離，通過顯微鏡投影到圖像傳感器上，如果忽略圖形畸變，其長度變成kl，由于每個像素的長度尺寸為i，I長度這段距離投影到圖像傳感器上占的像素個數j=kl / i，所以l=ji / k，這就是影像坐標系度量單位轉換到光柵坐標系度量單位的轉換公式，設μ =1 / j=i / k為影像坐標系相對于光柵坐標系的度量單位轉換系數；光源安裝在移動工作臺下方的機架上，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X、Y工作臺中間的孔進入顯微鏡，通過顯微鏡到達圖像傳感器；當待測工件的邊緣移動到影像坐標系有效區域內時，工件實體部分遮擋了光源的光線，實體部分顯示在影像坐標系中的灰度值較小，呈黑色，未被工件實體遮擋區域在影像坐標系中的灰度值較大，呈白色，工件的邊緣在影像坐標系中是一個過渡帶，過渡帶的灰度值是逐漸變化的；通過標定，可以得到被測工件真實邊緣灰度閾值β ;光柵坐標系、影像坐標系和工件之間的位置關系，根據測量儀器的不同設計，可以有兩種形式:1)光柵坐標系作為絕對坐標系不運動，工件相對于光柵坐標系位置固定，影像坐標系作為相對坐標系，圍繞工件被測尺寸運動，運動的值就是光柵坐標系的坐標變化量；2)影像坐標系作為絕對坐標系不動，光柵坐標系作為相對坐標系在運動，工件相對于光柵坐標系位置不變；按照運動的相對原理，也可以看作工件和光柵坐標系不動，影像坐標系運動；實際結構中的兩種情況可以合并分析；為了分析方便，定義光柵坐標系為絕對坐標系，工件相對于絕對坐標系不動，影像坐標系為相對坐標系，繞著被測工件運動；定義的坐標系運動關系不代表儀器測量時儀器真實的物理運動關系。
[0007]測量時，首先移動影像坐標系，讓工件c上包含被測尺寸第一個點a的邊緣進入影像坐標系中，影像坐標系原點位于光柵坐標系的(XpY1)位置，用被測工件真實邊緣灰度閾值β提取圖像的邊緣，a點在影像坐標系中的坐標位置為(U1, V1);然后移動影像坐標系，使工件上包含被測尺寸第二個點b的邊緣移動到U、V坐標系可視區域內，移動后，影像坐標系原點在光柵坐標系中的坐標位置為(X2，Y2) ;b點在影像坐標系中的坐標位置為(U2, V2)；工件上a點到b點的測量尺寸L按下式求出:
【權利要求】
1.一種光柵影像復合自動測量方法，技術方案包括機架、X工作臺、X工作臺驅動裝置和X軸光柵、Y工作臺、Y工作臺驅動裝置和Y軸光柵、光源、工件夾持裝置、滑塊及滑塊高度調節裝置、顯微鏡和圖像傳感器、光柵信號處理器、步進電機驅動器和計算機控制系統；其特征在于:由X軸光柵、Y軸光柵形成一個正交的光柵坐標系；光柵坐標系的度量單位米用工程測量中常用的長度單位制；影像測量系統是由光源、顯微鏡、圖像傳感器器件和圖像信號采集系統組成；圖像傳感器器件是由mXn個光電轉換元件組成，圖像形成一個正交的U、V影像坐標系，影像坐標系的橫軸為U軸，影像坐標系的縱軸為V軸，影像坐標系的橫軸U與光柵坐標系的X軸平行，影像坐標系的方向與對應的光柵坐標系方向相同；在轉換的圖像中形成了 mXn個像素，影像坐標系的度量單位為像素的個數，影像坐標系有效區域為mXn;影像坐標系中測量的像素值轉換成光柵坐標系中的度量單位，每個光電轉換元件的面積為iXi，i為像素尺寸，顯微鏡的放大倍率為k，轉換系數y=i / k;工件位置處于光源和顯微鏡之間，當待測工件的邊緣移動到影像坐標系有效區域內，工件實體部分遮擋了光源的光線，實體部分在影像坐標系中的灰度值較小，呈黑色，未被工件實體遮擋區域在影像坐標系中的灰度值較大，呈白色，工件的邊緣在影像坐標系中是一個過渡帶；通過標定，可以得到被測工件真實邊緣灰度閾值β ;定義光柵坐標系為絕對坐標系，影像坐標系為相對坐標系，工件相對光柵坐標系位置不變；定義的坐標系運動關系不代表儀器測量時儀器真實的物理運動關系；測量時，首先移動影像坐標系，讓工件c上包含被測尺寸第一個點a的邊緣進入影像坐標系中，影像坐標系原點位于光柵坐標系的(XpY1)位置，用被測工件真實邊緣灰度閾值β提 取圖像的邊緣，a點在影像坐標系中的坐標位置為(UnV1);然后移動影像坐標系，使工件上包含被測尺寸第二個點b的邊緣移動到U、V坐標系可視區域內，移動后，影像坐標系原點在光柵坐標系中的坐標位置為(X2，Y2) ;b點在影像坐標系中的坐標位置為(U2，V2);工件上a點到b點的尺寸L按下式求出:
2.根據權利要求1所述的一種光柵影像復合自動測量方法，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.根據權利要求1所述的一種光柵影像復合自動測量方法，其特征在于:采用了影像坐標系度量單位與光柵坐標系度量單位的在線標定法；標定步驟為: 1)在工件中尋找一個與待標定坐標軸垂直的工件邊緣； 2)將該邊緣移動到影像坐標系有效區域內，且使該邊緣處在影像坐標系待標定坐標軸靠近零點的位置； 3)在工件邊緣的過渡帶中任取一灰度值λ，作為工件的邊緣灰度值，推薦取工件真實邊緣灰度閾值β ; 4)移動相對坐標系，使工件邊緣在影像坐標系有效區域內沿被標定坐標軸方向移動P次，工作臺在每次移動后，記錄影像坐標系在光柵坐標系中的坐標值Wi,同時在影像坐標系中按灰度值λ取點，在影像坐標系中得到一系列的坐標點，對這些點進行線性擬合，得到一條工件邊緣線方程，取該直線在影像坐標系區域內的中點作為本次移動時工件邊緣在標定坐標方向的坐標值Si, i = l, ......, P, ρ+1 ； 5)對ρ+1組數據(WiAi)進行最小二乘法擬合，得到標度變換線方程W=yS+e，μ為該直線的斜率，其物理意義就是影像坐標系中每個像素對應光柵坐標系中的長度，也就是影像坐標系相對于光柵坐標系的度量單位轉換系數，具體數值與光柵坐標系中所取長度單位有關。
4.根據權利要求1所述的一種光柵影像復合自動測量方法，其特征在于:定義了邊緣狀態特征值n，該特征值反映影像坐標系中相鄰兩像素點灰度值變化情況；計算的方法是在圖像坐標系中，沿著被測尺寸平行的方向，求出相鄰兩像素點的灰度差值的平方，然后將計算區域內全部灰度差值的平方求和。
5.根據權利要求1所述的一種光柵影像復合自動測量方法，其特征在于:被測工件真實邊緣灰度閾值β標定方法為:首先調整光柵影像復合測量儀顯微鏡的工作距離，使邊緣過渡帶清晰，呈逐漸變化狀態，記錄邊緣狀態特征值n ;然后將標準量棒或量塊分別作為測量對象進行測量；測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，不斷調整邊緣灰度閾值，直至測量的尺寸與標準量棒或量塊的尺寸相同為止，將該值記作真實邊緣灰度閾值β ;標準量棒為圓弧邊緣形態，量塊為直邊緣形態。
6.根據權利要求1所述的一種光柵影像復合自動測量方法，其特征在于:相對坐標系在絕對坐標系中的移動位置，由工件的設計尺寸決定；將要測量的工件尺寸按測量順序設計測量路線，編程時用工件的設計尺寸，控制相對坐標系在絕對坐標系中移動距離。
7.根據權利要求1所述的一種光柵影像復合自動測量方法，其特征在于:定義光柵坐標系為絕對坐標系，工件相對于絕對坐標系不動，影像坐標系為相對坐標系，繞著被測工件運動；定義的坐標系運動關系不代表儀器測量時儀器真實的物理運動關系。
【文檔編號】G01B11/00GK103557790SQ201310547318
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】楊明亮, 吳秀娥, 陳曼龍, 楊帆, 景敏, 翟任何 申請人:漢中米克隆工量具實業有限公司
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