光栅影像复合自动测量方法
【专利摘要】本发明专利公开了一种光栅影像复合自动测量方法，属于测量仪器领域；为了发挥光栅的测量精度高、使用方便和影像非接触测量的优势，该发明解决了光栅测量技术与影像测量技术有机结合中的难题；定义了光栅坐标系、影像坐标系和被测工件之间的相互关系，提出了影像坐标系度量单位与光栅坐标系度量单位的在线标定方法，定义了边缘状态特征值η并给出了计算方法，给出了被测工件真实边缘灰度阈值β的标定方法。光栅影像复合自动测量方法具有测量精度高，自动化程度高等特点，可以广泛应用于汽车、航空、航天、电子等领域中光滑极限量规和高精度加工件的非接触测量。
【专利说明】光栅影像复合自动测量方法
【技术领域】
[0001]本发明专利属于测量仪器，具体涉及一种光栅影像复合自动测量方法。
【背景技术】
[0002]在机械制造中，制造精度是产品质量的保证，在汽车零件等大批量生产的工件中，广泛使用光滑极限量规检测各种孔和螺纹的加工精度。光滑极限量规作为测量装置，精度要求很高。光滑极限量规在制造和使用过程中，一般采用光学计比较测量，由于比较测量是接触式测量，测头有磨损；比较法测量，要经常用量块校对，测量效率低；而且测量精度与操作人员的技术水平有很大关系。在精密测量中也常常使用光栅测量系统，如三坐标测量机等测量仪器就是采用光栅测量系统，光栅测量系统一般采用接触式测量，由于接触式测量会磨损测头，如光滑极限量规精度很高，测头磨损就会影响测量精度；同时接触式测量在测量时测头等部位受力，在力的作用下仪器的间隙会发生变化，仪器的受力部件也会产生变形，这些都是影响测量精度的因素。
[0003]由于图像传感器技术的快速发展，带动了影像测量技术的快速进步，近几年影像测量技术在机械量的机器视觉测量方面发展较快。影像测量是非接触测量，可以应用于生产现场和实验室等环境下的测量。采用影像测量时，被测工件经光学系统放大，放大的影像投影到图像传感器器件上，图像传感器实际上是一个A / D转换器件，由图像传感器将工件影像转变成数字电信号。转换的精度取决于图像传感器器件的像素尺寸。由影像测量的原理可以知道，被测工件尺寸越大，每个像素所代表的工件尺寸也就越大，测量精度就越低，反之，当测量对象是在很小的区域内，测量精度就可以很高；由于影像测量的这个特点，限制了影像测量在机械量视觉测量方面的应用范围。
[0004]在传统的工具显微镜中，为了解决人眼用目镜对准被测工件边缘容易疲劳、影像太小等问题，近几年来有将工具显微镜目镜换成图像传感器的趋势，更换后也便于将测量结果与计算机连接并进行数据处理。以类似的工作原理，出现了各种影像测量仪。而这些影像测量仪的基本工作原理都是用影像测量部分代替了一般光栅中的机械触头，起到一个对准被测对象边缘的作用。一般的测量方法是将工件的影像显示到计算机显示屏上，由人工判断工件边缘位置并通过鼠标进行选择，精度一般只能达到3-4 μ m，测量自动化程度不闻。
【发明内容】
[0005]采用光栅系统进行测量，可以实现大尺寸工件的测量，测量精度可以通过选择光栅的不同精度来实现，但一般采用接触式测量，存在接触式测量的不足；影像测量是一种非接触测量技术，但测量范围与测量精度经常是一对矛盾，工件越大，测量精度越低；同时影响影像测量精度的环节较多，整体测量精度不高，因此实现高精度自动测量难度大；光栅测量系统可以在大范围实现高精度测量，但常常采用接触式测量方式；影像测量系统是非接触测量，如果将影像测量系统测量的区域限制在很小区域，并消除影响影像测量精度的因素，就可以将影像测量系统叠加到光栅测量系统上，使光栅测量系统与影像测量系统组成一个有机的测量系统，实现高精度测量。
[0006]本发明专利采用的技术方案包括机架、X工作台、X工作台驱动装置和X轴光栅、Y工作台、Y工作台驱动装置和Y轴光栅、光源、工件夹持装置、滑块及滑块高度调节装置、显微镜和图像传感器、光栅信号处理器、步进电机驱动器和计算机控制系统；由X轴光栅、Y轴光栅形成一个正交的光栅坐标系，人面对设备俯视工作台，光栅坐标系的原点在工作台的左上方，X为坐标系的横轴，方向向右，Y为坐标系的纵轴，方向向下；光栅坐标系的度量单位采用工程测量中常用的长度单位制，如_、μ m等；影像测量系统是由光源、显微镜、图像传感器器件和图像信号采集系统组成；图像传感器器件可以是CCD器件，也可以是CMOS器件；图像传感器器件是由mXn个光电转换元件组成，在转换的图像中形成了 mXn个像素，每个光电转换元件的面积为iXi，i为像素尺寸；图像形成一个正交的U、V影像坐标系，图像显示在计算机屏幕上时，影像坐标系的坐标原点在左上方，影像坐标系的横轴为U轴，方向向右，影像坐标系的纵轴为V轴，方向向下；影像坐标系的横轴U与光栅坐标系的X轴平行，影像坐标系的方向与对应的光栅坐标系方向相同；影像坐标系的度量单位为像素的个数，影像坐标系U方向最大值为m，V方向最大值为n，影像坐标系有效区域为mXn ;测量时，要将影像坐标系中测量的像素值转换成光栅坐标系中的度量单位，显微镜的放大倍率为k，工件实体上用光栅测量长度为I的一段距离，通过显微镜投影到图像传感器上，如果忽略图形畸变，其长度变成kl，由于每个像素的长度尺寸为i，I长度这段距离投影到图像传感器上占的像素个数j=kl / i，所以l=ji / k，这就是影像坐标系度量单位转换到光栅坐标系度量单位的转换公式，设μ =1 / j=i / k为影像坐标系相对于光栅坐标系的度量单位转换系数；光源安装在移动工作台下方的机架上，显微镜安装在光源的正上方；工件位置处于光源和显微镜之间，光源光线向上通过X、Y工作台中间的孔进入显微镜，通过显微镜到达图像传感器；当待测工件的边缘移动到影像坐标系有效区域内时，工件实体部分遮挡了光源的光线，实体部分显示在影像坐标系中的灰度值较小，呈黑色，未被工件实体遮挡区域在影像坐标系中的灰度值较大，呈白色，工件的边缘在影像坐标系中是一个过渡带，过渡带的灰度值是逐渐变化的；通过标定，可以得到被测工件真实边缘灰度阈值β ;光栅坐标系、影像坐标系和工件之间的位置关系，根据测量仪器的不同设计，可以有两种形式:1)光栅坐标系作为绝对坐标系不运动，工件相对于光栅坐标系位置固定，影像坐标系作为相对坐标系，围绕工件被测尺寸运动，运动的值就是光栅坐标系的坐标变化量；2)影像坐标系作为绝对坐标系不动，光栅坐标系作为相对坐标系在运动，工件相对于光栅坐标系位置不变；按照运动的相对原理，也可以看作工件和光栅坐标系不动，影像坐标系运动；实际结构中的两种情况可以合并分析；为了分析方便，定义光栅坐标系为绝对坐标系，工件相对于绝对坐标系不动，影像坐标系为相对坐标系，绕着被测工件运动；定义的坐标系运动关系不代表仪器测量时仪器真实的物理运动关系。
[0007]测量时，首先移动影像坐标系，让工件c上包含被测尺寸第一个点a的边缘进入影像坐标系中，影像坐标系原点位于光栅坐标系的(XpY1)位置，用被测工件真实边缘灰度阈值β提取图像的边缘，a点在影像坐标系中的坐标位置为(U1, V1);然后移动影像坐标系，使工件上包含被测尺寸第二个点b的边缘移动到U、V坐标系可视区域内，移动后，影像坐标系原点在光栅坐标系中的坐标位置为(X2，Y2) ;b点在影像坐标系中的坐标位置为(U2, V2)；工件上a点到b点的测量尺寸L按下式求出:
【权利要求】
1.一种光栅影像复合自动测量方法，技术方案包括机架、X工作台、X工作台驱动装置和X轴光栅、Y工作台、Y工作台驱动装置和Y轴光栅、光源、工件夹持装置、滑块及滑块高度调节装置、显微镜和图像传感器、光栅信号处理器、步进电机驱动器和计算机控制系统；其特征在于:由X轴光栅、Y轴光栅形成一个正交的光栅坐标系；光栅坐标系的度量单位米用工程测量中常用的长度单位制；影像测量系统是由光源、显微镜、图像传感器器件和图像信号采集系统组成；图像传感器器件是由mXn个光电转换元件组成，图像形成一个正交的U、V影像坐标系，影像坐标系的横轴为U轴，影像坐标系的纵轴为V轴，影像坐标系的横轴U与光栅坐标系的X轴平行，影像坐标系的方向与对应的光栅坐标系方向相同；在转换的图像中形成了 mXn个像素，影像坐标系的度量单位为像素的个数，影像坐标系有效区域为mXn;影像坐标系中测量的像素值转换成光栅坐标系中的度量单位，每个光电转换元件的面积为iXi，i为像素尺寸，显微镜的放大倍率为k，转换系数y=i / k;工件位置处于光源和显微镜之间，当待测工件的边缘移动到影像坐标系有效区域内，工件实体部分遮挡了光源的光线，实体部分在影像坐标系中的灰度值较小，呈黑色，未被工件实体遮挡区域在影像坐标系中的灰度值较大，呈白色，工件的边缘在影像坐标系中是一个过渡带；通过标定，可以得到被测工件真实边缘灰度阈值β ;定义光栅坐标系为绝对坐标系，影像坐标系为相对坐标系，工件相对光栅坐标系位置不变；定义的坐标系运动关系不代表仪器测量时仪器真实的物理运动关系；测量时，首先移动影像坐标系，让工件c上包含被测尺寸第一个点a的边缘进入影像坐标系中，影像坐标系原点位于光栅坐标系的(XpY1)位置，用被测工件真实边缘灰度阈值β提 取图像的边缘，a点在影像坐标系中的坐标位置为(UnV1);然后移动影像坐标系，使工件上包含被测尺寸第二个点b的边缘移动到U、V坐标系可视区域内，移动后，影像坐标系原点在光栅坐标系中的坐标位置为(X2，Y2) ;b点在影像坐标系中的坐标位置为(U2，V2);工件上a点到b点的尺寸L按下式求出:
2.根据权利要求1所述的一种光栅影像复合自动测量方法，其特征在于:图像传感器器件可以是CCD器件，也可以是CMOS器件。
3.根据权利要求1所述的一种光栅影像复合自动测量方法，其特征在于:采用了影像坐标系度量单位与光栅坐标系度量单位的在线标定法；标定步骤为: 1)在工件中寻找一个与待标定坐标轴垂直的工件边缘； 2)将该边缘移动到影像坐标系有效区域内，且使该边缘处在影像坐标系待标定坐标轴靠近零点的位置； 3)在工件边缘的过渡带中任取一灰度值λ，作为工件的边缘灰度值，推荐取工件真实边缘灰度阈值β ; 4)移动相对坐标系，使工件边缘在影像坐标系有效区域内沿被标定坐标轴方向移动P次，工作台在每次移动后，记录影像坐标系在光栅坐标系中的坐标值Wi,同时在影像坐标系中按灰度值λ取点，在影像坐标系中得到一系列的坐标点，对这些点进行线性拟合，得到一条工件边缘线方程，取该直线在影像坐标系区域内的中点作为本次移动时工件边缘在标定坐标方向的坐标值Si, i = l, ......, P, ρ+1 ； 5)对ρ+1组数据(WiAi)进行最小二乘法拟合，得到标度变换线方程W=yS+e，μ为该直线的斜率，其物理意义就是影像坐标系中每个像素对应光栅坐标系中的长度，也就是影像坐标系相对于光栅坐标系的度量单位转换系数，具体数值与光栅坐标系中所取长度单位有关。
4.根据权利要求1所述的一种光栅影像复合自动测量方法，其特征在于:定义了边缘状态特征值n，该特征值反映影像坐标系中相邻两像素点灰度值变化情况；计算的方法是在图像坐标系中，沿着被测尺寸平行的方向，求出相邻两像素点的灰度差值的平方，然后将计算区域内全部灰度差值的平方求和。
5.根据权利要求1所述的一种光栅影像复合自动测量方法，其特征在于:被测工件真实边缘灰度阈值β标定方法为:首先调整光栅影像复合测量仪显微镜的工作距离，使边缘过渡带清晰，呈逐渐变化状态，记录边缘状态特征值n ;然后将标准量棒或量块分别作为测量对象进行测量；测量得到的量棒直径尺寸或量块厚度尺寸是随边缘灰度阈值变换而变化，不断调整边缘灰度阈值，直至测量的尺寸与标准量棒或量块的尺寸相同为止，将该值记作真实边缘灰度阈值β ;标准量棒为圆弧边缘形态，量块为直边缘形态。
6.根据权利要求1所述的一种光栅影像复合自动测量方法，其特征在于:相对坐标系在绝对坐标系中的移动位置，由工件的设计尺寸决定；将要测量的工件尺寸按测量顺序设计测量路线，编程时用工件的设计尺寸，控制相对坐标系在绝对坐标系中移动距离。
7.根据权利要求1所述的一种光栅影像复合自动测量方法，其特征在于:定义光栅坐标系为绝对坐标系，工件相对于绝对坐标系不动，影像坐标系为相对坐标系，绕着被测工件运动；定义的坐标系运动关系不代表仪器测量时仪器真实的物理运动关系。
【文档编号】G01B11/00GK103557790SQ201310547318
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】杨明亮, 吴秀娥, 陈曼龙, 杨帆, 景敏, 翟任何 申请人:汉中米克隆工量具实业有限公司