专利名称：轴类工件外径影像测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种轴类工件外径测量装置及测量方法，尤其涉及一种非接触测量且测量精度高、测量速度快的轴类工件外径影像测量装置及其测量方法。
背景技术：
对轴类工件外径进行测量，传统的一些方法如利用千分尺、游标卡尺或量规等工具进行测量，不可避免地都有着精度低、劳动强度大、可靠性差这些缺点。而三坐标机等高精度仪器则必然降低检测速率，不利于高效率测量。测微仪法、仪器测量法是比较折中的方法，相比于三坐标机而言操作相对简单，同时又能保证精度，成本也较低。电子显微技术在21世纪得到快速的发展。随着电子显微镜及影像测量技术的发展，用于影像测量的显微工作台也应运而生。而现有显微镜大多数都是采用上照明的方式， 在影像测量中，若采用上照明的方式，就存在反光及边缘锐化不明显的情况，影响测量精度。此外，载物台若没有精密定位装置，则会存在找视场不方便、工件定位不方便的问题，增加了测量的难度。
发明内容
本发明主要解决原有轴类工件外径的测量操作不方便，无法满足大批量测量需求的技术问题；同时解决原有显微镜影像测量一般均采用上照明方式，存在反光及边缘锐化不明显的情况，影响测量精度的技术问题；提供一种轴类工件外径影像测量装置及其测量方法，其避免了反光及边缘锐化不明显的情况，提高测量精度，而且测量操作简单，测量效率高，智能化程度高，满足大批量测量的需求。本发明另一目的是提供一种轴类工件外径影像测量装置及其测量方法，其光源采用独特排列的LED光源，从而在光源上方获得均匀光照面，提高测量精度。本发明另一目的是提供一种轴类工件外径影像测量装置及其测量方法，其下照明光源实现PWM数字可调，以减少人为调光的不便和误差，测量更加方便。本发明又一目的是提供一种轴类工件外径影像测量装置及其测量方法，其具备轴类工件的精密定位装置，使得轴类工件定位方便，也便于找到视场，使轴类工件外径的测量更加方便。本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的本发明的轴类工件外径影像测量装置，包括底座、平台、光源、显微镜和相机，显微镜通过安装支架固定在底座上，光源设在显微镜镜头下方的底座上，平台位于光源上方，平台的中间嵌装有一块透明片，透明片的位置和光源的位置相对应，透明片上设有一块轴类工件安放座，所述的相机位于所述的显微镜上方并且和显微镜相连，相机的镜头对准显微镜的观察口，所述的相机再通过数据线和计算机相连。计算机上安装有轴类工件外径测量软件，相机采用CCD数码相机。显微镜的放大倍率为O. 7 4. 5倍，连续可调，方便不同要求下的测量。显微镜上还可装上连续变倍环，以利于扩大测量范围。轴类工件安放座上先后放置轴类标准件和被测轴类工件，轴类标准件和被测轴类工件的外径图像经过显微镜放大后成像于CCD像敏面上， 像敏面将照在每个像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子密度信号存储于像敏单元中，然后在转移脉冲的作用下，再转移到CCD的移位寄存器中，并在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号，视频信号再由后部处理电路进行处理或计算，成为电视信号或检测信号，然后通过数字接口存入计算机内存，由计算机再作一系列处理和运算。本发明采用在工件下方进行照明的结构，避免了反光及边缘锐化不明显的情况，有效提高测量精度。测量时，先采集并保存一幅轴类标准件的边缘静态图像，再采集并保存一幅被测轴类工件的边缘静态图像，由计算机通过处理和运算获得被测轴类工件的外径。本发明实现非接触式测量，可以保证将工件表面的微小变化通过图像表现出来，并且得到图像方便，具有高速度、动态范围大、信息量丰富等优点，测量效率及测量精度大大提高，非常适用于批量测量。作为优选，所述的光源为多粒相串联的发光二极管，所述的发光二极管呈环形排列并且其照明方向朝向环形的轴线，每粒发光二极管的轴线倾斜于所述的底座。发光二极管能够高效率地直接将电能转化为光能，是新一代固体冷光源，而且拥有较长使用寿命，同时具备省电、高耐震、光源具方向性及光害少等优点。多粒发光二极管均朝斜上方方向照射，有利于使位于光源上方的工件得到均匀的光照。作为优选，所述的发光二极管有12粒，12粒发光二极管呈半径为2厘米的环形排列，每粒发光二极管的轴线和所述的底座之间的夹角为45度。通过对发光二极管数量、所排列的环形曲线半径、发光二极管的倾斜角度以及发光面与照射目标面的距离等四个因素五个水平的光学CAD正交仿真试验,得出上述发光二极管的分布及安装结构为最佳方案， 使得在光源上方能得到均匀光照面，提高测量精度。作为优选，所述的底座上设有一个二维移动座，所述的平台设于所述的二维移动座上，所述的光源被围在二维移动座内。调节二维移动座可使平台作X向平移和作Y向平移，能方便地将放置于轴类工件安放座上的轴类标准件及被测轴类工件的边缘视频移入计算机显示屏上显示的视场中心，从而快速地实现测量过程中的准确定位。作为优选，所述的光源的电压输入端和PWM数字可调电路的输出端相连，PWM数字可调电路的输入端和所述的计算机相连。通过计算机上安装的轴类工件外径测量软件对 PWM数字可调电路的输入端信号进行控制，再由PWM数字可调电路的输出端对光源的工作电压进行控制，方便地实现对光源亮度的调节，以减少人为调光的不便和误差，便于在计算机显示屏上得到清晰的图像。本发明的轴类工件外径影像测量装置的测量方法，包括以下步骤
a.打开所述的光源，打开安装在所述的计算机上的轴类工件外径测量软件，所述的显微镜获得的光学信号通过所述的相机转换成视频信号，最后显示在所述的计算机的显示屏上；
b.将一个轴类标准件置于所述的轴类工件安放座上，使轴类标准件的边缘的视频进入所述的计算机的显示屏上的视场中心；
c.调节所述的显微镜的物镜放大倍率、物距及像距，直至在所述的计算机的显示屏上
5看到清晰的轴类标准件的边缘，所述的计算机采集并保存此时轴类标准件的边缘的标准静态图像；
d.移走轴类标准件，在所述的轴类工件安放座上放置被测轴类工件，所述的计算机采集并保存此时被测轴类工件的边缘的被测静态图像；
e.通过所述的计算机上的轴类工件外径测量软件中的图像处理及计算方法对步骤c 中得到的标准静态图像和步骤d中得到的被测静态图像进行处理和运算，最后计算出被测轴类工件的外径并显示在计算机的显示屏上。本发明的轴类工件外径测量方法简单，操作方便，智能化程度高，测量精度高，测量效率高，满足大批量测量的需求。作为优选，所述的光源的电压输入端和PWM数字可调电路的输出端相连，PWM数字可调电路的输入端和所述的计算机相连；所述的步骤a为打开所述的光源，打开安装在所述的计算机上的轴类工件外径测量软件，通过轴类工件外径测量软件调节PWM数字可调电路的输入端信号，再由PWM数字可调电路的输出端信号调节所述的光源的供电电压，进而调节所述的光源的亮度，所述的显微镜获得的光学信号通过所述的相机转换成视频信号， 最后显示在所述的计算机的显示屏上。测量人员只要在计算机上打开的轴类工件外径测量软件的界面上进行操作，就能调节位于平台下方的光源的光照亮度，调节方便，实现光源亮度的PWM数字可控，便于得到更为清晰的图像。作为优选，所述的底座上设有一个二维移动座，所述的平台设于所述的二维移动座上，所述的光源被围在二维移动座内；所述的步骤b为将一个轴类标准件置于所述的轴类工件安放座上，调节所述的二维移动座，使所述的平台作X向平移和作Y向平移，使轴类标准件的边缘的视频进入所述的计算机的显示屏上的视场中心。通过操作二维移动座就能方便地将放置于轴类工件安放座上的轴类标准件及被测轴类工件的边缘视频移入计算机显示屏上显示的视场中心，从而快速地实现测量过程中的准确定位。作为优选，所述的步骤e中的图像处理及计算方法包括以下步骤
El.将步骤c中得到的标准静态图像和步骤d中得到的被测静态图像均作灰度直方图均衡化并将两者相减得到偏差图像；
E2.将偏差图作阈值分割得到二值图像；对图像像素点，大于阈值，则认为是目标，小于阈值，则认为是背景，这就是阈值分割。E3.对二值图像作形态学处理去除孤立点和毛刺等噪声；形态学处理包括对图像的腐蚀、膨胀、开运算和闭运算等。E4.通过索贝尔算子提取二值图像边缘；索贝尔算子(Sobel operator)是图像处理中的算子之一，主要用作边缘检测。它是一离散性差分算子，用来运算图像亮度函数的梯度之近似值。在图像的任何一点使用此算子，将会产生对应的梯度矢量或是其法矢量。 Sobel算子对于象素的位置的影响做了加权，因此效果更好。E5.通过边缘直线拟合计算出边缘斜率；边缘直线拟合，就是根据局部区域内边缘的直线特性，求得小邻域内直线段的高精度位置，再根据边缘区域内边缘的全局直线特性，用线段的中点来拟合整个直线边缘，得到亚像素精度的图像边缘。E6.计算两边缘之间的像素数，由该像素数计算出被测轴类工件的外径。本发明的有益效果是通过在平台下方设置光源，实现下照明影像测量，避免了反光及边缘锐化不明显的情况。光源采用独特排列的LED光源，且LED光源实现PWM数字可调，以减少人为调光的不便和误差，从而在光源上方获得均匀光照面。通过调节二维移动座能方便地调整平台的左、右位置，使得轴类工件定位方便，便于被测边缘进入测量视场中心。本发明实现轴类工件外径的非接触式测量，具有高速度、动态范围大、信息量丰富等优点，测量效率及测量精度大大提高，非常适用于批量测量。
图I是本发明轴类工件外径影像测量装置的一种立体结构示意图。图2是本发明轴类工件外径影像测量装置中平台和光源的安装结构的一种立体结构示意图。图3是本发明轴类工件外径影像测量装置中二维移动座的一种局部剖视结构示意图。图4是本发明轴类工件外径影像测量方法中图像处理及计算方法的一种流程图。
具体实施例方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。实施例本实施例的轴类工件外径影像测量装置，如图I所示，包括底座I、平台2、 光源3、显微镜4、相机5和计算机16。显微镜4通过安装支架固定在底座I上，光源3安装在显微镜4镜头下方的底座I上。平台2位于光源3上方，平台2的中间开有一方孔，方孔内嵌装有一块毛玻璃片作为透明片6，毛玻璃片的位置和光源3的位置相对应，毛玻璃片上安放有一块轴类工件安放座7，轴类工件安放座7呈长条状的块体，块体的顶面开有一个沿块体的长度方向延伸的V型槽9。相机5位于显微镜4上方并且和显微镜4相连,相机的镜头对准显微镜的观察口，相机5再通过数据线和计算机16相连，计算机16上安装有轴类工件外径测量软件。如图2所示，光源3为12粒相串联的发光二极管8，即LED光源，12粒发光二极管 8呈半径为2厘米的环形排列并且其照明方向为斜上方向朝向环形的轴线，每粒发光二极管8的轴线和底座I之间的夹角为45度，即发光二极管的照射面倾斜于底座45度。12粒发光二极管的串联电路的电压输入端和PWM数字可调电路的输出端相连，PWM数字可调电路的输入端通过电缆和计算机16相连。如图3所示，底座I上安装有二维移动座17，平台2安装在二维移动座17上，光源3被围在二维移动座17内。本实施例中，二维移动座17包括X向滚动导轨、Y向滚动导轨和X向齿条14、Y向齿条15、手轮10及大齿轮11、小齿轮12。Y向滚动导轨装在底座I 上，X向导轨装在Y向导轨上面，平台2安装在X向导轨上。手轮10位于平台2的一侧，手轮10下方套有一个大齿轮11，大齿轮11下方有一个连在小齿轮轴13上的小齿轮12，小齿轮轴13从下往上穿过手轮10中心并且小齿轮轴13的顶端露出于手轮10外。和大齿轮11 啮合的X向齿条14装在平台2背面的X向导轨上，和小齿轮12啮合的Y向齿条15装在固定在底座I上的Y向导轨上。大齿轮和小齿轮构成双层齿轮结构，旋转手轮，带动大齿轮旋转，使平台作X向移动；旋转位于手轮上方的小齿轮轴，带动小齿轮旋转，使平台作Y向移动。齿轮传动具备外廓尺寸小、结构紧凑、效率高、传动比恒定、寿命长等特点。
上述轴类工件外径影像测量装置的测量方法，包括以下步骤
a.打开光源3，打开安装在计算机16上的轴类工件外径测量软件，通过在轴类工件外径测量软件的操作界面上进行操作，调节PWM数字可调电路的输入端信号，再由PWM数字可调电路的输出端信号调节光源3的供电电压，进而调节光源3的亮度，显微镜4获得的光学信号通过相机5转换成视频信号，最后显示在计算机16的显示屏上；
b.将一个轴类标准件置于轴类工件安放座7的V型槽上，调节二维移动座17上的手轮10及小齿轮轴13，使平台2沿X向齿条14作X向平移和沿Y向齿条15作Y向平移，使轴类标准件的边缘的视频进入计算机16的显示屏上的视场中心；
c.调节显微镜4的物镜放大倍率、物距及像距，直至在计算机16的显示屏上看到清晰的轴类标准件的边缘，通过在轴类工件外径测量软件的操作界面上进行操作使计算机16 采集并保存此时轴类标准件的边缘的标准静态图像；
d.移走轴类标准件，在轴类工件安放座7的V型槽上放置被测轴类工件，通过在轴类工件外径测量软件的操作界面上进行操作使计算机16采集并保存此时被测轴类工件的边缘的被测静态图像；
e.通过轴类工件外径测量软件中的图像处理及计算方法对步骤c中得到的标准静态图像和步骤d中得到的被测静态图像进行处理和运算，其中图像处理及计算方法如图4所示，包括以下步骤
El.将步骤c中得到的标准静态图像和步骤d中得到的被测静态图像均作灰度直方图均衡化并将两者相减得到偏差图像；
E2.将偏差图作阈值分割得到二值图像；
E3.对二值图像作形态学处理去除孤立点和毛刺等噪声；
E4.通过索贝尔算子提取二值图像边缘；
E5.通过边缘直线拟合计算出边缘斜率；
E6.计算两边缘之间的像素数，由该像素数计算出被测轴类工件的外径，并显示在计算机16的显示屏上。本发明实现轴类工件外径的非接触式测量，智能化程度高，具有高速度、动态范围大、信息量丰富等优点，测量效率及测量精度大大提高，非常适用于批量测量。
权利要求
1.一种轴类工件外径影像测量装置，其特征在于包括底座(I)、平台(2)、光源(3)、显微镜(4 )和相机(5 )，显微镜(4 )通过安装支架固定在底座(I)上，光源(3 )设在显微镜(4 ) 镜头下方的底座(I)上，平台(2)位于光源(3)上方，平台(2)的中间嵌装有一块透明片(6)， 透明片(6)的位置和光源(3)的位置相对应，透明片(6)上设有一块轴类工件安放座(7)，所述的相机(5)位于所述的显微镜(4)上方并且和显微镜(4)相连，所述的相机(5)再通过数据线和计算机(16)相连。
2.根据权利要求I所述的轴类工件外径影像测量装置，其特征在于所述的光源(3)为多粒相串联的发光二极管(8)，所述的发光二极管(8)呈环形排列并且其照明方向朝向环形的轴线，每粒发光二极管(8)的轴线倾斜于所述的底座(I)。
3.根据权利要求2所述的轴类工件外径影像测量装置，其特征在于所述的发光二极管 (8)有12粒，12粒发光二极管(8)呈半径为2厘米的环形排列，每粒发光二极管(8)的轴线和所述的底座(I)之间的夹角为45度。
4.根据权利要求I或2或3所述的轴类工件外径影像测量装置，其特征在于所述的底座(I)上设有一个二维移动座(17)，所述的平台(2)设于所述的二维移动座(17)上，所述的光源(3)被围在二维移动座(17)内。
5.根据权利要求I或2或3所述的轴类工件外径影像测量装置，其特征在于所述的光源(3 )的电压输入端和PWM数字可调电路的输出端相连，PWM数字可调电路的输入端和所述的计算机(16)相连。
6.一种使用如权利要求I或2或3所述的轴类工件外径影像测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤a.打开所述的光源(3)，打开安装在所述的计算机(16)上的轴类工件外径测量软件， 所述的显微镜(4)获得的光学信号通过所述的相机(5)转换成视频信号，最后显示在所述的计算机(16)的显示屏上；b.将一个轴类标准件置于所述的轴类工件安放座(7)上，使轴类标准件的边缘的视频进入所述的计算机(16)的显示屏上的视场中心；c.调节所述的显微镜(4)的物镜放大倍率、物距及像距，直至在所述的计算机(16)的显示屏上看到清晰的轴类标准件的边缘，所述的计算机(16)采集并保存此时轴类标准件的边缘的标准静态图像；d.移走轴类标准件，在所述的轴类工件安放座(7)上放置被测轴类工件，所述的计算机(16)采集并保存此时被测轴类工件的边缘的被测静态图像；e.通过所述的计算机(16)上的轴类工件外径测量软件中的图像处理及计算方法对步骤c中得到的标准静态图像和步骤d中得到的被测静态图像进行处理和运算，最后计算出被测轴类工件的外径并显示在计算机(16)的显示屏上。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于所述的光源(3)的电压输入端和PWM 数字可调电路的输出端相连，PWM数字可调电路的输入端和所述的计算机(16)相连；所述的步骤a为打开所述的光源(3)，打开安装在所述的计算机(16)上的轴类工件外径测量软件，通过轴类工件外径测量软件调节PWM数字可调电路的输入端信号，再由PWM数字可调电路的输出端信号调节所述的光源(3)的供电电压，进而调节所述的光源(3)的亮度，所述的显微镜(4)获得的光学信号通过所述的相机(5)转换成视频信号，最后显示在所述的计算机(16)的显示屏上。
8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于所述的底座(I)上设有一个二维移动座(17)，所述的平台(2)设于所述的二维移动座(17)上，所述的光源(3)被围在二维移动座 (17)内；所述的步骤b为将一个轴类标准件置于所述的轴类工件安放座(7)上，调节二维移动座(17)，使所述的平台(2)作X向平移和作Y向平移，使轴类标准件的边缘的视频进入所述的计算机(16)的显示屏上的视场中心。
9.根据权利要求6或7或8所述的测量方法，其特征在于所述的步骤e中的图像处理及计算方法包括以下步骤El.将步骤c中得到的标准静态图像和步骤d中得到的被测静态图像均作灰度直方图均衡化并将两者相减得到偏差图像；E2.将偏差图作阈值分割得到二值图像；E3.对二值图像作形态学处理去除孤立点和毛刺等噪声；E4.通过索贝尔算子提取二值图像边缘；E5.通过边缘直线拟合计算出边缘斜率；E6.计算两边缘之间的像素数，由该像素数计算出被测轴类工件的外径。
全文摘要
本发明涉及一种轴类工件外径影像测量装置及其测量方法。轴类工件外径影像测量装置包括底座、平台、光源、显微镜和相机，显微镜通过安装支架固定在底座上，光源设在显微镜镜头下方的底座上，平台位于光源上方，平台的中间嵌装有一块透明片，透明片的位置和光源的位置相对应，透明片上设有一块轴类工件安放座，相机位于显微镜上方并且和显微镜相连，相机再通过数据线和计算机相连。其测量方法为先采集并保存一幅轴类标准件的边缘静态图像，再采集并保存一幅被测轴类工件的边缘静态图像，由计算机通过处理和运算获得被测轴类工件的外径并显示在显示屏上。本发明实现轴类工件外径的非接触式测量，光照均匀，图像清晰，大大提高测量效率及测量精度。
文档编号G01B11/08GK102589453SQ201110422470
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者上官锦士, 徐燕, 朱佳佳, 杭盼盼, 范伟军, 贺楚红, 邵静云 申请人:中国计量学院