CN100368769C - 基于数据图像处理的虚拟坐标测量机及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于数据图像处理的虚拟坐标测量机及其测量方法。不沿用传统测量机的机械式三坐标测量轴，别开思路，建立了虚拟轴测量装置和方法。装置包括工作平台、机械主体、测头、计算机及其外设，还包括有图像采集装置，图像采集装置主要由CCD摄像机、光源和采集卡构成，在气浮滑座上垂直于花岗岩工作台设有立轴，测头安装在立轴上，气浮滑座的底部安装有光源和CCD摄像机。本发明将气浮技术与虚拟轴测量相结合，将接触测量和非接触测量有机结合，创造了基于数据图像处理的虚拟坐标测量机及其测量方法。整体构成非常简化，在工作平台上放置被测工件和测量系统，配合计算机的控制，人手推动测量系统，就可完成中等精度的测量。造价很低。

Description

基于数据图像处理的虚拟坐标测量机及其测量方法

技术领域

本发明涉及机械领域的精密测量，主要涉及基于虚拟坐标轴概念的测量装置，能够实现中等精度，低成本的三坐标尺寸测量。具体讲就是一种基于数据图像处理的虚拟坐标测量机及其测量方法。

背景技术

对工件尺寸和轮廓的检测，主要方法是：通过测量测头与工件间的相对位移，得到工件的空间坐标尺寸，经计算机处理给出测量结果。坐标测量机的实质就是取得测头或工件的位移信息。传统的位移(坐标)测量是由坐标机的坐标轴来实现的。而其中的坐标轴均是由机械构件组成，构件以及构件间的配合均要求高精度，因而造成了高成本。

现今对工件的轮廓等形位尺寸的测量主要分为两类，即接触式和非接触式。接触式测量大多是用机械导轨式三坐标测量机来完成，三坐标测量机是一种通用的三维长度测量仪器，能达到很高精度，但其缺点是成本太高，一台设备价格在几百万元，只有达到企业才有力量拥有该设备。目前应用广泛的三坐标测量机，如图1所示，主要包括有测量头、机械主体、操作台、控制系统、计算机及其外设。机械导轨式三坐标测量机一般采用直线轴承或导轨，省去了气源，避免了气浮导轨易出现的尘埃堵塞问题，因而较适合在车间使用。代表厂商有美国Giddings & Lewis公司、英国IMS公司、瑞士SIP公司等。但其机械主体部分又由工作平台，龙门、立轴等组成，构件繁多，操作复杂，使用时需倍加小心，一旦出现故障不易维修。在接触式测量中还有一种新的三坐标测量机，是采用气浮导轨的三坐标测量机，由于气浮导轨的摩擦系数小，运动平稳轻快，现今大多数三坐标测量机均采用此类导轨，因此也逐渐成为三坐标测量机的主流机型。代表厂商有意大利Coord3公司、我国303所等。

三坐标测量机是一种通用的三维长度测量仪器，能达到很高精度，得到了广泛的应用，但其缺点是成本太高，操作复杂。由于计算机和控制技术发展和进步的很快，像三坐标测量机这样的大型设备，购买的时候就花费了很多的资金，买回后使用时间不了几年，就落伍了，或者又有新的功能更多的设备出现了。高昂的设备价格也抬高了测量的成本。

非接触测量主要采用光学测量方法，用摄像机对被测工件进行点式或面式扫描，利用物点和像点的关系求得工件外轮廓的三维坐标信息，其测量速度快，但测量范围受到限制，测量精度不高。2000年浙江大学的宋开臣，张国雄在《激光三角测量法扫描测头特性的研究》以及2001年清华大学的王佳，胡朝晖等《激光跟踪虚拟坐标测量系统与自标定方法的实验研究》都详细的论证了三角测量法在实际测量中的应用。2002年清华大学的吴鹰飞，周兆英在《利用图像处理实现平台工作台三自由度位移的同步检测》、1993年Niitsu Yasushi，Gomi Kenji在《Visual X-Y axis Displacement Control by Image Processing》以及1992年NiitsuYasushi在《Visual XY Displacement measurement by Image Processing》中论述了采用CCD摄像机对带有标记特征的工作平台的位移进行测量的方法。上述非接触测量的方法缺点是精度不高，测量范围有限。

这两种测量方式在国内、外均有大量的应用。也就是说，在机械零件尺寸的测量领域，要么是高精度、高成本的三坐标测量机，要么是低精度、低成本的检测设备，没有精度介于这两者之间，大、中、小企业均能适用的、可以进行常规的经常性检测的测量设备，而客观上工厂和企业急需能进行中等精度测量，成本低的机械零件三维尺寸的坐标测量机。

由于三坐标测量机结构复杂、系统庞大、价格昂贵以及目前的非接触测量方法的局限性使更多的中小企业难以接受，特别是进行中等精度的工件外形尺寸测量时，需开发一种机械结构简单，测量简便的形位尺寸测量机。

就本主题，曾委托陕西省科学技术信息研究所查新中心进行查新，结论为通过对比，分析，国内外相关文献中有关CCD技术在三坐标中的应用均是将其应用在测量机的测头方面，未见将CCD技术应用于三坐标机机体结构的改进中的研究报道。

经本发明的发明人就本主题在互联网上对近10年的专利以及相关的成果和论文库中进行检索，未发现有与本发明相同的设备或装置，也未发现有相同技术的信息报道。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术或设备存在的缺点，将接触式测量和非接触式测量有机结合。从测量方法上进行大的改进，提供一种与传统的三坐标测量设备在概念上有重大区别的测量设备和一种全新的测量方法。本发明的总体构成大量简化，不需为数较多的机械传动机构，不需考究和精密的测量系统和测量控制台，直接通过计算机进行现场控制，实现了对工件外形三维空间位移尺寸的自动测量，并自动进行数据处理和图像显示，测量范围宽，精度居中，成本低的基于数据图像处理的虚拟坐标测量机及其测量方法。

下面对本发明的技术方案进行详细说明

本发明的实现在于基于数据图像处理的虚拟坐标测量机，包括有工作平台、机械主体、测头、计算机及其外设，测头安装于机械主体的立轴上，其特征在于：基于数据图像处理的虚拟坐标测量机还包括有图像采集装置，工作平台为花岗岩工作平台，机械主体主要由气浮滑座、立轴、测头和CCD摄像机构成，图像采集装置主要由所述CCD摄像机8、光源和采集卡构成，在气浮滑座上垂直于花岗岩工作台设有立轴，气缸和测头安装在立轴上，气浮滑座的底部安装有光源和三台CCD摄像机，CCD摄像机的镜头对着花岗岩工作平台表面，处在光源的辅助照明范围，图像采集卡安装在计算机的硬件扩展槽中，CCD摄像机的数据线通过电缆直接连接到图像采集卡上，机械主体和被测工件均置于花岗石工作平台上，测头也与计算机有电信号连接。

本发明不是以固定的传动系统驱动的，因此如何在坐标轴(立轴)移动的过程中，准确的确定坐标轴的位置就是解决问题的关键。本发明首次将虚拟坐标轴和数字图像处理技术结合起来，实现了一种新的三坐标测量体系。

本发明的虚拟坐标是相对于传统的三坐标测量机的测量提出的，在传统的三坐标测量机中，坐标系的确定是依靠固定的传动体系来决定的。无论是接触式还是非接触式，传统的三坐标测量机均离不开三坐标导轨，只是导轨的运行方式为直接接触式和气浮形式，而本发明中没有目视可见的三维导轨，没有固定的传动系统，却具备X-Y-Z-θ坐标轴，该坐标轴就是本发明中的虚拟坐标，是建立在数字图像处理的基础之上的。由于本发明的坐标轴是抽象性的，及不存在一条实际的坐标轴。这就是虚拟坐标的含义。

这个虚拟坐标轴的原点的确定可以根据测量需要而定，可以是一开机的那一点，也可以是自行确定的某一点，如工作台的边缘处，原点的确定可以根据工件的大小、形状或要测量的部位而定。

本发明的基于数据图像处理的虚拟坐标测量机工作在水平的花岗岩工作平台上，立轴安装在气浮滑座上，CCD摄像机安装在气浮滑座的底部。当气浮滑座在水平的花岗岩工作平台上移动时，CCD摄像机采集花岗岩工作台表面的色斑图像传送到计算机，用以确定立轴在水平平面内的XY坐标，当安装在立轴上的测头与待测工件接触时，给计算机传递回来测头在垂直方向(Z)的坐标值，综合此时已经确定的XY坐标，这样就可以确定出来测头在空间上一点的位置信息，以此类推。

图像采集是保证水平工作平面内XY坐标精确确定的基础，当气浮滑座沿着花岗岩工作平面移动时，由光源提供充足的照明，经过CCD摄像机把花岗岩表面的图像传送到图像采集卡，再由采集卡将图像交给计算机进行处理。采集到的数字图像需要在计算机内进行处理才能得到反映XY坐标的位移量。利用数字图像技术进行测头位移测量，用虚拟X-Y-Z-θ的坐标轴取代实际的X-Y-Z坐标轴，实现了空间坐标的测量，并大大简化了坐标机的机械结构。

本发明突破了传统的三坐标测量机的结构模式，引入了由气浮系统和图像采集系统构成新的测量体系，成功的降低了系统的造价，实现了中等精度的低成本测量。

本发明的实现还在于基于数据图像处理的虚拟坐标测量机，其气浮滑座上向下开有个孔，沿两个不同的径向各均匀分布有三个孔，三个大孔安装有三块气浮块，大孔的形状根据气浮块的外形而定，可以是圆孔。也可以是方孔，还可以是其它形状的孔，该孔的形状与气浮块的外形相适应。三个小孔安装图像采集装置中的CCD摄像机。CCD摄像机是安装在气浮滑座上，气浮滑座是由三块气浮滑块支撑，与工作台为气浮接触，气浮滑座上开有6个孔，三个大一些的孔用于安装气浮滑块，有三个小一些孔用于安装CCD摄像机。气浮块和气浮滑座的配合安装保证了气浮滑座的平稳运行，以及保证CCD图像采集装置可以采集到清晰稳定的图像，准确地确定气浮滑座所在的坐标位置。气浮块即空气静压轴承由于具备摩擦阻力小，运动速度快；运动平滑，精度高，低速运动无爬行；耐高、低温性能好，不污染环境；清洁度高，噪音、振动小等特点。它的应用也使得本发明的机械主体在工作平台上运行自如和精确到位，特别是还能在辐射条件下工作。

在高精度花岗岩工作平台上，放置气浮滑座，将三台高精度CCD摄像机安装在气浮滑座上，并将CCD摄像机与高性能计算机相连接，通过在移动过程中实时处理CCD摄像机传送回来的图像，实现水平面内的X-Y-θ测量。其次，在气浮滑座的中心部位安装垂直于花岗岩工作平台的立轴，得到X-Y-Z-θ四维空间量的测量，经过计算，将人手工推动气浮滑座时产生的微小角度(θ)变化量折算到X-Y方向，实现X-Y-Z三维空间尺寸测量。

本发明的基于上述数据图像处理的虚拟坐标测量机的测量方法的实现在于：

经过CCD摄像机把花岗岩表面的图像传送到图像采集卡，再由采集卡将图像交给计算机进行处理。采集到的数字图像需要在计算机内进行处理才能得到反映X-Y坐标的位移量，本发明的基于数据图像处理的虚拟坐标的测量方法，其特征在于：具体的测量步骤如下：

第一步：准备，将工件放置于花岗工作石平台上，开启气源使气浮滑座开始工作；

第二步：打开计算机，初始化DH-CG300图像采集卡，设定虚拟坐标测量的原点；

第三步：手工推动气浮滑座，使测头与工件表面完好接触；

第四步：读取花岗工作石平台表面处于摄像机8取景范围内的单帧图像；

第五步：将图像转化为灰度图象；

第六步：分割图像；

第七步：提取图像边缘；

第八步：图像边缘的表示；(不变矩、小波系数)

第九步：特征区域间的匹配；

第十步：计算相对第二步设定的坐标原点位移量；

第十一步：手工推动气浮滑座，使测头与工件表面完好接触，重复第三步至第十一步；

第十二步：测量完成后将所测的位移量保存到计算机；

第十三步：关机。

本发明不再沿用传统测量机的机械式三坐标测量轴，别开思路，建立了虚拟轴测量的概念和方法，并将其应用设计了三坐标测量机。将气浮技术与虚拟轴测量相结合，将接触测量和非接触测量有机结合，创造了基于数据图像处理的虚拟坐标测量机及其测量方法。本发明的整体构成非常简化，就是在工作平台上放置被测工件和测量系统，配合计算机和外设，操作时人手推动测量系统，就可开始对于工件的测量。

测头的驱动依靠人工推动安装在气浮滑座上的测量系统来实现位移的测量。因此相对于传统的X-Y-Z驱动和测量体系结构，需要实现X-Y-Z位移测量和θ旋转角度测量，其中X-Y-Z位移测量实现是测头在花岗岩工作平台上位移的测量，可以确定测头的空间位置。由于在人手工推动的过程中不可避免的会产生微小的转动，即存在有θ旋转角度，本发明将测量到的θ旋转角度的量通过修正叠加到X-Y-Z坐标上。

本发明采用虚拟坐标测量概念和数字图像处理技术，对现有三坐标测量机的机械主体进行简化，实现三维空间(平面)的位移尺寸测量，它将使三坐标测量机测量原理发生质的改变，可以认为是对现有三坐标测量机的一种革新。

由气浮系统和图像采集系统构成新的测量体系，成功的降低了系统的造价，实现了中等精度的低成本测量。

附图说明：

图1是现有技术中典型的三坐标测量机的组成示意图；

图2是本发明构成简明的示意图；

图3是本发明气浮滑座的装配孔示意图；

图4是本发明图像采集装置的基本组成示意图；

图5是本发明的基于数据图像处理的虚拟坐标测量方法的基本流程框图。

具体实施方式：

实施例1：

如图2所示，本发明作为基于数据图像处理的虚拟坐标测量机，包括有工作平台、机械主体、测头、计算机及其外设，测头安装于机械主体的立轴上，还包括有图像采集装置，采用花岗石平台作为工作平台1，因为花岗石受温度影响而发生的变形小。机械主体主要由气浮滑座6、立轴4、测头3和CCD摄像机8构成，图像采集装置主要由CCD摄像机8、光源和采集卡9构成，在气浮滑座6上垂直于花岗岩工作台设有立轴4，气缸和测头安装在立轴4上，沿立轴可以上下运动，并可于任意位置锁定。气浮滑座6的底部安装有光源和三台CCD摄像机8，CCD摄像机8的镜头对着花岗岩工作平台1表面，处在光源的辅助照明范围，光源采用环形光源。图像采集卡安装在计算机5的硬件扩展槽中，气浮滑座6内安装的CCD摄像机8的数据线直接连接到图像采集卡9上，机械主体和被测工件2均置于花岗石工作平台上，测头3也与计算机有电信号连接。CCD摄像机8采用高像素、高清晰度的摄像机，光源采用高品质的环形光源，以保证CCD摄像机8对图像的采集。CCD摄像机8与计算机通过电缆有图象信息连接，实际上就是通过安装在计算机5的硬件扩展槽中的图像采集卡9进行数据连接的，参见图4。

与现有的传统三维形位尺寸测量装置不同，本发明提出了一种采用虚拟坐标轴实现形位尺寸测量的技术方案。虚拟坐标轴来自数字图像处理技术。实际做法是首先在高精度花岗岩工作平台上，放置气浮滑座，将三台高精度摄像机安装在气浮滑座上，并将摄像机与高性能计算机相连接，通过在移动过程中实时处理摄像机传送回来的图像，实现水平面内的X-Y-θ测量。其次，在气浮滑座的中间部位安装垂直于花岗岩工作平台的高精度花岗岩滑座及相应的摄像机并连接到计算机实现处置方向的Z坐标测量。得到X-Y-Z-θ四维空间量的测量，经过修正实现X-Y-Z三维空间尺寸测量。

实施例2：

总体构成和连接关系同实施例1，基于数据图像处理的虚拟坐标测量机的气浮滑座6上向下开有6个孔，参见图3，沿两个不同的径向各均匀分布有三个孔，三个大孔安装有三块气浮滑块，即空气静压轴承，具体采用西安工业学院研制的圆形空气静压轴承；三个小孔安装图像采集装置中的CCD摄像机8。为了保证测量系统的高可靠性，本发明采用了气浮滑座这个承载着多个技术要素的机构，其上安装有立轴4和测头3，其下安装有摄像机8和气浮块，气浮块即空气静压轴承具备摩擦阻力小，运动速度快；运动平滑，精度高，低速运动无爬行；耐高、低温性能好，不污染环境；清洁度高，噪音、振动小等特点。它的应用也使得本发明的机械主体在工作平台上运行自如和精确到位，特别是还能在辐射条件下工作。在气浮滑座共安装三台图像采集装置和三套气浮块。使得设备结构轻巧简单、操作方便、工作可靠。

实施例3：

总体构成和连接关系同实施例1，如图2所示，在图中安装测头3的位置处安装激光扫描测头，激光扫描测头主要用于实现较软材料或一些特征表面进行非接触测量。测头在距离检测工件一定距离(比如50mm)，在其聚焦点一定范围内进行测量，采点速率在200点/秒以上。通过对大量采集数据的平均处理功能而获得较高的精度。通过安装激光扫描测头拓展了本发明的应用方面，提高了对特殊材料的测量能力。

实施例4：

总体构成和连接关系同实施例1，如图2所示，在图中安装测头3的位置处发装视频测头，视频测头进一步提高了测量机的应用，使得许多过去采用非接触测量无法完成的任务得以完成。一些诸如印刷线路板、触发器、垫片或直径小于0.1mm的孔可采用视频测头进行测量。操作者可将检测工件表面放大50倍以上，采用标准的或可变换的镜头实现对细小工件的测量。通过采用安装视频测头的方法提高了本系统的对一些特殊情况下尺寸位移的测量能力。

实施例5

如图5所示，本发明的基于数据图像处理的虚拟坐标测量方法是人机配合完成测试的方法，具体步骤如下：

第一步：准备，将工件放置于花岗工作石平台1上，开启气源使气浮滑座6开始工作；

第二步：打开计算机，初始化DH-CG300图像采集卡，设定虚拟坐标测量的原点，原点设定为随机的，即开机时气浮滑座6所在位置；

第三步：手工推动气浮滑座6，使测头3与工件表面完好接触；

第四步：读取花岗工作石平台1表面处于摄像机8取景范围内的单帧图像；

第五步：将将摄像机8通过通信电缆传递到计算机中的图像转化为灰度图象；

第六步：将灰度化的图像进行分割得到分割图像；

第七步：提取分割图像中的边缘；

第八步：图像边缘的表示；(不变矩、小波系数)

第九步：对相邻桢图像中的特征区域进行的匹配；

第十步：计算相对第二步设定的坐标原点位移量；

第十一步：手工推动气浮滑座6，使测头3与工件表面完好接触，重复第三步至第十一步；

第十二步：测量完成后将所测的位移量保存到计算机；

第十三步：关机。

在计算机内的处理流程如图5所示，开机初始化图像采集卡，为采集数字图像做好准备，确定初始坐标原点，当读取到一帧图像后，首先将图像转化为灰度图像，减少处理的复杂程度。然后将灰度图像分割，以突出花岗岩表面的特征区域。再提取特征区域的边缘，为特特征量的提取做准备。其次图像边缘的表示过程提取出图像边缘的特征量，将以图像表示的边缘转化为以数字表示的特征量。然后将提取出来的特征量进行匹配，以确定相同的特征区域在相邻帧图像中的不同位置，计算相邻帧图像产生的位移量，最后判断是否还有新的图像被采集到，如果有则再次进行相应的处理，如果没有则退出图像处理循环。

实施例6

具体方法同实施例5，原点的选定是根据工件的尺寸和结构，可以采用固定原点的方法，具体步骤如下：

第一步：准备，将工件放置于花岗工作石平台1上，开启气源使气浮滑座6开始工作；

第二步：打开计算机，初始化DH-CG300图像采集卡，设定虚拟坐标测量的原点在花岗工作石平台1上的边角处；

第三步：手工推动气浮滑座6，使测头3与工件表面完好接触；

第四步：读取花岗工作石平台1表面处于摄像机8取景范围内的单帧图像；

第五步：将图像转化为灰度图象；

第六步：分割图像；

第七步：提取图像边缘；

第八步：图像边缘由不变矩、小波系数表示；

第九步：特征区域间的匹配；

第十步：计算相对第二步设定的坐标原点位移量；

第十一步：手工推动气浮滑座6，使测头3与工件表面完好接触，重复第三步至第十一步；

第十二步：测量完成后将所测的位移量保存到计算机；

第十三步：关机。

本发明的方法特点是相对于传统测量机的实际测量轴，突破性的创造了虚拟轴测量的概念，并与以往的方法不同。在气浮系统和图像采集装置构成新的测量体系上实现测量。坐标原点可以自行确定，得到X-Y-Z-θ四维空间量的测量，经过修正实现X-Y-Z三维空间尺寸测量。以满足对不同形状和结构工件的三维形位尺寸测量。

作为装置本发明易于生产和制造，由于构件少，成本也很低，较传统的三坐标测量机有数量级的降低。

经试研制，采用本发明对工件进行测试，

(1)测量不确定度水平为：

总平面U₉₅＝1×10^-5L    (L是最大量程，单位为m)；

空间U₉₅＝(2～3)×10^-5L (L是最大量程，单位为m)；

(2)测量机的测量空间指标(500×400×500)：

立轴行程：500mm；x-y平面：500mm×400m；

实现中等精度测量。

参见图5，本发明的具体的工作过程是：将工件放置在花岗岩工作台1上，手工推动气浮滑座6到适当的位置，调整测头3的位置与工件的表面接触，采集工件表面上任意一点的位置信息输入到计算机中后，移动到下一个位置后，再次测量工件表面的一点的位置信息，经过若干次的采集后，将工件表面上点的信息存储在计算机内，通过表面重建，最后得到工件的整体的尺寸信息。

Claims (3)

1.一种基于数据图像处理的虚拟坐标测量机，包括有工作平台、机械主体、测头、计算机及其外设，测头安装于机械主体的立轴上，其特征在于：基于数据图像处理的虚拟坐标测量机还包括有图像采集装置，所述的工作平台为花岗岩工作平台(1)，所述的机械主体主要由气浮滑座(6)、立轴(4)、测头(3)和CCD摄像机(8)构成，图像采集装置主要由所述CCD摄像机(8)、光源和采集卡(9)构成，在气浮滑座(6)上垂直于花岗岩工作台(1)设有立轴(4)，气缸和测头(3)安装在立轴(4)上，气浮滑座(6)的底部安装有光源(7)和三台CCD摄像机(8)，CCD摄像机(8)的镜头对着花岗岩工作平台(1)表面，处在光源(7)的辅助照明范围，图像采集卡(9)安装在计算机(5)的硬件扩展槽中，CCD摄像机(8)的数据线通过电缆直接连接到图像采集卡(9)上，机械主体和被测工件(2)均置于花岗石工作平台(1)上，测头(3)也与计算机(5)有电信号连接。

2.根据权利要求1所述的基于数据图像处理的虚拟坐标测量机，其特征在于：气浮滑座(6)上向下开有6个孔，沿两个不同的径向各均匀分布有三个孔，三个大孔安装有三块气浮块，大孔根据气浮块的外形而定，三个小孔安装图像采集装置中的CCD摄像机(8)。

3.一种基于如权利要求1或2所述的数据图像处理的虚拟坐标测量机的测量方法，其特征在于：具体的测量步骤如下：

第一步：准备，将工件放置于花岗工作石平台(1)上，开启气源使气浮滑座(6)开始工作；

第二步：打开计算机，初始化DH-CG300图像采集卡，设定虚拟坐标测量的原点；

第三步：手工推动气浮滑座(6)，使测头(3)与工件表面完好接触；

第四步：读取花岗工作石平台(1)表面处于摄像机8取景范围内的单帧图像；

第五步：将图像转化为灰度图象；

第六步：分割图像；

第七步：提取图像边缘；

第八步：图像边缘的表示；

第九步：特征区域间的匹配；

第十步：计算相对第二步设定的坐标原点位移量；

第十一步：手工推动气浮滑座(6)，使测头(3)与工件表面完好接触，重复第三步至第十一步；

第十二步：测量完成后将所测的位移量保存到计算机；

第十三步：关机。

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