CN100565096C - 一种全自动影像测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明为一种全自动影像测量仪。能高效地检测各种形状复杂工件的轮廓和表面形状及尺寸、角度和位置。本发明由三维移动工作台、显微镜、CCD、照明系统、电气控制卡、个人计算机组成；个人计算机配备图像采集卡，接收由显微镜和CCD所构成光学成像系统的图像数据，然后利用图像处理技术，对获取的图像数据进行处理，完成对三维移动工作台上工件的测量。本发明的三维移动工作台采用一体化的传动机构，并设计了一种影像测量仪专用电气控制卡；本发明还提供了一种全自动轮廓测绘模块，在不需要操作者干预的情况下，自动完成零件轮廓的测绘工作。

Description

一种全自动影像测量仪

技术领域

本发明为一种采用光学影像进行几何测量的全自动仪器。能高效地检测各种形状复杂工件的轮廓和表面形状及尺寸、角度和位置，特别是精密工件的精确测量与质量控制。

背景技术

目前的影像测量仪大致可以分为手动、电动、自动三类。全自动影像测量仪由于操作方便、测量效率高，已经广泛应用于各个行业。

在影像测量仪的设计中，对测量精度造成直接影响的是三维运动平台的传动机构。传动机构的设计一般按丝杠(或光杆)螺母移动范围建立一个机架的区域，即长套壳。驱动器丝杠(或光杆)动力输入的连接须用上联轴器以免电机安装的误差传递给丝杠(或光杆)，产生偏载从而降低驱动器从螺母输出的运动精度。同时还必须在丝杠(或光杆)尾端按有含可以轴向移动的轴承的尾端板。以确保丝杠(或光杆)轴向长度因热变形所造成的位移能自由变化，并且不影响运动精度。但是如此理想的结构，因长套壳的形状及易导致变形，工艺上很难控制其精度。

另外，现有的影像测量仪没有专用的电控系统，通常是根据各个子功能选取标准板卡，然后将它们简单组合在一起，分别完成仪器所需的各项功能，如电机驱动卡、运动控制卡、光栅尺接口卡、照明控制卡等。由于这些板卡是通用产品，各个方面的性能比较均衡，一方面有些影像测量仪需要的功能并不强大，另一方面却具有很多测量仪根本就不需要的功能。这就必然造成现有的电控系统结构复杂、体积臃肿、成本增高，同时也会导致可靠性低，不易维护。

影像测量仪的一个重要功能是逆向工程中的测绘功能。目前全自动影像测量仪的测绘功能都需要大量的手工操作，效率极为低下，在自动化方面还需要有很大的提升。

发明内容

全自动影像测量仪的结构包括：XYZ三维移动工作台[1]、显微镜[2]、CCD、照明系统[3]、电气控制卡[4]和个人计算机[5]；个人计算机[5]配备图像采集卡，接收由显微镜[2]和CCD所构成光学成像系统的图像数据；个人计算机[5]包括精密测量模块，利用图像处理技术，对获取的图像数据进行处理，完成对XYZ三维移动工作台[1]上工件的三维测量；个人计算机[5]通过向电气控制卡发送命令来移动XYZ三维移动工作台[1]，使得需要测量的区域移动到显微镜的可视区域内；照明系统[3]在不同工件、不同测量要求下，保证光学成像系统获取到高质量的图像数据。图1给出了本发明的整体结构示意图。

本发明的一个目的是提供一种精度高、加工简单的一体化传动机构。

传统的杠传动机构通常包括：联轴壳、长套壳和尾端板，因长套壳的形状极易导致变形，工艺上很难控制其精度。为此，本发明设计了一个一体化机架[9]，将联轴器[7]、丝杠[8]放置其腔体内，电机体安装在联轴器腔体[10]外侧，且电机轴直接连接到联轴器上。如此设计使得电机定位孔与丝杠两端的轴承定位孔在加工时就能保证同轴。通过二次去应力处理，可以方便解决整个机体的形位公差要求。并且电机在传递动力至丝杠过程中，消除了原有因联轴壳安装的间隙所致迟后效应。这一方面可以使得装配上很容易就保证精度，同时在加工上又很容易实现，且可靠性高。

本发明的另一个目的是提供一种结构紧凑、可靠性高的全自动影像测量仪专用的电气控制卡[4]。

电气控制卡需要实现的功能包括：运动控制、电机驱动、照明控制、光栅尺读数、操作手柄支持、与个人计算机通讯等。本发明设计了一种针对全自动影像测量仪的专用电气控制卡，在一块电子板中实现了全自动影像测量仪需要的各项功能。

本专用电气控制卡采用DSP+FPGA架构。利用DSP的高速计算能力完成运动控制所需的大规模运算，然后通过其内部的PWM专用模块进行电机控制。DSP的IO接口丰富，可以直接与USB接口芯片连接，完成与个人计算机的通讯功能。

FPGA具备高速的逻辑处理能力，又具备灵活的可编程特性。可以完成读取光栅尺数据、读取操作手柄数据、照明控制等工作，以弥补DSP的不足。

本发明的另一个目的是个人计算机中的精密测量模块提供了一种全自动轮廓测绘子模块。

全自动影像测量仪对显微镜的当前可视区域获取图像数据，按照图像处理算法自动提取出其中的零件轮廓，并根据这部分轮廓的方向自动控制运动平台沿着轮廓方向运动，然后获取新的图像数据，如此反复，直到获取了封闭的轮廓。

在获取边缘以后，需要根据当前图像的边缘数据，控制运动平台移动到下一个测量位置：按照边缘方向搜索，直到遇到图像边界，将边界点作为下一帧图像相反边界的中点位置，由此计算下一帧图像的中心位置，然后通知移动平台将显微镜的可视区域的中心移动到位置即可。

本发明具有如下优点：

(1)一体化的传动机构，精度高、加工简单、可靠性高；

(2)专用影像测量仪电气控制卡，可靠性高、成本低、易维护；

(3)一种全自动的轮廓测绘模块，极大的提高了全自动影像测量仪在逆向工程中的效率；

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的电气控制卡结构示意图。

图3是本发明的电气控制卡具体实施例结构示意图。

图4是本发明的全自动轮廓测绘方法的工作流程示意图。

具体实施方式

图2给出了本实施例传动机构中一体化机架的示意图，

一体化机架[9]包括两个腔体：丝杠腔体[11]和联轴器腔体[10]。丝杠腔体[11]上面开口较大，保证带有螺母的丝杠能从上面安装进去。丝杠腔体丝杠腔体两侧都有安装轴承的通孔。联轴器腔体[10]外侧有连接电机的通孔

在装配时，首先将带螺母的丝杠到丝杠腔体内，再安装两侧的轴承；然后将联轴器安装到联轴器腔体中，且联轴器的一端套住丝杠的对应端；接着将电机轴伸入到联轴器的对应端，并将电机体安装到联轴器腔体的外侧。

本一体化传动机构结构简单，精度易于保证。

图3给出了电气控制卡具体实施例结构示意图。本实施例的电气控制卡采用DSP+FPGA的架构。

Freescale的DSP56F807是一款专用于电机控制的DSP芯片，具备高速的计算能力和专用的PWM模块，可直接产生电机控制信号。DSP的高速计算能力用来实现运动控制中所需的大量计算工作，PWM模块极大的简化了电机控制。

USB通讯采用PHILIPS的PDIUSBD12芯片。DSP通过数据线、地址线与PDIUSBD12芯片相连，利用该芯片高效地完成送出的信号到USB规范的信号的转换，实现与个人计算机相连，传输工作过程中的控制命令和状态数据。

FPGA可采用Xilix的XC3S50芯片。该芯片既能提供高速的逻辑处理能力，又具备灵活的可编程特性。可以用来读取光栅尺数据、读取操作手柄数据、产生照明控制的PWM信号，以弥补DSP在这方面的劣势。

全自动轮廓测绘方法中，最关键的是需要可靠地获取图像中的边缘，以下为边缘提取步骤：

①首先使用高斯滤波对采集的图像数据进行滤波，高斯滤波公式为：

$g[i,j]=e^{-\frac{(i^2+j^2)}{2{\mathrm{\δ}}^2}}$

其中g[i，j]表示位置(i，j)处的滤波器权值，，δ为高斯分布参数；

②采用Sobel算子进行边缘检测：图像中的每一点分别与8个Sobel模板做卷积，将得到的最大值作为输出，并将对应模板的方向作为该点的方向；

③使用高阈值得到Sobel边缘图1，使用低阈值得到Sobel边缘图2；

④使用Canny最佳边缘检测算法得到Canny边缘图；

⑤Canny边缘图与Sobel边缘图1逐像素相与，得到初始边缘图；

⑥在初始边缘图中寻找每一条边缘线的端点或孤立点，标记这些点作为修补边缘的初始点；

⑦采用轮廓跟踪的思想进行边缘修补，具体步骤如下：

a.在Sobel边缘图1中确定端点或孤立点P的边缘方向；

b.确定P点边缘方向上的点P’坐标；

c.若P’在Sobel边缘图2上，则P点为丢失的边缘点，将初始边缘图上的P修补，且P’置为P，返回a步。若P’点不在Sobel边缘图2上，则停止对P的边缘修补；

d.若初始边缘图上还有端点或孤立点还未修补，则返回a步。

在获取边缘以后，需要根据当前图像的边缘数据，控制运动平台移动到下一个测量位置。图4给出了全自动轮廓测绘方法的工作流程。图中的圆点为用户选择的工作起始点，带标号的虚线框按顺序标识出了影像测量仪自动测绘的区域。

Claims (3)

1.一种全自动影像测量仪，由三维移动工作台[1]、显微镜[2]、CCD、照明系统[3]、电气控制卡[4]、个人计算机[5]组成，其特征在于：所述三维移动工作台[1]的传动机构采用一体化机架[9]，一体化机架包括两个腔体：丝杠腔体[11]和联轴器腔体[10]，丝杠腔体[11]上面开口，带有螺母的丝杠[8]从开口处安装进去，丝杠腔体两侧都有安装轴承的通孔，联轴器腔体外侧有连接电机的通孔，联轴器[7]在联轴器腔体中连接丝杠与电机；所述电气控制卡[4]是一种影像测量仪专用的电子板卡，集成了运动控制、电机驱动、照明控制、光栅尺读数、操作手柄支持、与个人计算机通讯的功能；所述的个人计算机[5]具有全自动边缘轮廓测绘模块。

2.如权利要求1所述的全自动影像测量仪，所述全自动边缘轮廓测绘模块包括零件边缘轮廓提取模块，所述零件边缘轮廓提取模块自动提取出零件边缘轮廓，并根据这部分边缘轮廓的方向自动控制移动工作台沿着边缘轮廓方向运动，然后获取新的图像数据，如此反复，直到获取了封闭的边缘轮廓。

3.如权利要求2所述的全自动影像测量仪，所述零件边缘轮廓提取模块包括：使用高斯滤波对采集到的图像数据进行滤波的模块；采用Sobel算子进行边缘检测的模块，使用高阈值得到Sobel边缘图1，使用低阈值得到Sobel边缘图2的模块；用Canny最佳边缘检测算法得到Canny边缘图的模块；将Canny边缘图与Sobel边缘图1相与，得到初始边缘图的模块；在初始边缘图中寻找每一条边缘线的端点或孤立点、标记这些点作为修补弱边缘初始点的模块；采用边缘轮廓跟踪思想进行边缘修补的模块。

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