CN101839696A - 一种影像式半径样板自动检定仪 - Google Patents

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杨聪
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Abstract

本发明介绍了一种影像式半径样板自动检定仪，它以三轴CNC自动移动工作台为主体，配备显微镜、CCD、照明系统、电气控制卡和个人计算机。三轴工作台可在计算机的控制下，由电气控制卡的驱动，实现程序控制。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捕获的试验筛图像数据。个人计算机中提供了一种全自动的半径样板检定模块，包括模块圆弧提取模块和半径样板搜索模块。圆弧提取模块实现捕获轮廓信息，自动分割出半径圆弧有效区域，拟合圆弧，计算得到半径值；在完成一片半径样板的圆弧提取以后，半径样板搜索模块搜索下一个半径样板的起始位置，作为圆弧提取模块提取新一块半径样板的起始位置。

Description

一种影像式半径样板自动检定仪
技术领域
本发明为一种采用光学影像方式进行半径样板检定的全自动仪器，能自动地对成组半径样板进行快速检定，并直接生成检定报告。
背景技术
目前的半径样板检定通常采用万能工具显微镜等设备，以手工操作方式完成。一组半径样板有多达32个圆弧半径需要测量，每个圆弧半径需要依赖手工操作的方式，对每片半径样板逐个聚焦清晰，并提取多个点进行测量，工作量繁重、效率低下、检定数据客观性差，给各地计量部门带来了很大困难。
在近年来的文献中，未见到有关于半径样板自动检定设备的报道。
发明内容
影像式半径样板自动检定仪的结构包括：XYZ三轴移动工作台[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]包括半径样板检定模块，它利用图像处理技术，对获取的图像数据进行处理，完成对XYZ三轴移动工作台[1]上半径样板[6]的检定；个人计算机[5]通过向电气控制卡发送命令来移动XYZ三轴移动工作台[1]，使得半径样板上待测区域移动到显微镜的可视区域内；照明系统[3]保证光学成像系统获取到高质量的半径样板图像数据。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高精度、可程序控制的三轴移动工作平台。通过个人计算机[5]中的半径样板检定模块控制平台移动，将半径样板待测区域逐个移动到显微镜下，顺序完成的扫描工作。
本发明的另一个目的是在个人计算机中提供了一种全自动的半径样板检定模块。半径样板检定模块又分为圆弧提取模块和半径样板搜索模块。
检定成组半径样板时，操作者只需将半径样板上所有样板平铺展开，固定在测量平台上，启动检定模块，选取该组样板中最高一片半径样板的外侧边缘作为检定起始位置，圆弧提取模块对个人计算机中图像采集卡获取的图像进行处理，计算得到最高半径样板的边缘点集，如有必要，驱动三轴工作台运动，以检测当前视野外的样板区域，完成最高半径样板的边缘点集后，采用最小二乘法拟合出圆弧，由此得到被检样板圆弧的半径值。
完成一片半径样板的检定后，半径样板搜索模块根据当前检定半径样板边缘位置和高度，预测出下一片半径样板的位置，并控制三轴移动工作台移动到该位置处，自动聚焦，开始新的一片半径样板的检定。
半径样板检定模块自动重复以上过程，直到完成所有的半径样板检定，最后直接打印生成计量系统所需的检定证书。
本发明对半径样板的检定效率高，极大的降低了计量部门的工作量。同时，本发明的检定数据客观、一致性好、受人为因素影响小。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的全自动半径样板检定的工作流程示意图。
图3是本发明的圆弧提取模块工作流程示意图。
图4是本发明的半径样板搜索模块工作流程示意图。
图中主要结构为：1-XYZ三轴移动工作台，2-显微镜、3-照明系统、4-电气控制卡，5-个人计算机，6-被检半径样板，7-圆弧提取模块工作区域，8-半径样板搜索模块工作区域，9-圆弧提取模块提取起始点，10-圆弧提取模块扫描区域，11-样板交界点，12-半径样板搜索模块获取的圆弧起始点。
具体实施方式
半径样板检定模块预存成组标准半径样板的相关数据：半径序列值、半径张角和样板厚度等，以这些数据作为自动检定的依据，保证了检定的可靠性。半径样板检定模块总体工作流程：
①将成组的半径样板均匀摊开，使得每片半径样板有效半径圆弧区域没有被遮挡，将其放置在检定仪工作台面上，用夹具固定牢固；
②由操作者操作仪器，将镜头移动到最高一片半径样板的外侧区域，聚焦清晰；
③启动半径样板自动检定模块；
④调用圆弧提取模块，捕获轮廓信息，自动分割出半径圆弧的有效区域，拟合出圆弧，计算得到测量半径值，完成对当前一片半径样板的检定；
⑤调用半径样板搜索模块，自动搜索出下一块半径样板的起始位置；
⑥重复④～⑤，直到完成该组样板所有半径圆弧的测量；
⑦以每片半径样板的测量值与标准值做比对，判定各片样板是否检定合格，并给出详细的检定报告。
圆弧提取模块实现捕获轮廓信息，自动分割出半径圆弧的有效区域，拟合出圆弧，计算得到测量半径值，完成对当前一片半径样板的检定，具体工作流程如下：
①首先从图像采集卡获取图像数据；
②使用高斯滤波算法对采集的图像数据进行滤波；
③采用Sobel算子进行边缘检测，得到当前影像区域的边缘点集；
④对已经提取的所有边缘点集进行最小二乘法拟合，计算出圆弧半径；
⑤以计算圆弧半径与理论圆弧半径比较，若相差较大，可判定新扫描的区域已经不是当前圆弧的区域，停止当前一片半径样板的扫描，去除新扫描点集，以原有点集进行拟合，得到圆弧半径；
⑥以计算圆弧半径与理论圆弧半径比较，若相差很小，可判定新扫描区域为当前圆弧的部分区域，根据已经提取边缘点集判断出边缘的走势；
⑦控制三轴工作平台按照边缘的走势移动到下一个测量区域；
⑧重复以上步骤，直到扫描到非圆弧上的区域。
在完成一片半径样板的圆弧提取以后，需要使用半径样板搜索模块，搜索下一个半径样板的起始位置，作为圆弧提取模块提取新半径样板的起始位置。半径样板搜索模块具体工作流程如下：
①按照预设的半径样板厚度，向下移动Z轴调整镜头焦距，对下一片半径样板清晰聚焦；
②提取出当前视野的边缘轮廓；
③采用扩张和收缩算法对边缘轮廓进行平滑，去掉明显的噪声点；
④采用Freeman链码进行角点检测，获取两片半径样板的交界点；
⑤以交界点出发，继续使用Freeman链码进行检测，在检测到明显的圆弧轮廓开始时，将这点定做新半径样板圆弧的起始点。

Claims (4)

1.一种影像式半径样板自动检定仪，由三轴移动工作台[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：所述三轴移动工作台[1]的每个轴由直线导轨、丝杠和直流伺服控制系统组成；所述的个人计算机[5]具有全自动半径样板检定模块。
2.如权利要求1所述的影像式半径样板自动检定仪，所述全自动半径样板检定模块包括圆弧提取模块和半径样板搜索模块；圆弧提取模块实现轮廓边缘提取，自动分割出半径圆弧的有效区域，拟合出圆弧，计算得到半径值；半径样板搜索模块搜索下一个半径样板的起始位置，作为圆弧提取模块提取新的一块半径样板的起始位置；两个模块交替工作，直到所有半径样板检定完成。
3.如权利要求2所述的影像式半径样板自动检定仪，所述圆弧提取模块模块从图像采集卡获取图像数据，使用高斯滤波算法滤波，采用Sobel算子进行边缘检测，得到边缘点集，然后对已经提取的所有边缘点进行最小二乘法拟合，计算出圆弧半径；以计算圆弧半径与理论圆弧半径比较，若相差较大，可判定新扫描的区域已经不是当前圆弧的区域，停止当前一片半径样板的扫描，去除新扫描点集，以原有点集进行拟合，得到圆弧半径；以计算圆弧半径与理论圆弧半径比较，若相差很小，可判定新扫描区域为当前圆弧的部分区域，根据已经提取边缘点集判断出边缘的走势；控制三轴工作平台按照边缘的走势移动到下一个测量区域；重复以上步骤，直到扫描到非圆弧上的区域。
4.如权利要求2所述的影像式半径样板自动检定仪，所述半径样板搜索模块按照预设的半径样板厚度，向下移动Z轴调整镜头焦距，对下一片半径样板清晰聚焦；提取出当前视野的边缘轮廓；采用扩张和收缩算法对边缘轮廓进行平滑，去掉明显的噪声点；采用Freeman链码进行角点检测，获取两片半径样板的交界点；以交界点出发，继续使用Freeman链码进行检测，在检测到明显的圆弧轮廓开始时，将这点定做新半径样板圆弧的起始点。
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