CN102419157B - 微小深度尺寸自动图像测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微小深度尺寸自动图像测量系统。本发明包括计算机、四轴运动控制卡、微小深度尺寸测量光路、电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台、X方向电动平移台、步进电机驱动器、步进电机以及图像处理软件。计算机通过PC104总线接口与四轴运动控制卡相连接，计算机通过USB口与微小深度尺寸测量光路相连接，四轴运动控制卡与四个步进电机驱动器相连接，每个步进电机驱动器与对应的步进电机相连接，步进电机分别安装在电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台和X方向电动平移台中，图像处理软件安装在计算机中。本发明结合了图像测量功能和自动定位控制功能于一体，能完成多种微小深度参数的测量。

Description

微小深度尺寸自动图像测量系统

技术领域

本发明属于工业自动控制中的自动测量技术领域，具体涉及一种微小深度尺寸自动图像测量系统。

背景技术

随着材料与制造技术的飞速发展，对产品的微小化和加工质量提出了越来越高的要求，寻求有效的微测量手段已经成为国内外研究的热点之一。尤其在精密加工行业中，常常需要对微结构的三维尺寸进行准确和快速的测量。然而在微结构的三维尺寸中，垂直方向尺寸相对于平面尺寸的测量较为困难。特别在工业现场，受环境温度、冲击和振动等因素的影响，要实现微小深度尺寸的自动测量更加困难。

传统的测量微小深度尺寸的仪器有很多，如机械仪表、触针式仪器和体视显微镜等，都无法满足现代工业技术的高效率和自动化的检测要求。近年来，随着光电检测技术和数字图像处理技术的快速发展，图像测量技术被越来越多的应用于各个行业中，如精密加工、电子、机械装备、医药、印刷和食品等。

精密加工行业运用图像测量技术对微小深度尺寸进行非接触测量时，常常需要对被测工件进行精密的位置定位。目前虽然成熟的图像测量系统和位置运动控制系统已屡见不鲜，但结合图像测量功能和位置运动控制于一体，能自动、快速的测量微小深度尺寸的装置还没有出现，国内外对这种测量装置的需求将逐渐增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效、精确、自动的微小深度尺寸图像测量系统，要解决现有的微小深度尺寸测量仪器自动化程度不高、测量参数单一、无法自动精密定位等技术问题。

为了实现以上目的，本发明采取以下设计方案：本发明主要组成部分包括：计算机、四轴运动控制卡、微小深度尺寸测量光路、电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台、X方向电动平移台、步进电机驱动器、步进电机以及运行在计算机中的专业图像处理软件等组成。测量微小深度尺寸时，被测表面的轮廓光带信号经由微小深度尺寸测量光路成像在电子目镜的CMOS面阵上，计算机通过USB接口采集电子目镜上的光带图像信号，利用数字图像处理技术，对图像进行预处理，判断被测对象是否定位在最佳成像位置；四轴运动控制卡根据图像处理结果和软件指令，向步进电机驱动器发出控制信号，驱动电机带动工作台到达到最佳成像位置，然后进行微小深度尺寸的高精度测量。

计算机通过PC104总线接口（插座）与四轴运动控制卡相连接，计算机与微小深度尺寸测量光路相连接，四轴运动控制卡与步进电机驱动器相连接，步进电机驱动器与步进电机相连接，步进电机分别安装在电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台和X方向电动平移台中，专业图像处理软件安装在计算机中。

微小深度尺寸测量光路主要由半导体激光器、柱面镜、滤光片、显微物镜以及电子目镜组成。半导体激光器发出的光经过柱面镜形成一个平面光投射在工件表面上，在被测表面上形成一条宽度很窄的红色光带。光带经过反射或漫反射，通过滤光片滤去杂光，然后通过显微物镜后在电子目镜中的CMOS面阵上成像，图像信号经由USB信号传入计算机中进行保存和处理。

计算机、四轴运动控制卡和电子目镜构成了本发明的最核心部分，它们负责系统软件的运行，实现屏幕显示、按键输入、图像采集和处理、4个位移平台（电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台和X方向电动平移台）的运动控制。

四轴运动控制卡通过接插件与步进电机驱动器相连接，根据系统软件指令对步进电机实施控制，并对电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台和X方向电动平移台的各种状态进行在线监测。

整个系统的执行单元主要是由电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台和X方向电动平移台，以及与它们相连的步进电机和步进电机驱动器构成。四轴运动控制卡对步进电机驱动器发出控制信号，控制信号经由驱动器放大处理后直接驱动对应的步进电机。步进电机的旋转轴与电动位移平台上的机械传动装置相连，电机的旋转运动通过机械传动装置带动电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台和X方向电动平移台完成各自的运动。

专业的图像处理软件主要由图像采集模块、图像预处理模块、自动调焦模块、X-Y方向定位模块、参数设置模块和图像测量模块组成。

图像采集模块包括图像采集、显示及保存操作；图像预处理模块包括图像灰度化、滤波、阈值分割、数学形态学操作；自动调焦模块包括调焦函数计算、粗调焦和细调焦操作；X-Y方向定位模块包括特征点提取、X方向定位和Y方向定位操作；参数设置模块包括设置测量参数（如表面粗糙度、刻痕深度和量块厚度差等）以及步进电机参数操作；图像测量模块包括边缘提取、细化、公式计算和图像标定操作。

系统软件工作流程：微小深度尺寸自动图像测量系统通电后首先进行初始化，加载计算机、四轴运动控制卡、步进电机驱动器以及与之相连的各种设备；加载结束后，进行系统完整性测试，验证各个设备状态，通过测试后，系统软件启动完毕，进入图像采集状态。首先对采集到得图像进行预处理，包括图像灰度化、中值滤波、阈值分割和数学形态学处理。然后根据预处理后的图像判断出被测对象是否定位在最佳成像位置上，当被测对象处于最佳成像位置时，程序直接进入图像测量模块。否则，需要进行调焦和X-Y方向定位操作。调焦过程为首先计算调焦函数，然后根据计算结果控制Z方向电动升降台的运动来依次完成粗调焦和细调焦。X-Y方向定位过程为首先提取图像中的特征点，然后根据特征点的二维坐标来控制X方向电动平移台和Y方向电动平移台的运动来实现两个方向定位控制。调焦和X-Y方向定位操作完成后，再判断此时的被测对象是否处于最佳成像位置，当被测对象处于最佳成像位置时，程序直接进入图像测量模块，进行边缘提取、细化、公式计算和图像标定操作。否则，需要再次进行调焦和X-Y方向定位操作，直到被测对象被判断为处于最佳成像位置为止。

系统持续运行直至关机，正常关机前保存当前数据，并将数据和配置文件写入系统的内置存储器中。

本套测量系结合了图像测量功能和自动定位控制功能于一体，能完成多种微小深度参数的测量，如表面粗糙度、刻痕深度以及量块厚度差等，能大大提高测量精度及测量效率。同时，由于本套系统是基于非接触的光学检测方法，对测量环境要求不高，能运用于现场测量和在线测量中，为高精度的加工行业提供了关键技术的保障。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意框图；

图2 为本发明中微小深度尺寸测量光路图；

图3为本发明中图像处理软件模块图；

图4为本发明软件流程图；

图中，1.计算机、2. 四轴运动控制卡、3.微小深度尺寸测量光路、4. 电动旋转台、5. Z方向电动升降台、6. Y方向电动平移台、7. X方向电动平移台、8～11. 步进电机驱动器、12～15.步进电机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明微小深度尺寸自动图像测量系统进行详细的描述。

1、硬件部分

本发明的微小深度尺寸自动图像测量系统如图1所示，包括计算机1、四轴运动控制卡2、微小深度尺寸测量光路3、电动旋转台4、Z方向电动升降台5、Y方向电动平移台6、X方向电动平移台7、步进电机驱动器8、9、10、11、步进电机12、13、14、15以及运行在计算机中的专业图像处理软件等组成。

微小深度尺寸测量光路如图2所示，主要由半导体激光器、柱面镜、滤光片、显微物镜以及电子目镜组成。半导体激光器发出的光经过柱面镜形成一个平面光投射在工件表面上，在被测表面上形成一条宽度很窄的红色光带。光带经过反射或漫反射，通过滤光片滤去杂光，然后通过显微物镜后在电子目镜中的CMOS面阵上成像，图像信号经由USB信号传入计算机中进行保存和处理。

计算机、四轴运动控制卡和电子目镜构成了本发明的最核心部分，它们负责系统软件的运行，实现屏幕显示、按键输入、图像采集和处理、4个位移平台（电动旋转台、X方向电动平移台、Y方向电动平移台和Z方向电动升降台）的运动控制。

四轴运动控制卡采用研华PCI-1243U的4轴智能步进电机控制卡，该卡使用了PCD-4541运动控制器，可以执行各种运动控制指令。每个轴都可以通过板卡上的I/O寄存器直接控制。四轴运动控制卡有1个标准的PC104总线接口（插针），通过它与计算机相连；对电动旋转台、Z方向电动升降台、X方向电动平移台和Y方向电动平移台的运动控制分别由4个插件与步进电机驱动器相连，运动控制信号采用位置控制方式，即脉冲、方向控制。

整个系统的执行单元主要是由电动旋转台、Z方向电动升降台、X方向电动平移台和Y方向电动平移台，以及与它们相连的步进电机和步进电机驱动器构成。电动旋转台采用赛凡7SRA160电动旋转台，Z方向电动升降台用赛凡7SVA160电动升降台，Y方向电动平移台采用赛凡7STA0450A电动平移台，X方向电动平移台采用赛凡7STA04200A电动平移台，4个电动台的标配电机都为42步进电机。四轴运动控制卡对步进电机驱动器发出控制信号，控制信号经由驱动器放大处理后直接驱动对应的步进电机。步进电机的旋转轴与电动位移平台上的机械传动装置相连，电机的旋转运动通过机械传动装置带动电动旋转台、Z方向电动升降台、X方向电动平移台和Y方向电动平移台完成各自的运动。

2、软件部分

专业的图像处理软件主要由图像采集模块、图像预处理模块、自动调焦模块、X-Y方向定位模块、参数设置模块和图像测量模块组成，软件界面如图3所示。

图像采集模块包括图像采集、显示及保存操作；图像预处理模块包括图像灰度化、滤波、阈值分割、数学形态学操作；自动调焦模块包括调焦函数计算、粗调焦和细调焦操作；X-Y方向定位模块包括特征点提取、X方向定位和Y方向定位操作；参数设置模块包括设置测量参数（如表面粗糙度、刻痕深度和量块厚度差等）以及步进电机参数操作；图像测量模块包括、边缘提取、细化、公式计算和图像标定操作。

系统软件工作流程：微小深度尺寸自动图像测量系统通电后首先进行初始化，加载计算机、四轴运动控制卡、步进电机驱动器以及与之相连的各种设备；加载结束后，进行系统完整性测试，验证各个设备状态，通过测试后，系统软件启动完毕，进入图像采集状态。首先对采集到得图像进行预处理，包括图像灰度化、中值滤波、阈值分割和数学形态学处理。然后根据预处理后的图像判断出被测对象是否定位在最佳成像位置上，当被测对象处于最佳成像位置时，程序直接进入图像测量模块。否则，需要进行调焦和X-Y方向定位操作。调焦过程为首先计算调焦函数，然后根据计算结果控制Z方向电动升降台的运动来依次完成粗调焦和细调焦。X-Y方向定位过程为首先提取图像中的特征点，然后根据特征点的二维坐标来控制X方向电动平移台和Y方向电动平移台的运动来实现两个方向定位控制。调焦和X-Y方向定位操作完成后，再判断此时的被测对象是否处于最佳成像位置，当被测对象处于最佳成像位置时，程序直接进入图像测量模块，进行边缘提取、细化、公式计算和图像标定操作。否则，需要再次进行调焦和X-Y方向定位操作，直到被测对象被判断为处于最佳成像位置为止。

系统持续运行直至关机，正常关机前保存当前数据，并将数据和配置文件写入系统的内置存储器中，软件运行流程如图4所示。

Claims (1)

1.微小深度尺寸自动图像测量系统，包括计算机、四轴运动控制卡、微小深度尺寸测量光路、电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台、X方向电动平移台、步进电机驱动器、步进电机以及图像处理软件，其特征在于：

计算机通过PC104总线接口与四轴运动控制卡相连接，计算机通过USB口与微小深度尺寸测量光路相连接，四轴运动控制卡与四个步进电机驱动器相连接，每个步进电机驱动器与对应的步进电机相连接，步进电机分别安装在电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台和X方向电动平移台中，图像处理软件安装在计算机中；

所述的微小深度尺寸测量光路包括半导体激光器、柱面镜、滤光片、显微物镜以及电子目镜；半导体激光器发出的光经过柱面镜形成一个平面光投射在工件表面上，在被测表面上形成一条红色光带；红色光带经过反射或漫反射，通过滤光片滤去杂光，然后通过显微物镜后在电子目镜中的CMOS面阵上成像，图像信号经由USB信号传入计算机中进行保存和处理；

所述的图像处理软件包括图像采集模块、图像预处理模块、自动调焦模块、X-Y方向定位模块、参数设置模块和图像测量模块；所述的图像采集模块包括图像采集、显示及保存操作；所述的图像预处理模块包括图像灰度化、图像滤波、图像阈值分割及图像数学形态学操作；所述的自动调焦模块包括调焦函数计算、粗调焦和细调焦操作；所述的X-Y方向定位模块包括特征点提取、X方向定位和Y方向定位操作，具体是首先提取图像中的特征点，然后根据特征点的二维坐标来控制X方向电动平移台和Y方向电动平移台的运动来实现两个方向定位控制；所述的参数设置模块包括设置测量参数以及步进电机参数操作；所述的图像测量模块包括边缘提取、细化、公式计算和图像标定操作。

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