CN103557790B - 光栅影像复合自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种光栅影像复合自动测量方法，属于测量仪器领域；为了发挥光栅的测量精度高、使用方便和影像非接触测量的优势，该发明解决了光栅测量技术与影像测量技术有机结合中的难题；提出了影像坐标系度量单位与光栅坐标系度量单位的在线自动标定方法，提高了标定的精度；给出了采用量棒或量块确定被测工件真实边缘灰度阈值β的方法；为了快速寻找真实边缘灰度阈值，定义了边缘状态特征值η，并给出了计算方法；给出了影像坐标系在光栅坐标系中移动的原则。光栅影像复合自动测量方法具有测量精度高，自动化程度高等特点，可以应用于汽车、航空、航天、电子等领域中光滑极限量规和高精度加工件的非接触测量。

Description

光栅影像复合自动测量方法

技术领域

本发明专利属于测量仪器，具体涉及一种光栅影像复合自动测量方法。

背景技术

在机械制造中，制造精度是产品质量的保证，在汽车零件等大批量生产的工件中，广泛使用光滑极限量规检测各种孔和螺纹的加工精度。光滑极限量规作为测量装置，精度要求很高。光滑极限量规在制造和使用过程中，一般采用光学计比较测量，由于比较测量是接触式测量，测头有磨损；比较法测量，要经常用量块校对，测量效率低；而且测量精度与操作人员的技术水平有很大关系。在精密测量中也常常使用光栅测量系统，如三坐标测量机等测量仪器就是采用光栅测量系统，光栅测量系统一般采用接触式测量，由于接触式测量会磨损测头，如光滑极限量规精度很高，测头磨损就会影响测量精度；同时接触式测量在测量时测头等部位受力，在力的作用下仪器的间隙会发生变化，仪器的受力部件也会产生变形，这些都是影响测量精度的因素。

由于图像传感器技术的快速发展，带动了影像测量技术的快速进步，近几年影像测量技术在机械量的机器视觉测量方面发展较快。影像测量是非接触测量，可以应用于生产现场和实验室等环境下的测量。采用影像测量时，被测工件经光学系统放大，放大的影像投影到图像传感器器件上，图像传感器实际上是一个A/D转换器件，由图像传感器将工件影像转变成数字电信号。转换的精度取决于图像传感器器件的像素尺寸。由影像测量的原理可以知道，被测工件尺寸越大，每个像素所代表的工件尺寸也就越大，测量精度就越低，反之，当测量对象是在很小的区域内，测量精度就可以很高；由于影像测量的这个特点，限制了影像测量在机械量视觉测量方面的应用范围。

在传统的工具显微镜中，为了解决人眼用目镜对准被测工件边缘容易疲劳、影像太小等问题，近几年来有将工具显微镜目镜换成图像传感器的趋势，更换后也便于将测量结果与计算机连接并进行数据处理。以类似的工作原理，出现了各种影像测量仪。而这些影像测量仪的基本工作原理都是用影像测量部分代替了一般光栅中的机械触头，起到一个对准被测对象边缘的作用。一般的测量方法是将工件的影像显示到计算机显示屏上，由人工判断工件边缘位置并通过鼠标进行选择，精度一般只能达到3-4μm，测量自动化程度不高。

发明内容

采用光栅系统进行测量，可以实现大尺寸工件的测量，测量精度可以通过选择光栅的不同精度来实现，但一般采用接触式测量，存在接触式测量的不足；影像测量是一种非接触测量技术，但测量范围与测量精度经常是一对矛盾，工件越大，测量精度越低；同时影响影像测量精度的环节较多，整体测量精度不高，因此实现高精度自动测量难度大；光栅测量系统可以在大范围实现高精度测量，但常常采用接触式测量方式；影像测量系统是非接触测量，如果将影像测量系统测量的区域限制在很小区域，并消除影响影像测量精度的因素，就可以将影像测量系统叠加到光栅测量系统上，使光栅测量系统与影像测量系统组成一个有机的测量系统，实现高精度测量。

本发明专利采用的技术方案包括X工作台和X轴光栅、Y工作台和Y轴光栅；由X轴光栅、Y轴光栅形成一个正交的光栅坐标系；图像传感器器件是由m×n个光电转换元件组成，在转换的图像中形成了m×n个像素，每个光电转换元件的面积为i×i，i为像素尺寸，图像形成一个正交的U、V影像坐标系，影像坐标系的度量单位为像素；影像坐标系的横轴U与光栅坐标系的X轴平行，影像坐标系的方向与对应的光栅坐标系方向相同；影像坐标系有效区域为m×n；工件的边缘在影像坐标系中是一个过渡带，过渡带的灰度值是逐渐变化的；通过标定，可以得到被测工件真实边缘灰度阈值β。

影像坐标系中度量单位与光栅坐标系中度量单位的变换，理论上可以通过图像传感器像素尺寸和显微镜的放大倍率，按μ＝i/k求出，但由于二者都存在误差，对测量精度影响很大，本发明采用了影像坐标系度量单位与光栅坐标系度量单位的在线标定法；标定步骤为：

1)在工件中寻找一个与待标定坐标轴垂直的工件边缘；

2)将该边缘移动到影像坐标系有效区域内，且使该边缘处在影像坐标系待标定坐标轴靠近零点的位置；

3)在工件边缘的过渡带上任取一灰度值λ，作为工件的边缘灰度值，推荐取工件真实边缘灰度阈值β；

4)移动影像坐标系，使工件边缘在影像坐标系有效区域内沿被标定坐标轴方向移动p次；工作台在每次移动后，记录影像坐标系在光栅坐标系中的坐标值W_i，同时在影像坐标系中按灰度值λ取点，在影像坐标系中得到一系列的坐标点，对这些点进行线性拟合，得到一条工件边缘线方程，取该直线在影像坐标系区域内的中点作为本次移动时工件边缘在标定坐标方向的坐标值S_i，i＝1，……，p，p+1；

5)对p+1组数据(W_i，S_i)进行最小二乘法拟合，得到标度变换线方程W＝μS+e，μ为该直线的斜率，其物理意义就是影像坐标系中每个像素对应光栅坐标系中的长度，也就是影像坐标系相对于光栅坐标系的度量单位转换系数，具体数值与光栅坐标系中所取长度单位有关。

影像测量中，影响测量精度主要因素之一是显微镜的物镜到工件之间的工作距离，采用工具显微镜测量工件尺寸时，调节显微镜与工件之间的工作距离可以改变过渡带变化的状态，由于工件实体边缘在影像坐标系中像素值不是突然改变，因此在过渡带中取不同的灰度阈值就可以得到不同的测量尺寸；如果改变显微镜的工作距离，得到的测量尺寸就会发生变化；要保证测量的精度，就必须保证测量中工件实体边缘在影像测量系统中产生的过渡带宽度、变化率稳定；通过分析和试验发现可以用相邻点的灰度梯度(灰度变化率)之和作为边缘过渡带的状态特征值，定义为边缘状态特征值η，该特征值反映影像坐标系中相邻两像素点灰度值变化情况；计算的方法是在图像坐标系中，沿着被测尺寸平行的方向，求出相邻两像素点的灰度差值的平方，然后将计算区域内全部灰度差值的平方求和；在仪器制造时，采用调试标准件，调节显微镜的工作距离，使工件边缘在影像坐标系中的过渡带清晰，得到一个边缘过渡带的状态特征值η；为了保证边缘特征值的稳定性，排除影像边缘的影响，计算时可以取影像坐标系的中间部分约1/5～1/10的区域；在调整边缘状态特征值时，调节边缘实体在影像坐标系中的位置，尽量使边缘过渡带处于影像坐标系中间位置。

准确测量工件尺寸的一个关键技术，就是要确定工件实际边缘在影像坐标系中的准确位置，也就是确定被测工件真实边缘灰度阈值β；对于不同特性的工件边缘，如一个圆柱体工件，当圆柱体的中心线与显微镜的轴向垂直时圆柱边缘的投影，与圆柱中心线与显微镜中心线平行时的投影是不相同的，其真实边缘灰度阈值β也是不同的；因此要用不同特性的边缘进行工件真实边缘灰度阈值β标定；被测工件真实边缘灰度阈值β标定方法为：首先调整光栅影像复合测量仪显微镜的工作距离，使边缘过渡带清晰，呈逐渐变化状态，记录边缘状态特征值η；然后将标准量棒或量块分别作为测量对象进行测量；测量得到的量棒直径尺寸或量块厚度尺寸是随边缘灰度阈值变换而变化，不断调整边缘灰度阈值，直至测量的尺寸与标准量棒或量块的尺寸相同为止，将该值记作真实边缘灰度阈值β；由于该阈值β与边缘形态有关，标准量棒作为圆弧边缘形态，量块作为直边缘形态；在测量时，不同的边缘形态，要选择不同的真实边缘灰度阈值β。

在测量时，工件相对于光栅坐标系不动，影像坐标系绕着被测工件运动；影像坐标系在光栅坐标系中的移动位置，由工件的设计尺寸决定；将要测量的工件尺寸按测量顺序设计测量路线，编程时用工件的设计尺寸，控制影像坐标系在光栅坐标系中移动距离；测量起始点由人工控制定位，其它测量过程全部可以在计算机控制下自动完成。

本发明有以下特点：

1.自动化程度高，可以实现自动测量；

2.实现了光栅测量系统高精度非接触测量，测量精度可以达到1μm。

附图说明

附图中图1是本发明专利实施例中光滑规测量仪的结构示意图；图2为控制系统框图；图3为测量坐标系原理图。

图中：1.X工作台驱动装置2.Y工作台3.X工作台4.Y轴光栅5.机架6.光源7.X轴光栅8.Y工作台驱动装置9.工件夹紧装置10.工件11.显微镜12.图像传感器13.滑块高度调节装置14.滑块

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利的测量原理与测量方法作进一步详细说明。

实施例，本实施例是光滑极限量规光栅影像复合自动测量仪。光滑极限量规是用来检验加工的工件尺寸精度是否在设计的公差范围内，在大批量生产时，具有操作方便，测量速度快的特点，广泛应用在生产线上。光滑极限量规的精度要求很高，在光滑极限量规制造和使用过程中，光滑极限量规的检测一般采用光学计检测，由于是接触式测量，磨损、仪器受力变形、检测人员的操作水平等都影响测量精度，因此光滑极限量规的检测一直是制造和使用中的瓶颈工序。

光滑极限量规光栅影像复合自动测量仪由机架5、X工作台3、X工作台驱动装置1、X轴光栅7、Y工作台2、Y工作台驱动装置8、Y轴光栅4、工件夹紧装置9、滑块14、滑块高度调节装置13、光源6、显微镜11、图像传感器12、光栅信号处理器、步进电机驱动器和计算机系统组成；工作台驱动装置是由步进电机、滚珠丝杠副组成。工件10是光滑极限量规，加工时有顶尖孔，工件夹紧装置上有两个顶尖，用顶尖将工件夹持，用手转动工件，工件可以绕顶尖轴线转动。工件下面的光源，光线向上照射，正对着显微镜的轴线，Y工作台在Y驱动装置驱动下在机架上沿纵向移动，X工作台在X驱动装置驱动下在Y工作台上沿横向移动；安装在X工作台和Y工作台上的光栅组成了光栅坐标系，把光栅坐标系定义为绝对坐标系，工件相对于光栅坐标系不动。显微镜安装在滑块上，图像传感器安装在显微镜上面；滑块可以沿机架上下运动，滑块的上下运动由滑块高度调节装置调节，用来调节显微镜与工件之间的工作距离。图像传感器采用USB总线，采集的图像信号进入计算机，也可以采用其它总线，进入图像采集卡；图像传感器采用了面阵CMOS器件，该CMOS器件是由2592×1944个光电转换元件组成，形成了一个影像坐标系，该影像坐标系两个坐标轴的有效范围分别为U轴2592个像素，V轴1944个像素。影像坐标系在测量时相对机架不运动，为了分析和计算方便，定义影像坐标系为相对坐标系，测量计算时，绝对坐标系不动，相对坐标系是一个运动坐标系，按所测工件要求，相对坐标系在绝对坐标系中运动。在实际测量时影像坐标系相对机架是静止的，因此计算时定义的坐标系运动关系与测量仪测量时真实的物理运动没有相对应的关系。

在一般的影像测量中，都有一个标定过程，其目的就是求出一个标定系数，将影像法测量的像素转换为工件的真实尺寸。其方法一般是采用拍摄一个已知尺寸的标准栅格图像，由每个栅格图像对应的像素点个数求出标定系数，在该方法中认为工件边缘是一条灰度值突变的线条，实际上边缘在影像坐标系中的影像是一个连续变化的过渡带而不是一条灰度值突变的线条，采用标准栅格，本身精度就很差，在光滑极限量规光栅影像复合自动测量仪上远远满足不了精度的要求。

光滑极限量规光栅影像复合自动测量仪真实边缘灰度阈值β的标定，采用的方法为：光滑极限量规的工作部分是圆柱或圆锥，圆弧边缘形态，因此加工了一个直径为10mm的高精度圆柱体作为调试件，该调试件的加工要求与光滑极限量规工作部分要求相同。将该调试件夹持在测量仪上，调节工作台位置，从计算机显示屏上实时显示影像坐标系中的图像，可以看到调试件边缘在图像坐标系中的位置，采用微动控制工作台使调试件边缘处于影像坐标系中间位置；然后调节滑块高度，改变显微镜与调试标准件之间的工作距离，同时，计算机实时对数据进行处理，在显示屏上实时显示边缘状态和边缘状态特征值η，当显示的边缘比较清晰时，记录下对应的边缘状态特征值η，将该值作为标定和测量的一个基本参数保存到计算机中。然后保持调试状态不变，将标准量棒夹持在测量仪上，此时量棒的中心线与X平行，待测两点a和b连线与X垂直，测量量棒直径时只需要移动Y工作台。移动Y工作台，使量棒一个边缘的影像基本处于影像坐标系的中间位置，采集记录光栅坐标系的坐标位置，任取边缘过渡区一个灰度值作为边缘调整阈值，使用该边缘阈值提取边缘点，通过拟合得到边缘线方程，取边缘线方程中点作为a点在图像坐标系中的坐标位置；然后移动Y工作台，使量棒的另一个边缘基本处于影像坐标系的中间位置，同样的方法采集和处理数据得到b点的光栅坐标位置和影像坐标位置，将测量的数值带入(1)式，此时X坐标的变化量为0，就可以计算出量棒直径d_c＝L。此时测量的直径d_c一般与量棒的实际尺寸还有误差，通过显示屏上的阈值调节按钮调节边缘调整阈值，则测量的直径d_c通过计算机处理，会实时的显示出来，当测量的直径d_c与量棒的标准直径d最接近时，将该边缘调整阈值作为该点的真实边缘灰度阈值；在量棒的长度方向测量数个点，分别得到数个真实边缘灰度阈值，求出平均值作为标定的真实边缘灰度阈值β，作为测量时的一个重要参数保存在计算机中。

测量前的在线标定，测量前首先要进行影像坐标系中度量单位与光栅坐标系度量单位的在线标定，通过一次标定后，如果显微镜的放大倍率未变就不需要再次标定。标定时，采用10mm的调试标准件，调试标准件装夹后，先将工件实体边缘调整处于影像坐标系中间位置，调节滑块高度改变显微镜工作距离，将边缘状态特征值调定为设备出厂时的标定值η；然后移动Y工作台，使边缘的图像处于影像坐标系Y值较小的一侧，按标定按钮，仪器在计算机控制下，分别移动Y工作台8次，每次移动后采集光栅坐标位置和影像坐标位置，影像坐标系中提取工件实体边缘采用出厂时标定的真实边缘灰度阈值β，采集并处理得到9个采样点，对9个采样点进行最小二乘法拟合，这些过程都是由软件控制自动完成，最后得到影像坐标系相对于光栅坐标系的度量单位转换系数μ，该值也自动存入计算机中供测量使用。

测量过程自动化程度高。计算机中有数据库，存储有各种规格光滑极限量规的参数，包括工件工作部分的直径、长度、精度等。按不同的光滑极限量规已经设计好测量的过程与工作台运动的路线。测量时，首先按被测对象调用数据库中的参数，如果是非标的光滑极限量规，可以人工输入参数；然后使用计算机屏幕上的虚拟仪器控制面板中手动控制按钮，使工件边缘位置处于预设的测量起始点，按“测量”按钮，整个测量过程自动完成，最后给出测量值和工件是否合格的判断。

该仪器采用了虚拟仪器技术，控制面板在计算机屏幕上，所有的操作按钮都在屏幕上，同时能实时显示光栅坐标系的坐标位置和影像坐标系的图像，显示工件参数，实际测量结果。

该测量仪测量精度可以达到0.5μm，还可以测量工件的直线度和圆度，自动化程度高，满足光滑极限量规、螺纹规高精度、高效率测量的要求。

Claims (5)

1.一种光栅影像复合自动测量方法，包括X工作台和X轴光栅，Y工作台和Y轴光栅，由X轴光栅、Y轴光栅形成一个正交的光栅坐标系；光栅坐标系的度量单位采用工程测量中常用的长度单位制；图像传感器器件是由m×n个光电转换元件组成，图像形成一个正交的U、V影像坐标系，影像坐标系的度量单位为像素；其特征在于：采用了影像坐标系度量单位与光栅坐标系度量单位的在线标定法；标定步骤为：

1)在工件中寻找一个与待标定坐标轴垂直的工件边缘；

2)将该边缘移动到影像坐标系有效区域内，且使该边缘处在影像坐标系待标定坐标轴靠近零点的位置；

3)在工件边缘的过渡带中任取一灰度值λ，作为工件的边缘灰度值；

4)移动影像坐标系，使工件边缘在影像坐标系有效区域内沿被标定坐标轴方向移动p次，工作台在每次移动后，记录影像坐标系在光栅坐标系中的坐标值W_i，同时在影像坐标系中按灰度值λ取点，在影像坐标系中得到一系列的坐标点，对这些点进行线性拟合，得到一条工件边缘线方程，取该直线在影像坐标系区域内的中点作为本次移动时工件边缘在标定坐标方向的坐标值S_i，i＝1，……，p，p+1；

5)对p+1组数据(W_i，S_i)进行最小二乘法拟合，得到标度变换线方程W＝μS+e，μ为该直线的斜率，其物理意义就是影像坐标系中每个像素对应光栅坐标系中的长度，也就是影像坐标系相对于光栅坐标系的度量单位转换系数，具体数值与光栅坐标系中所取长度单位有关。

2.根据权利要求1所述的一种光栅影像复合自动测量方法，其特征在于：被测工件真实边缘灰度阈值β标定方法为：首先调整光栅影像复合测量仪显微镜的工作距离，使边缘过渡带清晰，呈逐渐变化状态，记录边缘状态特征值η；然后将标准量棒或量块分别作为测量对象进行测量；测量得到的标准量棒直径尺寸或量块厚度尺寸是随边缘灰度阈值变换而变化，不断调整边缘灰度阈值，直至测量的尺寸与标准量棒或量块的尺寸相同为止，将该值记作真实边缘灰度阈值β；标准量棒为圆弧边缘形态，量块为直边缘形态。

3.根据权利要求2所述的一种光栅影像复合自动测量方法，其特征在于：定义了边缘状态特征值η，该特征值反映影像坐标系中相邻两像素点灰度值变化情况；计算的方法是在图像坐标系中，沿着被测尺寸平行的方向，求出相邻两像素点的灰度差值的平方，然后将计算区域内全部灰度差值的平方求和。

4.根据权利要求1所述的一种光栅影像复合自动测量方法，其特征在于：测量时，工件相对于光栅坐标系不动，影像坐标系绕着被测工件运动。

5.根据权利要求1所述的一种光栅影像复合自动测量方法，其特征在于：影像坐标系在光栅坐标系中的移动位置，由工件的设计尺寸决定；将要测量的工件尺寸按测量顺序设计测量路线，编程时用工件的设计尺寸，控制影像坐标系在光栅坐标系中移动距离。