CN112945133A - 一种三次元尺寸测量仪及其测量方法 - Google Patents

一种三次元尺寸测量仪及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三次元尺寸测量仪，包括升降装置、显微镜、三维移动平台、图像传感器和控制系统。本发明还提供一种测量方法，包括以下步骤：S1:装配好各个零部件，并确保图像传感器采集到清晰的图像；S2:将标定板放置在三维移动平台上，对图像采集模块进行标定，得到准确的标定参数；S3:通过Laplacian梯度算法的运用进行自动对焦操作，获取元件的高度尺寸信息；S4：控制模块驱动三维移动平台对工件进行步进拍照；S5：测量处理模块抓取图像数据，对不同图像进行处理，得到工件轮廓，从而得到工件平面尺寸信息。本发明能实现在非接触条件下清晰成像，同时测量得到精度达到微米级别的尺寸数据，并且不会对器件造成损伤，操作简单、快捷和效率高。

Description

一种三次元尺寸测量仪及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量仪及其测量方法，尤其是指一种三次元尺寸测量仪及其测量方法。
背景技术
目前，许多行业对于产品对表面轮廓、几何尺寸、各种模具及自由曲面的精密测量的需求越来越多,且精度要求越来越高。而市场上大多采用的工具测量方式，在测量精度上只有毫米级左右，且不具备测量物件高度尺寸的功能。由于需要高精度质量保证的工件外形都较为小巧和精细。传统的测量方式会造成器件的损伤，并且需求多次测量检验来确保尺寸参数的准确性，存在测量操作繁琐、花费时间长、效率低的情况，难以满足现代工业的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种结构简单、测量方便和准确性高的三次元尺寸测量仪及其测量方法。本发明能在非接触条件下清晰成像，同时测量精度达到微米级别，并且不会对器件造成损伤，操作简单、快捷和效率高。
本发明的目的可采用以下技术方案来达到：
一种三次元尺寸测量仪，包括升降装置，可滑动安装于升降装置的竖直方向上的显微镜，设于显微镜下方且用于驱动工件移动的三维移动平台，设于显微镜上且用于将显微镜上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号的图像传感器，以及用于图像采集、处理及控制器件位移的控制系统，所述控制系统与图像传感器、升降装置和三维移动平台电连接；所述控制系统通过图像传感器采集工件的图像信息。
作为一种优选的方案，所述控制系统包括图像采集模块、控制模块和测量处理模块；所述图像采集模块与图像传感器连接，通过图像传感器将采集到的图像信息转化为可处理的图像数据；所述控制模块与三维移动平台连接而控制工件在移动平台上的步进距离；所述测量处理模块抓取并匹配图像采集模块生成的图像数据，识别并处理计算出图像中的工件尺寸信息。
作为一种优选的方案，所述三维移动平台上设有用于标定图像中单位尺寸对应的实际尺寸的标定板，
作为一种优选的方案，所述三维移动平台为X轴、Y轴和Z轴电控平台；所述显微镜采用可变焦远心测微显微镜。
一种三次元尺寸测量仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:对工件进行装配，并调整显微镜的高度，确保图像传感器4采集到清晰的图像；
S2:将标定板放置在三维移动平台上，对图像采集模块进行标定，得到准确的标定参数；
S3:通过Laplacian梯度算法的运用进行自动对焦操作，获取元件的高度尺寸信息；
S4：控制模块驱动三维移动平台对工件进行步进拍照；
S5：测量处理模块抓取图像数据，对不同图像进行处理，得到工件轮廓，从而得到工件平面尺寸信息。
进一步地，所述步骤S1的具体内容包括以下步骤：
S11:将工件固定在三维移动平台上，使工件平面与图像传感器和显微镜的测量光轴保持垂直；
S12:调节显微镜放大倍率，在满足精度要求下使得像素容许误差大于3个像素，用于降低后期曲线拟合产生的误差；
S13:控制系统采用相应的步进间隔、步进量和步进路线，并自动选择出相应工作距离，使得图像传感器采集的图像清晰。
进一步地，所述步骤S2的具体内容包括以下步骤：
S21:将标定板水平放置于三维移动平台上，在Laplacian梯度算法辅助下，控制模块驱动三维移动平台对标定板进行自动对焦；
S22:通过图像采集模块对标定板进行图像采集，同时控制三维移动平台进行步进移动；
S23:对所拍摄的标定板图像进行标定点像素坐标和三维移动平台所步进移动时的实际世界坐标进行提取，进而拟合出图像中像素坐标值所对应的实际世界坐标值，得到标定参数。
进一步地，所述步骤S3的具体内容包括以下步骤：
S31:取走标定板，将工件固定在三维移动平台上，在Laplacian梯度算法辅助下，控制模块驱动三维移动平台对工件进行自动对焦；
S32:测量模块抓取三维移动平台位置数据信息，通过自动对焦的移动量与对焦前的位置信息之间的运算得出工件的高度信息。
进一步地，所述步骤S4的具体内容包括以下步骤：
S41:将工件固定在三维移动平台上；拍照过程中保持工件和三维移动平台载物台二者相对固；
S42:移动三维移动平台，并获取相应位置的图片；
S43:将图像原点真实坐标记录下来，存入点集A；
S44:重复S42、S43两步骤，直到获取完整的工件图片集。
进一步地，所述步骤S5的具体内容包括以下步骤：
S51:根据点集A对全部图像进行拼接得到整幅图像；
S52:通过图像阈值处理提取拼接后的工件轮廓；
S53:利用标定参数对图像进行坐标转换，得到工件轮廓真实坐标点集为B；
S54:对点集B进行运算，得到平面工件微米级精度实际尺寸信息。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明采集工件的图像来获得尺寸信息，能实现在非接触条件下清晰成像，同时测量得到精度达到微米级别的尺寸数据，并且不会对器件造成损伤，操作简单、快捷和效率高，可以大幅减小测量及检验时间、仅需较少甚至无需人力就可以对大量工件进行测量，大大增加测量效率。
2、本发明能应用于多种工业以及生产场合，普适性强。既可以单独作为测量仪器进行人工操作，也可以成为高精度零部件构成的加工机床和由高精度测量仪器组合集成的加工生产线构建成的自律式加工系统。
3、本方法在标定后利用世界坐标结合像素坐标进行拟合的测量方案，可以大幅度地提高测量仪器的精度，同时显著降低工件尺寸测量时的工作量；另外，本发明在不升级原有平台的基础上将测量精度提高四个数量级(从0.1mm提高到10um)，不仅节省了成本，而且还缩短了工件尺寸测量时间，提高了工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明三次元尺寸测量仪的结构示意图。
图2是本发明三次元尺寸测量仪的测量方法的流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参照图1和图2，本实施例涉及三次元尺寸测量仪，包括升降装置1，可滑动安装于升降装置1的竖直方向上的显微镜2，设于显微镜2下方且用于驱动工件移动的三维移动平台3，设于显微镜2上且用于将显微镜2上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号的图像传感器4，以及用于图像采集、处理及控制器件位移的控制系统5，所述控制系统5与图像传感器4、升降装置1和三维移动平台3电连接；所述控制系统5通过图像传感器4采集工件的图像信息。
显微镜2和图像传感器4同轴安装，其光轴垂直于三维移动平台3。具体的，将工件固定在所述三维移动平台3上，所述三维移动平台3、工件两者相对固定，在移动过程中不会产生相对位移，三维移动平台3在控制系统5的驱动下步进拍照并通过抓取图像中的特征点来测出器件的尺寸信息。在工作过程中，可以通过调节显微镜2的高度来提高图像传感器4的成像质量，以采集到清晰的图像。与传统测量方式相比，本发明采用采集工件的图像来获得尺寸信息，能实现在非接触条件下清晰成像，同时测量得到精度达到微米级别的尺寸数据，并且不会对器件造成损伤，操作简单、快捷和效率高，可以大幅减小测量及检验时间、仅需较少甚至无需人力就可以对大量工件进行测量，大大增加测量效率。
另外，本发明能应用于多种工业以及生产场合，普适性强。既可以单独作为测量仪器进行人工操作，也可以成为高精度零部件构成的加工机床和由高精度测量仪器组合集成的加工生产线构建成的自律式加工系统。
所述控制系统5包括图像采集模块、控制模块和测量处理模块；所述图像采集模块与图像传感器4连接，通过图像传感器4将采集到的图像信息转化为可处理的图像数据；所述控制模块与三维移动平台3连接而控制工件在移动平台上的步进距离；所述测量处理模块抓取并匹配图像采集模块生成的图像数据，识别并处理计算出图像中的工件尺寸信息。
所述三维移动平台3上设有用于标定图像中单位尺寸对应的实际尺寸的标定板。在正式测量前，利用所述标定板对图像采集和处理系统进行标定。标定板上设有规则图案，通过图像传感器4进行采集，对图像进行标定算法，可以大幅度提高系统的测量的精度。
所述三维移动平台3为X轴、Y轴和Z轴电控平台；所述显微镜2采用可变焦远心测微显微镜2，可调整镜头到工件的距离，让成像质量高。所述显微镜2上设有用于调节焦距的调节环，所述调节环用于调整显微镜2的成像焦距，使图像传感器4采集的图像清晰可见。
本实施例还提供了一种三次元尺寸测量仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:对工件进行装配，并调整显微镜的高度，确保图像传感器4采集到清晰的图像；所述步骤S1的具体内容包括以下步骤：
S11:将工件固定在三维移动平台上，使工件平面与图像传感器4和显微镜2的测量光轴保持垂直；
S12:调节显微镜2放大倍率，在满足精度要求下使得像素容许误差大于3个像素，用于降低后期曲线拟合产生的误差；
S13:控制系统采用相应的步进间隔、步进量和步进路线，并自动选择出相应工作距离，使得图像传感器4采集的图像清晰。
S2:将标定板放置在三维移动平台3上，对图像采集模块进行标定，得到准确的标定参数；所述步骤S2的具体内容包括以下步骤：
S21:将标定板水平放置于三维移动平台3上，在Laplacian梯度算法辅助下，控制模块驱动三维移动平台3对标定板进行自动对焦；
S22:通过图像采集模块对标定板进行图像采集，同时控制三维移动平台3进行步进移动；
S23:对所拍摄的标定板图像进行标定点像素坐标和三维移动平台3所步进移动时的实际世界坐标进行提取，进而拟合出图像中像素坐标值所对应的实际世界坐标值，得到标定参数。
S3:通过Laplacian梯度算法的运用进行自动对焦操作，获取元件的高度尺寸信息；所述步骤S3的具体内容包括以下步骤：
S31:取走标定板，将工件固定在三维移动平台3上，在Laplacian梯度算法辅助下，控制模块驱动三维移动平台3对工件进行自动对焦；
S32:测量模块抓取三维移动平台3位置数据信息，通过自动对焦的移动量与对焦前的位置信息之间的运算得出工件的高度信息。
S4：控制模块驱动三维移动平台3对工件进行步进拍照；所述步骤S4的具体内容包括以下步骤：
S41:将工件固定在三维移动平台3上；拍照过程中保持工件和三维移动平台3载物台二者相对固；
S42:移动三维移动平台3，并获取相应位置的图片；
S43:将图像原点真实坐标记录下来，存入点集A；
S44:重复S42、S43两步骤，直到获取完整的工件图片集。
S5：测量处理模块抓取图像数据，对不同图像进行处理，得到工件轮廓，从而得到工件平面尺寸信息。所述步骤S5的具体内容包括以下步骤：
S51:根据点集A对全部图像进行拼接得到整幅图像；
S52:通过图像阈值处理提取拼接后的工件轮廓；
S53:利用标定参数对图像进行坐标转换，得到工件轮廓真实坐标点集为B；
S54:对点集B进行运算，得到平面工件微米级精度实际尺寸信息。
本发明首先通过标定板对控制系统的图像采集和处理模块进行标定，得出精确的显微镜2参数；然后将工件放置到三维移动平台3上，运用Laplacian梯度算法，操作移动平台进行工件的自动对焦同时图像处理模块经过运算得到工件的高度尺寸；选择合适的步进拍照方案并开始对工件拍照；最后通过图像采集模块得到的图像数据生成完整的工件轮廓数据，通过图像处理模块对生成的轮廓数据进行拟合，计算出工件的轮廓尺寸信息。本发明的结构简单、使用方便，标定后利用世界坐标结合像素坐标进行拟合的测量方案，可以大幅度地提高测量仪器的精度，同时显著降低工件尺寸测量时的工作量；另外，本发明在不升级原有平台的基础上将测量精度提高四个数量级(从0.1mm提高到10um)，不仅节省了成本，而且还缩短了工件尺寸测量时间，提高了工作效率。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种三次元尺寸测量仪，其特征在于，包括升降装置，可滑动安装于升降装置的竖直方向上的显微镜，设于显微镜下方且用于驱动工件移动的三维移动平台，设于显微镜上且用于将显微镜上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号的图像传感器，以及用于图像采集、处理及控制器件位移的控制系统，所述控制系统与图像传感器、升降装置和三维移动平台电连接；所述控制系统通过图像传感器采集工件的图像信息。
2.根据权利要求1所述的一种三次元尺寸测量仪，其特征在于，所述控制系统包括图像采集模块、控制模块和测量处理模块；所述图像采集模块与图像传感器连接，通过图像传感器将采集到的图像信息转化为可处理的图像数据；所述控制模块与三维移动平台连接而控制工件在移动平台上的步进距离；所述测量处理模块抓取并匹配图像采集模块生成的图像数据，识别并处理计算出图像中的工件尺寸信息。
3.根据权利要求2所述的一种三次元尺寸测量仪，其特征在于，所述三维移动平台上设有用于标定图像中单位尺寸对应的实际尺寸的标定板。
4.根据权利要求3所述的一种三次元尺寸测量仪，其特征在于，所述三维移动平台为X轴、Y轴和Z轴电控平台；所述显微镜采用可变焦远心测微显微镜。
5.基于权利要求1至4任一项所述的一种三次元尺寸测量仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:对工件进行装配，并调整显微镜的高度，确保图像传感器4采集到清晰的图像；
S2:将标定板放置在三维移动平台上，对图像采集模块进行标定，得到准确的标定参数；
S3:通过Laplacian梯度算法的运用进行自动对焦操作，获取元件的高度尺寸信息；
S4：控制模块驱动三维移动平台对工件进行步进拍照；
S5：测量处理模块抓取图像数据，对不同图像进行处理，得到工件轮廓，从而得到工件平面尺寸信息。
6.根据权利要求5所述的一种三次元尺寸测量仪的测量方法，其特征在于，所述步骤S1的具体内容包括以下步骤：
S11:将工件固定在三维移动平台上，使工件平面与图像传感器和显微镜的测量光轴保持垂直；
S12:调节显微镜放大倍率，在满足精度要求下使得像素容许误差大于3个像素，用于降低后期曲线拟合产生的误差；
S13:控制系统采用相应的步进间隔、步进量和步进路线，并自动选择出相应工作距离，使得图像传感器采集的图像清晰。
7.根据权利要求5所述的一种三次元尺寸测量仪的测量方法，其特征在于，所述步骤S2的具体内容包括以下步骤：
S21:将标定板水平放置于三维移动平台上，在Laplacian梯度算法辅助下，控制模块驱动三维移动平台对标定板进行自动对焦；
S22:通过图像采集模块对标定板进行图像采集，同时控制三维移动平台进行步进移动；
S23:对所拍摄的标定板图像进行标定点像素坐标和三维移动平台所步进移动时的实际世界坐标进行提取，进而拟合出图像中像素坐标值所对应的实际世界坐标值，得到标定参数。
8.根据权利要求5所述的一种三次元尺寸测量仪的测量方法，其特征在于，所述步骤S3的具体内容包括以下步骤：
S31:取走标定板，将工件固定在三维移动平台上，在Laplacian梯度算法辅助下，控制模块驱动三维移动平台对工件进行自动对焦；
S32:测量模块抓取三维移动平台位置数据信息，通过自动对焦的移动量与对焦前的位置信息之间的运算得出工件的高度信息。
9.根据权利要求5所述的一种三次元尺寸测量仪的测量方法，其特征在于，所述步骤S4的具体内容包括以下步骤：
S41:将工件固定在三维移动平台上；拍照过程中保持工件和三维移动平台载物台二者相对固；
S42:移动三维移动平台，并获取相应位置的图片；
S43:将图像原点真实坐标记录下来，存入点集A；
S44:重复S42、S43两步骤，直到获取完整的工件图片集。
10.根据权利要求5所述的一种三次元尺寸测量仪的测量方法，其特征在于，所述步骤S5的具体内容包括以下步骤：
S51:根据点集A对全部图像进行拼接得到整幅图像；
S52:通过图像阈值处理提取拼接后的工件轮廓；
S53:利用标定参数对图像进行坐标转换，得到工件轮廓真实坐标点集为B；
S54:对点集B进行运算，得到平面工件微米级精度实际尺寸信息。
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