CN210719029U - 一种芯块几何尺寸及密度自动测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种芯块几何尺寸及密度自动测量系统，该系统包括上下料机构、测量平台和工控机；上下料机构包括上料盘、机械手和下料盘；测量平台设置有尺寸测量模块、称重模块和粗糙度测量模块；尺寸测量模块包括工业相机和远心镜头，远心镜头设置在工业相机底端，朝向芯块；工业相机拍摄芯块图像，并将芯块图像传输至工控机已确定芯块的几何尺寸；几何尺寸包括直径、高度、垂直度和倒角宽度、高度；称重模块和粗糙度测量模块分别检测芯块的重量和粗糙度，并将检测结果分别传输至工控机；工控机根据几何尺寸和重量计算获得芯块密度。本实用新型提高了芯块几何尺寸的检测精度，并同时检测了芯块表面的粗糙度，提高了检测效率。

Description

一种芯块几何尺寸及密度自动测量系统

技术领域

本实用新型涉及自动控制与智能制造技术领域，具体涉及一种芯块几何尺寸及密度自动测量系统。

背景技术

目前在芯块生产过程中，一般由操作者采用接触式测量的方式对芯块进行测量，通常采用千分尺测量芯块的长、宽、高等几何尺寸，采用天平称得芯块重量。但该人工测量方式存在如下问题：1、在测量过程中存在机械接触，因而测量仪器或被测芯块可能在测量过程中产生机械形变，在绝对测量时误差较大，甚至可能划伤被测芯块表面；2、接触式测量对操作者的要求较高，存在人为误差；3、不同的测量需要不同的工位，工位分散且较多，同时还无法对芯块参数快速分析比对，无法及时获得测量结果，效率低下。

目前也有人采用自动测量技术，并将测量数据直接传输给计算机，自动计算芯块的体积和密度，如申请号201610027104.0一种核燃料芯块几何密度测量方法及其系统，其通过天平获取待测芯块的质量，再测量待测芯块的直径、高度和端面的外形尺寸，通过待测芯块的外形尺寸计算待测芯块的体积，然后用质量除以体积得到待测芯块的密度。该方法使用线性激光三角法的方式测量芯块凹面的轮廓,需要移动芯块，这将会引入机械带来的误差，造成获得的测量结果精度低、误差大。该装置将芯块垂直放置在一个平台上,测量两个端面的轮廓需要人工翻转芯块。而且该装置并不能测量芯块的垂直度。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种芯块几何尺寸及密度自动测量系统，该系统能自动完成普通芯块的直径、高度、倒角高度、倒角宽度、垂直度、表面粗糙度、质量、几何密度的测量和计算。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种芯块几何尺寸及密度自动测量系统，其特征在于，所述系统包括上下料机构、测量平台和工控机；

所述上下料机构包括上料盘、机械手和下料盘；所述上料盘和所述下料盘分别设置在所述测量平台两端，所述机械手位于所述测量平台一侧，并与所述工控机相连；

所述测量平台设置有尺寸测量模块、称重模块和粗糙度测量模块；所述尺寸测量模块、所述称重模块和所述粗糙度测量模块与所述工控机分别相连；所述机械手在所述尺寸测量模块、所述称重模块和所述粗糙度测量模块之间传送所述上料盘上的芯块，检测完后，将所述芯块码放至所述下料盘上；

所述尺寸测量模块包括工业相机和远心镜头，所述远心镜头设置在所述工业相机底端，朝向所述芯块；所述工业相机拍摄所述芯块图像，并将所述芯块图像传输至所述工控机以确定所述芯块的几何尺寸；所述几何尺寸包括直径、高度、垂直度和倒角宽度、高度；

所述称重模块和所述粗糙度测量模块分别检测所述芯块的重量和粗糙度，并将检测结果分别传输至所述工控机；所述工控机根据所述几何尺寸和所述重量计算获得所述芯块密度。

进一步地，所述尺寸测量模块还包括芯块姿态控制部，所述芯块姿态控制部对所述芯块进行姿态调节。

进一步地，所述芯块姿态控制部包括第一平台、升降气缸、夹紧组件和旋转电机；所述机械手将所述芯块放置在所述第一平台上；所述升降气缸带动所述第一平台调整所述芯块至所需位置；所述夹紧组件夹紧所述芯块；所述旋转电机与所述夹紧组件相连，旋转调整所述芯块朝向所述远心镜头的角度。

进一步地，所述夹紧组件包括夹紧气缸和夹头，所述夹紧气缸输出端分别与两个所述夹头相连，所述夹紧气缸带动两个所述夹头相向移动，夹紧所述芯块。

进一步地，所述夹头为尺寸小于所述芯块底面的圆头软性小夹头。

进一步地，所述尺寸测量模块还包括平行光源，两个所述平行光源分别设置在所述芯块姿态控制部两侧，照射所述芯块两侧，以清晰显示所述芯块的边缘。

进一步地，所述平行光源为LED平行照明光源。

进一步地，所述尺寸测量模块还包括采集卡和信号控制卡，所述工控机通过所述信号控制卡启动所述工业相机拍摄所述芯块图像；所述采集卡采集所述芯块图像，并将所述芯块图像传输至所述工控机。

进一步地，所述械手包括移动组件和吸头，所述移动组件与所述吸头相连，所述机械手通过所述吸头与所述芯块相连，通过所述移动组件调节所述芯块位置。

进一步地，所述吸头为软性吸头。

与现有技术相比,本实用新型的有益效果：

本实用新型设计巧妙，结构简单，不仅实现了多工位的融合，减少生产现场工位数量，节省人工，还通过对芯块直径、高度、倒角宽度、倒角高度、垂直度、质量、粗糙度等参数的检测和计算，提高了芯块几何尺寸的检测精度，并同时检测了芯块表面的粗糙度，提高了检测效率，此外还避免了对芯块表面的损伤。

附图说明

图1为本实用新型芯块几何尺寸及密度自动测量系统构成示意图；

图2为本实用新型芯块几何尺寸及密度自动测量系统结构示意图；

图3为本实用新型中上下料机构和测量平台结构示意图；

图4为本实用新型中尺寸测量模块示意图；

图5为本实用新型中称重模块示意图；

图6为本实用新型中粗糙度测量模块示意图；

图7为本实用新型的轮廓XLD图；

图8为本实用新型中人机交互界面示意图；

图9为本实用新型的芯块各剖面参数测量示意图；

图10为本实用新型倒角为弧线时示意图。

其中：1-上下料机构、1.1-上料盘、1.2-机械手、1.3-下料盘、2-测量平台、2.1-尺寸测量模块、2.1.0-第一平台、2.1.1-夹紧气缸、2.1.2-夹头、2.1.3-旋转电机、2.1.4-工业相机、2.1.5-远心镜头、2.1.6-平行光源、2.2-称重模块、2.2.0-第二平台、2.2.1-保护壳、2.2.2-天平、2.3-粗糙度测量模块、2.3.0-第三平台、2.3.1－芯块定位组件、2.3.2-升降组件、2.3.3-粗糙度测量部、3-工控机。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本申请文件中的上、下、左、右、内、外、前端、后端、头部、尾部等方位或位置关系用语是基于附图所示的方位或位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本实用新型中，术语“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实施例记载了一种芯块几何尺寸及密度自动测量系统，该系统能够实现检测工位的图像及数据采集、存储和管理；处理序列图像，获取直径、高度、倒角宽度、倒角高度、垂直度、质量、粗糙度等信息；并能便捷调整工业相机参数，多线程采集检测控制；还实现了动态内存管理，图像及数据存储等功能；同时还能监控各部件的工作状态。

如图1和图2所示，该系统由上下料机构1、测量平台2、工控机3组成，上下料机构1和测量平台2封闭在有机玻璃罩中，同时整个测量平台2放置在花岗岩或大理石平台上，配合防震装置，能将外界的震动和空气流动影响减到最小，保证了测量的稳定性和精度。工控机3设置在有机玻璃罩外，与上下料机构1和测量平台2分别通过数据线相连。

如图3所示，上下料机构1包括上料盘1.1、机械手1.2和下料盘1.3，上料盘1.1和下料盘1.3采用奥氏体不锈钢制成，分别设置在测量平台2两端，机械手1.2位于测量平台2一侧，上料盘1.1和下料盘1.3与机械手1.2之间的距离分别以机械手1.2能够取放其上产品为宜。机械手1.2包括移动组件和吸头，移动组件与吸头相连，机械手1.2通过吸头与芯块连接后，在移动组件带动下运送芯块。吸头内产生吸力(如可通过改变吸头内压力实现)与芯块连接，机械手1.2运送芯块至预定位置后，吸头松开与芯块的连接。吸头为不含卤族元素的软性材料制成的软性吸头，可避免在与芯块接触时损伤芯块表面。

该上下料机构1对产品上料采用单个吸取的方式，通过机械手1.2，每次从上料盘1.1中吸取一个待测芯块进入一测量工位，当该工位的测量结束后，机械手1.2将会把芯块搬运至下一个工位进行测量。当所有工位的测量均完成后，机械手1.2再吸取芯块将其码放在下料盘1.3上。本实施例中，上料盘1.1和下料盘1.3分别能够放置200块以上的芯块，并按阵列形式均匀码放，如放置200块采用8列，每列25个。

测量平台2可根据需要设置多个参数测量模块，如本实施例中设置有尺寸测量模块2.1、称重模块2.2和粗糙度测量模块2.3，对上料盘1.1中芯块的外形尺寸、质量、粗糙度、垂直度等进行自动测量，并将检测结果分别传输至工控机3。

尺寸测量模块2.1，如图4所示，包括芯块姿态控制部、工业相机2.1.4、远心镜头2.1.5、平行光源2.1.6、采集卡和信号控制卡。尺寸测量模块2.1通过工业相机2.1.4拍摄芯块图像，并将芯块图像传输至工控机3计算芯块体积。

芯块姿态控制部能够在两个方向上对芯块进行姿态调节，其包括第一平台2.1.0、升降气缸、夹紧组件和旋转电机2.1.3。

第一平台2.1.0通过升降气缸设置在尺寸测量模块2.1的安装平台上，芯块放置在第一平台2.1.0上，升降气缸能够带动第一平台2.1.0上下移动，调整芯块的上下位置。

夹紧组件包括夹紧气缸2.1.1和夹头2.1.2，夹紧气缸2.1.1输出端分别与两个夹头2.1.2相连(或者使用两个夹紧气缸2.1.1，两个输出端分别与两个夹头2.1.2相连)，其中，夹头2.1.2为尺寸小于芯块底面的圆头软性小夹头，夹紧气缸2.1.1带动两个夹头2.1.2相向移动，夹紧芯块。第一平台2.1.0置于两个夹头2.1.2之间位置下方，当芯块被放置在第一平台2.1.0上指定位置后，通过升降气缸将芯块调节至两个夹头2.1.2中间，夹紧气缸2.1.1推动两个夹头2.1.2顶住芯块前后两端，升降气缸带动第一平台2.1.0下移，芯块脱离第一平台2.1.0，由两个夹头2.1.2固定。旋转电机2.1.3与一侧夹头2.1.2相连，旋转电机2.1.3驱动该夹头2.1.2旋转，另一侧夹头2.1.2端部安装有轴承，可随旋转夹头2.1.2同步转动，在旋转电机2.1.3作用下两个夹头2.1.2带动芯块180度旋转，从而实现对芯块每个角度的表面都进行拍照。

工业相机2.1.4设置在夹紧组件上方，为高分辨率工业相机，远心镜头2.1.5设置在工业相机2.1.4底端，朝向芯块，为高精度远心镜头。工控机3通过信号控制卡控制工业相机2.1.4拍照动作，工业相机2.1.4采集芯块图像，通过采集卡将芯块图像传输至工控机3中，工控机3提取芯块图像测量芯块的几何尺寸。芯块的几何尺寸包括但不限于直径、高度、倒角宽度及高度、垂直度等，其中倒角宽度及高度、垂直度的测量可以显示芯块自身表面形状信息，避免其影响所需参数的精度。

平行光源2.1.6和远心镜头2.1.5分别置于芯块两侧，以投影的方式清晰显示芯块的边缘，保证芯块四周的光线条件，使其侧面无阴影，避免外界光线影响成像效果，平行光源2.1.6可采用LED平行照明光源。

本实施例中采用意大利OPTO的高精度远心镜头+平行光源+德国AVT的1250万像素工业相机的光学设计获取芯块图像，其中OPTO的远心镜头拍摄的图片几乎无畸变，是测量用途的首选，其采集的视场为9.1*6.8mm，十分贴近芯块的尺寸大小，进一步提高了像素的利用率，使光学采集精度达到了2.5微米；德国AVT的1250万像素工业相机，其靶面尺寸达到4/3英寸，较一般工业相机具有极大的提高，单个像素的尺寸达到4.5微米，进一步增大像素尺寸，使图像的光学清晰度和亮度进一步增加，有效提高图像的精度和拍摄质量。而采用远心镜头2.1.5和平行光源2.1.6的配合对芯块进行投影测量，可以使芯块的边缘十分锐利地展现出来，具有高分辨率、超宽景深与低畸变、优化光路设计的优点，配合1250万像素的高分辨率工业相机，使光学精度达到2.5微米，且视场边缘不会变形。

另外，本实施例中的采集卡可选用Camlink图像采集卡或千兆以太网(GbE)网络接口的图像采集卡，其最高数据传输率达1000Mb/s。

如图5所示，称重模块2.2用于测量芯块质量，并将质量参数传输至工控机3中，工控机3按照芯块沿轴向不同的两个方向取得的直径值、芯块高度、倒角高度、倒角宽度、芯块质量数据计算芯块的密度。为了保证测量精度，该称重模块2.2主体被置于一个半封闭的保护壳2.2.1中，第二平台2.2.0置于保护壳2.2.1上，芯块放置在第二平台2.2.0上进行测量。本实施例中称重模块2.2采用高精度电子天平2.2.2，如瑞士梅特勒-托利多出产的XS-104或同级别的工业级电子天平，其测量实际分度值达到0.1毫克，满足检测的需求。

如图6所示，粗糙度测量模块2.3用于测量芯块表面粗糙度，其包括第三平台2.3.0、芯块定位组件2.3.1、升降组件2.3.2和粗糙度测量部2.3.3，其中，第三平台2.3.0、芯块定位组件2.3.1分别设置在粗糙度测量模块2.3的安装平台上，第三平台2.3.0位于粗糙度测量部2.3.3下方，第三平台2.3.0用于放置芯块，芯块定位组件2.3.1负责将芯块送到适合粗糙度测量部2.3.3测量的位置。升降组件2.3.2设置在安装平台上，粗糙度测量部2.3.3安装在升降组件2.3.2上，位于第三平台2.3.0上方，升降组件2.3.2带动粗糙度测量部2.3.3上下移动，将其调节到合适位置进行测量，粗糙度测量部2.3.3检测第三平台2.3.0上芯块的粗糙度后，将粗糙度参数传输至工控机3中。升降组件2.3.2在保证测量一致性的同时，对芯块和仪器有一定的保护作用。本实施例中粗糙度测量模块2.3采用日本三丰SJ-410粗糙度测量仪，其配合符合测量要求的测量平台，测量精度满足本项目的精度要求，最大限度去除了外界的扰动，保证了测试的精度。

工控机3可以控制系统内各部件的运转，并监控各部件的运转状态；通过界面设置检测参数，输入产品信息和操作员信息；并可根据不同的操作员权限来开放相应的功能模块。

工控机3包括算法模块、数据库模块、显示模块和对接接口，算法模块用于将尺寸测量模块2.1取得的图像转换为真实的测量数据，数据库模块用于将数据汇总、储存，以及管理整个自动测量系统的动作等，显示模块通过人机交互界面显示或设置参数、状态等，工控机3通过对接接口可以与MES服务器数据传输，将检测结果实时传输给用户的MES系统(制造企业生产过程执行系统)，使用户可通过远程服务器进行远程监管或数据储存。

算法模块能够对芯块图像进行边界分割和倒角确认，分离出芯块的边界，并自动识别芯块的方向，在指定位置进行测量。算法模块在接收尺寸测量模块2.1传输的芯块图像后，对图像边缘进行锐化即增强图像的灰度跳变部分，之后从图像中提取出芯块部分，测量出所需的几何尺寸，计算出芯块体积或密度等参数。

对图像边缘锐化后需进行边缘提取，边缘提取是指数字图像处理中，对于图片轮廓的一个处理。其中边缘是对于边界处，灰度值变化比较剧烈的地方。比较常用的边缘检测方法有三种：Sobel算子、Laplacian算子、Canny算子。而Canny边缘检测具有很好的边缘监测性能，在图像处理中得到了越来越广泛的应用。本实施例优选地采用Canny边缘检测算子进行边缘提取。

提取完芯块边缘后，即可进行芯块几何尺寸参数的测量。

直径：从芯块图像两个垂直的方向对直径进行测量。通过在芯块圆柱体部分均匀取多处测量直径，测得的平均值为该方向上的直径，同时保证正常芯块取样分布总长不小于5mm，标准块取样分布总长不小于2.5mm。

高度：对芯块图像非倒角部分均匀取多处进行高度测量。测得的平均值为该芯块的高度。

倒角宽度、高度：对所取得的芯块图像进行倒角拟合，找到确切的倒角起始点和终点位置，进行测量。

垂直度：芯块在旋转180度的过程中每1至10度拍摄一张图片。算法模块对所取得的图像进行筛选和中心轴拟合，找到最接近平行于端面的那个角度，结合上下两个面测得上端和下端的垂直度。

在图像处理过程中，提高图像检测方法的精度一般有两种方式：一种是提高图像系统的光学放大倍数和CCD相机的分辨率能力；另一种是引入亚像素细分技术来弥补硬件的不足以提高图像系统的分辨率，亚像素是XLD(Extended Line Descriptions)扩展的线性描述，它不是基于像素的，但比像素更精确，是可以精确到像素内部的一种描述；其代表亚像素精度的边缘轮廓和多边形，用亚像素数据，可以更加精确的表示位置信息，如图7所示边缘线可以穿过单个像素。本实施例中对芯块边缘提取采用亚像素来处理，如使用亚像素细分技术将精度提到0.1像素，就相当于提高了10倍的图像系统分辨率。

数据库模块可采用SQL Server 2008，可存储任何操作信息和检测结果信息，并可实时查询历史记录，对检测过程实现追溯查询。该数据库模块包括存储模块、查询模块和微处理器。存储模块和查询模块分别与微处理器相连。存储模块接收算法模块传输的参数信息和微处理器传送的工况信息等，并自动储存，形成数据库。查询模块具有数据库查询功能，用于用户调用、查询数据库内信息，查询的信息通过微处理器传输至显示模块显示。微处理器还与机械手1.2、测量平台2内各检测模块分别相连，实时监控该系统的检测状态和各部件的运行状态，并将工况状态信息传输至存储模块储存，同时，还可传送用户对各部件的动作指令。

显示模块与微处理器相连，通过人机交互界面显示各参数信息及工况状态等信息，同时用户也通过该人机交互界面向系统输入各种指令和参数等内容。人机交互界面主要包括菜单栏、图像采集与显示界面、控制数据与测量数据显示界面、状态监控栏及用户操作栏几个部分，如图8所示。

其中菜单栏包括功能、数据库、图像采集、技术条件、帮助、关于等几个部分，主要实现系统调试时的手动单步运行、数据库存储删除及历史查询、图像的存取操作、相机参数与系统运行参数的设置、测量技术条件输入修改、软件版本号查询等功能。

图像采集与显示界面位于界面左上方，实现工业相机所得的芯块柱面投影图像，保证成像过程中引入最小的测量误差，提高测量精度。

控制数据与测量数据显示界面将测量所得芯块直径(D)、高度(H)、倒角宽度(J)、倒角高度(I)、垂直度、粗糙度(Ra)、芯块重量(g)等测量数据信息及芯块批号、工件名称、操作人员、生产日期等生产信息实时显示，供用户读取，同时，每次采到的图像实时保存到目标地址并将测量结果存入数据库并发送MES验证。

状态监控栏主要实现系统运行状态的实时监控，显示当前V型盘(即上料盘1.1)单行装盘进度及整盘进度，以便用户查看；当系统运行故障时，声光同时报警以提醒用户，同时在状态监控栏中输出故障出现的原因，以便用户检修，状态监控栏中可同时显示一定时间内的系统故障提醒，超出一定时间自动清除，用户如需查看，可通过菜单栏--数据库--历史查询方式查询。

用户操作栏包括工件名称、批号等参数的输入及测量内容与工作方式选择，其中测量内容包括全部参数测量与直径测量两种，当选择全部内容测量时，系统测量芯块全部参数并实时显示，当选择直径测量时，系统只进行图像采集与直径测量，进一步简化工作流程；工作方式包括自动、半自动、手动运行三种方式，用户可通过选择不同的工作方式控制系统运行状态，可直接通过右侧的测量、停止、急停重启、导出报表等按钮控制系统的运行，当选择方式为手动与半自动时，点击测量时会自动弹出单步运行操作界面辅助用户操作，导出报表按钮可以将测量结果自动形成报表，以EXCEL形式导出，简化了用户操作的复杂度，用户简单培训即可上岗。

同时，该系统还进行用户分类权限设置，经过单独授权之后可以进行数据修改。在人机交互界面内，包含用户登录、注册、注销界面及手动运行时的单步运行操作界面，同时具有采集图像存储，检测结果的数据库保存，MES数据同步等功能按钮，保证用户使用的便捷与功能的完善。

考虑到工控机3高速与稳定的要求，本实施例中工控机3采用一体式工控机，其采用i7主频3.3GHz以上的处理器，16G内存，企业级硬盘1TB以上，有线网卡，27寸以上4K液晶显示器，预装WIN7企业版正版操作系统，并不具有任何无线通讯的功能，包括无线键盘、无线鼠标、无线网卡等，以增强该工控机3的保密性。

另外本实施例中所有气缸优先选用FESTO的产品。数据线和电源线也可采用二者合一的合成线缆，以简化安装，降低生产和维护成本。

在该自动测量系统中还设有急停按钮，当出现非正常状况时，可按下急停按钮，使该自动测量系统停止动作。

在该自动测量系统进行测量前，还需配备标准块，用于校准该系统，且标准块应具有检定证书，以保证精度。通常标准块需按2组6块，每组3块准备。

普通芯块的取样长度为0.8mm，测量长度为4mm；标准块的取样长度为0.25mm，测量长度为1.25mm。该测量系统包括手动、单步顺序、自动方式三种检测形式。其中，手动控制：全过程(包括上料、下料、测量、称重等)都能手动控制；单步顺序控制：全过程(包括上料、下料、测量、称重等)按工艺步骤顺序一步步单步执行；自动控制：全过程(包括上料、下料、测量、称重等)按照事先设定程序自动运行。在检测过程中，这三种方式可以选择一种，也可相互切换使用。

工作流程如下：

a.将待测芯块放置在上料盘1.1中，并将上料盘1.1放置在指定位置；

b.在人机交互界面登陆用户账号后，输入批号并在界面显示；

c.选择只测量直径或者全测量模式后，点击开始按钮开始进行测量；

d.机械手1.2吸取一块芯块移动至尺寸测量模块2.1的第一平台2.1.0上，降下并释放芯块后，升降气缸驱动下第一平台2.1.0载着芯块升高。芯块两端的夹紧气缸2.1.1推动两个尺寸小于芯块底面的圆头软性小夹头，将芯块从两端顶住。随后升降气缸将放置芯块的第一平台2.1.0下降，芯块露出进行拍照。之后旋转电机2.1.3带动芯块旋转180度，对每一度都进行拍照。同时，工业相机2.1.4将芯块图像传送至工控机3的微处理器；

如图9所示，微处理器通过算法模块进行芯块几何尺寸的测量：

直径测量：从俯拍芯块的几何中心O开始依次向左向右各步进芯块宽度的1/12，以实现10个测量部位的总长度>5mm的要求。从两个垂直方向分别测到的10个数据得到的数组求均值，即可得到圆柱直径D1和D2；

高度测量：芯块高度用一条较长的线段(长度大于芯块高度)从几何中心O依次左右各走芯块总宽度的1/6，将得到的6组数求均值即可得到高度H；

垂直度测量：对芯块进行边缘提取后，对上下2条边进行直线拟合，进行平行度计算，得到垂直度T；

倒角高度、宽度：芯块倒角高度与宽度的测量可分为2种情况，情况1即当采集到的芯块倒角较为明显时，可采用现有的Harris角点检测，得到芯块上下倒角的8个点,如图10所示，从8个点即可计算出倒角的宽度J与高度I；

情况2，当采集到的芯块倒角不明显，呈弧形时，采用拟合的方法，即：

将弧线分成3段，如图10所示，取中间弧线AB,沿AB弧线每5个相邻像素点拟合一条斜线，得到相应的斜率，将从AB弧段得到所有斜率求均值t，再回溯查找斜率最接近t的小段，对其做切线，切线依次可穿过L1与L2，即可得到其中一个倒角的2个角点。对上下左右的四个倒角一次重复上述计算，即可得到4个倒角的8个点，从而可计算出倒角的宽度与高速。

e.机械手1.2将芯块放置到称重模块2.2上，进行称重；

f.工控机3中的算法模块根据测得的尺寸和重量自动计算芯块的几何密度；

密度ρ＝M/V,其中V是芯块的体积。

由于直径是从垂直的两个方向进行计算，可得到各个直径计算结果D1和D2，当D1-D2较大时，我们有理由认为芯块的横截面更偏于椭圆，由椭圆体和椭圆台的体积公式可知总体积:

V＝椭圆柱V₁+椭圆台V₂₁+椭圆台V₂₂

g.机械手1.2将芯块放置到粗糙度测量模块2.3上，芯块定位机构将芯块送入指定位置，粗糙度测量部2.3.3降至限定位置后，进行粗糙度的测量；

对于只测量直径的模式，工序e，f，g省略；

h.粗糙度测量模块2.3测量完毕后，粗糙度测量部2.3.3升高；机械手1.2降下，将芯块运输至下料盘1.3中；

i.当上料盘1.1中的所有待检芯块检测完毕后，工控机3提示测量完毕。

该系统在测量过程中，可以预设平均值、上限、下限，相应检测数值超过时，系统自动报警并红色高亮该值，给出“Pass/Fail”的信号。

该系统的测量速率，在完成所有检测项目时为≥30块/小时，在只检测直径时为≥45块/小时。

测量精度：直径±2.5μm，高度±2.5μm，倒角高度精度：±20μm，倒角宽度精度：±20μm，垂直度精度：±0.03mm；电子天平检定分度值：1mg，实际分度值：0.1mg；粗糙度仪(Ra):±5％

重复性：直径标准偏差(σ)：σ≤2.5μm，高度σ≤2.5μm，倒角高度精度：σ≤20μm，倒角宽度精度：σ≤20μm，垂直度精度：σ≤0.03mm；电子天平：σ≤0.2mg；粗糙度仪(Ra)：σ≤0.2μm。

另外，该系统对环境要求不高，能在环境温度10-35℃、环境相对湿度＜80％的条件下正常工作，不受现在生产现场的影响。

虽然上面结合本实用新型的优选实施例对本实用新型的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本实用新型的示意性实现方式的解释，并非对本实用新型包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本实用新型范围的限制，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种芯块几何尺寸及密度自动测量系统，其特征在于，所述系统包括上下料机构(1)、测量平台(2)和工控机(3)；

所述上下料机构(1)包括上料盘(1.1)、机械手(1.2)和下料盘(1.3)；所述上料盘(1.1)和所述下料盘(1.3)分别设置在所述测量平台(2)两端，所述机械手(1.2)位于所述测量平台(2)一侧，并与所述工控机(3)相连；

所述测量平台(2)设置有尺寸测量模块(2.1)、称重模块(2.2)和粗糙度测量模块(2.3)；所述尺寸测量模块(2.1)、所述称重模块(2.2)和所述粗糙度测量模块(2.3)与所述工控机(3)分别相连；所述机械手(1.2)在所述尺寸测量模块(2.1)、所述称重模块(2.2)和所述粗糙度测量模块(2.3)之间传送所述上料盘(1.1)上的芯块，检测完后，将所述芯块码放至所述下料盘(1.3)上；

所述尺寸测量模块(2.1)包括工业相机(2.1.4)和远心镜头(2.1.5)，所述远心镜头(2.1.5)设置在所述工业相机(2.1.4)底端，朝向所述芯块；所述工业相机(2.1.4)拍摄所述芯块图像，并将所述芯块图像传输至所述工控机(3)以确定所述芯块的几何尺寸；所述几何尺寸包括直径、高度、垂直度和倒角宽度、高度；

所述称重模块(2.2)和所述粗糙度测量模块(2.3)分别检测所述芯块的重量和粗糙度，并将检测结果分别传输至所述工控机(3)；所述工控机(3)根据所述几何尺寸和所述重量计算获得所述芯块密度。

2.根据权利要求1所述的芯块几何尺寸及密度自动测量系统，其特征在于，所述尺寸测量模块(2.1)还包括芯块姿态控制部，所述芯块姿态控制部对所述芯块进行姿态调节。

3.根据权利要求2所述的芯块几何尺寸及密度自动测量系统，其特征在于，所述芯块姿态控制部包括第一平台(2.1.0)、升降气缸、夹紧组件和旋转电机(2.1.3)；所述机械手(1.2)将所述芯块放置在所述第一平台(2.1.0)上；所述升降气缸带动所述第一平台(2.1.0)调整所述芯块至所需位置；所述夹紧组件夹紧所述芯块；所述旋转电机(2.1.3)与所述夹紧组件相连，旋转调整所述芯块朝向所述远心镜头(2.1.5)的角度。

4.根据权利要求3所述的芯块几何尺寸及密度自动测量系统，其特征在于，所述夹紧组件包括夹紧气缸(2.1.1)和夹头(2.1.2)，所述夹紧气缸(2.1.1)输出端分别与两个所述夹头(2.1.2)相连，所述夹紧气缸(2.1.1)带动两个所述夹头(2.1.2)相向移动，夹紧所述芯块。

5.根据权利要求4所述的芯块几何尺寸及密度自动测量系统，其特征在于，所述夹头(2.1.2)为尺寸小于所述芯块底面的圆头软性小夹头。

6.根据权利要求2所述的芯块几何尺寸及密度自动测量系统，其特征在于，所述尺寸测量模块(2.1)还包括平行光源(2.1.6)，两个所述平行光源(2.1.6)分别设置在所述芯块姿态控制部两侧，照射所述芯块两侧，以清晰显示所述芯块的边缘。

7.根据权利要求6所述的芯块几何尺寸及密度自动测量系统，其特征在于，所述平行光源(2.1.6)为LED平行照明光源。

8.根据权利要求1所述的芯块几何尺寸及密度自动测量系统，其特征在于，所述尺寸测量模块(2.1)还包括采集卡和信号控制卡，所述工控机(3)通过所述信号控制卡启动所述工业相机(2.1.4)拍摄所述芯块图像；所述采集卡采集所述芯块图像，并将所述芯块图像传输至所述工控机(3)。

9.根据权利要求1所述的芯块几何尺寸及密度自动测量系统，其特征在于，所述械手(1.2)包括移动组件和吸头，所述移动组件与所述吸头相连，所述机械手(1.2)通过所述吸头与所述芯块相连，通过所述移动组件调节所述芯块位置。

10.根据权利要求9所述的芯块几何尺寸及密度自动测量系统，其特征在于，所述吸头为软性吸头。

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