TW201913035A - 盤形凸輪之表面粗糙度值的非接觸式暨光學量測自動化系統及其方法 - Google Patents

盤形凸輪之表面粗糙度值的非接觸式暨光學量測自動化系統及其方法 Download PDF

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Abstract

一種非接觸式暨光學量測自動化系統，包含基座、旋轉夾頭、移動平台模組及光學量測模組，且適於電性連接於計算機裝置。旋轉夾頭設於基座以夾持盤形凸輪。移動平台模組包含第一線性運動平台、第二線性運動平台及旋轉運動平台。光學量測模組設置於旋轉運動平台，且包含雷射發光元件以及取像元件。計算機裝置可指示旋轉夾頭轉動及移動平台模組帶動光學量測模組移動，並可指示雷射發光元件所發出之光束射至盤形凸輪之輪廓表面並以取像元件接收散射光，而擷取到包含輪廓散斑圖案的灰階影像，再依灰階影像計算出輪廓表面的粗糙度值。

Description

盤形凸輪之表面粗糙度值的非接觸式暨光學量測自動化系統及其方法
本發明係關於一種盤形凸輪之表面粗糙度值的量測自動化系統及量測方法，特別是一種以非接觸式量測表面粗糙度值的光學量測自動化系統及量測方法。
凸輪為各種機器與自動化設備中常用的機械元件，其透過接觸從動件使其產生預定的不規則拘束運動，藉以達成所需的運動控制。一般而言，盤形凸輪(Disk cam)於製造過程中通常需要以電腦數值控制工具機(CNC工具機)進行切削加工，並研磨其輪廓表面以得到良好的表面粗糙度值(Surface roughness value)。當凸輪輪廓的表面粗糙度值過大時，將會增加凸輪與從動件相互接觸時的磨損程度。此外，也會影響凸輪機構的動態運動特性，使得凸輪機構在高速運轉時產生過大的振動與噪音。因此，盤形凸輪在加工完成後，需要檢測其輪廓表面的粗糙度值以監控製造良率。
凸輪之表面粗糙度值的量測裝置與方法主要為使用傳統的接觸式表面粗糙度量測儀以對局部的凸輪輪廓表面進行量測。但是，凸輪輪廓的待測位置之局部區域的曲率變化不可過大，否則會超過量測儀之探針的可量測範圍。換言之，必須將量測儀的量測長度(Traverse length)設定在非常小的數值，以使探針移動時所接觸的待測位置之局部區域具有非常小的輪廓曲率變化。因此，採用接觸式的量測方法來檢測凸輪的表面粗糙度值相當缺乏效率。此外，由於量測儀之探針在量測時會和凸輪的輪廓表面產生頻繁的接觸，導致探針本身會因磨損而減少其使用壽命。
鑒於以上問題，本發明揭露一種盤形凸輪之表面粗糙度值的非接觸式暨光學量測自動化系統及其方法，以解決接觸式的量測裝置與方法缺乏效率以及使量測儀之探針受到磨損的問題。
本發明揭露之非接觸式暨光學量測自動化系統適於電性連接於一計算機裝置，以量測一盤形凸輪之一輪廓表面的粗糙度值。非接觸式暨光學量測自動化系統包含一基座、一旋轉夾頭、一移動平台模組以及一光學量測模組。旋轉夾頭設置於基座並且用以夾持盤形凸輪，以使盤形凸輪以自身之一旋轉軸線為旋轉中心轉動。移動平台模組包含一第一線性運動平台、一第二線性運動平台以及一旋轉運動平台。第一線性運動平台可移動地設置於基座。第二線性運動平台可移動地設置於第一線性運動平台，且旋轉運動平台可轉動地設置於第二線性運動平台。光學量測模組設置於旋轉運動平台。光學量測模組包含一雷射發光元件以及一取像元件，且移動平台模組可帶動光學量測模組一併移動。計算機裝置用以指示旋轉夾頭帶動盤形凸輪轉動以及指示移動平台模組帶動光學量測模組移動。計算機裝置更用以指示雷射發光元件所發出之一光束射至盤形凸輪之輪廓表面的一輪廓點。取像元件接收光束射至輪廓點所產生的局部散射光而擷取到包含一輪廓散斑圖案的一灰階量測影像。輪廓散斑圖案是由於雷射散射現象(Laser scattering)所形成的雷射散斑(Laser speckle)。計算機裝置依據灰階量測影像而得到輪廓散斑圖案於灰階量測影像的一輪廓散斑特徵值，並且依據輪廓散斑特徵值計算出輪廓表面於輪廓點的粗糙度值。
本發明揭露之量測一盤形凸輪之一輪廓表面的粗糙度值之非接觸式光學量測方法包含以下步驟：設定一量測參數，包含輪廓表面的至少一輪廓點以及輪廓表面於至少一輪廓點的法線方向；藉由一光學量測模組進行一量測程序，使光學量測模組的一雷射發光元件所發出之一光束射至至少一輪廓點，並且使光學量測模組的一取像元件接收光束射至至少一輪廓點所產生的局部散射光，而擷取到包含一輪廓散斑圖案的一灰階量測影像；將灰階量測影像進行一取值程序，得到輪廓散斑圖案於灰階量測影像的一輪廓散斑特徵值；以及將輪廓散斑特徵值代入一粗糙度關係式以進行一計算程序，得到盤形凸輪之輪廓表面於至少一輪廓點的粗糙度值。
根據本發明所揭露的非接觸式暨光學量測自動化系統及其方法，光學量測模組的雷射發光元件所發出之光束照射至盤形凸輪的輪廓表面而產生散射光，並且取像元件接收散射光而擷取到包含輪廓散斑圖案的灰階量測影像。透過計算機裝置之計算，能依據灰階量測影像而得到輪廓散斑圖案於灰階量測影像的輪廓散斑特徵值，並且再依據輪廓散斑特徵值計算出輪廓表面的粗糙度值。藉此，本發明所揭露的非接觸式光學量測方法不會受限於凸輪輪廓的曲率變化，並且光學量測模組在量測表面粗糙度值時也不會與盤形凸輪接觸，有效解決接觸式的量測方法缺乏效率以及使量測儀之探針受到磨損的問題。
此外，透過計算機裝置指示旋轉運動平台轉動光學量測模組，本發明所揭露的非接觸式暨光學量測自動化系統能在每次量測前自動地調整雷射發光元件的發光方向，使得發光方向保持平行於盤形凸輪之輪廓表面於當下輪廓點的法線方向。藉此，有助於簡化量測程序的執行複雜度。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請同時參照圖1A至圖4。圖1A為根據本發明第一實施例之非接觸式暨光學量測自動化系統的立體示意圖。圖1B為計算機裝置與圖1A之非接觸式暨光學量測自動化系統的系統方塊圖。圖2為圖1A之非接觸式暨光學量測自動化系統的分解示意圖。圖3A為圖2之移動平台模組之旋轉運動平台的立體示意圖。圖3B為圖3A之旋轉運動平台的分解示意圖。圖4為圖3A之光學量測模組的前視示意圖。本實施例提供一非接觸式暨光學量測自動化系統1，其能以自動化且非接觸的方式量測盤形凸輪之表面粗糙度。非接觸式暨光學量測自動化系統1包含一基座10、一旋轉夾頭20、一移動平台模組30以及一光學量測模組40。
旋轉夾頭20設置於基座10，其用以夾持盤形凸輪，以使盤形凸輪以自身之旋轉軸線為旋轉中心轉動。旋轉夾頭20的功能將於後續再進一步詳述。
移動平台模組30包含一第一線性運動平台310、一第二線性運動平台320以及一旋轉運動平台330。第一線性運動平台310、第二線性運動平台320與旋轉運動平台330分別與動力源連接。第一線性運動平台310設置於基座10並可沿一第一方向D1相對基座10移動。第二線性運動平台320設置於第一線性運動平台310，並且第二線性運動平台320可沿非平行於第一方向D1的第二方向D2相對第一線性運動平台310移動。在本實施例中，第二方向D2正交於第一方向D1。
旋轉運動平台330可轉動地設置於第二線性運動平台320。詳細來說，旋轉運動平台330包含一旋轉台主件331、一圓弧軌道件332、多個滾輪333、一扇形齒輪334以及一小齒輪335。圓弧軌道件332設置於第二線性運動平台320並且穿過旋轉台主件331的一穿槽3311，並且圓弧軌道件332具有對應這些滾輪333的多個軌道承面3321。滾輪333可轉動地設置於穿槽3311內，並且這些滾輪333分別與這些軌道承面3321相互保持接觸，如此，旋轉台主件331相對於圓弧軌道件332具有可轉動性。扇形齒輪334固設於圓弧軌道件332，小齒輪335設置於動力源的動力軸上，動力源則設置於旋轉台主件331，並且扇形齒輪334與小齒輪335相互嚙合，如此，扇形齒輪334、小齒輪335與旋轉台主件331之間的相對運動關係即可等同於一習知的行星齒輪系(Planetary gear train)。當動力源啟動時，藉由小齒輪335相對於扇形齒輪334的滾轉運動可同步地帶動旋轉台主件331相對於圓弧軌道件332轉動，進而使旋轉運動平台330可相對於第二線性運動平台320轉動。
光學量測模組40設置於旋轉運動平台330的旋轉台主件331，並且第二線性運動平台320可帶動旋轉運動平台330與光學量測模組40一併沿第二方向D2移動。在本實施例中，光學量測模組40包含獨立的一雷射發光元件410以及一取像元件420，其中雷射發光元件410為雷射二極體模組(Laser diode module)，並且取像元件420為具備電子感光元件與光學鏡頭的攝影機模組。電子感光元件例如為互補式金氧半場效電晶體(Complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)或電荷耦合元件(Charge coupled device，CCD)。光學鏡頭例如為固定倍率的遠心鏡頭(Telecentric lens)。雷射發光元件410與取像元件420分別設置於旋轉運動平台330之旋轉台主件331的一側面。雷射發光元件410可沿一發光方向D3發出雷射光束，並且雷射光之光束照射到待測物的表面以產生散射光。至少一部分散射光會沿一收光方向D4照射至取像元件420，以使取像元件420接收這些散射光。在本實施例中，發光方向D3與收光方向D4之間具有介於30.0度至60.0度之間的一固定銳角α。此外，在本實施例中，雷射發光元件410的輸出功率不大於(小於或等於)10.0毫瓦(mW)。
非接觸式暨光學量測自動化系統1的旋轉夾頭20、移動平台模組30以及光學量測模組40可電性連接於一計算機裝置2。詳細來說，計算機裝置2例如為桌上型電腦等具有資料處理能力的電子裝置，其包含一中央處理模組21、一人機介面22、一記憶單元23以及一運動控制單元24，並且基座10內部設置有一驅動單元11。計算機裝置2的中央處理模組21可以經由安裝於計算機裝置2內的運動控制單元24電性連接位於基座10內的驅動單元11，以指示一個或多個動力源帶動旋轉夾頭20夾持並轉動盤形凸輪，帶動移動平台模組30的第一線性運動平台310相對基座10移動，帶動第二線性運動平台320相對第一線性運動平台310移動，並且帶動旋轉運動平台330相對第二線性運動平台320轉動。在本實施例中，係採用步進馬達作為第一線性運動平台310與第二線性運動平台320的動力源，並且採用伺服馬達作為旋轉夾頭20與旋轉運動平台330的動力源。此外，第一線性運動平台310與第二線性運動平台320的內部更分別裝設有線性編碼器，旋轉夾頭20與旋轉運動平台330的伺服馬達之內部更分別裝設有旋轉編碼器。線性編碼器可以分別偵測第一線性運動平台310與第二線性運動平台320的移動位置並分別回授給運動控制單元24以進行其閉迴路運動控制，並且旋轉編碼器可以分別偵測旋轉夾頭20與旋轉運動平台330的旋轉角度並分別回授給運動控制單元24以進行其閉迴路運動控制，藉此，非接觸式暨光學量測自動化系統1可以達到進行量測時所需的定位精準度。計算機裝置2更用以指示光學量測模組40的取像元件420接收並擷取雷射發光元件410所發出之光束照射到待測物的表面後所產生的局部散射光，而所擷取到之影像可顯示於人機介面22。
以下說明本實施例之量測盤形凸輪之表面粗糙度值的光學量測方法。請同時參照圖5A至圖5F。圖5A為根據本發明第一實施例之非接觸式光學量測方法的流程示意圖。圖5B為圖5A之非接觸式光學量測方法中迴歸分析程序的流程示意圖。圖5C為圖5A之非接觸式光學量測方法中定位程序的流程示意圖。圖5D為圖5A之非接觸式光學量測方法中量測程序的流程示意圖。圖5E為圖5A之非接觸式光學量測方法中取值程序的流程示意圖。圖6A至圖6H為使用圖1A之非接觸式暨光學量測自動化系統量測盤形凸輪之表面粗糙度值的示意圖。如圖5A所示，本實施例的光學量測方法包含步驟S1至S8。此外，如圖6B所示，在開始量測之前，會先用非接觸式暨光學量測自動化系統1的旋轉夾頭20夾持住一盤形凸輪50。
本實施例所量測的盤形凸輪50適用於平移式偏位滾子型從動件盤型凸輪機構，但本發明並不以此為限。非接觸式暨光學量測自動化系統1也能量測直動平面型從動件盤型凸輪機構或擺動式滾子從動件盤型凸輪機構之盤形凸輪。此外，本實施例所要量測之表面粗糙度值，係指中心線平均粗糙度值(Arithmetical mean roughness，Ra值)，但本發明並不以此為限。非接觸式暨光學量測自動化系統1也能量測最大高度粗糙度值(Maximum roughness depth，Ry值)與十點平均粗糙度值(Ten point mean roughness，Rz值 )等。
首先執行步驟S1，係使用者於量測盤形凸輪50的表面粗糙度值之前，先利用光學量測模組40進行一迴歸分析程序，以得到一粗糙度關係式。如圖5B所示，在本實施例中，步驟S1包含步驟S11至S16。
首先執行步驟S11，係提供與盤形凸輪50具有相同材質的多個試片60。每一試片60的外表面610分別為平面或圓柱面，換言之，這些試片60的外表面610分別具有兩種以上之曲率以符合待測凸輪輪廓的曲率變化範圍，並且這些試片60的外表面610分別具有相異且已知的中心線平均粗糙度值。在本實施例中，盤形凸輪50與試片60的材質皆為SUS304不鏽鋼，但本發明並不以此為限。
如圖6A所示，接著執行步驟S12，係光學量測模組40的雷射發光元件410沿試片外表面610的法線方向發出光束430。光束430照射至試片外表面610時會發生散射現象而產生多條散射光。
接著執行步驟S13，係藉由光學量測模組40的取像元件420接收光束430射至試片外表面610所產生的散射光，而擷取到多個灰階迴歸分析影像。每個灰階迴歸分析影像分別包含一由於雷射散射現象所形成之雷射散斑的試片散斑圖案，並且這些試片散斑圖案分別對應到這些試片60。請併參照圖7A，係繪示包含散斑圖案之灰階影像。
接著執行步驟S14，係將這些灰階迴歸分析影像進行二值化處理，得到多個二值化迴歸分析影像。詳細來說，將擷取到的每個灰階迴歸分析影像(圖7A)進行數據化之後，可得到灰階迴歸分析影像中之每個像素(Pixel)的灰階值(其像素值介於0～255)，並能求出一灰階像素平均值。以求出的灰階迴歸分析影像之灰階像素平均值為門檻值，對灰階迴歸分析影像進行二值化處理(Thresholding)，可得到一二值化迴歸分析影像(其像素值介於0~1)。灰階像素平均值可透過下列方程式求得：
(1)
在式(1)中，k為灰階迴歸分析影像的灰階像素平均值，m為灰階迴歸分析影像的長邊像素數目，n為灰階迴歸分析影像的寬邊像素數目，gij 為灰階迴歸分析影像中座標(i，j)之像素灰階值。請併參照圖7B，係繪示圖7A之灰階影像進行二值化處理後的二值化影像，其中二值化處理的門檻值為44.676。在本實施例中，試片散斑圖案具有較高的像素值，因此在圖7B的二值化影像中，散斑圖案佔據的的區域為白色，而背景區域則為黑色。
接著執行步驟S15，係計算每個二值化迴歸分析影像中的試片散斑圖案所佔據的面積，以得到試片散斑特徵值。詳細來說，試片散斑圖案所佔據的像素面積可透過下列方程式求得：
(2)
在式(2)中，Ab 為試片散斑圖案所佔據的像素面積(單位為pixel2 )，m為二值化迴歸分析影像的長邊像素數目，n為二值化迴歸分析影像的寬邊像素數目，bij 為二值化迴歸分析影像中座標(i，j)之像素值，Au 為每單位像素之面積(即1 pixel2 )。然後，試片散斑特徵值透過下列方程式求得：
(3)
在式(3)中，σ為試片散斑特徵值(單位為μm2 )，T為取像元件420所擷取到之影像在物理面積與像素面積上的比例轉換值(單位為μm2 /pixel2 )。因此，試片散斑特徵值σ即等於試片散斑圖案所佔據的物理面積。以圖7B當作一個二值化迴歸分析影像為例來說明，試片散斑圖案於此二值化迴歸分析影像中所佔據的面積係定義為試片散斑像素面積，其數值約為1275573 pixel2 。將試片散斑像素面積乘上一比例轉換值T=0.0189 μm2 /pixel2 後得到試片散斑物理面積，其數值約為24108.33 μm2 ，並且試片散斑物理面積即為圖7B之試片散斑圖案的試片散斑特徵值。在本實施例的二值化迴歸分析影像中，由於試片散斑圖案佔據的區域為白色，因此像素值為1 (即bij =1)；背景區域為黑色，因此像素值為0 (即bij =0)。當試片外表面610越粗糙時，光束430照射試片表面後610所產生的散色光數量會越多，並且散射光的分布範圍會越廣，因此步驟S15中得到的試片散斑特徵值也會越大。
本實施例的試片散斑特徵值係為試片散斑像素面積乘上比例轉換值所得到的試片散斑物理面積，但本發明並不以此為限。舉例來說，圖7B之試片散斑圖案的試片散斑特徵值也可以為試片散斑像素面積與二值化迴歸分析影像之總像素面積的比值。
接著執行步驟S16，係以這些試片散斑特徵值以及這些試片60的已知粗糙度值進行迴歸分析，得到粗糙度關係式。粗糙度關係式為中心線平均粗糙度值與試片散斑特徵值的函數。請併參照圖7C，係繪示試片散斑特徵值與中心線平均粗糙度值之關係曲線圖，其中橫軸座標代表試片散斑特徵值，且縱軸座標代表外表面610的中心線平均粗糙度值。在本實施例中，粗糙度關係式為一非線性函數，其如下所示：
(4)
在式(4)中，Ra為試片外表面610的已知中心線平均粗糙度值(單位為μm)，並且σ為步驟S15中得到的試片散斑特徵值。
於執行完步驟S1後，接著執行步驟S2，係將盤形凸輪50的一輪廓資訊輸入至計算機裝置2。在本實施例中，輪廓資訊包含盤形凸輪50的基圓半徑、盤形凸輪50的滾子半徑、盤形凸輪50的滾子偏位量、盤形凸輪50的理論厚度、盤形凸輪50之從動件的運動函數方程式、盤形凸輪50之輪廓(cam profile)的向量參數方程式、盤形凸輪50的輪廓座標、盤形凸輪50的旋轉中心座標以及盤形凸輪50之輪廓所對應的的徑向與法向之轉換角(Shift angle between radial and normal directions)等資訊。上述的徑向與法向之轉換角即為盤形凸輪50之輪廓點所對應的徑向線與法向量之夾角，該夾角如同習知的壓力角一般會隨著凸輪輪廓點位置的不同而改變其數值大小，並非是一個固定值(轉換角定義之參考文獻來源：張文桐著，平面凸輪機構之機械誤差分析及其應用，博士論文，國立清華大學動力機械工程學系，新竹市，臺灣，2007年，42～44頁)。
接著執行步驟S3，係使用計算機裝置2設定一量測參數。在本實施例中，量測參數包含步驟S16中所述的粗糙度關係式、一待測截面P以及盤形凸輪50的一輪廓表面510之位置相異的一第一輪廓點O1 與一第二輪廓點O2 。待測截面P係為位於盤形凸輪50之軸向方向上的一參考平面，並且待測截面P垂直於盤形凸輪50的一旋轉軸線520。第一輪廓點O1 與第二輪廓點O2 皆位於待測截面P。在本實施例中，量測參數的第一輪廓點O1 與第二輪廓點O2 分別為在盤形凸輪50的輪廓座標中兩個相異的座標值，其可經由輸入座標值給計算機裝置2而得到。
接著執行步驟S4，係計算機裝置2指示非接觸式暨光學量測自動化系統1進行一定位程序，使光學量測模組40對齊待測截面P並位於量測前的一預設待機位置。如圖5C所示，在本實施例中，步驟S4包含步驟S41至S44。
如圖6B所示，首先執行步驟S41，係計算機裝置2指示移動平台模組30的第一線性運動平台310相對基座10移動，以帶動第二線性運動平台320、旋轉運動平台330與光學量測模組40一併沿第一方向D1移至盤形凸輪50上方，而使光學量測模組40對齊待測截面P。在本實施例中，第一方向D1平行於盤形凸輪50的旋轉軸線520。此外，如圖6D所示，當執行完步驟S41後，光學量測模組40的發光方向D3會恰好通過盤形凸輪50的旋轉軸線520且會平行於第二方向D2。
如圖6C和圖6D所示，接著執行步驟S42，係計算機裝置2指示旋轉夾頭20帶動盤形凸輪50轉動，使光學量測模組40對應到第一輪廓點O1 。
如圖6E所示，接著再執行步驟S43，係計算機裝置2指示移動平台模組30的第二線性運動平台320相對第一線性運動平台310移動，以帶動旋轉運動平台330與光學量測模組40一併沿第二方向D2接近或遠離盤形凸輪50，而調整光學量測模組40與盤形凸輪50的輪廓表面510之間的間距。
如圖6E和圖6F所示，接著執行步驟S44，係計算機裝置2指示移動平台模組30的旋轉運動平台330轉動一轉換角度λ1 。轉換角度λ1 等於盤形凸輪50於第一輪廓點O1 的轉換角。於執行完步驟S44後，光束430的發光方向D3會平行於盤形凸輪50之輪廓表面510於第一輪廓點O1 的法線方向。
在本實施例的光學量測方法中，定位程序依順序執行步驟S41至S44，但步驟S43以及S44的執行順序並非用以限制本發明。
於前述的定位程序完成後，接著執行步驟S5，係藉由光學量測模組40進行一量測程序，得到分別對應第一輪廓點O1 與第二輪廓點O2 的第一灰階量測影像與第二灰階量測影像。如圖5D所示，在本實施例中，步驟S5包含步驟S51至S55。
如圖6F所示，首先執行步驟S51，係計算機裝置2指示光學量測模組40對第一輪廓點O1 進行量測。詳細來說，光學量測模組40的雷射發光元件410沿發光方向D3所發出之光束430射至盤形凸輪50的第一輪廓點O1 。光束430射至第一輪廓點O1 時，會於盤形凸輪50的輪廓表面510發生散射現象而產生多條散射光430a。部分散射光430a會沿收光方向D4照射至光學量測模組40的取像元件420。取像元件420接受這些散射光430a而擷取到對應第一輪廓點O1 的一第一灰階量測影像，其中第一灰階量測影像包含取像元件420接受這些散射光430a所形成之雷射散斑的一輪廓散斑圖案。
如圖6G所示，當量測完第一輪廓點O1 而得到對應第一輪廓點O1 的灰階量測影像後，接著執行步驟S52，係計算機裝置2指示旋轉夾頭20帶動盤形凸輪50轉動量測角度β，而使光學量測模組40的光束430對應到第二輪廓點O2 。在本實施例中，量測角度β約為30度，但量測角度β的大小並非用以限制本發明。
接著執行步驟S53，係計算機裝置2會判斷已轉動的量測角度β之總和是否小於360度，若判斷結果為「否」，則不會進行第二輪廓點O2 的量測程序；若判斷結果為「是」，則繼續進行第二輪廓點O2 的量測程序。在本實施例中，當雷射位移計40對應到第二輪廓點O2 時，已轉動的量測角度β之總和(1×β)約為30度，故前述判斷結果為「是」，因此雷射位移計40將進行第二輪廓點O2 的量測程序。
第二輪廓點O2 的量測程序如下所述。執行步驟S54，係計算機裝置2指示移動平台模組30的旋轉運動平台330轉動，而使光學量測模組40復歸至執行步驟S44前的狀態。於執行完步驟S54後，光學量測模組40的發光方向D3會從平行於盤形凸輪50之輪廓表面510於第一輪廓點O1 的法線方向改變成通過盤形凸輪50的旋轉軸線520且平行於第二方向D2。
如圖6H所示，接著執行步驟S55，係計算機裝置2指示移動平台模組30的旋轉運動平台330轉動一轉換角度λ2 。轉換角度λ2 等於盤形凸輪50於第二輪廓點O2 的轉換角。於執行完步驟S55後，光束430的發光方向D3會平行於盤形凸輪50之輪廓表面510於第二輪廓點O2 的法線方向。
接著執行步驟S56，係計算機裝置2指示光學量測模組40對第二輪廓點O2 進行量測。詳細來說，光學量測模組40的雷射發光元件410沿發光方向D3所發出之光束430射至盤形凸輪50的第二輪廓點O2 。光束430射至第二輪廓點O2 時，會於盤形凸輪50的輪廓表面510發生散射現象而產生多條散射光430b。部分散射光430b會沿收光方向D4照射至光學量測模組40的取像元件420。取像元件420接受這些散射光430b而擷取到對應第二輪廓點O2 的一第二灰階量測影像，其中第二灰階量測影像包含取像元件420接受這些散射光430b所形成之雷射散斑的一輪廓散斑圖案。
在本實施例的光學量測方法中，量測程序依順序執行步驟S51至S56，但步驟S52以及S54的執行順序並非用以限制本發明。換句話說，轉動盤形凸輪50的步驟與轉動旋轉運動平台330以使光學量測模組40復歸的步驟，兩者之先後順序並非用以限制本發明。
於擷取到對應第二輪廓點O2 的第二灰階量測影像後，計算機裝置2再度指示旋轉夾頭20帶動盤形凸輪50轉動量測角度β，而使雷射位移計40的光束430對應到另一個凸輪輪廓點(未繪示)。接著，計算機裝置2再次執行步驟S53，以判斷已轉動的量測角度β之總和是否小於360度。由於前述已轉動的量測角度β之總和(2×β)約為60度，故步驟S53的判斷結果仍為「是」，因此將進行該凸輪輪廓點的量測程序。
當量測參數中設定的所有輪廓點都量測完畢後(即步驟S53的判斷結果為「否」)，量測程序結束並且接著執行步驟S6，係計算機裝置2將第一灰階量測影像與第二灰階量測影像分別進行一取值程序，而得到第一灰階量測影像中的輪廓散斑圖案於第一灰階量測影像的一第一輪廓散斑特徵值，以及得到第二灰階量測影像中的輪廓散斑圖案於第二灰階量測影像的一第二輪廓散斑特徵值。如圖5E所示，在本實施例中，步驟S6包含步驟S61至S63。
首先執行步驟S61，係計算機裝置2分別計算出第一灰階量測影像與第二灰階量測影像的灰階像素平均值。計算灰階像素平均值的方式可參照步驟S14的詳細內容以及式(1)，故以下不再贅述。
接著執行步驟S62，係計算機裝置2以步驟S61得到的灰階像素平均值為門檻值，分別將第一灰階量測影像與第二灰階量測影像進行二值化處理，而得到一第一二值化量測影像以及一第二二值化量測影像。二值化處理的方式可參照步驟S14的詳細內容，故以下不再贅述。
接著執行步驟S63，係計算第一二值化量測影像中的輪廓散斑圖案所佔據的面積而得到第一輪廓點O1 的輪廓散斑特徵值，並且計算第二二值化量測影像中的輪廓散斑圖案所佔據的面積而得到第二輪廓點O2 的輪廓散斑特徵值。計算輪廓散斑特徵值的方式可參照步驟S15的詳細內容以及式(2)與式(3)，故以下不再贅述。在本實施例中，輪廓散斑圖案於二值化量測影像中所佔據的面積係定義為輪廓散斑像素面積(單位為pixel2 )。將輪廓散斑像素面積乘上比例轉換值(單位為μm2 /pixel2 )以得到輪廓散斑物理面積(單位為μm2 )，並且輪廓散斑物理面積即為輪廓散斑特徵值。
本實施例的輪廓散斑特徵值係為輪廓散斑像素面積乘上比例轉換值所得到的輪廓散斑物理面積，但本發明並不以此為限。舉例來說，輪廓散斑特徵值也可以為輪廓散斑像素面積與二值化量測影像之總像素面積的比值。
於執行完取值程序後，接著執行步驟S7，係計算機裝置2將第一輪廓點O1 與第二輪廓點O2 的輪廓散斑特徵值與粗糙度關係式分別進行一計算程序，而得到盤形凸輪50之輪廓表面510於第一輪廓點O1 與第二輪廓點O2 的粗糙度值。詳細來說，計算機裝置2將輪廓散斑特徵值代入粗糙度關係式[即式(4)]的σ後，可求得對應第一輪廓點O1 以及第二輪廓點O2 的中心線平均粗糙度值(即Ra值)。
於執行完計算程序後，接著執行步驟S8，係將步驟S7中求得之每個輪廓點的中心線平均粗糙度值輸出並顯示於計算機裝置2的人機介面22上，以供使用者進行數據統計與分析。
一般而言，光束430照射至盤形凸輪50之輪廓表面510所產生的散射光會呈現高斯分布。在本實施例中，光學量測模組40的雷射發光元件410可沿發光方向D3發出光束，取像元件420可自收光方向D4接收散射光，並且發光方向D3與收光方向D4之間的固定銳角α介於30.0度至60.0度之間。藉此，取像元件420能接收較多條散射光，並且在截取到的灰階量測影像中，輪廓散斑圖案整體上也會較靠近灰階量測影像的中央區域，有助於使後續得到輪廓散斑特徵值較為精準。較佳地，固定銳角α為35.0度。然而，上述固定銳角α的大小並非用以限制本發明。
此外，在本實施例中，光學量測模組40之雷射發光元件410的輸出功率不大於(小於或等於)10.0毫瓦，因此光束430照射至輪廓表面510所產生的散射光光強度不會過高，而有助於防止散射光損害取像元件420。藉此，不需要額外設置反射鏡或濾光片等光學元件來降低散射光之光強度，而能減小光學量測模組40的體積，以避免與盤形凸輪50或是非接觸式暨光學量測自動化系統1的其他元件產生干涉碰撞。
另外，在本實施例中，移動平台模組30的第二線性運動平台320可帶動光學量測模組40移動，以調整光學量測模組40與盤形凸輪50的輪廓表面510之間的間距。藉此，當光學量測模組40過於靠近盤形凸輪50而導致盤形凸輪50的一部分位於取像元件420與輪廓點之間時，第二線性運動平台320能帶動光學量測模組40遠離盤形凸輪50，以避免盤形凸輪50擋在散射光與取像元件420之間的行進路徑上，並且還能讓取像元件420對盤形凸輪50對焦，確保取像元件420能擷取到高清晰度的灰階量測影像。
綜上所述，本發明所揭露的非接觸式暨光學量測自動化系統及非接觸式光學量測方法中，光學量測模組的雷射發光元件所發出之光束照射至盤形凸輪的輪廓表面而產生散射光，並且取像元件接收散射光而擷取到包含輪廓散斑圖案的灰階量測影像。透過計算機裝置之計算，能依據灰階量測影像而得到輪廓散斑圖案於灰階量測影像的輪廓散斑特徵值，並且再依據輪廓散斑特徵值計算出輪廓表面的粗糙度值。藉此，本發明所揭露的非接觸式光學量測方法不會受限於凸輪輪廓的曲率變化，並且光學量測模組在量測表面粗糙度值時也不會與盤形凸輪接觸，有效解決接觸式的量測方法缺乏效率以及使量測儀之探針受到磨損的問題。
此外，透過計算機裝置指示旋轉運動平台轉動光學量測模組，本發明所揭露的非接觸式暨光學量測自動化系統能在每次量測前自動地調整雷射發光元件的發光方向，使得發光方向保持平行於盤形凸輪之輪廓表面於當下輪廓點的法線方向。藉此，有助於簡化量測程序的執行複雜度。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1‧‧‧非接觸式暨光學量測自動化系統
11‧‧‧驅動單元
2‧‧‧計算機裝置
21‧‧‧中央處理模組
22‧‧‧人機介面
23‧‧‧記憶單元
24‧‧‧運動控制單元
10‧‧‧基座
20‧‧‧旋轉夾頭
30‧‧‧移動平台模組
310‧‧‧第一線性運動平台
320‧‧‧第二線性運動平台
330‧‧‧旋轉運動平台
331‧‧‧旋轉台主件
3311‧‧‧穿槽
332‧‧‧圓弧軌道件
3321‧‧‧軌道承面
333‧‧‧滾輪
334‧‧‧扇形齒輪
335‧‧‧小齒輪
40‧‧‧光學量測模組
410‧‧‧雷射發光元件
420‧‧‧取像元件
430‧‧‧光束
430a、430b‧‧‧散射光
50‧‧‧盤形凸輪
510‧‧‧輪廓表面
520‧‧‧旋轉軸線
60‧‧‧試片
610‧‧‧外表面
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
D3‧‧‧發光方向
D4‧‧‧收光方向
O1‧‧‧第一輪廓點
O2‧‧‧第二輪廓點
P‧‧‧待測截面
α‧‧‧固定銳角
β‧‧‧量測角度
λ1、λ2‧‧‧轉換角度
S1~S8、S11~S16、S41~S44、S51~S55、S61~S63‧‧‧步驟
圖1A為根據本發明第一實施例之非接觸式暨光學量測自動化系統的立體示意圖。 圖1B為計算機裝置與圖1A之非接觸式暨光學量測自動化系統的系統方塊圖。 圖2為圖1A之非接觸式暨光學量測自動化系統的分解示意圖。 圖3A為圖2之移動平台模組之旋轉運動平台的立體示意圖。 圖3B為圖3A之旋轉運動平台的分解示意圖。 圖4為圖3A之光學量測模組的前視示意圖。 圖5A為根據本發明第一實施例之非接觸式光學量測方法的流程示意圖。 圖5B為圖5A之非接觸式光學量測方法中迴歸分析程序的流程示意圖。 圖5C為圖5A之非接觸式光學量測方法中定位程序的流程示意圖。 圖5D為圖5A之非接觸式光學量測方法中量測程序的流程示意圖。 圖5E為圖5A之非接觸式光學量測方法中取值程序的流程示意圖。 圖6A至圖6H為使用圖1A之非接觸式暨光學量測自動化系統量測盤形凸輪之表面粗糙度值的示意圖。 圖7A為包含散斑圖案之灰階影像。 圖7B為圖7A之灰階影像進行二值化處理後的二值化影像。 圖7C為散斑特徵值與粗糙度值之關係曲線圖。

Claims (10)

  1. 一種非接觸式暨光學量測自動化系統，適於電性連接於一計算機裝置以量測一盤形凸輪之一輪廓表面的粗糙度值，該非接觸式暨光學量測自動化系統包含：一基座；一旋轉夾頭，設置於該基座，該旋轉夾頭用以夾持該盤形凸輪，以使該盤形凸輪以自身之一旋轉軸線為旋轉中心轉動；一移動平台模組，包含一第一線性運動平台、一第二線性運動平台以及一旋轉運動平台，該第一線性運動平台可移動地設置於該基座，該第二線性運動平台可移動地設置於該第一線性運動平台，且該旋轉運動平台可轉動地設置於該第二線性運動平台；以及一光學量測模組，設置於該旋轉運動平台，該光學量測模組包含一雷射發光元件以及一取像元件，且該移動平台模組可帶動該光學量測模組一併移動；其中，該計算機裝置用以指示該旋轉夾頭帶動該盤形凸輪轉動以及指示該移動平台模組帶動該光學量測模組移動，該計算機裝置更用以指示該雷射發光元件所發出之一光束射至該盤形凸輪之該輪廓表面的一輪廓點，該取像元件接收該光束射至該輪廓點所產生的局部散射光而擷取到包含一輪廓散斑圖案的一灰階量測影像，該計算機裝置依據該灰階量測影像而得到該輪廓散斑圖案於該灰階量測影像的一輪廓散斑特徵值，並且該計算機裝置依據該輪廓散斑特徵值計算出該輪廓表面於該輪廓點的粗糙度值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式暨光學量測自動化系統，其中該第一線性運動平台可沿一第一方向相對該基座移動，並且該第一方向平行於該盤形凸輪的該旋轉軸線。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之非接觸式暨光學量測自動化系統，其中該第二線性運動平台可沿正交於該第一方向的一第二方向相對該第一線性運動平台移動而接近或遠離該盤形凸輪。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之非接觸式暨光學量測自動化系統，其中該旋轉運動平台可帶動該光學量測模組一併繞著該第一方向轉動，而使該光學量測模組之該雷射發光元件所發出之該光束平行於該盤形凸輪之該輪廓表面於該輪廓點的法線方向。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式暨光學量測自動化系統，其中該光學量測模組之該雷射發光元件用以沿一發光方向發出該光束，且該光束的功率小於或等於10毫瓦(mW)，該取像元件用以自一收光方向接收該局部散射光，該發光方向與該收光方向之間具有一固定銳角，且該固定銳角係介於30度至60度之間。
  6. 一種非接觸式光學量測方法，用以量測一盤形凸輪之一輪廓表面的粗糙度值，該非接觸式光學量測方法包含：設定一量測參數，該量測參數包含該輪廓表面的至少一輪廓點以及該輪廓表面於該至少一輪廓點的法線方向；藉由一光學量測模組進行一量測程序，使該光學量測模組的一雷射發光元件所發出之一光束射至該至少一輪廓點，並且使該光學量測模組的一取像元件接收該光束射至該至少一輪廓點所產生的局部散射光，而擷取到對應該至少一輪廓點的至少一灰階量測影像，且每一該至少一灰階量測影像中包含一輪廓散斑圖案；將該至少一灰階量測影像進行一取值程序，得到該輪廓散斑圖案於該至少一灰階量測影像的一輪廓散斑特徵值；以及將該輪廓散斑特徵值代入一粗糙度關係式以進行一計算程序，得到該盤形凸輪之該輪廓表面於該至少一輪廓點的粗糙度值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之非接觸式光學量測方法，更包含進行一定位程序，該量測參數更包含位於該盤形凸輪之軸向方向上的一待測截面，該至少一輪廓點位於該待測截面，該定位程序包含：移動該光學量測模組至該待測截面，使該光學量測模組對應該至少一輪廓點；以及轉動該光學量測模組，使該光學量測模組之該雷射發光元件所發出的該光束平行於該盤形凸輪之該輪廓表面於該至少一輪廓點的法線方向。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之非接觸式光學量測方法，其中該取值程序包含：計算出該至少一灰階量測影像的一灰階像素平均值；以該至少一灰階量測影像的該灰階像素平均值為門檻值，將該至少一灰階量測影像進行二值化處理，得到至少一二值化量測影像；計算該至少一二值化量測影像中的該輪廓散斑圖案於該至少一二值化量測影像之輪廓散斑像素面積；以及將該輪廓散斑像素面積乘上一比例轉換值以得到一輪廓散斑物理面積，該輪廓散斑物理面積係為該輪廓散斑特徵值。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之非接觸式光學量測方法，其中該至少一輪廓點包含相異的一第一輪廓點以及一第二輪廓點，該量測程序包含：使該雷射發光元件所發出之該光束射至該第一輪廓點，並且使該取像元件接收該光束射至該第一輪廓點所產生的該局部散射光；將該盤形凸輪轉動一量測角度，以令該雷射發光元件對應到該第二輪廓點；以及判斷已轉動的該量測角度之總和是否小於360度，若判斷結果為否，結束該量測程序；若判斷結果為是，繼續進行該量測程序；以及於判斷結果為是，使該雷射發光元件所發出之該光束射至該第二輪廓點，並且使該取像元件接收該光束射至該第二輪廓點所產生的該局部散射光。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之非接觸式光學量測方法，更包含一迴歸分析程序，該迴歸分析程序包含：提供與該盤形凸輪具有相同材質的多個試片，並且該些試片的表面分別具有相異的已知粗糙度值；藉由該光學量測模組的該雷射發光元件所發出之該光束垂直地射至該些試片的表面；藉由該光學量測模組的該取像元件接收該光束射至該些試片的表面所產生的局部散射光而擷取到分別包含一試片散斑圖案的多個灰階迴歸分析影像，並且該些灰階迴歸分析影像分別對應到該些試片；分別計算出該些灰階迴歸分析影像的多個灰階像素平均值；以該些灰階迴歸分析影像的該些灰階像素平均值為門檻值，分別將該些灰階迴歸分析影像進行二值化處理，以得到多個二值化迴歸分析影像；計算該些二值化迴歸分析影像中的該些試片散斑圖案於該些二值化迴歸分析影像之多個試片散斑像素面積；將該些試片散斑像素面積分別乘上一比例轉換值以得到多個試片散斑物理面積，該些試片散斑物理面積係為多個試片散斑特徵值；以及以該些試片散斑特徵值以及該些試片的已知粗糙度值進行迴歸分析，得到該粗糙度關係式。
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