TWI780777B - 週期位移測量裝置 - Google Patents

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吳俊寬
林吉翔
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    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/97—Determining parameters from multiple pictures

Abstract

一種週期位移測量裝置，應用於測量一待測物之週期性位移，該待測物根據一驅動信號而以一第一頻率進行週期性運動，該週期位移測量裝置包含一光源模組及一攝影機模組。該光源模組根據一脈衝信號而依一第二頻率以脈衝形式朝該待測物照射，其中，該第二頻率不同於該第一頻率，且該第二頻率相關於該第一頻率與一第一預設常數之和。該攝影機模組拍攝該待測物，並輸出複數相關於該待測物之週期性位移的影像。藉此，能適用於各種形式的刀具，量測準確度較高，且由於不需要使用高速攝影機，亦具有設備成本較低之功效。

Description

週期位移測量裝置
本發明是有關於一種測量裝置，特別是指一種週期位移測量裝置。
超音波加工是指透過刀具的高頻率振動進行加工，可以結合研磨及衝擊破壞材料進行加工，由於其具有可輕易加工高硬度以及脆性材料之特性，且同時可降低30~70%刀具接觸材料時所產生的切削應力，故能提升刀具壽命和加工表面品質。
相對於傳統加工，超音波所需操控及量測的加工參數多了振幅及頻率，超音波之頻率可以透過量測超音波電壓或電流而輕易取得，但目前振幅量測則需直接量測刀尖點振幅才能得知準確的振幅值。
目前業界常用雷射位移計量測振幅，然而，雷射位移計第一受限於量測面形狀，多數刀具的刀尖點為非平面形狀，使用雷射位移計進行量測精確度不佳。第二雷射位移計較光點更易受到物體表面形貌(例如表面粗糙度)影響，因光漫射影響光點反射位置，影響到量測振幅數值之精確度。
業界常用另一量測技術為雷射刀具設定儀(Laser tool setter)，其使用遮斷方式量測，由刀具遮斷光源的比例產生相同比例的電壓訊號，並量測電壓訊號而取得振幅。然而，第一因雷射經過尖點容易產生繞射，因此在微刀具或各種刀具形貌下容易造成光遮斷比例與刀具位移比例不相符的問題，進而造成量測誤差。第二因使用單點雷射光量測，不利於快速量測刀具整體狀態。
因此，本發明之目的，即在提供一種不受限於待測物之形狀或表面形貌且設備成本較低的週期位移測量裝置。
於是，本發明週期位移測量裝置，應用於測量一待測物之週期性位移，該待測物根據一驅動信號而以一第一頻率進行週期性運動，該週期位移測量裝置包含一光源模組及一攝影機模組。
該光源模組根據一脈衝信號而依一第二頻率以脈衝形式朝該待測物照射，其中，該第二頻率不同於該第一頻率，且該第二頻率相關於該第一頻率與一第一預設常數之和。
該攝影機模組拍攝該待測物，並輸出複數相關於該待測物之週期性位移的影像。
本發明之功效在於：藉由設置該光源模組與該攝影機模組，並使該光源模組的發光頻率搭配於該刀具的運動頻率，可使高速位移之運動經照光而降頻至普通攝影機可拍攝的頻率區間，並能適用於各種形式的刀具，量測準確度較高，且由於不需要使用高速攝影機，亦具有設備成本較低之功效。
參閱圖1與圖2，本發明週期位移測量裝置之一實施例，應用於測量一待測物8之週期性位移，該待測物8根據一驅動信號而以一第一頻率
Figure 02_image001
進行週期性運動。於本實施例中，該待測物8為一裝設於一刀把81上的刀具82，所述週期性位移可為該刀具82的週期性振幅或週期性偏擺量。
該週期位移測量裝置包含一驅動器2、一脈衝產生器3、一光源模組4、一攝影機模組5，及一處理器6。
該驅動器2提供該驅動信號，以驅動該刀把81帶動該刀具82以該第一頻率
Figure 02_image001
進行週期性運動。該驅動器2所輸出之該第一頻率
Figure 02_image001
若是超音波頻率則大於18kHz，若是轉速頻率，通常為60000rpm以下(相當於1000Hz以下)。
該脈衝產生器3信號連接該驅動器2與該光源模組4，接收該驅動信號，並根據該驅動信號的該第一頻率
Figure 02_image001
，產生一為一第二頻率
Figure 02_image003
的脈衝信號。其中，該脈衝信號之占空比(duty)須依實際成像需求而調整，當占空比過長時，會導致後續成像模糊，無法求出精確的週期性位移。當占空比過低時，該攝影機模組5無法得到足夠成像的光線，同樣無法求出精確的週期性位移。於本實施例中，該脈衝信號之占空比可設置為
Figure 02_image005
，或可進一步設置為
Figure 02_image007
。
該光源模組4根據該脈衝信號而依該第二頻率
Figure 02_image003
以脈衝形式朝該待測物8照射，該光源模組4可以如圖1所示，具有複數分別設置於該刀具82背面與正面的發光元件41，但也可以是僅具有設置在該刀具82背面的發光元件41，或僅設置於該刀具82正面的發光元件41，可依實際場地的光源需求而變更，僅需使該等發光元件41皆依該第二頻率
Figure 02_image003
同步發光即可。於本實施例中，該光源模組4使用雷射光模組實施。
其中，該第二頻率
Figure 02_image003
不同於該第一頻率
Figure 02_image001
，且該第二頻率
Figure 02_image003
相關於該第一頻率
Figure 02_image001
與一第一預設常數
Figure 02_image009
之和。該第一頻率
Figure 02_image001
與該第二頻率
Figure 02_image003
之關聯式為：
Figure 02_image011
(公式1)
其中，
Figure 02_image013
為一第二預設常數且為自然數，可設定為1~5，於本實施例中，設定為1。
Figure 02_image009
為該第一預設常數，
Figure 02_image009
值可依所需的降頻效果而設定，其數值愈低，降頻效果愈大，考量後續搭配之該攝影機模組5為一般的攝影規格，而非每秒至少可拍攝1000幀的高速攝影機，
Figure 02_image009
值可設定為
Figure 02_image015
，或進一步設定為
Figure 02_image017
，或更進一步設定為-5
Figure 02_image019
，於本實施例中，設定
Figure 02_image009
值為5，如此，可將該第一頻率
Figure 02_image001
的運動(如圖2波形91之示意)降為5Hz的週期運動(如圖2波形92之示意)。
該攝影機模組5以一第三頻率
Figure 02_image021
拍攝該待測物8，並輸出複數相關於該待測物8之週期性位移的影像，其中，對應每個運動週期至少需拍攝2張影像，才能得出對應週期運動的資訊，即
Figure 02_image023
。於實際運作上，考量後續運算處理的精確度，可設定為每個運動週期至少需拍攝10張影像，即
Figure 02_image025
。該攝影機模組5的曝光時間(如圖2框線93之示意)同樣須根據實際成像需求而調整，當曝光時間過長，會涵蓋過大的運動區間而使成像模糊，當曝光時間過短，則無法得到足夠成像的光源，皆會導致後續影像運算無法得出精確的數值。於本實施例中，該攝影機模組5使用工業相機實施，例如，使用BASLER ACE USB3.0工業相機實施，其幀率(frame rate，或縮寫為fps(frames per second)，即第三頻率
Figure 02_image021
)為55，曝光時間是設計為
Figure 02_image027
秒。
該處理器6信號連接該攝影機模組5，接收該等影像，並根據該等影像運算該待測物8之週期性位移。該處理器6運算每一影像之一位置數據，並根據該等位置數據運算該待測物8之週期性位移。
參閱圖1、圖2及圖3~圖6，藉由上述的架構設置，並使該光源模組4的發光頻率搭配於該刀具82的運動頻率，可使用閃頻結合混疊(aliasing)之物理現象，將高速位移之運動經照光而降頻至普通攝影機可拍攝的頻率區間。如圖2中所示，波形91為該刀具82的運動曲線示意，波形92則為該光源模組4發光的時間區間示意，藉由使該光源模組4的發光頻率與該刀具82的運動頻率具有差值。可將波形91的高頻運動，降頻為具有相同位移的波形92，接著，即可使用一般攝影規格的該攝影機模組5對該波形92進行拍攝(框線93為該攝影機模組5快門(shutter)拍攝的曝光區間示意)，而取得如圖3~圖6的影像，其中，圖3~圖6分別對應為圖2中該攝影機模組5於曝光區間t1~t4所拍攝到的影像之示意，可供後續進行影像分析而得出該刀具82的位移。
參閱圖1、圖2及圖7，為本實施例所應用之流程，於步驟71~72中，該脈衝產生器3由該驅動器2取得該驅動信號，以得到該第一頻率
Figure 02_image001
，接著，以預設的該第一預設常數
Figure 02_image009
、該第二預設常數
Figure 02_image013
，根據公式1求出合適的該第二頻率
Figure 02_image003
，並輸出為該第二頻率
Figure 02_image003
的該脈衝信號至該光源模組4。
於步驟73~74中，該光源模組4以該第二頻率
Figure 02_image003
朝該刀具82發光，該攝影機模組5則以該第三頻率
Figure 02_image021
拍攝而取得複數如圖3~圖6所示意的影像(實際影像如圖8所示)，接著，步驟75中，該處理器6由該攝影機模組5接收該等影像，並根據該等影像運算該刀具82的位移(振幅)。
進一步說明步驟75之運算該刀具82之位移過程，請參閱圖1、圖8、圖9及圖10，於步驟711中，該處理器6由該攝影機模組5接收該等影像。於步驟712中，該處理器6使用影像處理得到每張影像的刀尖點位置(像素(pixel)位置)，若將該等刀尖點位置依時間繪製，會得到如圖10中波形94，可以見到其大致呈現弦波(sine wave)。步驟713使用基底函數Asin(wt+d)擬合該等刀尖點位置，其擬合之函數如波形95所示，可由函數反運算出波形的振幅值A(即刀尖點之振幅值)。步驟714將算出的振幅值A乘以攝影機常數K(um/pixel)，即為實際刀具的振幅值。步驟713~714僅為其中一種振幅的運算法，除此之外亦可以使用若干極大值平均減去若干極小值平均、或是利用位移方均根等於振幅的二分之根號二倍的等式做反推等方法求取振幅值。
步驟712之刀尖點位置運算方式還可使用計算影像輪廓、或運算區域座標等方式。參閱圖11及圖12，當使用計算影像邊界求取刀尖點位置時，如步驟721，先將該等影像進行灰階二值化，即會形成如圖12所示的黑白圖片，接著，步驟722~723再運算該黑白圖片中，該刀具82的輪廓線的座標組(即，輪廓座標組)，並將輪廓線的座標組取平均而做為該位置數據，並以此位置數據的變化代表刀尖點位置之變化，以繼續後續步驟而求出該刀具82運動的振幅。
參閱圖13及圖14，為使用運算區域座標求取刀尖點位置之說明，如步驟731，先於第一張影像中，定義一子影像96作為特徵區域。接著，步驟732~733中，在接下來的影像中，搜尋與該子影像96相同的特徵區域，並運算每一影像的特徵區域的座標(即，區域座標)，其中，可設定每一子影像的中心點為該區域座標，並以該區域座標作為該位置數據。
參閱圖9、圖15及圖16，說明另一種運算刀尖點位移量之方法，接續於圖9之步驟711後，如步驟741，先將該等影像進行灰階二值化，即會形成如圖16所示的黑白圖片，接著，步驟742~743再運算該黑白圖片中，該刀具82兩側的切線向量751、752與刀尖點之切線向量753。接著步驟744，將該切線向量751、752平均即為刀軸向量754，其中，切線向量753與刀軸向量754正交，切線向量753與刀軸向量754之交點即為刀尖點，也就是刀軸向量754之向量終點。此刀軸向量754之變化量即為刀尖點位移量，亦為軸向位移或是側向偏擺位移。
參閱圖1及圖17~20，當該刀具82之週期性運動為偏擺時，該攝影機模組5所拍攝到的影像之示意如圖17~20所示，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可由上述說明理解，同樣可以使用本實施例之架構與圖7所示之流程運算求出該刀具82的偏擺量。
由於本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知擴充細節，因此不多加說明。
經由以上的說明，本實施例的功效如下：
藉由設置該光源模組4與該攝影機模組5，並使該光源模組4的發光頻率搭配於該刀具82的運動頻率，可使用閃頻結合混疊之物理現象，將高速位移之運動經照光而降頻至普通攝影機可拍攝的頻率區間。據此，可以達到以下功效：
1. 由於是使用光線搭配該攝影機模組5進行測量，適用各種形式的刀具82，不會受限於該刀具82表面平滑度或該刀具82之形狀，量測準確度較高。
2. 由於不需要使用高速攝影機，設備成本較低。
3. 由於所擷取的訊號為可視的影像訊號，方便技術人員判斷該刀具82的真實情況與樣貌，包含該刀具82的位移方向、該刀具82的扭轉方向等。
綜上所述，本發明週期位移測量裝置，確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2:驅動器 3:脈衝產生器 4:光源模組 41:發光元件 5:攝影機模組 6:處理器 71~75:步驟 711~714:步驟 721~723:步驟 731~733:步驟 741~744:步驟 751~754:向量 8:待測物 81:刀把 82:刀具 91~95:波形 96:子影像 t1~t4:曝光區間
Figure 02_image029
:第一頻率
Figure 02_image031
:第二頻率
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明週期位移測量裝置的一實施例的一架構示意圖； 圖2是一示意圖，說明該實施例所測量的一刀具的運動曲線示意、一光源模組發光的時間區間示意，及一攝影機模組的曝光區間示意； 圖3~圖6為示意圖，說明該實施例的該攝影機模組所拍攝到的影像之示意； 圖7為該實施例應用之流程圖； 圖8為該實施例之該攝影機模組所拍攝到的實際影像； 圖9為該實施例應用之流程中，步驟75之進一步說明的流程圖； 圖10為一波形圖，說明該實施例所運算求出的刀尖點位置； 圖11為一流程圖，說明該實施例應用之流程中，使用計算影像輪廓求取刀尖點位置之流程； 圖12為該實施例應用之流程中，將拍攝影像進行灰階二值化後所得之圖片； 圖13為一流程圖，說明該實施例應用之流程中，使用運算區域座標求取刀尖點位置之流程； 圖14為一示意圖，說明該實施例應用之流程中，於該影像中框選一子影像作為特徵區域； 圖15為一流程圖，說明該實施例應用之流程中，使用向量運算位移量的另一種方法； 圖16為一示意圖，搭配圖15說明該實施例使用向量運算位移量的方法；及 圖17~圖20為示意圖，說明該實施例的該攝影機模組所拍攝到的偏擺影像之示意。
2:驅動器
3:脈衝產生器
4:光源模組
41:發光元件
5:攝影機模組
6:處理器
8:待測物
81:刀把
82:刀具

Claims (10)

  1. 一種週期位移測量裝置，應用於測量一待測物之週期性位移，該待測物根據一驅動信號而以一第一頻率進行週期性運動，該週期位移測量裝置包含： 一光源模組，根據一脈衝信號而依一第二頻率以脈衝形式朝該待測物照射，其中，該第二頻率不同於該第一頻率，且該第二頻率相關於該第一頻率與一第一預設常數之和；及 一攝影機模組，拍攝該待測物，並輸出複數相關於該待測物之週期性位移的影像。
  2. 如請求項1所述的週期位移測量裝置，其中，該第一頻率與該第二頻率之關聯式為：
    Figure 03_image033
    ； 其中，
    Figure 03_image029
    為該第一頻率，
    Figure 03_image031
    為該第二頻率，
    Figure 03_image035
    為該第一預設常數，
    Figure 03_image037
    為一第二預設常數且為自然數。
  3. 如請求項2所述的週期位移測量裝置，其中：
    Figure 03_image039
    ； 其中，
    Figure 03_image041
    為該攝影機模組用以拍攝該待測物的一第三頻率。
  4. 如請求項1所述的週期位移測量裝置，還包含一處理器，該處理器信號連接該攝影機模組，接收該等影像，並根據該等影像運算該待測物之週期性位移。
  5. 如請求項4所述的週期位移測量裝置，其中，該處理器運算每一影像之一位置數據，並根據該等位置數據運算該待測物之週期性位移。
  6. 如請求項4所述的週期位移測量裝置，其中，該處理器運算每一影像之一位置數據，並將該等位置數據進行曲線擬合後，根據擬合之曲線運算該待測物之週期性位移。
  7. 如請求項5或6所述的週期位移測量裝置，其中，該處理器運算每一影像中該待測物之一輪廓座標組，並將該輪廓座標組取平均而作為該位置數據。
  8. 如請求項5或6所述的週期位移測量裝置，其中，該處理器運算每一影像中相同的子影像之一區域座標，並以該區域座標作為該位置數據。
  9. 如請求項1所述的週期位移測量裝置，還包含一驅動器及一脈衝產生器，該驅動器提供該驅動信號，該脈衝產生器信號連接該驅動器與該光源模組，接收該驅動信號，並根據該驅動信號產生該脈衝信號。
  10. 如請求項1所述的週期位移測量裝置，其中，該脈衝信號之占空比
    Figure 03_image043
    。
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