專利名稱：一種微小深度尺寸自動圖像測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于工業(yè)自動控制中的自動測量技術領域，具體涉及一種微小深度尺寸自動圖像測量系統(tǒng)。
背景技術：
隨著材料與制造技術的飛速發(fā)展，對產品的微小化和加工質量提出了越來越高的要求，尋求有效的微測量手段已經成為國內外研究的熱點之一。尤其在精密加工行業(yè)中，常常需要對微結構的三維尺寸進行準確和快速的測量。然而在微結構的三維尺寸中，垂直方向尺寸相對于平面尺寸的測量較為困難。特別在工業(yè)現(xiàn)場，受環(huán)境溫度、沖擊和振動等因素的影響，要實現(xiàn)微小深度尺寸的自動測量更加困難。傳統(tǒng)的測量微小深度尺寸的儀器有很多，如機械儀表、觸針式儀器和體視顯微鏡等，都無法滿足現(xiàn)代工業(yè)技術的高效率和自動化的檢測要求。近年來，隨著光電檢測技術和數(shù)字圖像處理技術的快速發(fā)展，圖像測量技術被越來越多的應用于各個行業(yè)中，如精密加工、電子、機械裝備、醫(yī)藥、印刷和食品等。精密加工行業(yè)運用圖像測量技術對微小深度尺寸進行非接觸測量時，常常需要對被測工件進行精密的位置定位。目前雖然成熟的圖像測量系統(tǒng)和位置運動控制系統(tǒng)已屢見不鮮，但結合圖像測量功能和位置運動控制于一體，能自動、快速的測量微小深度尺寸的裝置還沒有出現(xiàn)，國內外對這種測量裝置的需求將逐漸增大。
發(fā)明內容本實用新型的目的是提供一種高效、精確、自動的微小深度尺寸圖像測量系統(tǒng)，要解決現(xiàn)有的微小深度尺寸測量儀器自動化程度不高、測量參數(shù)單一、無法自動精密定位等技術問題。為了實現(xiàn)以上目的，本實用新型采取以下設計方案本實用新型主要組成部分包括計算機、四軸運動控制卡、微小深度尺寸測量光路、電動旋轉臺、Z方向電動升降臺、Y方向電動平移臺、X方向電動平移臺、步進電機驅動器和步進電機。計算機通過PC104總線接口與四軸運動控制卡相連接，計算機通過USB 口與微小深度尺寸測量光路相連接，四軸運動控制卡與四個步進電機驅動器相連接，每個步進電機驅動器與對應的步進電機相連接，步進電機分別安裝在電動旋轉臺、Z方向電動升降臺、Y 方向電動平移臺和X方向電動平移臺中。所述的微小深度尺寸測量光路包括半導體激光器、柱面鏡、濾光片、顯微物鏡以及電子目鏡；半導體激光器發(fā)出的光經過柱面鏡形成一個平面光投射在工件表面上，在被測表面上形成一條紅色光帶；紅色光帶經過反射或漫反射，通過濾光片濾去雜光，然后通過顯微物鏡后在電子目鏡中的CMOS面陣上成像，圖像信號經由USB信號傳入計算機中進行保存和處理。測量微小深度尺寸時，被測表面的輪廓光帶信號經由微小深度尺寸測量光路成像在電子目鏡的CMOS面陣上，計算機通過USB接口采集電子目鏡上的光帶圖像信號，利用數(shù)字圖像處理技術，對圖像進行預處理，判斷被測對象是否定位在最佳成像位置；四軸運動控制卡根據(jù)圖像處理結果和軟件指令，向步進電機驅動器發(fā)出控制信號，驅動電機帶動工作臺到達到最佳成像位置，然后進行微小深度尺寸的高精度測量。計算機、四軸運動控制卡和電子目鏡構成了本實用新型的最核心部分，它們負責系統(tǒng)軟件的運行，實現(xiàn)屏幕顯示、按鍵輸入、圖像采集和處理、4個位移平臺(電動旋轉臺、Z 方向電動升降臺、Y方向電動平移臺和X方向電動平移臺)的運動控制。四軸運動控制卡通過接插件與步進電機驅動器相連接，根據(jù)系統(tǒng)軟件指令對步進電機實施控制，并對電動旋轉臺、Z方向電動升降臺、Y方向電動平移臺和X方向電動平移臺的各種狀態(tài)進行在線監(jiān)測。整個系統(tǒng)的執(zhí)行單元主要是由電動旋轉臺、Z方向電動升降臺、Y方向電動平移臺和X方向電動平移臺，以及與它們相連的步進電機和步進電機驅動器構成。四軸運動控制卡對步進電機驅動器發(fā)出控制信號，控制信號經由驅動器放大處理后直接驅動對應的步進電機。步進電機的旋轉軸與電動位移平臺上的機械傳動裝置相連，電機的旋轉運動通過機械傳動裝置帶動電動旋轉臺、Z方向電動升降臺、Y方向電動平移臺和X方向電動平移臺完成各自的運動。專業(yè)的圖像處理軟件主要由圖像采集模塊、圖像預處理模塊、自動調焦模塊、X-Y 方向定位模塊、參數(shù)設置模塊和圖像測量模塊組成。圖像采集模塊包括圖像采集、顯示及保存操作；圖像預處理模塊包括圖像灰度化、 濾波、閾值分割、數(shù)學形態(tài)學操作；自動調焦模塊包括調焦函數(shù)計算、粗調焦和細調焦操作； X-Y方向定位模塊包括特征點提取、X方向定位和Y方向定位操作；參數(shù)設置模塊包括設置測量參數(shù)(如表面粗糙度、刻痕深度和量塊厚度差等)以及步進電機參數(shù)操作；圖像測量模塊包括邊緣提取、細化、公式計算和圖像標定操作。系統(tǒng)軟件工作流程微小深度尺寸自動圖像測量系統(tǒng)通電后首先進行初始化，加載計算機、四軸運動控制卡、步進電機驅動器以及與之相連的各種設備；加載結束后，進行系統(tǒng)完整性測試，驗證各個設備狀態(tài)，通過測試后，系統(tǒng)軟件啟動完畢，進入圖像采集狀態(tài)。 首先對采集到得圖像進行預處理，包括圖像灰度化、中值濾波、閾值分割和數(shù)學形態(tài)學處理。然后根據(jù)預處理后的圖像判斷出被測對象是否定位在最佳成像位置上，當被測對象處于最佳成像位置時，程序直接進入圖像測量模塊。否則，需要進行調焦和X-Y方向定位操作。調焦過程為首先計算調焦函數(shù)，然后根據(jù)計算結果控制Z方向電動升降臺的運動來依次完成粗調焦和細調焦。X-Y方向定位過程為首先提取圖像中的特征點，然后根據(jù)特征點的二維坐標來控制X方向電動平移臺和Y方向電動平移臺的運動來實現(xiàn)兩個方向定位控制。 調焦和X-Y方向定位操作完成后，再判斷此時的被測對象是否處于最佳成像位置，當被測對象處于最佳成像位置時，程序直接進入圖像測量模塊，進行邊緣提取、細化、公式計算和圖像標定操作。否則，需要再次進行調焦和X-Y方向定位操作，直到被測對象被判斷為處于最佳成像位置為止。系統(tǒng)持續(xù)運行直至關機，正常關機前保存當前數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)和配置文件寫入系統(tǒng)的內置存儲器中。本套測量系結合了圖像測量功能和自動定位控制功能于一體，能完成多種微小深度參數(shù)的測量，如表面粗糙度、刻痕深度以及量塊厚度差等，能大大提高測量精度及測量效率。同時，由于本套系統(tǒng)是基于非接觸的光學檢測方法，對測量環(huán)境要求不高，能運用于現(xiàn)場測量和在線測量中，為高精度的加工行業(yè)提供了關鍵技術的保障。

圖1為本實用新型的總體結構示意框圖；圖2為本實用新型中微小深度尺寸測量光路圖；圖3為本實用新型中圖像處理軟件模塊圖；圖4為本實用新型軟件流程圖；圖中，1.計算機、2.四軸運動控制卡、3.微小深度尺寸測量光路、4.電動旋轉臺、5. Z方向電動升降臺、6. Y方向電動平移臺、7. X方向電動平移臺、8 11.步進電機驅動器、12 15.步進電機。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型微小深度尺寸自動圖像測量系統(tǒng)進行詳細的描述。1、硬件部分本實用新型的微小深度尺寸自動圖像測量系統(tǒng)如圖1所示，包括計算機1、四軸運動控制卡2、微小深度尺寸測量光路3、電動旋轉臺4、Z方向電動升降臺5、Y方向電動平移臺6、X方向電動平移臺7、步進電機驅動器8、9、10、11、步進電機12、13、14、15以及運行在計算機中的專業(yè)圖像處理軟件等組成。微小深度尺寸測量光路如圖2所示，主要由半導體激光器、柱面鏡、濾光片、顯微物鏡以及電子目鏡組成。半導體激光器發(fā)出的光經過柱面鏡形成一個平面光投射在工件表面上，在被測表面上形成一條寬度很窄的紅色光帶。光帶經過反射或漫反射，通過濾光片濾去雜光，然后通過顯微物鏡后在電子目鏡中的CMOS面陣上成像，圖像信號經由USB信號傳入計算機中進行保存和處理。計算機、四軸運動控制卡和電子目鏡構成了本實用新型的最核心部分，它們負責系統(tǒng)軟件的運行，實現(xiàn)屏幕顯示、按鍵輸入、圖像采集和處理、4個位移平臺(電動旋轉臺、X 方向電動平移臺、Y方向電動平移臺和Z方向電動升降臺)的運動控制。四軸運動控制卡采用研華PCI-1243U的4軸智能步進電機控制卡，該卡使用了 P⑶-4541運動控制器，可以執(zhí)行各種運動控制指令。每個軸都可以通過板卡上的I/O寄存器直接控制。四軸運動控制卡有1個標準的PC104總線接口(插針)，通過它與計算機相連； 對電動旋轉臺、Z方向電動升降臺、X方向電動平移臺和Y方向電動平移臺的運動控制分別由4個插件與步進電機驅動器相連，運動控制信號采用位置控制方式，即脈沖、方向控制。整個系統(tǒng)的執(zhí)行單元主要是由電動旋轉臺、Z方向電動升降臺、X方向電動平移臺和Y方向電動平移臺，以及與它們相連的步進電機和步進電機驅動器構成。電動旋轉臺采用賽凡7SRA160電動旋轉臺，Z方向電動升降臺用賽凡7SVA160電動升降臺，Y方向電動平移臺采用賽凡7STA0450A電動平移臺，X方向電動平移臺采用賽凡7STA04200A電動平移臺， 4個電動臺的標配電機都為42步進電機。四軸運動控制卡對步進電機驅動器發(fā)出控制信號，控制信號經由驅動器放大處理后直接驅動對應的步進電機。步進電機的旋轉軸與電動位移平臺上的機械傳動裝置相連，電機的旋轉運動通過機械傳動裝置帶動電動旋轉臺、Z方向電動升降臺、X方向電動平移臺和Y方向電動平移臺完成各自的運動。2、軟件部分專業(yè)的圖像處理軟件主要由圖像采集模塊、圖像預處理模塊、自動調焦模塊、X-Y 方向定位模塊、參數(shù)設置模塊和圖像測量模塊組成，軟件界面如圖3所示。圖像采集模塊包括圖像采集、顯示及保存操作；圖像預處理模塊包括圖像灰度化、 濾波、閾值分割、數(shù)學形態(tài)學操作；自動調焦模塊包括調焦函數(shù)計算、粗調焦和細調焦操作； X-Y方向定位模塊包括特征點提取、X方向定位和Y方向定位操作；參數(shù)設置模塊包括設置測量參數(shù)(如表面粗糙度、刻痕深度和量塊厚度差等)以及步進電機參數(shù)操作；圖像測量模塊包括、邊緣提取、細化、公式計算和圖像標定操作。系統(tǒng)軟件工作流程微小深度尺寸自動圖像測量系統(tǒng)通電后首先進行初始化，加載計算機、四軸運動控制卡、步進電機驅動器以及與之相連的各種設備；加載結束后，進行系統(tǒng)完整性測試，驗證各個設備狀態(tài)，通過測試后，系統(tǒng)軟件啟動完畢，進入圖像采集狀態(tài)。 首先對采集到得圖像進行預處理，包括圖像灰度化、中值濾波、閾值分割和數(shù)學形態(tài)學處理。然后根據(jù)預處理后的圖像判斷出被測對象是否定位在最佳成像位置上，當被測對象處于最佳成像位置時，程序直接進入圖像測量模塊。否則，需要進行調焦和X-Y方向定位操作。調焦過程為首先計算調焦函數(shù)，然后根據(jù)計算結果控制Z方向電動升降臺的運動來依次完成粗調焦和細調焦。X-Y方向定位過程為首先提取圖像中的特征點，然后根據(jù)特征點的二維坐標來控制X方向電動平移臺和Y方向電動平移臺的運動來實現(xiàn)兩個方向定位控制。 調焦和X-Y方向定位操作完成后，再判斷此時的被測對象是否處于最佳成像位置，當被測對象處于最佳成像位置時，程序直接進入圖像測量模塊，進行邊緣提取、細化、公式計算和圖像標定操作。否則，需要再次進行調焦和X-Y方向定位操作，直到被測對象被判斷為處于最佳成像位置為止。系統(tǒng)持續(xù)運行直至關機，正常關機前保存當前數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)和配置文件寫入系統(tǒng)的內置存儲器中，軟件運行流程如圖4所示。
權利要求1. 一種微小深度尺寸自動圖像測量系統(tǒng)，包括計算機、四軸運動控制卡、微小深度尺寸測量光路、電動旋轉臺、Z方向電動升降臺、Y方向電動平移臺、X方向電動平移臺、步進電機驅動器和步進電機，其特征在于計算機通過PC104總線接口與四軸運動控制卡相連接，計算機通過USB 口與微小深度尺寸測量光路相連接，四軸運動控制卡與四個步進電機驅動器相連接，每個步進電機驅動器與對應的步進電機相連接，步進電機分別安裝在電動旋轉臺、Z方向電動升降臺、Y方向電動平移臺和X方向電動平移臺中；所述的微小深度尺寸測量光路包括半導體激光器、柱面鏡、濾光片、顯微物鏡以及電子目鏡；半導體激光器發(fā)出的光經過柱面鏡形成一個平面光投射在工件表面上，在被測表面上形成一條紅色光帶；紅色光帶經過反射或漫反射，通過濾光片濾去雜光，然后通過顯微物鏡后在電子目鏡中的CMOS面陣上成像，圖像信號經由USB信號傳入計算機中進行保存和處理。
專利摘要本實用新型涉及一種微小深度尺寸自動圖像測量系統(tǒng)。本實用新型包括計算機、四軸運動控制卡、微小深度尺寸測量光路、電動旋轉臺、Z方向電動升降臺、Y方向電動平移臺、X方向電動平移臺、步進電機驅動器、步進電機。計算機通過PC104總線接口與四軸運動控制卡相連接，計算機通過USB口與微小深度尺寸測量光路相連接，四軸運動控制卡與四個步進電機驅動器相連接，每個步進電機驅動器與對應的步進電機相連接，步進電機分別安裝在電動旋轉臺、Z方向電動升降臺、Y方向電動平移臺和X方向電動平移臺中。本實用新型結合了圖像測量功能和自動定位控制功能于一體，能完成多種微小深度參數(shù)的測量。
文檔編號G01B11/22GK202304764SQ201120306390
公開日2012年7月4日 申請日期2011年8月22日 優(yōu)先權日2011年8月22日
發(fā)明者余桂英, 周敏, 張波, 黃柳 申請人:中國計量學院, 杭州富光科技有限公司