專利名稱：一種全自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種采用光學(xué)影像進(jìn)行幾何測(cè)量的全自動(dòng)儀器。能高效地檢測(cè)各種 形狀復(fù)雜工件的輪廓和表面形狀及尺寸、角度和位置，特別是精密工件的精確 測(cè)量與質(zhì)量控制。
背景技術(shù)：
目前的影像測(cè)量?jī)x大致可以分為手動(dòng)、電動(dòng)、自動(dòng)三類(lèi)。全自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x 由于操作方便、測(cè)量效率高，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。
在影像測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)中，對(duì)測(cè)量精度造成直接影響的是三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般按絲杠(或光桿)螺母移動(dòng)范圍建立一個(gè)機(jī)架的區(qū) 域，即長(zhǎng)套殼。驅(qū)動(dòng)器絲杠(或光桿)動(dòng)力輸入的連接須用上聯(lián)軸器以免電機(jī) 安裝的誤差傳遞給絲杠(或光桿)，產(chǎn)生偏載從而降低驅(qū)動(dòng)器從螺母輸出的運(yùn)動(dòng) 精度。同時(shí)還必須在絲杠(或光桿)尾端按有含可以軸向移動(dòng)的軸承的尾端板。 以確保絲杠(或光桿)軸向長(zhǎng)度因熱變形所造成的位移能自由變化，并且不影 響運(yùn)動(dòng)精度。但是如此理想的結(jié)構(gòu)，因長(zhǎng)套殼的形狀及易導(dǎo)致變形，工藝上很 難控制其精度。
另外，現(xiàn)有的影像測(cè)量?jī)x沒(méi)有專用的電控系統(tǒng)，通常是根據(jù)各個(gè)子功能選取 標(biāo)準(zhǔn)板卡，然后將它們簡(jiǎn)單組合在一起，分別完成儀器所需的各項(xiàng)功能，如電 機(jī)驅(qū)動(dòng)卡、運(yùn)動(dòng)控制卡、光柵尺接口卡、照明控制卡等。由于這些板卡是通用 產(chǎn)品，各個(gè)方面的性能比較均衡， 一方面有些影像測(cè)量?jī)x需要的功能并不強(qiáng)大， 另一方面卻具有很多測(cè)量?jī)x根本就不需要的功能。這就必然造成現(xiàn)有的電控系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積臃腫、成本增高，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致可靠性低，不易維護(hù)。
影像測(cè)量?jī)x的一個(gè)重要功能是逆向工程中的測(cè)繪功能。目前全自動(dòng)影像測(cè)量 儀的測(cè)繪功能都需要大量的手工操作，效率極為低下，在自動(dòng)化方面還需要有 很大的提升。

發(fā)明內(nèi)容
全自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)包括XYZ三維移動(dòng)工作臺(tái)[l]、顯微鏡[2]、 CCD、 照明系統(tǒng)[3]、電氣控制卡[4]和個(gè)人計(jì)算機(jī)[5];個(gè)人計(jì)算機(jī)[5]配備圖像采集 卡，接收由顯微鏡[2]和CCD所構(gòu)成光學(xué)成像系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)；個(gè)人計(jì)算機(jī)[5] 包括精密測(cè)量模塊，利用圖像處理技術(shù)，對(duì)獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成對(duì) XYZ三維移動(dòng)工作臺(tái)[1]上工件的三維測(cè)量；個(gè)人計(jì)算機(jī)[5]通過(guò)向電氣控制卡發(fā) 送命令來(lái)移動(dòng)XYZ三維移動(dòng)工作臺(tái)[1]，使得需要測(cè)量的區(qū)域移動(dòng)到顯微鏡的可 視區(qū)域內(nèi)；照明系統(tǒng)[3]在不同工件、不同測(cè)量要求下，保證光學(xué)成像系統(tǒng)獲取 到高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)。圖l給出了本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種精度高、加工簡(jiǎn)單的一體化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
傳統(tǒng)的杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常包括聯(lián)軸殼、長(zhǎng)套殼和尾端板，因長(zhǎng)套殼的形狀極 易導(dǎo)致變形，工藝上很難控制其精度。為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)一體化機(jī)架[9]， 將聯(lián)軸器[7]、絲杠[8]放置其腔體內(nèi)，電機(jī)體安裝在聯(lián)軸器腔體[10]外側(cè)，且 電機(jī)軸直接連接到聯(lián)軸器上。如此設(shè)計(jì)使得電機(jī)定位孔與絲杠兩端的軸承定位 孔在加工時(shí)就能保證同軸。通過(guò)二次去應(yīng)力處理，可以方便解決整個(gè)機(jī)體的形 位公差要求。并且電機(jī)在傳遞動(dòng)力至絲杠過(guò)程中，消除了原有因聯(lián)軸殼安裝的 間隙所致遲后效應(yīng)。這一方面可以使得裝配上很容易就保證精度，同時(shí)在加工 上又很容易實(shí)現(xiàn)，且可靠性高。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的全自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x專 用的電氣控制卡[4]。
電氣控制卡需要實(shí)現(xiàn)的功能包括運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、照明控制、光柵尺 讀數(shù)、操作手柄支持、與個(gè)人計(jì)算機(jī)通訊等。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種針對(duì)全自動(dòng)影 像測(cè)量?jī)x的專用電氣控制卡，在一塊電子板中實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x需要的 各項(xiàng)功能。
本專用電氣控制卡采用DSP+FPGA架構(gòu)。利用DSP的高速計(jì)算能力完成運(yùn)動(dòng) 控制所需的大規(guī)模運(yùn)算，然后通過(guò)其內(nèi)部的P麗專用模塊進(jìn)行電機(jī)控制。DSP的 IO接口豐富，可以直接與USB接口芯片連接，完成與個(gè)人計(jì)算機(jī)的通訊功能。
FPGA具備高速的邏輯處理能力，又具備靈活的可編程特性?？梢酝瓿勺x取光 柵尺數(shù)據(jù)、讀取操作手柄數(shù)據(jù)、照明控制等工作，以彌補(bǔ)DSP的不足。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是個(gè)人計(jì)算機(jī)中的精密測(cè)量模塊提供了一種全自動(dòng)輪 廓測(cè)繪子模塊。全自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x對(duì)顯微鏡的當(dāng)前可視區(qū)域獲取圖像數(shù)據(jù)，按照?qǐng)D像處理算 法自動(dòng)提取出其中的零件輪廓，并根據(jù)這部分輪廓的方向自動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)沿 著輪廓方向運(yùn)動(dòng)，然后獲取新的圖像數(shù)據(jù)，如此反復(fù)，直到獲取了封閉的輪廓。
在獲取邊緣以后，需要根據(jù)當(dāng)前圖像的邊緣數(shù)據(jù)，控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到下一 個(gè)測(cè)量位置按照邊緣方向搜索，直到遇到圖像邊界，將邊界點(diǎn)作為下一幀圖 像相反邊界的中點(diǎn)位置，由此計(jì)算下一幀圖像的中心位置，然后通知移動(dòng)平臺(tái) 將顯微鏡的可視區(qū)域的中心移動(dòng)到位置即可。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)-
(1) 一體化的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，精度高、加工簡(jiǎn)單、可靠性高；
(2) 專用影像測(cè)量?jī)x電氣控制卡，可靠性高、成本低、易維護(hù)；
(3) —種全自動(dòng)的輪廓測(cè)繪模塊，極大的提高了全自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x在逆向 工程中的效率；


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的電氣控制卡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的電氣控制卡具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的全自動(dòng)輪廓測(cè)繪方法的工作流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖2給出了本實(shí)施例傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中一體化機(jī)架的示意圖，
一體化機(jī)架[9]包括兩個(gè)腔體絲杠腔體[11]和聯(lián)軸器腔體[10]。絲杠腔體 [ll]上面開(kāi)口較大，保證帶有螺母的絲杠能從上面安裝進(jìn)去。絲杠腔體絲杠腔 體兩側(cè)都有安裝軸承的通孔。聯(lián)軸器腔體[10]外側(cè)有連接電機(jī)的通孔
在裝配時(shí)，首先將帶螺母的絲杠到絲杠腔體內(nèi)，再安裝兩側(cè)的軸承；然后將 聯(lián)軸器安裝到聯(lián)軸器腔體中，且聯(lián)軸器的一端套住絲杠的對(duì)應(yīng)端；接著將電機(jī) 軸伸入到聯(lián)軸器的對(duì)應(yīng)端，并將電機(jī)體安裝到聯(lián)軸器腔體的外側(cè)。本一體化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度易于保證。
圖3給出了電氣控制卡具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例的電氣控制卡采用
DSP+FPGA的架構(gòu)。
Freescale的DSP56F807是一款專用于電機(jī)控制的DSP芯片，具備高速的計(jì) 算能力和專用的P麗模塊，可直接產(chǎn)生電機(jī)控制信號(hào)。DSP的高速計(jì)算能力用來(lái) 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制中所需的大量計(jì)算工作，P麗模塊極大的簡(jiǎn)化了電機(jī)控制。
USB通訊采用PHILIPS的PDIUSBD12芯片。DSP通過(guò)數(shù)據(jù)線、地址線與 PDIUSBD12芯片相連，利用該芯片高效地完成送出的信號(hào)到USB規(guī)范的信號(hào)的轉(zhuǎn) 換，實(shí)現(xiàn)與個(gè)人計(jì)算機(jī)相連，傳輸工作過(guò)程中的控制命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)。
FPGA可采用Xilix的XC3S50芯片。該芯片既能提供高速的邏輯處理能力， 又具備靈活的可編程特性?？梢杂脕?lái)讀取光柵尺數(shù)據(jù)、讀取操作手柄數(shù)據(jù)、產(chǎn) 生照明控制的P麗信號(hào)，以彌補(bǔ)DSP在這方面的劣勢(shì)。
全自動(dòng)輪廓測(cè)繪方法中，最關(guān)鍵的是需要可靠地獲取圖像中的邊緣，以下為 邊緣提取步驟
① 首先使用高斯濾波對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，高斯濾波公式為
('.2+/)
其中g(shù)[i， j]表示位置(i， j)處的濾波器權(quán)值，，S為高斯分布參數(shù)；
② 采用Sobel算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)圖像中的每一點(diǎn)分別與8個(gè)Sobel模板做 巻積，將得到的最大值作為輸出，并將對(duì)應(yīng)模板的方向作為該點(diǎn)的方向；
③ 使用高閾值得到Sobel邊緣圖1，使用低閾值得到Sobel邊緣圖2;
④ 使用Canny最佳邊緣檢測(cè)算法得到Canny邊緣⑤ Canny邊緣圖與Sobel邊緣圖1逐像素相與，得到初始邊緣⑥ 在初始邊緣圖中尋找每一條邊緣線的端點(diǎn)或孤立點(diǎn)，標(biāo)記這些點(diǎn)作為修補(bǔ) 邊緣的初始點(diǎn)；
⑦ 采用輪廓跟蹤的思想進(jìn)行邊緣修補(bǔ)，具體步驟如下
a. 在Sobel邊緣圖1中確定端點(diǎn)或孤立點(diǎn)P的邊緣方向；
b. 確定P點(diǎn)邊緣方向上的點(diǎn)P'坐標(biāo)；c. 若P'在Sobel邊緣圖2上，則P點(diǎn)為丟失的邊緣點(diǎn)，將初始邊緣圖上的 P修補(bǔ)，且P'置為P，返回a步。若P'點(diǎn)不在Sobel邊緣圖2上，則停止對(duì)P 的邊緣修補(bǔ)；
d. 若初始邊緣圖上還有端點(diǎn)或孤立點(diǎn)還未修補(bǔ)，則返回a步。
在獲取邊緣以后，需要根據(jù)當(dāng)前圖像的邊緣數(shù)據(jù)，控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到下一 個(gè)測(cè)量位置。圖4給出了全自動(dòng)輪廓測(cè)繪方法的工作流程。圖中的圓點(diǎn)為用戶 選擇的工作起始點(diǎn)，帶標(biāo)號(hào)的虛線框按順序標(biāo)識(shí)出了影像測(cè)量?jī)x自動(dòng)測(cè)繪的區(qū) 域。
權(quán)利要求
1.一種全自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x，由三維移動(dòng)工作臺(tái)[1]、顯微鏡[2]、CCD、照明系統(tǒng)[3]、電氣控制卡[4]、個(gè)人計(jì)算機(jī)[5]組成，其特征在于所述三維移動(dòng)工作臺(tái)[1]的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用一體化設(shè)計(jì)，將電機(jī)[6]、聯(lián)軸器[7]、絲杠[8]放置在一體化的機(jī)架[9]內(nèi)；所述電氣控制卡[4]是一種影像測(cè)量?jī)x專用的電子板卡，集成了運(yùn)動(dòng)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、照明控制、光柵尺讀數(shù)、操作手柄支持、與個(gè)人計(jì)算機(jī)通訊等功能；所述的個(gè)人計(jì)算機(jī)[5]具有全自動(dòng)輪廓測(cè)繪模塊。
2. 如權(quán)利要求1所述的全自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x，所述全自動(dòng)輪廓測(cè)繪模塊包括 零件輪廓提取模塊，所述零件輪廓提取模塊自動(dòng)提取出零件輪廓，并根據(jù)這部 分輪廓的方向自動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)沿著輪廓方向運(yùn)動(dòng)，然后獲取新的圖像數(shù)據(jù)， 如此反復(fù)，直到獲取了封閉的輪廓。
3. 如權(quán)利要求2所述的全自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x，所述零件輪廓提取模塊包括 使用高斯濾波對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波的模塊；采用Sobd算子進(jìn)行邊緣檢測(cè) 的模塊；使用高閾值得到Sobel邊緣圖1，使用低閾值得到Sobd邊緣圖2的模 塊；用Canny最佳邊緣檢測(cè)算法得到Canny邊緣圖的模塊；將Canny邊緣圖與 Sobd邊緣圖l相與、得到初始邊緣圖的模塊；在初始邊緣圖中尋找每一條邊緣 線的端點(diǎn)或孤立點(diǎn)、標(biāo)記這些點(diǎn)作為修補(bǔ)弱邊緣的初始點(diǎn)的模塊；采用輪廓跟 蹤思想進(jìn)行邊緣修補(bǔ)的模塊。
全文摘要
本發(fā)明為一種全自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x。能高效地檢測(cè)各種形狀復(fù)雜工件的輪廓和表面形狀及尺寸、角度和位置。本發(fā)明由三維移動(dòng)工作臺(tái)、顯微鏡、CCD、照明系統(tǒng)、電氣控制卡、個(gè)人計(jì)算機(jī)組成；個(gè)人計(jì)算機(jī)配備圖像采集卡，接收由顯微鏡和CCD所構(gòu)成光學(xué)成像系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)，然后利用圖像處理技術(shù)，對(duì)獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成對(duì)三維移動(dòng)工作臺(tái)上工件的測(cè)量。本發(fā)明的三維移動(dòng)工作臺(tái)采用一體化的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了一種影像測(cè)量?jī)x專用電氣控制卡；本發(fā)明還提供了一種全自動(dòng)輪廓測(cè)繪模塊，在不需要操作者干預(yù)的情況下，自動(dòng)完成零件輪廓的測(cè)繪工作。
文檔編號(hào)G01C11/00GK101319874SQ200710110450
公開(kāi)日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2007年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月6日
發(fā)明者張寧一, 徐一華, 聰 楊 申請(qǐng)人:北京天準(zhǔn)科技有限責(zé)任公司