軸類工件外徑影像測量裝置及其測量方法

2023-09-21 18:35:15 2

專利名稱：軸類工件外徑影像測量裝置及其測量方法
技術領域：
本發明涉及一種軸類工件外徑測量裝置及測量方法，尤其涉及一種非接觸測量且測量精度高、測量速度快的軸類工件外徑影像測量裝置及其測量方法。
背景技術：
對軸類工件外徑進行測量，傳統的一些方法如利用千分尺、遊標卡尺或量規等工具進行測量，不可避免地都有著精度低、勞動強度大、可靠性差這些缺點。而三坐標機等高精度儀器則必然降低檢測速率，不利於高效率測量。測微儀法、儀器測量法是比較折中的方法，相比於三坐標機而言操作相對簡單，同時又能保證精度，成本也較低。電子顯微技術在21世紀得到快速的發展。隨著電子顯微鏡及影像測量技術的發展，用於影像測量的顯微工作檯也應運而生。而現有顯微鏡大多數都是採用上照明的方式， 在影像測量中，若採用上照明的方式，就存在反光及邊緣銳化不明顯的情況，影響測量精度。此外，載物臺若沒有精密定位裝置，則會存在找視場不方便、工件定位不方便的問題，增加了測量的難度。

發明內容
本發明主要解決原有軸類工件外徑的測量操作不方便，無法滿足大批量測量需求的技術問題；同時解決原有顯微鏡影像測量一般均採用上照明方式，存在反光及邊緣銳化不明顯的情況，影響測量精度的技術問題；提供一種軸類工件外徑影像測量裝置及其測量方法，其避免了反光及邊緣銳化不明顯的情況，提高測量精度，而且測量操作簡單，測量效率高，智能化程度高，滿足大批量測量的需求。本發明另一目的是提供一種軸類工件外徑影像測量裝置及其測量方法，其光源採用獨特排列的LED光源，從而在光源上方獲得均勻光照面，提高測量精度。本發明另一目的是提供一種軸類工件外徑影像測量裝置及其測量方法，其下照明光源實現PWM數字可調，以減少人為調光的不便和誤差，測量更加方便。本發明又一目的是提供一種軸類工件外徑影像測量裝置及其測量方法，其具備軸類工件的精密定位裝置，使得軸類工件定位方便，也便於找到視場，使軸類工件外徑的測量更加方便。本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的本發明的軸類工件外徑影像測量裝置，包括底座、平臺、光源、顯微鏡和相機，顯微鏡通過安裝支架固定在底座上，光源設在顯微鏡鏡頭下方的底座上，平臺位於光源上方，平臺的中間嵌裝有一塊透明片，透明片的位置和光源的位置相對應，透明片上設有一塊軸類工件安放座，所述的相機位於所述的顯微鏡上方並且和顯微鏡相連，相機的鏡頭對準顯微鏡的觀察口，所述的相機再通過數據線和計算機相連。計算機上安裝有軸類工件外徑測量軟體，相機採用CCD數位相機。顯微鏡的放大倍率為O. 7 4. 5倍，連續可調，方便不同要求下的測量。顯微鏡上還可裝上連續變倍環，以利於擴大測量範圍。軸類工件安放座上先後放置軸類標準件和被測軸類工件，軸類標準件和被測軸類工件的外徑圖像經過顯微鏡放大後成像於CCD像敏面上， 像敏面將照在每個像敏單元上的圖像照度信號轉變為少數載流子密度信號存儲於像敏單元中，然後在轉移脈衝的作用下，再轉移到CCD的移位寄存器中，並在驅動脈衝的作用下順序地移出器件，成為視頻信號，視頻信號再由後部處理電路進行處理或計算，成為電視信號或檢測信號，然後通過數字接口存入計算機內存，由計算機再作一系列處理和運算。本發明採用在工件下方進行照明的結構，避免了反光及邊緣銳化不明顯的情況，有效提高測量精度。測量時，先採集並保存一幅軸類標準件的邊緣靜態圖像，再採集並保存一幅被測軸類工件的邊緣靜態圖像，由計算機通過處理和運算獲得被測軸類工件的外徑。本發明實現非接觸式測量，可以保證將工件表面的微小變化通過圖像表現出來，並且得到圖像方便，具有高速度、動態範圍大、信息量豐富等優點，測量效率及測量精度大大提高，非常適用於批量測量。作為優選，所述的光源為多粒相串聯的發光二極體，所述的發光二極體呈環形排列並且其照明方向朝向環形的軸線，每粒發光二極體的軸線傾斜於所述的底座。發光二極體能夠高效率地直接將電能轉化為光能，是新一代固體冷光源，而且擁有較長使用壽命，同時具備省電、高耐震、光源具方向性及光害少等優點。多粒發光二極體均朝斜上方方向照射，有利於使位於光源上方的工件得到均勻的光照。作為優選，所述的發光二極體有12粒，12粒發光二極體呈半徑為2釐米的環形排列，每粒發光二極體的軸線和所述的底座之間的夾角為45度。通過對發光二極體數量、所排列的環形曲線半徑、發光二極體的傾斜角度以及發光面與照射目標面的距離等四個因素五個水平的光學CAD正交仿真試驗,得出上述發光二極體的分布及安裝結構為最佳方案， 使得在光源上方能得到均勻光照面，提高測量精度。作為優選，所述的底座上設有一個二維移動座，所述的平臺設於所述的二維移動座上，所述的光源被圍在二維移動座內。調節二維移動座可使平臺作X向平移和作Y向平移，能方便地將放置於軸類工件安放座上的軸類標準件及被測軸類工件的邊緣視頻移入計算機顯示屏上顯示的視場中心，從而快速地實現測量過程中的準確定位。作為優選，所述的光源的電壓輸入端和PWM數字可調電路的輸出端相連，PWM數字可調電路的輸入端和所述的計算機相連。通過計算機上安裝的軸類工件外徑測量軟體對 PWM數字可調電路的輸入端信號進行控制，再由PWM數字可調電路的輸出端對光源的工作電壓進行控制，方便地實現對光源亮度的調節，以減少人為調光的不便和誤差，便於在計算機顯示屏上得到清晰的圖像。本發明的軸類工件外徑影像測量裝置的測量方法，包括以下步驟
a.打開所述的光源，打開安裝在所述的計算機上的軸類工件外徑測量軟體，所述的顯微鏡獲得的光學信號通過所述的相機轉換成視頻信號，最後顯示在所述的計算機的顯示屏上；
b.將一個軸類標準件置於所述的軸類工件安放座上，使軸類標準件的邊緣的視頻進入所述的計算機的顯示屏上的視場中心；
c.調節所述的顯微鏡的物鏡放大倍率、物距及像距，直至在所述的計算機的顯示屏上
5看到清晰的軸類標準件的邊緣，所述的計算機採集並保存此時軸類標準件的邊緣的標準靜態圖像；
d.移走軸類標準件，在所述的軸類工件安放座上放置被測軸類工件，所述的計算機採集並保存此時被測軸類工件的邊緣的被測靜態圖像；
e.通過所述的計算機上的軸類工件外徑測量軟體中的圖像處理及計算方法對步驟c 中得到的標準靜態圖像和步驟d中得到的被測靜態圖像進行處理和運算，最後計算出被測軸類工件的外徑並顯示在計算機的顯示屏上。本發明的軸類工件外徑測量方法簡單，操作方便，智能化程度高，測量精度高，測量效率高，滿足大批量測量的需求。作為優選，所述的光源的電壓輸入端和PWM數字可調電路的輸出端相連，PWM數字可調電路的輸入端和所述的計算機相連；所述的步驟a為打開所述的光源，打開安裝在所述的計算機上的軸類工件外徑測量軟體，通過軸類工件外徑測量軟體調節PWM數字可調電路的輸入端信號，再由PWM數字可調電路的輸出端信號調節所述的光源的供電電壓，進而調節所述的光源的亮度，所述的顯微鏡獲得的光學信號通過所述的相機轉換成視頻信號， 最後顯示在所述的計算機的顯示屏上。測量人員只要在計算機上打開的軸類工件外徑測量軟體的界面上進行操作，就能調節位於平臺下方的光源的光照亮度，調節方便，實現光源亮度的PWM數字可控，便於得到更為清晰的圖像。作為優選，所述的底座上設有一個二維移動座，所述的平臺設於所述的二維移動座上，所述的光源被圍在二維移動座內；所述的步驟b為將一個軸類標準件置於所述的軸類工件安放座上，調節所述的二維移動座，使所述的平臺作X向平移和作Y向平移，使軸類標準件的邊緣的視頻進入所述的計算機的顯示屏上的視場中心。通過操作二維移動座就能方便地將放置於軸類工件安放座上的軸類標準件及被測軸類工件的邊緣視頻移入計算機顯示屏上顯示的視場中心，從而快速地實現測量過程中的準確定位。作為優選，所述的步驟e中的圖像處理及計算方法包括以下步驟
El.將步驟c中得到的標準靜態圖像和步驟d中得到的被測靜態圖像均作灰度直方圖均衡化並將兩者相減得到偏差圖像；
E2.將偏差圖作閾值分割得到二值圖像；對圖像像素點，大於閾值，則認為是目標，小於閾值，則認為是背景，這就是閾值分割。E3.對二值圖像作形態學處理去除孤立點和毛刺等噪聲；形態學處理包括對圖像的腐蝕、膨脹、開運算和閉運算等。E4.通過索貝爾算子提取二值圖像邊緣；索貝爾算子(Sobel operator)是圖像處理中的算子之一，主要用作邊緣檢測。它是一離散性差分算子，用來運算圖像亮度函數的梯度之近似值。在圖像的任何一點使用此算子，將會產生對應的梯度矢量或是其法矢量。 Sobel算子對於象素的位置的影響做了加權，因此效果更好。E5.通過邊緣直線擬合計算出邊緣斜率；邊緣直線擬合，就是根據局部區域內邊緣的直線特性，求得小鄰域內直線段的高精度位置，再根據邊緣區域內邊緣的全局直線特性，用線段的中點來擬合整個直線邊緣，得到亞像素精度的圖像邊緣。E6.計算兩邊緣之間的像素數，由該像素數計算出被測軸類工件的外徑。本發明的有益效果是通過在平臺下方設置光源，實現下照明影像測量，避免了反光及邊緣銳化不明顯的情況。光源採用獨特排列的LED光源，且LED光源實現PWM數字可調，以減少人為調光的不便和誤差，從而在光源上方獲得均勻光照面。通過調節二維移動座能方便地調整平臺的左、右位置，使得軸類工件定位方便，便於被測邊緣進入測量視場中心。本發明實現軸類工件外徑的非接觸式測量，具有高速度、動態範圍大、信息量豐富等優點，測量效率及測量精度大大提高，非常適用於批量測量。


圖I是本發明軸類工件外徑影像測量裝置的一種立體結構示意圖。圖2是本發明軸類工件外徑影像測量裝置中平臺和光源的安裝結構的一種立體結構示意圖。圖3是本發明軸類工件外徑影像測量裝置中二維移動座的一種局部剖視結構示意圖。圖4是本發明軸類工件外徑影像測量方法中圖像處理及計算方法的一種流程圖。
具體實施例方式下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。實施例本實施例的軸類工件外徑影像測量裝置，如圖I所示，包括底座I、平臺2、 光源3、顯微鏡4、相機5和計算機16。顯微鏡4通過安裝支架固定在底座I上，光源3安裝在顯微鏡4鏡頭下方的底座I上。平臺2位於光源3上方，平臺2的中間開有一方孔，方孔內嵌裝有一塊毛玻璃片作為透明片6，毛玻璃片的位置和光源3的位置相對應，毛玻璃片上安放有一塊軸類工件安放座7，軸類工件安放座7呈長條狀的塊體，塊體的頂面開有一個沿塊體的長度方向延伸的V型槽9。相機5位於顯微鏡4上方並且和顯微鏡4相連,相機的鏡頭對準顯微鏡的觀察口，相機5再通過數據線和計算機16相連，計算機16上安裝有軸類工件外徑測量軟體。如圖2所示，光源3為12粒相串聯的發光二極體8，即LED光源，12粒發光二極體 8呈半徑為2釐米的環形排列並且其照明方向為斜上方向朝向環形的軸線，每粒發光二極體8的軸線和底座I之間的夾角為45度，即發光二極體的照射面傾斜於底座45度。12粒發光二極體的串聯電路的電壓輸入端和PWM數字可調電路的輸出端相連，PWM數字可調電路的輸入端通過電纜和計算機16相連。如圖3所示，底座I上安裝有二維移動座17，平臺2安裝在二維移動座17上，光源3被圍在二維移動座17內。本實施例中，二維移動座17包括X向滾動導軌、Y向滾動導軌和X向齒條14、Y向齒條15、手輪10及大齒輪11、小齒輪12。Y向滾動導軌裝在底座I 上，X嚮導軌裝在Y嚮導軌上面，平臺2安裝在X嚮導軌上。手輪10位於平臺2的一側，手輪10下方套有一個大齒輪11，大齒輪11下方有一個連在小齒輪軸13上的小齒輪12，小齒輪軸13從下往上穿過手輪10中心並且小齒輪軸13的頂端露出於手輪10外。和大齒輪11 嚙合的X向齒條14裝在平臺2背面的X嚮導軌上，和小齒輪12嚙合的Y向齒條15裝在固定在底座I上的Y嚮導軌上。大齒輪和小齒輪構成雙層齒輪結構，旋轉手輪，帶動大齒輪旋轉，使平臺作X向移動；旋轉位於手輪上方的小齒輪軸，帶動小齒輪旋轉，使平臺作Y向移動。齒輪傳動具備外廓尺寸小、結構緊湊、效率高、傳動比恆定、壽命長等特點。
上述軸類工件外徑影像測量裝置的測量方法，包括以下步驟
a.打開光源3，打開安裝在計算機16上的軸類工件外徑測量軟體，通過在軸類工件外徑測量軟體的操作界面上進行操作，調節PWM數字可調電路的輸入端信號，再由PWM數字可調電路的輸出端信號調節光源3的供電電壓，進而調節光源3的亮度，顯微鏡4獲得的光學信號通過相機5轉換成視頻信號，最後顯示在計算機16的顯示屏上；
b.將一個軸類標準件置於軸類工件安放座7的V型槽上，調節二維移動座17上的手輪10及小齒輪軸13，使平臺2沿X向齒條14作X向平移和沿Y向齒條15作Y向平移，使軸類標準件的邊緣的視頻進入計算機16的顯示屏上的視場中心；
c.調節顯微鏡4的物鏡放大倍率、物距及像距，直至在計算機16的顯示屏上看到清晰的軸類標準件的邊緣，通過在軸類工件外徑測量軟體的操作界面上進行操作使計算機16 採集並保存此時軸類標準件的邊緣的標準靜態圖像；
d.移走軸類標準件，在軸類工件安放座7的V型槽上放置被測軸類工件，通過在軸類工件外徑測量軟體的操作界面上進行操作使計算機16採集並保存此時被測軸類工件的邊緣的被測靜態圖像；
e.通過軸類工件外徑測量軟體中的圖像處理及計算方法對步驟c中得到的標準靜態圖像和步驟d中得到的被測靜態圖像進行處理和運算，其中圖像處理及計算方法如圖4所示，包括以下步驟
El.將步驟c中得到的標準靜態圖像和步驟d中得到的被測靜態圖像均作灰度直方圖均衡化並將兩者相減得到偏差圖像；
E2.將偏差圖作閾值分割得到二值圖像；
E3.對二值圖像作形態學處理去除孤立點和毛刺等噪聲；
E4.通過索貝爾算子提取二值圖像邊緣；
E5.通過邊緣直線擬合計算出邊緣斜率；
E6.計算兩邊緣之間的像素數，由該像素數計算出被測軸類工件的外徑，並顯示在計算機16的顯示屏上。本發明實現軸類工件外徑的非接觸式測量，智能化程度高，具有高速度、動態範圍大、信息量豐富等優點，測量效率及測量精度大大提高，非常適用於批量測量。
權利要求
1.一種軸類工件外徑影像測量裝置，其特徵在於包括底座(I)、平臺(2)、光源(3)、顯微鏡(4 )和相機(5 )，顯微鏡(4 )通過安裝支架固定在底座(I)上，光源(3 )設在顯微鏡(4 ) 鏡頭下方的底座(I)上，平臺(2)位於光源(3)上方，平臺(2)的中間嵌裝有一塊透明片(6)， 透明片(6)的位置和光源(3)的位置相對應，透明片(6)上設有一塊軸類工件安放座(7)，所述的相機(5)位於所述的顯微鏡(4)上方並且和顯微鏡(4)相連，所述的相機(5)再通過數據線和計算機(16)相連。
2.根據權利要求I所述的軸類工件外徑影像測量裝置，其特徵在於所述的光源(3)為多粒相串聯的發光二極體(8)，所述的發光二極體(8)呈環形排列並且其照明方向朝向環形的軸線，每粒發光二極體(8)的軸線傾斜於所述的底座(I)。
3.根據權利要求2所述的軸類工件外徑影像測量裝置，其特徵在於所述的發光二極體 (8)有12粒，12粒發光二極體(8)呈半徑為2釐米的環形排列，每粒發光二極體(8)的軸線和所述的底座(I)之間的夾角為45度。
4.根據權利要求I或2或3所述的軸類工件外徑影像測量裝置，其特徵在於所述的底座(I)上設有一個二維移動座(17)，所述的平臺(2)設於所述的二維移動座(17)上，所述的光源(3)被圍在二維移動座(17)內。
5.根據權利要求I或2或3所述的軸類工件外徑影像測量裝置，其特徵在於所述的光源(3 )的電壓輸入端和PWM數字可調電路的輸出端相連，PWM數字可調電路的輸入端和所述的計算機(16)相連。
6.一種使用如權利要求I或2或3所述的軸類工件外徑影像測量裝置的測量方法，其特徵在於包括以下步驟a.打開所述的光源(3)，打開安裝在所述的計算機(16)上的軸類工件外徑測量軟體， 所述的顯微鏡(4)獲得的光學信號通過所述的相機(5)轉換成視頻信號，最後顯示在所述的計算機(16)的顯示屏上；b.將一個軸類標準件置於所述的軸類工件安放座(7)上，使軸類標準件的邊緣的視頻進入所述的計算機(16)的顯示屏上的視場中心；c.調節所述的顯微鏡(4)的物鏡放大倍率、物距及像距，直至在所述的計算機(16)的顯示屏上看到清晰的軸類標準件的邊緣，所述的計算機(16)採集並保存此時軸類標準件的邊緣的標準靜態圖像；d.移走軸類標準件，在所述的軸類工件安放座(7)上放置被測軸類工件，所述的計算機(16)採集並保存此時被測軸類工件的邊緣的被測靜態圖像；e.通過所述的計算機(16)上的軸類工件外徑測量軟體中的圖像處理及計算方法對步驟c中得到的標準靜態圖像和步驟d中得到的被測靜態圖像進行處理和運算，最後計算出被測軸類工件的外徑並顯示在計算機(16)的顯示屏上。
7.根據權利要求6所述的測量方法，其特徵在於所述的光源(3)的電壓輸入端和PWM 數字可調電路的輸出端相連，PWM數字可調電路的輸入端和所述的計算機(16)相連；所述的步驟a為打開所述的光源(3)，打開安裝在所述的計算機(16)上的軸類工件外徑測量軟體，通過軸類工件外徑測量軟體調節PWM數字可調電路的輸入端信號，再由PWM數字可調電路的輸出端信號調節所述的光源(3)的供電電壓，進而調節所述的光源(3)的亮度，所述的顯微鏡(4)獲得的光學信號通過所述的相機(5)轉換成視頻信號，最後顯示在所述的計算機(16)的顯示屏上。
8.根據權利要求6所述的測量方法，其特徵在於所述的底座(I)上設有一個二維移動座(17)，所述的平臺(2)設於所述的二維移動座(17)上，所述的光源(3)被圍在二維移動座 (17)內；所述的步驟b為將一個軸類標準件置於所述的軸類工件安放座(7)上，調節二維移動座(17)，使所述的平臺(2)作X向平移和作Y向平移，使軸類標準件的邊緣的視頻進入所述的計算機(16)的顯示屏上的視場中心。
9.根據權利要求6或7或8所述的測量方法，其特徵在於所述的步驟e中的圖像處理及計算方法包括以下步驟El.將步驟c中得到的標準靜態圖像和步驟d中得到的被測靜態圖像均作灰度直方圖均衡化並將兩者相減得到偏差圖像；E2.將偏差圖作閾值分割得到二值圖像；E3.對二值圖像作形態學處理去除孤立點和毛刺等噪聲；E4.通過索貝爾算子提取二值圖像邊緣；E5.通過邊緣直線擬合計算出邊緣斜率；E6.計算兩邊緣之間的像素數，由該像素數計算出被測軸類工件的外徑。
全文摘要
本發明涉及一種軸類工件外徑影像測量裝置及其測量方法。軸類工件外徑影像測量裝置包括底座、平臺、光源、顯微鏡和相機，顯微鏡通過安裝支架固定在底座上，光源設在顯微鏡鏡頭下方的底座上，平臺位於光源上方，平臺的中間嵌裝有一塊透明片，透明片的位置和光源的位置相對應，透明片上設有一塊軸類工件安放座，相機位於顯微鏡上方並且和顯微鏡相連，相機再通過數據線和計算機相連。其測量方法為先採集並保存一幅軸類標準件的邊緣靜態圖像，再採集並保存一幅被測軸類工件的邊緣靜態圖像，由計算機通過處理和運算獲得被測軸類工件的外徑並顯示在顯示屏上。本發明實現軸類工件外徑的非接觸式測量，光照均勻，圖像清晰，大大提高測量效率及測量精度。
文檔編號G01B11/08GK102589453SQ201110422470
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者上官錦士, 徐燕, 朱佳佳, 杭盼盼, 範偉軍, 賀楚紅, 邵靜雲 申請人:中國計量學院