专利名称：三轴非接触式影像测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种检测工件公差的测量系统，尤其涉及一种三轴非接触式影像 测量系统。
背景技术：
影像测量技术是以现代光学为基础，结合计算机图像图形学、机器视觉、信息处 理、光电子学和模式识别等科学的现代测量技术。它具有非接触、适应性强、快速高效、准确 等特点，在精密测量领域中得到了越来越广泛的应用。在批量化的工件检测中，传统的影像检测方法需要手动采点测量，检测效率低。近 年来，国内外对影像测量技术进行了大量的研究。现有的自动测量技术大都是基于图元特 征的自动识别，这种方法一方面需要人为的对准待测的图元和计算公差，只能实现半自动 化的测量；另一方面用其测量形状较为复杂工件时则常常产生对图元形状误判和无法识别 的情况，只能用来检测形状较为简单的工件。这种测量技术的边缘提取主要是通过数学形 态学的方法来实现的，大都只能精确到像素级，测量精度提高较为困难。而且如果求不在同 一平面内两图元之间的距离时也没有很好的解决方法。现有的测量系统中激光测量装置只是单纯的测量高度，没有充分利用它的高精度 性。并且现有的测量模板在设置对焦高度时往往是一定值，并没有考虑到实际工件的复杂 多样性。
实用新型内容针对现有技术中的不足之处，本实用新型提供了一种适用性强、效率高、精度高的 三轴非接触式测量系统，采用该系统有效地解决了复杂工件的测量难题。本实用新型提供的三轴非接触式影像测量系统，包括三维工作台、影像测量装置、 激光测距装置、光栅数据采集装置和运动控制装置；所述三维工作台包括工作台面、工作台面上设置的Y轴导轨、平行设置在工作台 面上方并可沿Y轴导轨垂直滑动的X轴导轨和可沿X轴导轨滑动的ζ轴导轨，所述Z轴导 轨垂直于工作平面；所述影像测量装置包括图像采集卡和设置在Z轴导轨底端并可沿Z轴导轨的滑块 上下移动的摄像机，摄像机的镜头与工作台面垂直对应，摄像机的信号输出端与图像采集 卡连接；所述激光测距装置包括激光位移传感器和与PC机连接的控制表，所述激光位移 传感器固定设置在Z轴导轨上，激光位移传感器发出的光束垂直向下，所述激光位移传感 器与控制表连接；所述光栅数据采集装置包括设置在X轴导轨上的X向光栅尺、设置在Y轴导轨上 的Y向光栅尺、设置在Z轴导轨上的Z向光栅尺和读取X向光栅尺、Y向光栅尺和Z向光栅 尺上数据的光栅数据采集卡；
3[0011]所述运动控制装置包括驱动控制器和驱动X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨滑动的 伺服电机，所述伺服电机由驱动控制器控制。进一步，还包括光源控制装置，所述光源控制装置包括发光光源和光源控制器，所 述工作台面为透明体，发光光源设置在工作台面的下方，发光光源发出的光与工作台面垂 直，所述发光光源由光源控制器控制。本实用新型的有益效果，本实用新型利用激光位移传感器的可测距性，不仅实现 三维的测量，而且在所测图元的附近测量高度，从而得出摄像机到工件的高度，计算这些高 度值的平均值，根据这些平均值来确定摄像机对焦时需要移动的距离，保证了图象采集时 图像清晰的一致性以及对焦的可靠性，并且它只需要对形状复杂的工件创建一次测量模 板，以后每次测量该工件时调出该测量模板，并构建工件的基准，即可对工件进行自动的图 元构造和公差评定。该非接触式测量系统具有适应性强、效率高、精度高等特点。
图1为本实用新型的结构示意图；图2为对待测图元选取测量点和定位点的示意图；图3为数据表结构示意图；图4为自动公差评定过程示意图。附图中，1-工作台面2-Y轴导轨3-X轴导轨4-Z轴导轨5-摄像机6_激光位移 传感器7-镜头8-X向光栅尺9-Y向光栅尺IO-Z向光栅尺11-发光光源
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细地描述。图1为本实用新型的结构示意图，如图所示，三轴非接触式影像测量系统包括三 维工作台、影像测量装置、激光测距装置、光栅数据采集装置和运动控制装置。三维工作台 包括工作台面1、工作台面1上设置的Y轴导轨2、平行设置在工作台面1上方并可沿Y轴 导轨2垂直方向滑动的X轴导轨3和垂直于工作平面的Z轴导轨4。影像测量装置包括图 像采集卡和设置在Z轴导轨4底端并可沿Z轴导轨4上下移动的摄像机5，摄像机5的镜 头7与工作台面1垂直对应，摄像机5的信号输出端与图像采集卡连接。激光测距装置包 括激光位移传感器6和与PC机连接的控制表，所述激光位移传感器6固定设置在Z轴导轨 4上，激光位移传感器6发出的光束垂直向下，所述激光位移传感器6与控制表连接。光栅 数据采集装置包括设置在X轴导轨3上的X向光栅尺8、设置在Y轴导轨2上的Y向光栅尺 9、设置在Z轴导轨4上的Z向光栅尺10和分别可读取X向光栅尺8、Y向光栅尺9和Z向 光栅尺10上数据的光栅数据采集卡。光源控制装置包括发光光源11 (本实施例中的发光 光源11为LED冷光源)和光源控制器，上作台面1为透明体，所述LED冷光源设置在工作 台面1的下方，LED冷光源发出的光与工作台面1垂直，LED冷光源由控制器控制。本实施例中，各种控制器可采用计算机中的控制单元模板，激光位移传感器6检 测的数据信号、光栅数据采集卡采集的数据以及摄像机5所采点的数据均可输入计算机中 的控制单元模板。计算机中的控制单元模板可分别通过一驱动电路选接驱动X轴向的伺服 电机、Y轴向的伺服电机和Z轴向的伺服电机，实现三轴自动移动。[0022]使用该三轴非接触式测量系统进行测量的方法步骤如下(1)建立测量模板。打开DXF图纸，设置工件ID号、安全平面、基准面，然后设置工 件坐标系，选中所测图元，在图元上根据需要采点，选择形状公差、位置公差和尺寸公差，选 择计算公差时所需要的起测元素和终测元素。读入被测工件的图纸，在图纸上指定要测量 的待测点，将待测点组成的图元类型、采点的个数、对焦需要的定位点和对焦的距离存入计 算机的模板中。根据工件中所测图元的类型来确定对焦定位点的方法为根据不在同一直 线上三点确定一平面几何特性，一般取三点为宜，这样既确定了图元所在的平面，又不至于 采点过多而浪费不必要的时间。当然可以根据工件的复杂性做适当的改变。对于直线可选 择线段的中点和两端点附近位置，对于圆可选择圆的任意内接或者外切正三角形的三个顶 点。对于所有的图元边缘线应选择与边缘线同面的一侧定点。这里主要是针对图元来确定 对焦定位点，也就是说需要测工件上的那个图元，就要针对那个图元并在那个图元附近按 照上述的方法来确定。(2)导入模板，进行采点测量。首先设定一安全平面和基准面，安全平面比待测的 工件高30mm IOOmm为宜，基准面比所测的图元所在位置高5mm 15mm为宜，可在建立模 板中设置。先利用Z轴向的伺服电机驱动滑块运动带动摄像机移动到安全平面上，根据模 板里的定位点控制激光位移传感器到所对应的基准面对定位点进行测距，然后计算所测几 个距离的平均值，进而计算摄像机到工件上所测图元的距离，最后计算摄像机移动的距离 并判断移动的方向。移动距离和方向判断方法为根据上面所定的三点测量这三点的高度 值，求所测高度值的平均值设为H，设摄像机和激光位移传感器的位置高度差为H1,图像最 清晰时摄像机的高度值H2，则摄像机所运动的高度为H = IH-H2-H1这里当IH-H11 ( H2时摄像机向上移动，IH-H11 > H2时摄像机向下移动。移动摄 像机后，保持摄像机在Z轴上不动，根据模板中所要采的点进行采点，直至一个图元所需的 点采完。为安全起见，通过控制Z轴向的伺服电机驱动滑块运动带动摄像机再回到安全平 面上，用同样的方法进行下一个图元的采点，直至所有的图元采点完毕。然后将模板中的待 测点的坐标值转换为实际测量工作台上相应测量点的坐标值，采用一维亚像素边缘检测算 法进行采点，得到实际测量点的坐标。(3)得到测量结果。由所采得的多个点的坐标值以及模板中各个点对应的图元类 型采用像两点法，三点定圆等一些常规的方法自动构造出各个图元。而后由图元采用最小 二乘法自动拟合出待测的公差值，进行公差评定，首先根据工件编号查出此工件需要构造 的公差，然后针对每个公差查出其对应的多个图元，再根据图元号查出每个图元对应的多 个点。求公差时，将前一过程反过来，首先由已查出的点的坐标构造图元，再由构造出的图 元求出公差，输出测量结果，打印评定报表。以下以图2为例，假设需要测工件上圆柱中心到直线的水平距离，在进行测量前， 首先建立模板，打开DXF图纸，设置工件ID号、安全平面和基准面，此安全平面比工件高 30mm IOOmm为宜，基准面比所测的图元所在位置高5mm 15mm为宜，然后设置工件坐标 系，选中所测图元，在图元上根据需要采点，选择类型一般为形状公差、位置公差和尺寸公 差，选择计算公差时所需要的起测元素和终测元素。读入被测工件的图纸，在图纸上指定要 测量的待测点，将待测点组成的图元类型、采点的个数、对焦需要的定位点和对焦的距离存
5入模板中。设定图元与测量点之间的关系，一般是包括图元类型，图元所包括的测量点的 个数，以及这些测量点的坐标，即构造某一图元需要哪些测量点和定位点。在图2中，需要 测两个图元，第一个图元类型为圆，如果圆为圆孔则选择1、2、3为定位点。如果圆为圆柱， 则4、5、6为定位点，此处设为圆柱，定位点取4、5、6，第二个图元类型为直线，定位点如图所 示。然后，设定公差与图元之间的关系，所求公差需要两个图元，公差类型为尺寸公差。然后开始测量，先利用Z轴向上的伺服电机驱动滑块带动摄像机移动到安全平面 上，根据模板里的定位点控制激光位移传感器6到所对应的基准面对定位点进行测距，因 为此处设为圆柱，定位点为4、5、6三点，然后计算所测4、5、6三点的平均值，进而计算摄像 机移动的距离并判断移动的方向。移动摄像机后，保持摄像机在Z轴上不动，根据模板中所 需要的点进行采点，直至测量此圆柱所需的三个点采完。安全起见，通过控制Z轴向上的伺 服电机驱动滑块带动摄像机再回到安全平面上，根据模板里的直线的定位点控制激光位移 传感器6到所对应的基准面对定位点进行测距，定位点为如图2所示直线的三个定位点，然 后计算所测三点的平均值，进而计算摄像机移动的距离并判断移动的方向。移动摄像机后， 保持摄像机在Z轴上不动，根据模板中所需要的点进行采点，直至测量此直线所需的两个 点采完。而后采用一维亚像素边缘检测算法进行采点，将采集到的点的坐标转换为图纸坐 标系下点的坐标并存入相应的表中。自动公差评定需要查询的数据表的结构如图3所示，测量点表、图元表和公差表 存储了自动公差评定所需要的数据。如图4所示，首先根据工件编号查出此工件需要构造 的公差，然后针对每个公差查出公差对应的多个图元，再根据图元号查出每个图元对应的 多个点。在图2中，一共为两个图元，分别为圆，直线。其中圆有三个点，直线有两个点。求 公差时，将前一过程反过来，首先由已查出的点的坐标构造图元，再由构造出的图元求出公 差。利用所采的圆的三个点的坐标值用三点定圆法求出圆的圆心坐标和半径。再利用所采 的直线的两个点的坐标值用两点法求直线的方程，从而求出圆心到直线的距离。最后进行 公差评定。所有上述过程都是由测量软件根据模板设置自动完成查询和计算的。因此，实 现了对复杂工件的全自动的测量和评定。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本 实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范 围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求一种三轴非接触式影像测量系统，其特征在于包括三维工作台、影像测量装置、激光测距装置、光栅数据采集装置和运动控制装置；所述三维工作台包括工作台面(1)、工作台面(1)上设置的Y轴导轨(2)、平行设置在工作台面(1)上方并可沿Y轴导轨(2)垂直滑动的X轴导轨(3)和可沿X轴导轨(3)滑动的Z轴导轨(4)，所述Z轴导轨(4)垂直于工作平面(1)；所述影像测量装置包括图像采集卡和设置在Z轴导轨(4)底端并可沿Z轴导轨(4)上下移动的摄像机(5)，摄像机(5)的镜头(7)与工作台面(1)垂直对应，摄像机(5)的信号输出端与图像采集卡连接；所述激光测距装置包括激光位移传感器(6)和与PC机连接的控制表，所述激光位移传感器(6)固定设置在Z轴导轨(4)上，激光位移传感器(6)发出的光束垂直向下，所述激光位移传感器(6)与控制表连接；所述光栅数据采集装置包括设置在X轴导轨(3)上的X向光栅尺(8)、设置在Y轴导轨(2)上的Y向光栅尺(9)、设置在Z轴导轨(4)上的Z向光栅尺(10)和读取X向光栅尺(8)、Y向光栅尺(9)和Z向光栅尺(10)上数据的光栅数据采集卡；所述运动控制装置包括驱动控制器和驱动X轴导轨(3)、Y轴导轨(2)和Z轴导轨(4)滑动的伺服电机，所述伺服电机由驱动控制器控制。
2.根据权利要求1所述的三轴非接触式影像测量系统，其特征在于还包括光源控制 装置，所述光源控制装置包括发光光源(11)和光源控制器，所述工作台面(1)为透明体，发 光光源(11)设置在工作台面(1)的下方，发光光源(11)发出的光与工作台面(1)垂直，所 述发光光源(11)由光源控制器控制。
专利摘要本实用新型公开了一种三轴非接触式影像测量系统，包括工作台面、可三维移动的摄像机、激光位移传感器和三轴向光栅尺以及光栅数据采集卡；摄像机和激光传感器通过连接梁与Z轴导轨连接，并与工作台面垂直对应；伺服电机可驱动滑块运动使摄像机能够垂直上下移动。本实用新型通过摄像机在XY平面内获取图像用于平面测量，在Z方向上通过激光位移传感器测量所测图元附近每个定位点的高度，求出平均值，根据平均值来确定摄像机对焦时需要移动的距离；此系统可以简便、快速的检测复杂工件，提高测量的效率，扩大测量的范围，满足影像的测量要求。
文档编号G01B11/03GK201653373SQ20102014404
公开日2010年11月24日 申请日期2010年3月29日 优先权日2010年3月29日
发明者付丽, 刘学明, 宋信玉, 张平, 李锐, 罗友鸿, 罗钧, 陈建端 申请人:重庆建设工业(集团)有限责任公司