專利名稱：基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械領(lǐng)域的精密測(cè)量，主要涉及基于虛擬坐標(biāo)軸概念的測(cè)量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)中等精度，低成本的三坐標(biāo)尺寸測(cè)量。具體講就是一種基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
對(duì)工件尺寸和輪廓的檢測(cè)，主要方法是通過測(cè)量測(cè)頭與工件間的相對(duì)位移，得到工件的空間坐標(biāo)尺寸，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理給出測(cè)量結(jié)果。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的實(shí)質(zhì)就是取得測(cè)頭或工件的位移信息。傳統(tǒng)的位移(坐標(biāo))測(cè)量是由坐標(biāo)機(jī)的坐標(biāo)軸來實(shí)現(xiàn)的。而其中的坐標(biāo)軸均是由機(jī)械構(gòu)件組成，構(gòu)件以及構(gòu)件問的配合均要求高精度，因而造成了高成本。
現(xiàn)今對(duì)工件的輪廓等形位尺寸的測(cè)量主要分為兩類，即接觸式和非接觸式。接觸式測(cè)量大多是用機(jī)械導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來完成，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種通用的三維長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器，能達(dá)到很高精度，但其缺點(diǎn)是成本太高，一臺(tái)設(shè)備價(jià)格在幾百萬元，只有達(dá)到企業(yè)才有力量擁有該設(shè)備。目前應(yīng)用廣泛的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，如圖1所示，主要包括有測(cè)量頭、機(jī)械主體、操作臺(tái)、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)。機(jī)械導(dǎo)軌式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)一般采用直線軸承或?qū)к墸∪チ藲庠?，避免了氣浮?dǎo)軌易出現(xiàn)的塵埃堵塞問題，因而較適合在車間使用。代表廠商有美國Giddings & Lewis公司、英國IMS公司、瑞士SIP公司等。但其機(jī)械主體部分又由工作平臺(tái)，龍門、立軸等組成，構(gòu)件繁多，操作復(fù)雜，使用時(shí)需倍加小心，一旦出現(xiàn)故障不易維修。在接觸式測(cè)量中還有一種新的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，是采用氣浮導(dǎo)軌的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，由于氣浮導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)輕快，現(xiàn)今大多數(shù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)均采用此類導(dǎo)軌，因此也逐漸成為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的主流機(jī)型。代表廠商有意大利Coord3公司、我國303所等。
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種通用的三維長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器，能達(dá)到很高精度，得到了廣泛的應(yīng)用，但其缺點(diǎn)是成本太高，操作復(fù)雜。由于計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步的很快，像三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)這樣的大型設(shè)備，購買的時(shí)候就花費(fèi)了很多的資金，買回后使用時(shí)間不了幾年，就落伍了，或者又有新的功能更多的設(shè)備出現(xiàn)了。高昂的設(shè)備價(jià)格也抬高了測(cè)量的成本。
非接觸測(cè)量主要采用光學(xué)測(cè)量方法，用攝像機(jī)對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行點(diǎn)式或面式掃描，利用物點(diǎn)和像點(diǎn)的關(guān)系求得工件外輪廓的三維坐標(biāo)信息，其測(cè)量速度快，但測(cè)量范圍受到限制，測(cè)量精度不高。2000年浙江大學(xué)的宋開臣，張國雄在《激光三角測(cè)量法掃描測(cè)頭特性的研究為以及2001年清華大學(xué)的王佳，胡朝暉等《激光跟蹤虛擬坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)與自標(biāo)定方法的實(shí)驗(yàn)研究為都詳細(xì)的論證了三角測(cè)量法在實(shí)際測(cè)量中的應(yīng)用。2002年清華大學(xué)的吳鷹飛，周兆英在《利用圖像處理實(shí)現(xiàn)平臺(tái)工作臺(tái)三自由度位移的同步檢測(cè)》、1993年Niitsu Yasushi，Gomi Kenji在《Visual X-Y axis Displacement Control by Image Processing》以及1992年NiitsuYasushi在《Visual XY Displacement measurement by Image Processing》中論述了采用CCD攝像機(jī)對(duì)帶有標(biāo)記特征的工作平臺(tái)的位移進(jìn)行測(cè)量的方法。上述非接觸測(cè)量的方法缺點(diǎn)是精度不高，測(cè)量范圍有限。
這兩種測(cè)量方式在國內(nèi)、外均有大量的應(yīng)用。也就是說，在機(jī)械零件尺寸的測(cè)量領(lǐng)域，要么是高精度、高成本的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，要么是低精度、低成本的檢測(cè)設(shè)備，沒有精度介于這兩者之間，大、中、小企業(yè)均能適用的、可以進(jìn)行常規(guī)的經(jīng)常性檢測(cè)的測(cè)量設(shè)備，而客觀上工廠和企業(yè)急需能進(jìn)行中等精度測(cè)量，成本低的機(jī)械零件三維尺寸的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。
由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)龐大、價(jià)格昂貴以及目前的非接觸測(cè)量方法的局限性使更多的中小企業(yè)難以接受，特別是進(jìn)行中等精度的工件外形尺寸測(cè)量時(shí)，需開發(fā)一種機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量簡(jiǎn)便的形位尺寸測(cè)量機(jī)。
就本主題，曾委托陜西省科學(xué)技術(shù)信息研究所查新中心進(jìn)行查新，結(jié)論為通過對(duì)比，分析，國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中有關(guān)CCD技術(shù)在三坐標(biāo)中的應(yīng)用均是將其應(yīng)用在測(cè)量機(jī)的測(cè)頭方面，未見將CCD技術(shù)應(yīng)用于三坐標(biāo)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)中的研究報(bào)道。
經(jīng)本發(fā)明的發(fā)明人就本主題在互聯(lián)網(wǎng)上對(duì)近10年的專利以及相關(guān)的成果和論文庫中進(jìn)行檢索，未發(fā)現(xiàn)有與本發(fā)明相同的設(shè)備或裝置，也末發(fā)現(xiàn)有相同技術(shù)的信息報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述技術(shù)或設(shè)備存在的缺點(diǎn)，將接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量有機(jī)結(jié)合。從測(cè)量方法上進(jìn)行大的改進(jìn)，提供一種與傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備在概念上有重大區(qū)別的測(cè)量設(shè)備和一種全新的測(cè)量方法。本發(fā)明的總體構(gòu)成大量簡(jiǎn)化，不需為數(shù)較多的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不需考究和精密的測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量控制臺(tái)，直接通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件外形三維空間位移尺寸的自動(dòng)測(cè)最，并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像顯示，測(cè)量范圍寬，精度居中，成本低的基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其測(cè)量方法。
下面對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)在于基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，包括有工作平臺(tái)、機(jī)械主體、測(cè)頭、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)，測(cè)頭安裝于機(jī)械主體的立軸上，其特征在于基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)還包括有圖像采集裝置，工作平臺(tái)為花崗巖工作平臺(tái)，機(jī)械主體主要由氣浮滑座、立軸、測(cè)頭和CCD攝像機(jī)構(gòu)成，圖像采集裝置主要由CCD攝像機(jī)8、光源和采集卡構(gòu)成，在氣浮滑座上垂直于花崗巖工作臺(tái)設(shè)有立軸，氣缸和測(cè)頭安裝在立軸上，氣浮滑座的底部安裝有光源和三臺(tái)CCD攝像機(jī)，CCD攝像機(jī)的鏡頭對(duì)著花崗巖工作平臺(tái)表面，處在光源的輔助照明范圍，圖像采集卡安裝在計(jì)算機(jī)的硬件擴(kuò)展槽中，CCD攝像機(jī)的數(shù)據(jù)線通過電纜直接連接到圖像采集卡上，機(jī)械主體和被測(cè)工件均置于花崗石工作平臺(tái)上，測(cè)頭也與計(jì)算機(jī)有電信號(hào)連接。
本發(fā)明不是以固定的傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的，因此如何在坐標(biāo)軸(立軸)移動(dòng)的過程中，準(zhǔn)確的確定坐標(biāo)軸的位置就是解決問題的關(guān)鍵。本發(fā)明首次將虛擬坐標(biāo)軸和數(shù)字圖像處理技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了一種新的三坐標(biāo)測(cè)量體系。
本發(fā)明的虛擬坐標(biāo)是相對(duì)于傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量提出的，在傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中，坐標(biāo)系的確定是依靠固定的傳動(dòng)體系來決定的。無論是接觸式還是非接觸式，傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)均離不開三坐標(biāo)導(dǎo)軌，只是導(dǎo)軌的運(yùn)行方式為直接接觸式和氣浮形式，而本發(fā)明中沒有目視可見的三維導(dǎo)軌，沒有固定的傳動(dòng)系統(tǒng)，卻具備X-Y-Z-θ坐標(biāo)軸，該坐標(biāo)軸就是本發(fā)明中的虛擬坐標(biāo)，是建立在數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)之上的。由于本發(fā)明的坐標(biāo)軸是抽象性的，及不存在一條實(shí)際的坐標(biāo)軸。這就是虛擬坐標(biāo)的含義。
這個(gè)虛擬坐標(biāo)軸的原點(diǎn)的確定可以根據(jù)測(cè)量需要而定，可以是一開機(jī)的那一點(diǎn)，也可以是自行確定的某一點(diǎn)，如工作臺(tái)的邊緣處，原點(diǎn)的確定可以根據(jù)工件的大小、形狀或要測(cè)量的部位而定。
本發(fā)明的基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)工作在水平的花崗巖工作平臺(tái)上，立軸安裝在氣浮滑座上，CCD攝像機(jī)安裝在氣浮滑座的底部。當(dāng)氣浮滑座在水平的花崗巖工作平臺(tái)上移動(dòng)時(shí)，CCD攝像機(jī)采集花崗巖工作臺(tái)表面的色斑圖像傳送到計(jì)算機(jī)，用以確定立軸在水平平面內(nèi)的XY坐標(biāo)，當(dāng)安裝在立軸上的測(cè)頭與待測(cè)工件接觸時(shí)，給計(jì)算機(jī)傳遞回來測(cè)頭在垂直方向(Z)的坐標(biāo)值，綜合此時(shí)已經(jīng)確定的XY坐標(biāo)，這樣就可以確定出來測(cè)頭在空間上一點(diǎn)的位置信息，以此類推。
圖像采集是保證水平工作平面內(nèi)XY坐標(biāo)精確確定的基礎(chǔ)，當(dāng)氣浮滑座沿著花崗巖工作平面移動(dòng)時(shí)，由光源提供充足的照明，經(jīng)過CCD攝像機(jī)把花崗巖表面的圖像傳送到圖像采集卡，再由采集卡將圖像交給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。采集到的數(shù)字圖像需要在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理才能得到反映XY坐標(biāo)的位移量。利用數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)行測(cè)頭位移測(cè)量，用虛擬X-Y-Z-θ的坐標(biāo)軸取代實(shí)際的X-Y-Z坐標(biāo)軸，實(shí)現(xiàn)了空間坐標(biāo)的測(cè)量，并大大簡(jiǎn)化了坐標(biāo)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明突破了傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)模式，引入了由氣浮系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)構(gòu)成新的測(cè)量體系，成功的降低了系統(tǒng)的造價(jià)，實(shí)現(xiàn)了中等精度的低成本測(cè)量。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其氣浮滑座上向下開有個(gè)孔，沿兩個(gè)不同的徑向各均勻分布有三個(gè)孔，三個(gè)大孔安裝有三塊氣浮塊，大孔的形狀根據(jù)氣浮塊的外形而定，可以是圓孔。也可以是方孔，還可以足其它形狀的孔，該孔的形狀與氣浮塊的外形相適應(yīng)。三個(gè)小孔安裝圖像采集裝置中的CCD攝像機(jī)。CCD攝像機(jī)是安裝在氣浮滑座上，氣浮滑座是由三塊氣浮滑塊支撐，與工作臺(tái)為氣浮接觸，氣浮滑座上開有6個(gè)孔，三個(gè)大一些的孔用于安裝氣浮滑塊，有三個(gè)小一些孔用于安裝CCD攝像機(jī)。氣浮塊和氣浮滑座的配合安裝保證了氣浮滑座的平穩(wěn)運(yùn)行，以及保證CCD圖像采集裝置可以采集到清晰穩(wěn)定的圖像，準(zhǔn)確地確定氣浮滑座所在的坐標(biāo)位置。氣浮塊即空氣靜壓軸承由于具備摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)速度快；運(yùn)動(dòng)平滑，精度高，低速運(yùn)動(dòng)無爬行；耐高、低溫性能好，不污染環(huán)境；清潔度高，噪音、振動(dòng)小等特點(diǎn)。它的應(yīng)用也使得本發(fā)明的機(jī)械主體在工作平臺(tái)上運(yùn)行自如和精確到位，特別是還能在輻射條件下工作。
在高精度花崗巖工作平臺(tái)上，放置氣浮滑座，將三臺(tái)高精度CCD攝像機(jī)安裝在氣浮滑座上，并將CCD攝像機(jī)與高性能計(jì)算機(jī)相連接，通過在移動(dòng)過程中實(shí)時(shí)處理CCD攝像機(jī)傳送回來的圖像，實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的X-Y-θ測(cè)量。其次，在氣浮滑座的中心部位安裝垂直于花崗巖工作平臺(tái)的立軸，得到X-Y-Z-θ四維空間量的測(cè)量，經(jīng)過計(jì)算，將人手工推動(dòng)氣浮滑座時(shí)產(chǎn)生的微小角度(θ)變化量折算到X-Y方向，實(shí)現(xiàn)X-Y-Z三維空間尺寸測(cè)量。
本發(fā)明的基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)在于經(jīng)過CCD攝像機(jī)把花崗巖表面的圖像傳送到圖像采集卡，再由采集卡將圖像交給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。采集到的數(shù)字圖像需要在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理才能得到反映X-Y坐標(biāo)的位移量，本發(fā)明的基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)的測(cè)量方法，其特征在于具體的測(cè)量步驟如下第一步準(zhǔn)備，將工件放胃于花崗工作石平臺(tái)上，開啟氣源使氣浮滑座開始工作；第二步打開計(jì)算機(jī)，初始化DH-CG300圖像采集卡，設(shè)定虛擬坐標(biāo)測(cè)量的原點(diǎn)；第三步手工推動(dòng)氣浮滑座，使測(cè)頭與工件表面完好接觸；第四步讀取花崗工作石平臺(tái)表而處于攝像機(jī)8取景范圍內(nèi)的單幀圖像；第五步將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖象；第六步分割圖像；第七步提取圖像邊緣；第八步圖像邊緣的表示；(不變矩、小波系數(shù))第九步特征區(qū)域間的匹配；第十步計(jì)算相對(duì)第二步設(shè)定的坐標(biāo)原點(diǎn)位移量；第十一步手工推動(dòng)氣浮滑座，使測(cè)頭與工件表面完好接觸，重復(fù)第三步至第十一步；第十二步測(cè)量完成后將所測(cè)的位移量保存到計(jì)算機(jī)；第十三步關(guān)機(jī)。
本發(fā)明不再沿用傳統(tǒng)測(cè)量機(jī)的機(jī)械式三坐標(biāo)測(cè)量軸，別開思路，建立了虛擬軸測(cè)量的概念和方法，并將其應(yīng)用設(shè)計(jì)了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。將氣浮技術(shù)與虛擬軸測(cè)量相結(jié)合，將接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)造了基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其測(cè)量方法。本發(fā)明的整體構(gòu)成非常簡(jiǎn)化，就是在工作平臺(tái)上放置被測(cè)工件和測(cè)量系統(tǒng)，配合計(jì)算機(jī)和外設(shè)，操作時(shí)人手推動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，就可開始對(duì)于工件的測(cè)量。
測(cè)頭的驅(qū)動(dòng)依靠人工推動(dòng)安裝在氣浮滑座上的測(cè)量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量。因此相對(duì)于傳統(tǒng)的X-Y-Z驅(qū)動(dòng)和測(cè)量體系結(jié)構(gòu)，需要實(shí)現(xiàn)X-Y-Z位移測(cè)量和θ旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量，其中X-Y-Z位移測(cè)量實(shí)現(xiàn)是測(cè)頭在花崗巖工作平臺(tái)上位移的測(cè)量，可以確定測(cè)頭的空間位置。由于在人手工推動(dòng)的過程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生微小的轉(zhuǎn)動(dòng)，即存在有θ旋轉(zhuǎn)角度，本發(fā)明將測(cè)量到的θ旋轉(zhuǎn)角度的量通過修正疊加到X-Y-Z坐標(biāo)上。
本發(fā)明采用虛擬坐標(biāo)測(cè)量概念和數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)械主體進(jìn)行簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)三維空間(平面)的位移尺寸測(cè)量，它將使三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量原理發(fā)生質(zhì)的改變，可以認(rèn)為是對(duì)現(xiàn)有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的一種革新。
由氣浮系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)構(gòu)成新的測(cè)量體系，成功的降低了系統(tǒng)的造價(jià)，實(shí)現(xiàn)了中等精度的低成本測(cè)量。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中典型的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成示意圖；圖2是本發(fā)明構(gòu)成簡(jiǎn)明的示意圖；圖3是本發(fā)明氣浮滑座的裝配孔示意圖；圖4是本發(fā)明圖像采集裝置的基本組成示意圖；圖5是本發(fā)明的基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量方法的基本流程框圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1如圖2所示，本發(fā)明作為基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，包括有工作平臺(tái)、機(jī)械主體、測(cè)頭、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)，測(cè)頭安裝于機(jī)械主體的立軸上，還包括有圖像采集裝置，采用花崗石平臺(tái)作為工作平臺(tái)1，因?yàn)榛◢徥軠囟扔绊懚l(fā)生的變形小。機(jī)械主體主要由氣浮滑座6、立軸4、測(cè)頭3和CCD攝像機(jī)8構(gòu)成，圖像采集裝置主要由CCD攝像機(jī)8、光源和采集卡9構(gòu)成，在氣浮滑座6上垂直于花崗巖工作臺(tái)設(shè)有立軸4，氣缸和測(cè)頭安裝在立軸4上，沿立軸可以上下運(yùn)動(dòng)，并可于任意位置鎖定。氣浮滑座6的底部安裝有光源和三臺(tái)CCD攝像機(jī)8，CCD攝像機(jī)8的鏡頭對(duì)著花崗巖工作平臺(tái)1表面，處在光源的輔助照明范圍，光源采用環(huán)形光源。圖像采集卡安裝在計(jì)算機(jī)5的硬件擴(kuò)展槽中，氣浮滑座6內(nèi)安裝的CCD攝像機(jī)8的數(shù)據(jù)線直接連接到圖像采集卡9上，機(jī)械主體和被測(cè)工件2均置于花崗石工作平臺(tái)上，測(cè)頭3也與計(jì)算機(jī)有電信號(hào)連接。CCD攝像機(jī)8采用高像素、高清晰度的攝像機(jī)，光源采用高品質(zhì)的環(huán)形光源，以保證CCD攝像機(jī)8對(duì)圖像的采集。CCD攝像機(jī)8與計(jì)算機(jī)通過電纜有圖象信息連接，實(shí)際上就是通過安裝在計(jì)算機(jī)5的硬件擴(kuò)展槽中的圖像采集卡9進(jìn)行數(shù)據(jù)連接的，參見圖4。
與現(xiàn)有的傳統(tǒng)三維形位尺寸測(cè)量裝置不同，本發(fā)明提出了一種采用虛擬坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)形位尺寸測(cè)量的技術(shù)方案。虛擬坐標(biāo)軸來自數(shù)字圖像處理技術(shù)。實(shí)際做法是首先在高精度花崗巖工作平臺(tái)上，放置氣浮滑座，將三臺(tái)高精度攝像機(jī)安裝在氣浮滑座上，并將攝像機(jī)與高性能計(jì)算機(jī)相連接，通過在移動(dòng)過程中實(shí)時(shí)處理攝像機(jī)傳送回來的圖像，實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的X-Y-θ測(cè)量。其次，在氣浮滑座的中間部位安裝垂直于花崗巖工作平臺(tái)的高精度花崗巖滑座及相應(yīng)的攝像機(jī)并連接到計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)處置方向的Z坐標(biāo)測(cè)量。得到X-Y-Z-θ四維空間量的測(cè)量，經(jīng)過修正實(shí)現(xiàn)X-Y-Z三維空間尺寸測(cè)量。
實(shí)施例2總體構(gòu)成和連接關(guān)系同實(shí)施例1，基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的氣浮滑座6上向下開有6個(gè)孔，參見圖3，沿兩個(gè)不同的徑向各均勻分布有三個(gè)孔，三個(gè)大孔安裝有三塊氣浮滑塊，即空氣靜壓軸承，具體采用西安工業(yè)學(xué)院研制的圓形空氣靜壓軸承；三個(gè)小孔安裝圖像采集裝置中的CCD攝像機(jī)8。為了保證測(cè)量系統(tǒng)的高可靠性，本發(fā)明采用了氣浮滑座這個(gè)承載著多個(gè)技術(shù)要素的機(jī)構(gòu)，其上安裝有立軸4和測(cè)頭3，其下安裝有攝像機(jī)8和氣浮塊，氣浮塊即空氣靜壓軸承具備摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)速度快；運(yùn)動(dòng)平滑，精度高，低速運(yùn)動(dòng)無爬行；耐高、低溫性能好，不污染環(huán)境；清潔度高，噪音、振動(dòng)小等特點(diǎn)。它的應(yīng)用也使得本發(fā)明的機(jī)械主體在工作平臺(tái)上運(yùn)行自如和精確到位，特別是還能在輻射條件下工作。在氣浮滑座共安裝三臺(tái)圖像采集裝置和三套氣浮塊。使得設(shè)備結(jié)構(gòu)輕巧簡(jiǎn)單、操作方便、工作可靠。
實(shí)施例3總體構(gòu)成和連接關(guān)系同實(shí)施例1，如圖2所示，在圖中安裝測(cè)頭3的位置處安裝激光掃描測(cè)頭，激光掃描測(cè)頭主要用于實(shí)現(xiàn)較軟材料或一些特征表面進(jìn)行非接觸測(cè)量。測(cè)頭在距離檢測(cè)工件一定距離(比如50mm)，在其聚焦點(diǎn)一定范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，采點(diǎn)速率在200點(diǎn)/秒以上。通過對(duì)大量采集數(shù)據(jù)的平均處理功能而獲得較高的精度。通過安裝激光掃描測(cè)頭拓展了本發(fā)明的應(yīng)用方面，提高了對(duì)特殊材料的測(cè)量能力。
實(shí)施例4總體構(gòu)成和連接關(guān)系同實(shí)施例1，如圖2所示，在圖中安裝測(cè)頭3的位置處安裝視頻測(cè)頭，視頻測(cè)頭進(jìn)一步提高了測(cè)量機(jī)的應(yīng)用，使得許多過去采用非按觸測(cè)量無法完成的任務(wù)得以完成。一些諸如印刷線路板、觸發(fā)器、墊片或直徑小于0.1mm的孔可采用視頻測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量。操作者可將檢測(cè)工件表面放大50倍以上，采用標(biāo)準(zhǔn)的或可變換的鏡頭實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)小工件的測(cè)量。通過采用安裝視頻測(cè)頭的方法提高了本系統(tǒng)的對(duì)一些特殊情況下尺寸位移的測(cè)量能力。
實(shí)施例5如圖5所示，本發(fā)明的基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量方法是人機(jī)配合完成測(cè)試的方法，具體步驟如下第一步準(zhǔn)備，將工件放置于花崗工作石平臺(tái)1上，開啟氣源使氣浮滑座6開始工作；第二步打開計(jì)算機(jī)，初始化DH-CG300圖像采集卡，設(shè)定虛擬坐標(biāo)測(cè)量的原點(diǎn)，原點(diǎn)設(shè)定為隨機(jī)的，即開機(jī)時(shí)氣浮滑座6所在位置；第三步手工推動(dòng)氣浮滑座6，使測(cè)頭3與工件表面完好接觸；第四步讀取花崗工作石平臺(tái)1表面處于攝像機(jī)8取景范圍內(nèi)的單幀圖像；第五步將將攝像機(jī)8通過通信電纜傳遞到計(jì)算機(jī)中的圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖象；第六步將灰度化的圖像進(jìn)行分割得到分割圖像；第七步提取分割圖像中的邊緣；第八步圖像邊緣的表示；(不變矩、小波系數(shù))
第九步對(duì)相鄰楨圖像中的特征區(qū)域進(jìn)行的匹配；第十步計(jì)算相對(duì)第二步設(shè)定的坐標(biāo)原點(diǎn)位移量；第十一步手工推動(dòng)氣浮滑座6，使測(cè)頭3與工件表面完好接觸，重復(fù)第三步至第十一步；第十二步測(cè)量完成后將所測(cè)的位移量保存到計(jì)算機(jī)；第十三步關(guān)機(jī)。
在計(jì)算機(jī)內(nèi)的處理流程如圖5所示，開機(jī)初始化圖像采集卡，為采集數(shù)字圖像做好準(zhǔn)備，確定初始坐標(biāo)原點(diǎn)，當(dāng)讀取到一幀圖像后，首先將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，減少處理的復(fù)雜程度。然后將灰度圖像分割，以突出花崗巖表面的特征區(qū)域。再提取特征區(qū)域的邊緣，為特特征量的提取做準(zhǔn)備。其次圖像邊緣的表示過程提取出圖像邊緣的特征量，將以圖像表示的邊緣轉(zhuǎn)化為以數(shù)字表示的特征量。然后將提取出來的特征量進(jìn)行匹配，以確定相同的特征區(qū)域在相鄰幀圖像中的不同位置，計(jì)算相鄰幀圖像產(chǎn)塵的位移量，最后判斷是否還有新的圖像被采集到，如果有則再次進(jìn)行相應(yīng)的處理，如果沒有則退出圖像處理循環(huán)。
實(shí)施例6具體方法同實(shí)施例5，原點(diǎn)的選定是根據(jù)工件的尺寸和結(jié)構(gòu)，可以采用固定原點(diǎn)的方法，具體步驟如下第一步準(zhǔn)備，將工件放置于花崗工作石平臺(tái)1上，開啟氣源使氣浮滑座6開始工作；第二步打開計(jì)算機(jī)，初始化DH-CG300圖像采集卡，設(shè)定虛擬坐標(biāo)測(cè)量的原點(diǎn)在花崗工作石平臺(tái)1上的邊角處；第三步手工推動(dòng)氣浮滑座6，使測(cè)頭3與工件表面完好接觸；第四步讀取花崗工作石平臺(tái)1表面處于攝像機(jī)8取景范圍內(nèi)的單幀圖像；第五步將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖象；第六步分割圖像；第七步提取圖像邊緣；第八步圖像邊緣由不變矩、小波系數(shù)表示；第九步特征區(qū)域間的匹配；第十步計(jì)算相對(duì)第二步設(shè)定的坐標(biāo)原點(diǎn)位移量；第十一步手工推動(dòng)氣浮滑座6，使測(cè)頭3與工件表面完好接觸，重復(fù)第三步至第十一步；第十二步測(cè)量完成后將所測(cè)的位移量保存到計(jì)算機(jī)；第十三步關(guān)機(jī)。
本發(fā)明的方法特點(diǎn)是相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量機(jī)的實(shí)際測(cè)量軸，突破性的創(chuàng)造了虛擬軸測(cè)量的概念，并與以往的方法不同。在氣浮系統(tǒng)和圖像采集裝置構(gòu)成新的測(cè)量體系上實(shí)現(xiàn)測(cè)量。坐標(biāo)原點(diǎn)可以自行確定，得到X-Y-Z-θ四維空間量的測(cè)量，經(jīng)過修正實(shí)現(xiàn)X-Y-Z三維空間尺寸測(cè)量。以滿足對(duì)不同形狀和結(jié)構(gòu)工件的三維形位尺寸測(cè)量。
作為裝置本發(fā)明易于生產(chǎn)和制造，由于構(gòu)件少，成本也很低，較傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)有數(shù)量級(jí)的降低。
經(jīng)試研制，采用本發(fā)明對(duì)工件進(jìn)行測(cè)試，(1)測(cè)量不確定度水平為總平面U95＝1×10-5L (L是最大量程，單位為m)；空間U95＝(2～3)×10-5L (L是最大量程，單位為m)；(2)測(cè)量機(jī)的測(cè)量空間指標(biāo)(500×400×500)立軸行程500mm；x-y平面500mm×400m；實(shí)現(xiàn)中等精度測(cè)量。
參見圖5，本發(fā)明的具體的工作過程是將工件放置在花崗巖工作臺(tái)1上，手工推動(dòng)氣浮滑座6到適當(dāng)?shù)奈恢?，調(diào)整測(cè)頭3的位置與工件的表面接觸，采集工件表面上任意一點(diǎn)的位置信息輸入到計(jì)算機(jī)中后，移動(dòng)到下一個(gè)位置后，再次測(cè)量工件表面的一點(diǎn)的位置信息，經(jīng)過若干次的采集后，將工件表面上點(diǎn)的信息存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過表面重建，最后得到工件的整體的尺寸信息。
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，包括有工作平臺(tái)、機(jī)械主體、測(cè)頭、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)，測(cè)頭安裝于機(jī)械主體的立軸上，其特征在于基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)還包括有圖像采集裝置，所述的工作平臺(tái)為花崗巖工作平臺(tái)1，所述的機(jī)械主體主要由氣浮滑座6、立軸4、測(cè)頭3和CCD攝像機(jī)8構(gòu)成，圖像采集裝置主要由CCD攝像機(jī)8、光源和采集卡9構(gòu)成，在氣浮滑座6上垂直于花崗巖工作臺(tái)1設(shè)有立軸4，氣缸和測(cè)頭3安裝在立軸4上，氣浮滑座6的底部安裝有光源7和三臺(tái)CCD攝像機(jī)8，CCD攝像機(jī)8的鏡頭對(duì)著花崗巖工作平臺(tái)1表面，處在光源7的輔助照明范圍，圖像采集卡9安裝在計(jì)算機(jī)5的硬件擴(kuò)展槽中，CCD攝像機(jī)8的數(shù)據(jù)線通過電纜直接連接到圖像采集卡9上，機(jī)械主體和被測(cè)工件2均置于花崗石工作平臺(tái)1上，測(cè)頭3也與計(jì)算機(jī)5有電信號(hào)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其特征在于氣浮滑座6上向下開有6個(gè)孔，沿兩個(gè)不同的徑向各均勻分布有三個(gè)孔，三個(gè)大孔安裝有三塊氣浮塊，大孔根據(jù)氣浮塊的外形而定，三個(gè)小孔安裝圖像采集裝置中的CCD攝像機(jī)8。
3.一種基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量方法，其特征在于具體的測(cè)量步驟如下第一步準(zhǔn)備，將工件放置于花崗工作石平臺(tái)1上，開啟氣源使氣浮滑座6開始工作；第二步打開計(jì)算機(jī)，初始化DH-CG300圖像采集卡，設(shè)定虛擬坐標(biāo)測(cè)量的原點(diǎn)；第三步手工推動(dòng)氣浮滑座6，使測(cè)頭3與工件表面完好接觸；第四步讀取花崗工作石平臺(tái)1表面處于攝像機(jī)8取景范圍內(nèi)的單幀圖像；第五步將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖象；第六步分割圖像；第七步提取圖像邊緣；第八步圖像邊緣的表示；第九步特征區(qū)域間的匹配；第十步計(jì)算相對(duì)第二步設(shè)定的坐標(biāo)原點(diǎn)位移量；第十一步手工推動(dòng)氣浮滑座6，使測(cè)頭3與工件表面完好接觸，重復(fù)第三步至第十一步；第十二步測(cè)量完成后將所測(cè)的位移量保存到計(jì)算機(jī)；第十三步關(guān)機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其測(cè)量方法。不沿用傳統(tǒng)測(cè)量機(jī)的機(jī)械式三坐標(biāo)測(cè)量軸，別開思路，建立了虛擬軸測(cè)量裝置和方法。裝置包括工作平臺(tái)、機(jī)械主體、測(cè)頭、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)，還包括有圖像采集裝置，圖像采集裝置主要由CCD攝像機(jī)、光源和采集卡構(gòu)成，在氣浮滑座上垂直于花崗巖工作臺(tái)設(shè)有立軸，測(cè)頭安裝在立軸上，氣浮滑座的底部安裝有光源和CCD攝像機(jī)。本發(fā)明將氣浮技術(shù)與虛擬軸測(cè)量相結(jié)合，將接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)造了基于數(shù)據(jù)圖像處理的虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其測(cè)量方法。整體構(gòu)成非常簡(jiǎn)化，在工作平臺(tái)上放置被測(cè)工件和測(cè)量系統(tǒng)，配合計(jì)算機(jī)的控制，人手推動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，就可完成中等精度的測(cè)量造價(jià)很低。
文檔編號(hào)G01B11/03GK1786661SQ20051012459
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者張君安, 方舟, 郝東風(fēng), 劉波, 王麗君, 李小麗, 袁莉 申請(qǐng)人:西安工業(yè)學(xué)院