[发明专利]微小深度尺寸自动图像测量系统

说明书

技术领域

本发明属于工业自动控制中的自动测量技术领域，具体涉及一种微小深度尺寸自动图像测量系统。

背景技术

随着材料与制造技术的飞速发展，对产品的微小化和加工质量提出了越来越高的要求，寻求有效的微测量手段已经成为国内外研究的热点之一。尤其在精密加工行业中，常常需要对微结构的三维尺寸进行准确和快速的测量。然而在微结构的三维尺寸中，垂直方向尺寸相对于平面尺寸的测量较为困难。特别在工业现场，受环境温度、冲击和振动等因素的影响，要实现微小深度尺寸的自动测量更加困难。

传统的测量微小深度尺寸的仪器有很多，如机械仪表、触针式仪器和体视显微镜等，都无法满足现代工业技术的高效率和自动化的检测要求。近年来，随着光电检测技术和数字图像处理技术的快速发展，图像测量技术被越来越多的应用于各个行业中，如精密加工、电子、机械装备、医药、印刷和食品等。

精密加工行业运用图像测量技术对微小深度尺寸进行非接触测量时，常常需要对被测工件进行精密的位置定位。目前虽然成熟的图像测量系统和位置运动控制系统已屡见不鲜，但结合图像测量功能和位置运动控制于一体，能自动、快速的测量微小深度尺寸的装置还没有出现，国内外对这种测量装置的需求将逐渐增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效、精确、自动的微小深度尺寸图像测量系统，要解决现有的微小深度尺寸测量仪器自动化程度不高、测量参数单一、无法自动精密定位等技术问题。

为了实现以上目的，本发明采取以下设计方案：本发明主要组成部分包括：计算机、四轴运动控制卡、微小深度尺寸测量光路、电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台、X方向电动平移台、步进电机驱动器、步进电机以及运行在计算机中的专业图像处理软件等组成。测量微小深度尺寸时，被测表面的轮廓光带信号经由微小深度尺寸测量光路成像在电子目镜的CMOS面阵上，计算机通过USB接口采集电子目镜上的光带图像信号，利用数字图像处理技术，对图像进行预处理，判断被测对象是否定位在最佳成像位置；四轴运动控制卡根据图像处理结果和软件指令，向步进电机驱动器发出控制信号，驱动电机带动工作台到达到最佳成像位置，然后进行微小深度尺寸的高精度测量。

计算机通过PC104总线接口（插座）与四轴运动控制卡相连接，计算机与微小深度尺寸测量光路相连接，四轴运动控制卡与步进电机驱动器相连接，步进电机驱动器与步进电机相连接，步进电机分别安装在电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台和X方向电动平移台中，专业图像处理软件安装在计算机中。

微小深度尺寸测量光路主要由半导体激光器、柱面镜、滤光片、显微物镜以及电子目镜组成。半导体激光器发出的光经过柱面镜形成一个平面光投射在工件表面上，在被测表面上形成一条宽度很窄的红色光带。光带经过反射或漫反射，通过滤光片滤去杂光，然后通过显微物镜后在电子目镜中的CMOS面阵上成像，图像信号经由USB信号传入计算机中进行保存和处理。

计算机、四轴运动控制卡和电子目镜构成了本发明的最核心部分，它们负责系统软件的运行，实现屏幕显示、按键输入、图像采集和处理、4个位移平台（电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台和X方向电动平移台）的运动控制。

四轴运动控制卡通过接插件与步进电机驱动器相连接，根据系统软件指令对步进电机实施控制，并对电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台和X方向电动平移台的各种状态进行在线监测。

整个系统的执行单元主要是由电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台和X方向电动平移台，以及与它们相连的步进电机和步进电机驱动器构成。四轴运动控制卡对步进电机驱动器发出控制信号，控制信号经由驱动器放大处理后直接驱动对应的步进电机。步进电机的旋转轴与电动位移平台上的机械传动装置相连，电机的旋转运动通过机械传动装置带动电动旋转台、Z方向电动升降台、Y方向电动平移台和X方向电动平移台完成各自的运动。

专业的图像处理软件主要由图像采集模块、图像预处理模块、自动调焦模块、X-Y方向定位模块、参数设置模块和图像测量模块组成。

图像采集模块包括图像采集、显示及保存操作；图像预处理模块包括图像灰度化、滤波、阈值分割、数学形态学操作；自动调焦模块包括调焦函数计算、粗调焦和细调焦操作；X-Y方向定位模块包括特征点提取、X方向定位和Y方向定位操作；参数设置模块包括设置测量参数（如表面粗糙度、刻痕深度和量块厚度差等）以及步进电机参数操作；图像测量模块包括边缘提取、细化、公式计算和图像标定操作。