阅读说明：本技术 一种非接触式微米级视觉测量装置及其工作方法 (Non-contact micron-sized vision measuring device and working method thereof ) 是由 皇攀凌 许良 周军 陈庆伟 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：一种非接触式微米级视觉测量装置及其工作方法,属于视觉测量测量的应用领域,主要解决的是在测量试样加工过程中加工表面的弹性回弹,由于传统的微米级测量方式成本高,设计出一种非接触式视觉测量装置,利用底座设置工业目镜、显示设备和工业相机,降低了实验成本；而且在实际加工过程中,加工工件周围的温度较高,对传感器的安装要求较高,其测量精度也会受影响,本装置可实现远距离测量,大大提高了该测量装置的普适性,并保证了测量精度。(A non-contact micron-sized vision measuring device and a working method thereof belong to the application field of vision measurement and mainly solve the problem that the elastic resilience of a processing surface in the processing process of a measurement sample is high, and because the cost of the traditional micron-sized measurement mode is high, the non-contact vision measuring device is designed, and an industrial eyepiece, a display device and an industrial camera are arranged by utilizing a base, so that the experiment cost is reduced; in the actual processing process, the temperature around the processed workpiece is higher, the installation requirement on the sensor is higher, the measurement precision of the sensor can be influenced, the device can realize remote measurement, the universality of the measuring device is greatly improved, and the measurement precision is ensured.)

一种非接触式微米级视觉测量装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种测量工件加工过程的弹性回弹的装置，主要解决高温以及高速状态下的测量精度问题；适合于各种材料，不受试样的几何形状限制，方便与各种测试设备集成，提高微米级测量的效率，属于测量设备技术领域。

背景技术

目前的微米级测量装置主要利用非接触式传感器(电容、激光)对工件检测，此类装置安装要求高，成本昂贵。对于加工过程中微米级的回弹测量来说，高温状态下对检测结果的影响巨大，测量的精度达不到要求而且影响传感器寿命。如何保持其检测精度的同时，提高检测装置的经济性与普适性，是本发明要达到的目标。

中国专利文件(申请号201310491644.0)公开了一种带加载和回弹测量的激光预应力成形夹具，其测量装置核心为百分表，实时性差，应用场景少，而且测量精度不高。中国专利文件(申请号200810106376.5)为一种带回弹测量的多参数可调压弯磨具，其测量核心为光电测长仪的应用，成本极高，而且为通用式接触测量仪器，不适用于动态加工过程中的测量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于加工工件表面回弹的非接触式微米级视觉测量的装置。

本发明还提供上述装置的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种非接触式微米级视觉测量装置，包括底座，底座为矩形框架，底座上设有工业目镜，工业目镜与显示设备连接，显示设备用于显示工业目镜采集的图像，显示设备对称一侧设有工业相机，工业相机用于采集显示设备的图像。

优选的，工业目镜通过夹持装置与底座固定连接。

优选的，工业目镜通过USB接口与显示设备连接。

优选的，底座上设有移动导轨，移动导轨上连接有连接平台，工业相机通过连接平台与底座相连。

进一步优选的，移动导轨上的连接平台的数量有两个，两个连接平台分别连接工业相机。

利用本装置可以在高速加工过程中完成测量；在测量中保证不受试样的几何形状的影响，可适用于各种材料的变形测量；便携、灵活，可与各种测试设备集成，提高装置的利用率。

一种利用上述非接触式微米级视觉测量装置的工作方法，包括步骤如下：

将装置置于加工设备一侧，与待测量的加工设备不接触，显示设备通过工业目镜显示物体各个变形阶段；

工业相机采集物体各个变形阶段的数字图像，利用数字图像算法进行物体表面变形点的匹配，重建出匹配点的坐标，再根据不同时刻点的位移差计算其回弹量。

优选的，所述数字图像算法为灰度梯度算法，由于实际情况中，结构表面的位移和变行通常发生在亚像素上，所以利用亚像素位移测量算法，由于本次测量图像子区域小，而且做微小位移。选用灰度梯度算法(亚像素相关函数极值算法)。基本思想为：设定f,g分别表示变形前、变形后的子区图像，该子区可近似看成做刚体运动，设定f(x,y)、g(x',y')分别代表变形前的样本子区和变形后的目标子区对应点的灰度值，x'＝x+u+Δx，y'＝y+v+Δy，

u和v为子区整体沿着坐标系两个方向的整像素位移量，由整像素搜索算法求得：

以坐标点P(x₀,y₀)为中心选取(2M+1)*(2M+1)像素的区域，定义为样本子区，变形后找到的该子区所对应的位置为目标子区，如图2、图3所示。位移映射函数的通式为：y_i′＝y_i+ω(x_i,y_j)，坐标点P移动到P'时，其x和y上的位移量分别为u和v，由于物体做刚体平移运动，即图像上的每点的位移量都是一样的，采用零阶映射函数表示，即：ω(x_i,y_j)＝v，其中(i,j＝-M:M)，M为上述样本子区的像素值；

对g(x',y')在整像素位移点处以泰勒公式展开，只保留一阶项。即为：

g(x_i′,y_j′)＝g(x_i+u,y_j+v)+Δu.g_x(x_i+u,y_j+v)+Δv.g_y(x_i+u,y_j+v)；

其中g_x和g_y是整像素位移点处的一阶偏导数，计算公式为：

由变形后的g(x',y')和变形前的f(x,y)求得Δx和Δy，Δx和Δy为亚像素位移量，即为回弹量。即为指定时间段内目标区域的回弹量。

整个装置和被测量物是非接触的，底座由型材搭建，可以安装在不同试验场景下，通用性强。

本发明的有益效果在于：

本申请为非接触式视觉测量，不受加工环境的影响，降低了温度对测量的影响，保证了测量精度；适合各种材料以及各种形状的试样测量，经济性大大提高；而且结构简单，便携、灵活，安装方便。

本申请采用数字图像相关方法，结合工业近景拍摄技术，采用工业摄像头，实时采集物体各个变形阶段的数字图像，利用数字图像相关算法进行物体表面变形点的匹配，重建出匹配点的坐标。对位移场数据进行平滑处理和应变信息的可视化分析，从而实现快速、高精度、实时、非接触式的全场变形测量。

附图说明

图1是本申请非接触式微米级视觉测量装置的结构示意图；

图2为本申请数字图像方法原理图之变形前图像；

图3为本申请数字图像方法原理图之变形后图像；

图中，1、底座，2、显示设备，3、夹持装置，4、工业目镜，5、可移动相机平台，6、工业相机。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种非接触式微米级视觉测量装置，如图1所示，包括底座，底座为矩形框架，底座采用型材搭建，型材的尺寸可根据加工工作台的高度调整，以方便测量。底座上设有工业目镜，工业目镜与显示设备连接，显示设备用于显示工业目镜采集的图像，显示设备对称一侧设有工业相机，工业相机用于采集显示设备的图像。工业目镜通过夹持装置与底座固定连接。工业目镜通过USB接口与显示设备连接，使放大后的图像在显示设备上显示。底座上设有移动导轨，移动导轨上连接有连接平台，工业相机通过连接平台与底座相连，便于调整合适的位置以采集放大后的图像。

实施例2：

一种非接触式微米级视觉测量装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，移动导轨上的连接平台的数量有两个，两个连接平台分别连接工业相机。

实施例3：

一种利用实施例1所述非接触式微米级视觉测量装置的工作方法，包括步骤如下：

将装置置于加工设备一侧，与待测量的加工设备不接触，显示设备通过工业目镜显示物体各个变形阶段。

工业相机采集物体各个变形阶段的数字图像，利用数字图像算法进行物体表面变形点的匹配，重建出匹配点的坐标，再根据不同时刻点的位移差计算其回弹量。

所述数字图像算法为灰度梯度算法，由于实际情况中，结构表面的位移和变行通常发生在亚像素上，所以利用亚像素位移测量算法，由于本次测量图像子区域小，而且做微小位移。选用灰度梯度算法(亚像素相关函数极值算法)。基本思想为：设定f,g分别表示变形前、变形后的子区图像，该子区可近似看成做刚体运动，设定f(x,y)、g(x',y')分别代表变形前的样本子区和变形后的目标子区对应点的灰度值，x'＝x+u+Δx，y'＝y+v+Δy，

u和v为子区整体沿着坐标系两个方向的整像素位移量，由整像素搜索算法求得：

以坐标点P(x₀,y₀)为中心选取(2M+1)*(2M+1)像素的区域，定义为样本子区，变形后找到的该子区所对应的位置为目标子区，如图2、图3所示，图2、图3中的P、Q点为举例说明的坐标点，位移映射函数的通式为：y_i′＝y_i+ω(x_i,y_j)，坐标点P移动到P'时，其x和y上的位移量分别为u和v，由于物体做刚体平移运动，即图像上的每点的位移量都是一样的，采用零阶映射函数表示，即：ω(x_i,y_j)＝v，其中(i,j＝-M:M)，M为上述样本子区的像素值；

对g(x',y')在整像素位移点处以泰勒公式展开，只保留一阶项。即为：

g(x_i′,y_j′)＝g(x_i+u,y_j+v)+Δu.g_x(x_i+u,y_j+v)+Δv.g_y(x_i+u,y_j+v)；

其中g_x和g_y是整像素位移点处的一阶偏导数，计算公式为：

由变形后的g(x',y')和变形前的f(x,y)求得Δx和Δy，Δx和Δy为亚像素位移量，即为回弹量，即为指定时间段内目标区域的回弹量。