一种基于CMOS机器视觉零件尺寸测量系统及测量检验方法

摘要

本发明公开了一种基于CMOS机器视觉零件尺寸测量系统及测量检验方法，包括图像采集模块、图像处理模块和尺寸测量模块；所述图像采集模块完成对所拍摄零件轮廓边缘的图像采集；图像处理模块对采集的图像进行二值化、滤波处理后，再通过边缘检测，得到零件图像的边缘；尺寸测量模块通过特征提取、计算出所测对象边缘轮廓的像素值，通过标定，该像素值则能直接反映零件的尺寸。不但能实现外形轮廓尺寸测量，也能完成小通孔的孔径测量；配备专用辅具后能实现喇叭形槽底宽度的测量。

说明书

技术领域

本发明属机器视觉领域，涉及一种基于CMOS机器视觉的零件尺寸测量系统及测量 检验方法，具体地说，是通过以CMOS相机和光学镜头为核心构建的视觉装置来实现同 规格零件外形尺寸的非接触式精确测量和零件合格与否的判定，该系统还能实现微细通 孔孔径及喇叭形槽槽底宽度的测量。

背景技术

在现代工业生产中，涉及到各种各样的检验、生产监视及零件的识别应用，例如零 配件批量加工的尺寸检查，自动装配的完整性检查，电子装配线的元件自动定位，IC 的字符识别等，通常人眼无法连续稳定地完成这些带有亮度重复性和智能性的工作。此 时人们利用光电成像系统采集被控目标图像，而后经计算机或专用图像处理模块进行数 字化处理，根据图像的像素分布亮度和颜色等信息来进行尺寸、形状等的判断，由此产 生了机器视觉的概念。机器视觉就是用计算机模拟人眼的视觉功能，从图像或图像序列 中提取信息，对客观世界的物体进行形态和运动识别。机器视觉技术目前应用已经较为 普遍，但应用于尺寸测量尚不多见。目前大部分机器视觉技术都是基于CCD技术，但是 CCD技术成本较高，而同规格的CMOS价格便宜，且经实验研究表明：基于CMOS的机器 视觉系统测量精度能够达到μm级精度，满足绝大部分零件的尺寸测量精度要求。

基于CMOS机器视觉的尺寸测量的关键技术包括硬件部分和软件部分两方面的技术 内容。目前广泛应用的非接触式尺寸测量方法主要有以下四类：1.激光测量方法。采用 激光投射到工件上，在工件后方安装一激光检测装置，由工件遮挡背景光所产生的阴影 部分对应的宽度X直接反应被测工件尺寸值。缺点是装置制做难度较大，成本较高，而 且光学系统需要保持干净，否则将影响测量。中间不能有障碍物，要有接收器，因为光 的回馈信号变化太大而不能测定移动物体。2.气动式非接触测量方法。其测量方法是将 尺寸信号转化为测量管路内气体流量的变化，并通过有刻度的玻璃管内的浮标来示值， 或通过气电转换器将气信号转换为电信号由发光管组成的光柱示值。电子柱式气动测量 仪不易实现气电转换，且测量目标有局限性，大多用于测量孔径或半封闭结构的尺寸， 不适合测量外部尺寸，成本较高；而且测头需要靠近工件，因此需要有一定的动作方能 实现尺寸测量。3.电涡流式测量方法。应用电涡流技术，电涡流传感器无需接触被测件 就可以测量目标物体的位置，但进行测量时装置必须近距离测量，不能进行较远距离测 量，测量精度不高，且只适合于测量金属零件。4.影像式测量方法。由光学显微镜对待 测物体进行高倍率光学放大成像，经过CCD摄像系统将放大后的物体影像送入计算机后， 检测工件的轮廓和表面形状尺寸，但影像测量仪是基于CCD技术，成本高，且不能进行 在线测量。

上述的四类非接触式尺寸测量方法目前都有较为成熟的技术并在多篇相关文献中 有较详细的介绍，但这些非接触式尺寸测量装置都存在各自的不足。且目前现有的尺寸 测量方法很难实现微细通孔孔径和喇叭形槽槽底宽度的精确测量。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于CMOS机器视觉的零件尺寸 测量系统及测量检验方法，不仅能实现非接触测量，可以达到较好的可靠性和测量精度， 配备专用上下料系统后，还能够方便地实现在线测量，且该发明结构简单，成本低，工 作效率高，灵活，测量基本不受零件尺寸的限制；不但能实现外形轮廓尺寸测量，也能 完成小通孔的孔径测量；配备专用辅具后能实现喇叭形槽底宽度的测量。

本发明是采用如下技术方案实现的：设计、制造了一种基于CMOS机器视觉尺寸测 量系统，包括图像采集模块，图像处理模块和尺寸测量模块。首先通过图像采集软件采 集由CMOS相机经USB接口传输到计算机的零件边缘图像，然后将采集到的模拟信号转 换为数字信号并输入到计算机内存中，图像处理和尺寸测量属于检测系统的软件部分， 首先采用有效的图像处理方法对采集的图像进行预处理和边缘检测，得到零件图像的边 缘，然后通过特征检测、尺寸测量得到边缘轮廓的像素值，通过标定，该像素值直接反 映零件的尺寸。

基于CMOS机器视觉的零件尺寸测量系统包括底板、定位块、立板、背光源、成像 系统、水平调节板、竖直调节板等，所述定位块固定安装在所述底板上，，所述立板通 过螺钉固定在所述定位块上，所述背光源固连在立板上，所述水平调节板固定安装在所 述底板上，所述竖直调节板安装在所述水平调节板上。

所述成像系统包括摄像头组件、摄像头安装块，所述摄像头组件通过摄像头安装 块与所述竖直调节板相连。

所述摄像头组件包括目镜、物镜、镜筒、CMOS相机，所述CMOS相机带有USB接口， USB口直插型CMOS相机固定在摄像头组件尾端。

所述定位块前端有卡槽，与工件形状相匹配，便于固定工件。

所述水平调节板上有轨道，所述竖直调节板安装在所述水平调节板上，所述竖直 调节板通过轨道可在所述水平板上移动。

所述竖直调节板上设有轨道，所述摄像头组件可通过所述摄像头安装块在所述竖 直调节板上进行上下移动。

本发明又提供了一种零件尺寸测量方法，包括以下步骤(A1)调节安装硬件部分 所有零部件，摄像头组件安装于摄像头安装块上，调节水平调节板与竖直调节板，使摄 像头组件与背光源高度大致相同，被测工件处于成像系统与背光源之间。(A2)严格固 定工件每次摆放的位置，由定位块实现工件的精确定位，通过1.5V直流电对背光源进 行供电。(A3)系统连接好后采集图像，建立灰度直方图，进行直方图规定化，中值滤 波处理，单阈值分割，闭合形态学处理和Canny边缘检测，通过最小二乘法对图像边缘 轮廓进行拟合；通过采用LabVIEW提供的子VI功能计算出边缘轮廓的像素值，根据计 算出的像素值，在对系统进行标定后，即可建立像素值与尺寸值的对应关系；根据计算 出的像素值，就能根据标定的结果计算出该像素值所对应的尺寸值，则可完成零件的尺 寸测量。

本发明还提供了一种零件尺寸合格与否的检验方法，具体步骤与零件尺寸测量方 法类似，(A1)调节安装硬件部分所有零部件，摄像头组件安装于摄像头安装块上，调 节水平调节板与竖直调节板，使摄像头组件与背光源高度大致相同，被测工件处于成像 系统与背光源之间。(A2)严格固定工件每次摆放的位置，由定位块实现工件的精确定 位，通过1.5V直流电对背光源进行供电。(A3)系统连接好后采集图像，对其进行对比 度增强，噪声滤除，得到图像边缘；而后通过最小二乘法对边缘进行拟合，根据开发的 算法求出所拟合边缘直线的像素值。(A4)根据像素值所处区域检测零件合格与否，采 用上、下极限尺寸的试件得到上、下极限像素值，判断所测零件尺寸是否处于尺寸公差 范围内，若被测件测得的边缘轮廓像素值若位于上、下极限像素值之间，则被测件合格， 否则不合格。

本发明不但能实现外形轮廓尺寸测量及公差带判定，也能完成微细通孔孔径的测 量，在配备专用辅具后能实现喇叭形槽底宽度的测量，所述能完成喇叭形槽底宽度的测 量相应辅具是指相应测头，测头形状与喇叭形槽得形状完全一致，但宽度略大于槽的最 大极限宽度。

本发明进一步改进的是，基于CMOS机器视觉零件尺寸测量系统包括底板、定位块、 立板、背光源、成像系统、水平调节板、竖直调节板；所述成像系统包括摄像头组件和 摄像头安装块；所述定位块固定安装在所述底板上，所述定位块可根据不同的零件形状 来更换，能够实现对被测零件进行更好的定位及测量；所述立板通过螺钉固定在所述定 位块上；所述背光源固连在立板上；所述成像系统包括摄像头组件、摄像头安装块；所 述摄像头组件包括目镜、物镜、镜筒、CMOS相机，所述CMOS相机带有USB接口，USB 口直插型CMOS相机固定在摄像头组件尾端；所述摄像头组件通过摄像头安装块与所述 竖直调节板相连；所述水平调节板固定安装在所述底板上；所述竖直调节板安装在所 述水平调节板上；所述水平调节板上有轨道，所述竖直调节板通过轨道可在所述水平板 上移动；所述竖直调节板上设有轨道，所述摄像头组件可通过所述摄像头安装块在所述 竖直调节板上进行上下移动。如所述步骤进行测量时，被测轮廓可以通过水平调节板和 竖直调节板的调整，使所测工件边缘轮廓成像在图像的中间区域，由此来适应不同零件 的尺寸测量要求；成像的清晰度可以通过调整安装块与摄像头安装块的安装位置，从而 改变被测工件与成像系统的距离来实现。

本发明所述的一种基于CMOS机器视觉的零件尺寸测量系统，经过实验分析，该系 统重复性精度高，线性度好，系统测量精度受时间和温度的影响小，测量精度能够达到 微米级测量精度要求；该系统能够用于在线零件尺寸测量，经济性好。

本发明的有益效果是：本发明能实现非接触测量，可以达到较好的可靠性和测量 精度，配备专用上下料系统后，还能够方便地实现在线测量，且该发明结构简单，制造 成本低，工作效率高，灵活，测量基本不受零件尺寸的限制；不但能实现外形轮廓尺寸 测量，也能完成小通孔的孔径测量；配备专用辅具后能实现喇叭形槽底宽度的测量。

附图说明

图1为测量系统总体框架图；

图2为测量系统的总体结构图；

图3为检验零件尺寸合格与否的原理图；

图4为时微细小通孔孔径测量原理图；

图5为喇叭形槽槽宽测量剖面图；

图6为喇叭形槽槽宽测量原理图

图中：1-底板，2-定位块，3-立板，4-背光源，5-被测工件，6-物镜，7-镜筒， 8-摄像头安装块，9-水平调节板，10-竖直调节板，11-目镜，12-CMOS相机。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

一种基于CMOS机器视觉尺寸测量系统，包括图像采集模块、图像处理模块和尺寸 测量模块。图1给出了基于CMOS机器视觉的自动零件尺寸测量系统的总体框架图。图 像采集模块完成对所拍摄零件轮廓边缘的图像采集功能；图像处理模块对采集的图像进 行二值化、滤波处理后，再通过边缘检测，得到零件图像的边缘；尺寸测量模块通过特 征提取、计算出所测对象边缘轮廓的像素值，通过标定，该像素值则能直接反映零件的 尺寸。

所述图像采集模块结构如图2，包括成像系统和机械部分，机械部分包括底板1、 定位块2、立板3、背光源4、水平调节板9、竖直调节板10，所述定位块2固定安装在 所述底板1上，所述立板3通过螺钉固定在所述定位块2上，所述背光源4固连在立板 3上，所述水平调节板9固定安装在所述底板1上，所述竖直调节板10安装在所述水平 调节板9上。所述成像系统包括摄像头组件、摄像头安装块8，所述摄像头组件通过摄 像头安装块8与所述竖直调节板10相连。

所述摄像头组件包括目镜11、物镜6、镜筒7、CMOS相机12，所述CMOS相机12 带有USB接口，USB口直插型CMOS相机12固定在摄像头组件尾端。

所述定位块2前端有卡槽，与工件形状相匹配，便于固定工件。

所述水平调节板9上有轨道，所述竖直调节板10安装在所述水平调节板9上，所 述竖直调节板10通过轨道可在所述水平调节板9上移动。

所述竖直调节板上10设有轨道，所述摄像头组件可通过所述摄像头安装块8在所 述竖直调节板10上进行上下移动。

本发明同时提供了一种零件尺寸测量方法，包括以下步骤：

(A1)调节安装硬件部分所有零部件，摄像头组件安装于摄像头安装块8上，调节 水平调节板9与竖直调节板10，使摄像头组件与背光源4高度大致相同，被测工件5 处于成像系统与背光源4之间。

(A2)严格固定工件每次摆放的位置，由定位块2实现工件的精确定位，通过1.5V 直流电对背光源4进行供电。

(A3)系统连接好后采集图像，建立灰度直方图，进行直方图规定化，中值滤波处 理，单阈值分割，闭合形态学处理和Canny边缘检测，通过最小二乘法对图像边缘轮廓 进行拟合；通过采用LabVIEW提供的子VI功能计算出边缘轮廓的像素值，根据计算出 的像素值，在对系统进行标定后，即可建立像素值与尺寸值的对应关系；根据计算出的 像素值，就能计算出该像素值所对应的尺寸值，则可完成零件的尺寸测量。

本发明还提供了一种零件尺寸合格与否的检验方法，本发明不但能实现外形轮廓尺 寸测量，也能完成微细通孔孔径的测量，在配备测头(如图5所示)后能实现喇叭形槽 底宽度的测量。

所述基于CMOS机器视觉零件尺寸测量系统，包括底板1、定位块2、立板3、背光 源4、成像系统、水平调节板9、竖直调节板10；所述成像系统包括摄像头组件和摄像 头安装块8；所述定位块2固定安装在所述底板1上，所述定位块2可根据不同的零件 形状来更换，能够实现对被测零件进行更好的定位及测量；所述立板3通过螺钉固定在 所述定位块2上；所述背光源4固连在立板3上；所述成像系统包括摄像头组件、摄像 头安装块8；所述摄像头组件包括目镜11、物镜6、镜筒7、CMOS相机12，所述CMOS 相机12带有USB接口，USB口直插型CMOS相机固定在摄像头组件尾端；所述摄像头组 件通过摄像头安装块8与所述竖直调节板10相连；所述水平调节板9固定安装在所述 底板1上；所述竖直调节板10安装在所述水平调节板9上；所述水平调节板9上有轨 道，所述竖直调节板10通过轨道可在所述水平板9上移动；所述竖直调节板10上设有 轨道，所述摄像头组件可通过所述摄像头安装块8在所述竖直调节板10上进行上下移 动。如所述步骤进行测量时，被测轮廓可以通过水平调节板9和竖直调节板10的调整， 使所测工件边缘轮廓成像在图像的中间区域，由此来适应不同零件的尺寸测量要求；成 像的清晰度可以通过调整安装块与摄像头安装块的安装位置，从而改变被测工件与成像 系统的距离来实现。

下面列举三个测量、检验实施例2-4对本发明做更详细叙述。

实施例2

零件尺寸合格与否的检验方法。一种基于CMOS机器视觉零件尺寸测量系统由底板、 定位块、立板、背光源、成像系统、水平调节板、竖直调节板等组成，成像系统由摄像 头组件和摄像头安装块组成，摄像头组件包括目镜、物镜、镜筒和CMOS相机，所述定 位块固定安装在所述底板上，所述立板通过螺钉固定在所述定位块上，所述背光源固连 在立板上，所述水平调节板固定安装在所述底板上，所述竖直调节板安装在所述水平调 节板上，所述水平调节板上有轨道，所述竖直调节板安装在所述水平调节板上，所述竖 直调节板通过轨道可在所述水平板上移动。测量时，工件每次摆放的位置要求严格一致， 由定位块实现工件的精确定位。背光源固定于立板上，通过1.5V直流电源对其供电。 安装调整好所有零部件后，连接系统，采集图像，建立灰度直方图，进行直方图规定化， 中值滤波处理，单阈值分割，闭合形态学处理和Canny边缘检测，通过最小二乘法对图 像边缘轮廓进行拟合；通过采用LabVIEW提供的子VI功能计算出边缘轮廓的像素值， 根据计算出的像素值，在对系统进行标定后，即可建立像素值与尺寸值的对应关系；根 据计算出的像素值，就能计算出该像素值所对应的尺寸值。

如果检验被测零件是否合格，则只需判断零件尺寸是否处于尺寸公差范围内，如图 3所示为检验零件尺寸合格与否的原理图，由上述步骤对上、下极限尺寸的试件进行测 量得到相应的上、下极限像素值，标定被测工件合格的区域31，根据像素值与尺寸值的 对应关系，若被测件测得的边缘轮廓像素值若位于上、下极限像素值(即区域31)之间， 则被测件合格；若被测件边缘轮廓像素值位于上限(工件最长)轮廓边缘以上则零件超 长；若被测件边缘轮廓像素值位于下限(工件最短)轮廓边缘以下则零件长度不够标准 要求，零件不合格。

实施例3

微细通孔孔径的测量方法。一种基于CMOS机器视觉零件尺寸测量系统由底板、定 位块、立板、背光源、成像系统、水平调节板、竖直调节板等组成，成像系统由摄像头 组件和摄像头安装块组成，USB口直插型CMOS相机固定在摄像头组件尾端。摄像头组件 安装于摄像头安装块上，与背光源高度大致相同，被测工件处于成像系统与背光源之间， 被测轮廓由水平调节板和竖直调节板的调整使所测工件边缘轮廓成像在图像的中间区 域，由此可适应不同零件的尺寸测量要求；成像的清晰度可以通过调整安装块与摄像头 安装块的安装位置，从而改变被测工件与成像系统的距离来实现。与外形尺寸测量相比， 系统只需更换不同的定位块来实现所测工件的定位即可。测量时成像系统瞄准位置调整 至小孔附近，使小孔轮廓清晰地成像至图像中央位置，由于系统背光源4的照射，光线 通过小通孔孔径，得到一幅包括小孔透光区41和工件阴影区42的图像，见图4，具体 测量方法为：安装调整好所有零部件后，连接系统，采集图像，建立灰度直方图，进行 直方图规定化，中值滤波处理，单阈值分割，闭合形态学处理和Canny边缘检测，通过 最小二乘法对图像边缘轮廓进行拟合；通过采用LabVIEW提供的子VI功能计算出小通 孔边缘轮廓的像素值，根据计算出的像素值，在对系统进行标定，即可建立像素值与小 通孔直径大小的对应关系，不同的像素值对应不同小通孔的直径大小。

实施例4

喇叭形槽槽底宽度的测量方法。一种基于CMOS机器视觉零件尺寸测量系统由底板、 定位块、立板、背光源、成像系统、水平调节板、竖直调节板等组成，成像系统由摄像 头组件和摄像头安装块组成，摄像头组件包括目镜、物镜、镜筒和CMOS相机，所述定 位块固定安装在所述底板上，所述立板通过螺钉固定在所述定位块上，所述背光源固连 在立板上，所述水平调节板固定安装在所述底板上，所述竖直调节板安装在所述水平调 节板上，所述水平调节板上有轨道，所述竖直调节板通过轨道可在所述水平板上移动。 测量喇叭形槽槽底宽度时，需要配备相应测头51(测头51形状与喇叭形槽的形状完全 一致，但宽度略大于槽的最大极限宽度)，测量喇叭形槽底宽度的原理图如图5，因为在 加工的过程中，刀尖总有一定的圆角，因此所加工出的槽底不可能绝对是直角，目前现 有的尺寸测量方法很难实现喇叭形槽底宽度的精确测量。如图5，测量时，专用辅具即 测头51移动到与槽口紧靠，CMOS相机瞄准测头51与工件槽口之间的缝隙，所拍摄的图 像效果如图6，由于背光源4照射测头51与工件槽口之间的缝隙，光线通过缝隙，所拍 缝隙区域为亮区61(透光区)，亮区61的宽度由测头与槽底缝隙的宽度决定，图像显示 的亮区宽度越大，则表明测头与槽底宽度的缝隙越大，槽底宽度的数值就越大，根据像 素值与尺寸值的对应关系，即可得到槽底宽度。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明做进一步地详细说明，不能认定本发明的 具体实施例只限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离 本发明构思的前提下，任何形式的简单推演或者等效替换，均落入本发明的保护范围之 内。