三角形金刚石刀具角度高精度自动测量系统和测量方法

1.一种三角形金刚石刀具角度高精度自动测量系统，包括：底座、固定在底座上的升降台、图像采集装置、采集卡、控制器和计算机，其特征在于，所述底座上设置有平移台，在平移台上依次叠放有角位台和旋转台，角位台的旋转轴垂直于升降台轴向和图像采集装置光轴，旋转台轴平行于升降台轴向，且和角位台旋转轴正交，旋转台上固定有用于夹持待测三角形金刚石刀具刀架的工装夹具；所述的图像采集装置包括通过支架固定在所述升降台上的背光板、镜头和摄像机，工装夹具位于背光板和镜头之间，采集卡采集的待测三角形金刚石刀具的轮廓图像被送入计算机，所述控制器分别与计算机、旋转台和角位台相连，用于根据计算机发送的指令控制旋转台和角位台的移动，所述计算机根据下述的方法确定刀具角度的最佳测量位置：首先，利用计算机通过控制器对旋转台进行转动控制，在转动过程中实时提取轮廓图像中刀具两侧的轮廓线，求解两直线夹角，根据该夹角调整旋转台，使刀具转动到该夹角的最大测量位置；再利用计算机通过控制器对角位台进行转动控制，在转动过程中实时提取轮廓图像中刀具两侧的轮廓线，求解两直线夹角，根据该夹角调整角位台，使刀具转动到该夹角的最小测量位置，确定刀具角度的最佳测量位置，并在该最佳测量位置求解得到的两直线夹角，得到刀具角度。
2.一种采用权利要求1所述的自动测量系统测量三角形金刚石刀具角度的方法，包括下列步骤：
(1)将待测三角形金刚石刀具和刀架固定在夹具上，使前刀面面向镜头，背向背光板；
(2)调整平移台和升降台，使图像采集装置能够清晰地采集到待测三角形金刚石刀具的轮廓；
(3)利用图像采集装置采集刀具的轮廓图像，并将其送入计算机；
(4)按照以下方式进行优化调整，确定刀具角度的最佳测量位置：首先，利用计算机通过控制器对旋转台进行转动控制，在转动过程中实时提取轮廓图像中刀具两侧的轮廓线，求解两直线夹角，根据该夹角调整旋转台，使刀具转动到该夹角的最大测量位置；再利用计算机通过控制器对角位台进行转动控制，在转动过程中实时提取轮廓图像中刀具两侧的轮廓线，求解两直线夹角，根据该夹角调整角位台，使刀具转动到该夹角的最小测量位置，从而确定刀具角度的最佳测量位置；
(5)在该最佳测量位置求解得到的两直线夹角即是刀具角度。

三角形金刚石刀具角度高精度自动测量系统和测量方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于超精密加工、计算机视觉检测及图像测试技术领域，涉及一种三角形金刚石刀具角度高精度自动测量系统。\n背景技术\n[0002] 金刚石刀具是超精密切削加工的主要工具，具有很好的耐磨性、硬度和热传导性，可对有色金属进行单次切削实现纳米级粗糙度表面加工。三角形金刚石刀具是加工微沟槽、微棱镜等微结构的重要工具，由于微结构靠刀具形状在工件上直接复印，因此刀具参数的精确度是保证微结构加工的重要指标。对于三角形金刚石刀具非常重要的参数就是刀具角度，目前，测量角度的方法主要有万能工具显微镜、超景深显微镜、计量投影仪等非接触式光学方法，但由于没有注意观测方向和测量刀具的位置关系，所测角度存在误差，从而导致测量值每次结果不同问题。另外，现有的方法主要靠人工手选刀具外轮廓进行测量，难免会引入人为因素误差。鉴于刀具参数的重要性和测量存在的缺憾，很有必要开发一种金刚石刀具角度高精度自动测量系统。\n发明内容\n[0003] 本发明提出一种金刚石刀具角度高精度自动测量系统，可对测量刀具位置进行自动优化调整，确定最佳测量位置，从而实现刀具参数高精确测量。为此，本发明采用如下的技术方案：\n[0004] 一种三角形金刚石刀具角度高精度自动测量系统，包括：底座、固定在底座上的升降台、图像采集装置、采集卡、控制器和计算机，其特征在于，所述底座上设置有平移台，在平移台上依次叠放有角位台和旋转台，角位台的旋转轴垂直于升降台轴向和图像采集装置光轴，旋转台轴平行于升降台轴向，且和角位台旋转轴正交，旋转台上固定有用于夹持待测三角形金刚石刀具刀架的工件夹具；所述的图像采集装置包括通过支架固定在所述升降台上的背光板、镜头、摄像机，工装夹具位于背光板和镜头之间，采集卡采集的待测三角形金刚石刀具的轮廓图像被送入计算机，所述控制器分别与计算机、旋转台和角位台相连，用于根据计算机发送的指令控制旋转台和角位台的移动，所述计算机根据轮廓图像进行计算，通过控制器控制旋转台和角位台的移动搜索刀具角度的最佳测量位置，并计算刀具角度。\n[0005] 本发明同时提供一种采用上述的自动测量系统测量三角形金刚石刀具角度的方法，包括下列步骤：\n[0006] (1)将待测三角形金刚石刀具和刀架固定在夹具上，使前刀面面向镜头，背向背光板；\n[0007] (2)调整平移台和升降台，使图像采集装置能够清晰地采集到待测三角形金刚石刀具的轮廓；\n[0008] (3)利用图像采集装置采集刀具的轮廓图像，并将其送入计算机；\n[0009] (4)按照以下方式进行优化调整，确定刀具角度的最佳测量位置：首先，利用计算机通过控制器对旋转台进行转动控制，在转动过程中实时提取轮廓图像中刀具两侧的轮廓线，求解两直线夹角，根据该夹角调整旋转台，使刀具转动到该夹角的最大测量位置；再利用计算机通过控制器对角位台进行转动控制，在转动过程中实时提取轮廓图像中刀具两侧的轮廓线，求解两直线夹角，根据该夹角调整角位台，使刀具转动到该夹角的最小测量位置，从而确定刀具角度的最佳测量位置；\n[0010] (5)在该最佳测量位置求解得到的两直线夹角即是刀具角度。\n[0011] 本发明采用投射平行光的背光板从刀具背侧投射光线，光线被刀具遮挡，在摄像机中成黑色像，而其他区域为白色，可以凸显刀具轮廓，借助高精度轮廓提取算法可以准确实时获取刀具轮廓信息，从而精确计算刀具角度。控制旋转台和角位台微量运动，依据测得刀具角度的变化趋势自动判断刀具和镜头的位置关系，进行旋转台和角位台的微量调整，由于完全采用为电控平台，可以自动寻找刀具最佳测量位置。因此，本发明具有高精度、高效率和完全自动化的特点。\n附图说明\n[0012] 图1系统结构图。\n[0013] 图2刀具平台前视图。\n[0014] 图3金刚石刀具轮廓图。\n[0015] 图4旋转台的运动控制策略。\n[0016] 图5角位台的运动控制策略。\n[0017] 附图标记说明如下：\n[0018] \n 1底座 2升降台 3支架 4平移台\n 5角位台 6旋转台 7工装夹具 8背光板\n 9镜头 10摄像机 11控制器 12计算机\n具体实施方式\n[0019] 本发明的系统结构如图1所示，背光板、放大镜头和摄像机固定于同一支架上，形成采集装置整体结构置于升降台上，采集装置的光轴垂直于升降台轴向。放大镜头的焦距和放大倍率固定，因此其聚焦距离和景深范围也确定。在系统底座上放置可以微量移动的平移台，可进行背光板至镜头的双向运动，运动轴平行于采集装置，且垂直于升降台轴向。\n在平移台上依次叠放角位台和旋转台，角位台的旋转轴垂直于升降台轴向和采集装置光轴，旋转台轴平行于升降台轴向，且和角位台旋转轴正交。在旋转台上固定刀具夹具和金刚石刀架，且与旋转轴同轴。平移台的初始位置需保证刀具在采集装置的聚焦范围内，而聚焦程度可以通过平移台的微量运动来调整。旋转台、夹具及刀架的高度保证在角位台回转半径(R)之内，且保证在安装好金刚石刀具后整体高度略过角位台旋转轴，如图2所示。\n[0020] 在进行以上装配和调整后，将金刚石刀具安装于刀架之上，前刀面面向镜头，背向背光板，微量调整平移台，采集到清晰的三角形金刚石刀具轮廓图像，如图3所示。通过图像预处理和亚像素提取算法可精确提取刀具两侧的轮廓线，对两侧轮廓线数据分别进行直线拟合，求解两直线夹角可以得到当前位置时的刀具角度值。\n[0021] 将刀具按照以下方式进行优化调整，确定最佳测量位置。首先，利用计算机向控制器发出指令，使其对旋转台进行转动控制，微量转动旋转台，在转动过程中实时计算刀具角度，根据测得刀具角度的变化规律确定当前最佳位置，具体的运动控制策略如图4所示，旋转到刀具角度最大测量位置。然后，利用计算机向控制器发出指令，使其对角位台进行转动控制，微量转动角位台，同样在转动过程中实时计算刀具角度，按照图5所示的运动控制策略进行转台控制，转动到刀具角度最小测量位置，即最佳测量位置，从而得到精确的刀具角度值。