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直线边缘光学精密测量系统研究与开发

雷波

  随着精密加工的发展以及人们对高质量产品需求的增长,精密制造业中对质量控制的要求越来越高。而与传统的接触式测量方法相比,光学测量方法具有非接触,无磨损,响应速度快,柔性好的特点,在质量控制领域的应用也越来越广泛。因此对光学测量的精度要求也越来越高。而传统光学测量的精度主要取决于图像传感器的像元大小。为了突破像元尺寸的限制,人们提出了通过图像处理软件算法来提高测量精度的亚像素边缘检测技术。但是图像处理算法的执行速度不快,系统实时性差,不利于其应用于生产实际。直线边缘是指母线为直线,且截面与母线垂直这一类零件的轮廓。本文以直线边缘为对象;针对光学图像测量方法测量精度与速度的矛盾,建立使用线阵CCD图像传感器的测量方案,并开发了基于FPGA的片上亚像素边缘测量系统。本文的主要内容和研究工作如下: 1.边缘测量的总体方案设计。介绍了三种光学测量原理,在对比各自的优缺点的基础上,建立了基于平行光投影法的边缘测量系统方案;并分析了照明光源与CCD期间的照度匹配,在此基础上设计并建立了边缘测量光学系统。 2.亚像素边缘检测算法原理。介绍了亚像素边缘检测技术的原理及其由来,并分析了亚像素边缘检测技术的前提条件。然后综述了常用的亚像素边缘检测算法。最后提出了一种基于Canny-Legendre算子的亚像素边缘检测改进算法。通过使用生成的理想边缘对算法进行仿真实验。 3.基于FPGA的片上边缘测量系统设计。设计了片上边缘测量系统的硬件系统结构,设计了CCD噪声处理及CCD信号AD转换硬件电路,并使用Verilog HDL语言在单片FPGA上建立了片上边缘测量系统,同时通过仿真实验对系统进行了实验验证。 4.直线边缘测量系统实验及其数据分析。设计了一套直线边缘图像采集系统。通过对不同形状的零件的实际边缘图像进行采集,分析了柱面零件与矩形零件实际边缘形状的差别。然后分别针对直径测量和挠度测量建立了两种实验模型,并在实验室条件和模拟工况条件下进行模拟实验。结果表明在实验室条件下,基于FPGA的片上边缘测量系统重复性误差(2σ)达到1μm以下。最后分析了影响系统测量精度的主要误差因素。……   
[关键词]:直线边缘;亚像素边缘测量;FPGA;线阵CCD;Canny-Legendre矩
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:武汉理工大学2010年