CN102141381A - 一种影像式电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸自动测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种影像式喷丝板自动检测仪，它以三轴CNC移动工作台为主体，配备显微镜、CCD、照明系统、电气控制卡和个人计算机。三轴工作台可在计算机的控制下，由电气控制卡驱动，实现程序控制。个人计算机配备图像采集卡，接收由显微镜和CCD所构成光学成像系统捕获的工件图像。个人计算机中配备了一种切片自动测量模块，该模块只需操作者首先选择待检测电缆的国标型号，再启动测量，即可全自动的完成对电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸的测量，并判定是否合格。电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸自动测量模块中包括边缘轮廓自动提取模块、参数计算模块和合格性判定模块。

Description

一种影像式电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸自动测量仪

技术领域

本发明为一种采用光学影像方式进行电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸自动测量的仪器，能对电缆绝缘层和护套材料的切片进行快速、高效的自动检测，得到厚度尺寸及外形尺寸，并判断该电缆是否合格。

背景技术

我国对电缆绝缘层厚度和护套厚度等参数有明确的标准，给出了最低限和最高限，生产厂家必须严格按照标准来指导电缆的生产。因此，计量和检定部门要对厂家生产电缆绝缘层和护套的厚度和外径尺寸进行测量，来检验电缆是否符合标准。

随着我国经济的高速发展，电线电缆的产量不断攀升，计量和检定部门在这方面的工作压力越来越大，传统基于光学投影仪的人工测量方法已无法满足要求。按照标准规定，一般在电缆上沿电缆轴线的垂直方向切取切片，以切片为测量目标。光学投影仪的测量时，需手工移动切片图像至视场中央，人工通过肉眼大致判断出最小厚度位置，再以此位置为起点，每隔60°切片内外两个点，记录每个位置切片的读数，得到6个数据，由此计算出最小值和算术平均值，分别作为切片的最小厚度和平均厚度。这种方式操作繁琐、读数不方便、准确性差，且后期数据处理无法实现自动化，极大的增加了计量和检定部门的工作量。

本发明在自动影像测量仪的平台基础上，提供了一种电缆绝缘层和护套切片厚度和外形尺寸的自动测量模块，通过该模块，可快速准确的对电缆绝缘层和护套进行全自动测量及合格性判定。

发明内容

影像式电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸自动测量仪的结构包括：XYZ三轴移动工作台[1]、显微镜[2]、CCD、照明系统[3]、电气控制卡[4]和个人计算机[5]；个人计算机[5]配备图像采集卡，接收由显微镜[2]和CCD所构成光学成像系统的图像数据；个人计算机[5]包括切片厚度及外形尺寸自动测量模块，测量模块通过个人计算机[5]向电气控制卡发送命令来移动XYZ三轴移动工作台[1]，控制XYZ三轴移动工作台[1]上切边[6]的内边缘或外边缘到显微镜的视野中心，提取出内外边缘轮廓点集，由此计算绝缘层或护套的厚度及外形尺寸，并根据内部保存的标准数据进行合格性判定；照明系统[3]采用透射光照明方式，使得切片的轮廓成像黑白分明，保证光学成像系统获取到高质量的图像数据。图1给出了本发明的整体结构示意图。

本发明的一个目的是提供一种高精度、可程序控制的三轴移动工作平台。通过个人计算机[5]中的切片测量模块控制平台移动，将切片待测区域逐个移动到显微镜视野内，顺序完成切片内外边缘的轮廓扫描。三轴移动工作平台包括XYZ三个可独立运动的运动轴，运动轴的台板和基座以花岗岩制作，每个轴由导轨承载，用滚珠丝杠进行传动。以直流伺服电机为驱动，通过编码器反馈电机转速，光栅尺反馈平台位置，由此构成全闭环系统。采用高精度的直线导轨，以及高分辨率的光栅尺，在依靠精细的调校，可确保整个三轴移动工作平台达到很高的精度和重复性。

本发明的另一个目的是在个人计算机中提供了一种切片自动测量模块，该模块只需操作者首先选择待检测电缆的国标型号，再启动测量，即可全自动的完成对电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸的测量，并判定是否合格。电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸自动测量模块中包括边缘轮廓自动提取模块、参数计算模块和合格性判定模块。

边缘轮廓自动提取模块自动的搜索出切片的内外边缘轮廓点集。对于可在一个视野内完整成像的较小切片，可直接搜索内外轮廓边缘，获取内外轮廓边缘点集。对于在一个视野内无法完整成像的较大切片，边缘轮廓自动提取模块首先提取当前视野内的内边缘或外边缘，然后以此边缘点的走向为指导，驱动三轴工作台移动到切片的下一个区域，继续提取边缘点集，直到完成一个封闭边缘轮廓点集的提取。之后，模块根据边缘图像的黑白方向，判定提取的是内边缘还是外边缘，由此驱动工作台去搜索另一侧边缘。

参数计算模块以提取的内外轮廓点集为基础，搜索出电缆护套的最小厚度位置，并以此位置为起始，按照每60度的间距，计算另外5个厚度。以此6个厚度数据的算数平均值作为切片的平均厚度。再通过求解外轮廓点集的最小包围矩形，可得到切片的外形长轴直径、外形短轴直径等外形尺寸数据。

合格性判定模块按照国家标准和行业标准分类保存着各个型号电缆的绝缘层厚度、护套厚度、外形尺寸，以及允许偏差范围。合格性判定模块将计算得到的最小厚度、平均厚度、外形长轴直径、外形短轴直径等数据与标准中的允许范围进行比对，以判定是否合格，给出判定结果。

本发明优点在于检测效率高，极大的降低了电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸检测的工作量。同时，本发明检测数据的客观性和一致性好，受人为因素影响非常小。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的边缘轮廓自动提取模块工作效果图。

图3是本发明的最小厚度搜索原理图。

图中主要结构为：1-XYZ三轴移动工作台、2-显微镜、3-照明系统、4-电气控制卡、5-个人计算机、6-被检绝缘层或护套、7-最小厚度。

具体实施方式

三轴移动工作平台包括XYZ三个可独立运动的运动轴，运动轴的台板和基座以花岗岩制作，每个轴由导轨承载，用滚珠丝杠进行传动。以直流伺服电机为驱动，通过编码器反馈电机转速，光栅尺反馈平台位置，由此构成全闭环系统。采用高精度的直线导轨，以及高分辨率的光栅尺，在依靠精细的调校，可确保整个三轴移动工作平台达到很高的精度和重复性。

个人计算机通过运动控制器和驱动器控制XY轴移动，可将电缆绝缘层或护套的切片移动到显微镜视野内，顺序完成切片内外边缘轮廓的扫描。如有必要，还可控制Z轴运动，对切片进行自动聚焦，以保证获得清晰的图像，提高检测准确度。

个人计算机中提供了一个电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸自动测量模块，该模块又包括边缘轮廓自动提取模块、参数计算模块和合格性判定模块。

边缘轮廓自动提取模块自动的获取图像中的边缘点集，以下为其提取步骤：

(1)首先使用高斯滤波器对采集的图像数据进行滤波，高斯滤波公式为：

$g[i,j]=e^{-\frac{(i^2+j^2)}{2{\mathrm{\δ}}^2}}$

其中g[i，j]表示位置(i，j)

处的滤波器权值，δ为高斯分布参数；

(2)采用Sobel算子进行边缘检测：图像中的每一点分别与8个Sobel模板做卷积，将得到的最大值作为输出，并将对应模板的方向作为该点的方向；

(3)使用高阈值得到Sobel边缘图1，使用低阈值得到Sobel边缘图2；

(4)使用Canny最佳边缘检测算法得到Canny边缘图；

(5)Canny边缘图与Sobel边缘图1逐像素相与，得到初始边缘图；

(6)在初始边缘图中寻找每一条边缘线的端点或孤立点，标记这些点作为修补边缘的初始点；

(7)采用轮廓跟踪的思想进行边缘修补，具体步骤如下：

a.在Sobel边缘图1中确定端点或孤立点P的边缘方向；

b.确定P点边缘方向上的点P’坐标；

c.若P’在Sobel边缘图2上，则P点为丢失的边缘点，将初始边缘图上的P修补，且P’置为P，返回a步。若P’点不在Sobel边缘图2上，则停止对P的边缘修补；

d.若初始边缘图上还有端点或孤立点还未修补，则返回a步。

在获取边缘以后，需要根据当前图像的边缘数据，控制运动平台移动到下一个测量位置。重复以上过程，直到完成一个封闭边缘轮廓点集的提取。

参数计算模块实现对切片最小厚度、平均厚度、外形长轴直径、外形短轴直径等数据的计算，计算步骤如下：

(1)以求点集坐标平均值的方式计算切片内部边缘轮廓点集的质心，以此作为切片的中心；

(2)先使用格雷厄姆法求解内部边缘轮廓点集的凸壳，再使用旋转方式求取最小面积矩形，以矩形的长边作为长轴直径，以矩形的短边作为短轴直径；

(3)对内部边缘轮廓点集中的每个点进行计算，计算该点到外部边缘轮廓上一定范围内所有点间的距离，以其中的最小距离作为该点的厚度值；外边缘轮廓中点的范围确定如下：以该点与切片中心所连线段为中心，顺时针和逆时针各展开30度所包围的范围；

(4)搜索所有外边缘轮廓点的厚度值，以其中的最小值作为本切片的最小厚度；

(5)连接切片中心与最小厚度位置点，每隔60度确定一个内部边缘轮廓点，记录该点的厚度，总共得到6个厚度值，以此6个厚度的算数平均值作为切片的平均厚度。

合格性判定模块根据操作者输入的电缆型号，调出国家标准或行业标准中对应型号电缆的绝缘层厚度、护套厚度、外形尺寸，以及允许偏差范围等数据，与参数计算模块得到的最小厚度、平均厚度、外形长轴直径、外形短轴直径等测量数据进行比较，判断是否超出允许范围，以此给出切片合格与否。

Claims (4)

1.一种影像式电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸自动测量仪，由三轴移动工作台[1]、显微镜[2]、CCD、照明系统[4]、电气控制卡[5]、个人计算机[6]组成，可对电缆的绝缘层和护套进行测量，测量其厚度及外形尺寸等数据，并给出合格性判断，其特征在于：所述的个人计算机配备电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸自动测量模块，该模块包括边缘轮廓自动提取模块、参数计算模块和合格性判定模块。

2.如权利要求1所述的影像式电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸自动测量仪，其特征在于：所述边缘轮廓自动提取模块对于在一个视野内完整成像的较小切片，可直接搜索内外边缘轮廓，获取内外边缘轮廓点集；对于在一个视野内无法完整成像的较大切片，可自动驱动三轴工作台分别沿着切片的内外轮廓运动，同步逐步扫描边缘轮廓，分别获取内外边缘的所有轮廓点集。

3.如权利要求1所述的影像式电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸自动测量仪，其特征在于：所述参数计算模块包括以坐标均值方式计算切片内部边缘轮廓点集质心的模块；以格雷厄姆法求解内部边缘轮廓点集的凸壳，并以旋转方式计算最小外接矩形，从而得到切片长轴直径和短轴直径的模块；在正负30度张角范围内搜索最小厚度的模块；以间隔60度角测量厚度并计算平均厚度的模块。

4.如权利要求1所述的影像式电缆绝缘层和护套的厚度及外形尺寸自动测量仪，其特征在于：所述合格性判定模块包括保存国家标准和行业标准各型号电缆的绝缘层厚度、护套厚度、外形尺寸，以及允许偏差范围等数据的模块；将测量最小厚度、平均厚度、外形长轴直径、外形短轴直径等测量数据进行比较，判断是否超出允许范围，以此给出切片合格与否的模块。

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