用于對計(jì)量系統(tǒng)編程三維工件掃描路徑的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般地涉及包括機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)和輔助精密表面?zhèn)鞲衅鞯挠?jì)量系統(tǒng)，并 且更特別地涉及用于對這種系統(tǒng)進(jìn)行操作和編程的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 精密機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)（或者簡稱"視覺系統(tǒng)"）能夠用于獲取被檢物的精 確尺寸測量，并且檢驗(yàn)各種其他物體特性。這種系統(tǒng)可以包括計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)和光學(xué)系 統(tǒng)以及精密臺架，該精密臺架在多個(gè)方向上可移動，以使攝像機(jī)掃描正檢驗(yàn)的工件的特 征。一個(gè)市售的示例性現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)是從位于美國伊利諾伊州的奧羅拉的Mitutoyo America Corporation (MAC)可以獲得的QUICK VIS丨ON?系列基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的視覺 系統(tǒng)和QVPAK?軟件。例如，在2003年1月出版的QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User' s Guide 和 1996 年 9 月出版的 QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine OperationGuide中概況描述了 QUICK 列視覺系統(tǒng)和QVPAK?軟件，茲通過 引用合并其每個(gè)的全部內(nèi)容。例如，該系列產(chǎn)品能夠利用顯微鏡型光學(xué)系統(tǒng)以各種放大率 提供工件的圖像，并且在需要時(shí)移動臺架以）往返移動工件表面到任何單視頻圖像的限度 外。假定這種系統(tǒng)的希望的放大率、測量分辨率和物理尺寸限制，則單視頻圖像通常僅包括 正觀測的或者正檢驗(yàn)的工件的一部分。
[0003] 機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)通常采用自動視頻檢驗(yàn)。美國專利No. 6, 542, 180教導(dǎo)了這種 自動視頻檢驗(yàn)的各種方面，在此通過引用合并其全部內(nèi)容。如' 180專利所教導(dǎo)的，自動視 頻檢驗(yàn)計(jì)量儀器通常具有編程能力，其對于每個(gè)特殊工件構(gòu)造，用戶都可以定義自動檢驗(yàn) 事件序列。這能夠通過以下來實(shí)現(xiàn)：例如，通過基于文本的編程，或者通過借助圖形用戶界 面（GUI)存儲與用戶執(zhí)行的檢驗(yàn)操作序列對應(yīng)的機(jī)器控制指令序列逐步"學(xué)習(xí)"檢驗(yàn)事件 序列的記錄模式，或者通過這兩種方法的組合。常常將這種記錄模式稱為"學(xué)習(xí)模式"或者 "訓(xùn)練模式"。在"學(xué)習(xí)模式"下定義了檢驗(yàn)事件序列時(shí)，然后在"運(yùn)行模式"期間能夠利用這 種序列自動獲?。ú⑶腋郊臃治龌蛘邫z驗(yàn)）工件的圖像。
[0004] 通常將包括特定檢驗(yàn)事件序列的機(jī)器控制指令（即，如何獲取每個(gè)圖像和如何分 析/檢驗(yàn)每個(gè)所獲取的圖像）存儲為對特定工件構(gòu)造專用的"零件程序"或者"工件程序"。 例如，零件程序定義如何獲取每個(gè)圖像，諸如如何相對于工件定位攝像機(jī)，處于什么照明水 平、處于什么放大水平、等等。此外，零件程序定義如何例如利用諸如邊緣/邊界檢測視頻 工具的一個(gè)或者多個(gè)視頻工具分析/檢驗(yàn)獲取的圖像。
[0005] 為了完成檢驗(yàn)和/或者機(jī)器控制操作，可以手動建立視頻工具（或者簡稱為"工 具"）和其他GUI特征。在學(xué)習(xí)模式期間也可以記錄視頻工具建立參數(shù)和操作，以便創(chuàng)建自 動檢驗(yàn)程序或者"零件程序"，然后該自動檢驗(yàn)程序或者"零件程序"合并各種視頻工具執(zhí)行 的測量/分析操作。視頻工具可以包括例如邊緣/邊界檢測工具、自動聚焦工具、形狀或者 圖案匹配工具、尺寸測量工具、等等。在上面討論的諸如QUICK VISION?系列視覺系統(tǒng)和 有關(guān)QVPAK?軟件的各種市售機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)中常常使用這些工具。
[0006] 典型的機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)對面高，即，在光學(xué)系統(tǒng)的光軸方向上，不提供高精度 (例如，微米或者亞微米精度）測量能力。然而，這種高精度測量能力可以由諸如彩色范 圍傳感器（chromatic range sensor) (CRS)的輔助傳感器提供，其中色差技術(shù)用于高精 度距離感測計(jì)量。例如，在Optics (Paris)，1986年17卷6號279-282頁G. Molesini和 S. Quercioli, J 的 "Pseudocolor Effectsof Longitudinal Chromatic Aberration'，概括 描述了這種傳感器的工作原理。
[0007] 一般地說，在這種系統(tǒng)中，利用具有軸向色差的光學(xué)元件聚焦從小孔徑發(fā)出的寬 帶光源，使得表面的軸向距離或者高度確定哪個(gè)波長在該表面上聚焦最好。從該表面反射 時(shí)，該光再聚焦在諸如針孔和/或者光纖的末端的小孔徑上，并且僅在該表面上良好聚焦 的波長在該孔徑上良好聚焦。其他波長聚焦不好，并且不將大量功率耦合到該孔徑中。光 譜儀測量通過孔徑返回的每個(gè)波長的信號水平。波長強(qiáng)度峰值（wavelength intensity peak)有效指出該表面的距離或者高度。這種輔助CRS傳感器可以與機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng) 的主要光路并排安裝，也可以部分地集成，從而共享主光路的某些部件。例如，美國專利 No. 8, 587, 789和7, 477, 401中公開了適合用于這種構(gòu)造的DRS系統(tǒng)的例子，每個(gè)通過引用 合并其全部內(nèi)容在此。將這種高精度CRS傳感器與典型的機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)集成的一個(gè)問 題是簡化對這種CRS傳感器的有關(guān)操作和編程，并且使其魯棒，使得較不熟練的用戶（其可 能不理解CRS傳感器）可以容易地創(chuàng)建可靠的零件程序，該零件程序利用這種集成系統(tǒng)中 的機(jī)器視覺部件和CRS傳感器進(jìn)行檢驗(yàn)。另外的問題是允許較不熟練的用戶在這種零件程 序中實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)出。希望解決這些問題的方案。
【附圖說明】
[0008] 圖1是示出通用精密機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)的各種典型部件的圖；
[0009] 圖2是與圖1的相似的機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)部和視覺部件部的方框圖， 包括在根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例中可用的模塊和特征；
[0010] 圖3是可用作精密Z高度傳感器的示例性彩色共焦點(diǎn)傳感器的方框圖；
[0011] 圖4是計(jì)量系統(tǒng)的示例性用戶界面的圖，包括跨越工件表面的掃描路徑的表示；
[0012] 圖5A-C是沿著跨越工件的掃描路徑段的表面輪廓的示意圖，示出與在工件掃描 操作期間可使用的兩種類型的Z高度感測系統(tǒng)的測量范圍有關(guān)的尺寸關(guān)系；
[0013] 圖6A-D是在機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式操作期間可用于對于高精度Z高度感 測系統(tǒng)定義沿著工件掃描路徑段的檢驗(yàn)操作的用戶界面的一個(gè)實(shí)施例的圖；
[0014] 圖7A和7B是可用于確定初始實(shí)際表面Z高度測量以確定沿著圖6A-6D的掃描路 徑段的精密3D掃描路徑，并且驗(yàn)證沿著該精密3D掃描路徑操作高精度Z高度感測系統(tǒng)的 結(jié)果的用戶界面的一個(gè)實(shí)施例的圖；以及
[0015] 圖8A和8B是示出用于確定并且使用第一類型Z高度感測系統(tǒng)的3D工件掃描路 徑的方法的流程圖，該第一類型Z高度感測系統(tǒng)在計(jì)量系統(tǒng)中相對較窄的Z高度測量范圍 提供更精密的表面Z高度測量，該計(jì)量系統(tǒng)還包括相對較寬Z高度測量范圍提供較低精度 表面Z高度測量的第二類型Z高度感測系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 圖1是根據(jù)在此描述的方法可用的一個(gè)示例性機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)（MVIS) 10的方 框圖。MVIS 10包括視覺測量機(jī)器12,該視覺測量機(jī)器12可操作地連接以與控制計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)14交換數(shù)據(jù)信號和控制信號?？刂朴?jì)算機(jī)系統(tǒng)14還可操作地連接以與監(jiān)視器或者顯示 器16、打印機(jī)18、操縱桿22、鍵盤24以及鼠標(biāo)26交換數(shù)據(jù)信號和控制信號。監(jiān)視器或者顯 示器16可以顯示適用于對MVIS 10的操作進(jìn)行控制和/或者編程的用戶界面，包括在此公 開的各種操作。
[0017] 視覺測量機(jī)器12包括可移動工件臺架32和光學(xué)成像系統(tǒng)34。MVIS 10通常與上 面討論的QUICK VISION?系列視覺系統(tǒng)和QVPAK?軟件以及類似的技術(shù)狀況的市售精 密機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)相當(dāng)。在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利號7, 454, 053、7, 324, 682、8, 111，905和 8, 111，938中也描述了 MVIS 10,每個(gè)通過引用合并在此。
[0018] 圖2是與圖1的MVIS 10類似的MVIS 100的控制系統(tǒng)部120和視覺部件部200 的方框圖?？刂葡到y(tǒng)部120用于控制視覺部件部200,并且包括在根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施 例中可用的特征。視覺部件部200包括：光學(xué)組件部205 ;光源220、230和240 ;跟蹤自聚 焦（TAF)部1000的部分或全部（替代地可以部分地位于控制系統(tǒng)部120中）；以及工件臺 架210,該工件臺架210具有中心透明部212。視覺部件部200還可以包括精密Z高度傳感 器300,在一個(gè)實(shí)施例中，該高度傳感器300可以包括精密Z高度傳感器光學(xué)部300A (或者 300A'）和精密Z高度傳感器電子部300B。在所示的實(shí)施例中，精密Z高度傳感器光學(xué)部 300A和物鏡250可以互相偏離。這不是對實(shí)施在此公開的本發(fā)明的要求。然而，這是典型 情況：當(dāng)精密Z高度傳感器是機(jī)器視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)的任選配件或者附加配件時(shí)，并且在這種 情況下在此公開的本發(fā)明和教導(dǎo)特別具有優(yōu)勢。工件臺架210沿著X軸和Y軸可控地可移 動，X軸和Y軸位于通常與工件20所在的臺架的表面平行的面中。任選配件部205包括攝 像機(jī)系統(tǒng)260和可更換物鏡250,并且可以包括具有鏡頭286和288的轉(zhuǎn)塔式（turret)鏡 頭組件280。作為轉(zhuǎn)塔式鏡頭組件的一種選擇，可以包括固定式的或者手動更換的變放大率 鏡頭，或者變焦鏡頭配置等。利用可控電機(jī)294,光學(xué)組件部205沿著通常垂直于X軸和Y 軸的Z軸可控地可移動。
[0019] 要成像的工件20或者保持多個(gè)工件20的托盤或者固定裝置位于工件臺架210 上。工件臺架210相對于光學(xué)組件部205移動，使得可更換物鏡250在工件（或者各工件）20 上的位置之間移動。臺架燈220、同軸燈230和表面燈240可以分別發(fā)出光源光222、232或 者242,以照亮工件20。光源230可以沿著包括鏡面290的路徑發(fā)射光232。光源光被作為 工件光反射或者透射，工件光255通過可更換物鏡250和轉(zhuǎn)塔式鏡頭組件280到達(dá)攝像機(jī) 系統(tǒng)260。攝像機(jī)系統(tǒng)260捕獲的圖像在信號線262上輸出到控制系統(tǒng)部120。光源220、 230和240可以分別通過信號線或者總線22U231和241連接到控制系統(tǒng)部120。為了改 變圖像放大率，通過信號線或者總線281，控制系統(tǒng)部120可以通過信號線或總線281使轉(zhuǎn) 塔式鏡頭組件280沿著軸284旋轉(zhuǎn)以選擇轉(zhuǎn)塔式鏡頭。
[0020] TAF部1000可以對半鍍銀鏡照射聚焦光251，并且通過物鏡250照亮工件20。聚 焦光通過物鏡250反射回，并且返回到TAF部1000中的焦點(diǎn)檢測器，然后該焦點(diǎn)檢測器可 以在信號線和/或者控制線或者總線上將測量和/或聚焦校正信號輸出到控制系統(tǒng)部120。 在各種實(shí)施例中，TAF部1000可以基于各種公知的聚焦傳感器技術(shù)，諸如刀口聚焦技術(shù) (knife edge focus technique)、提供大測量范圍的彩色共焦技術(shù)、或者Shack-Hartmann 型波前感測技術(shù)等等。在標(biāo)題為"System and Method for Controlling a Tracking Autofocus (TAF) Sensor in a Machine Vision Inspection System" 的共同未決美國專利 申請No. 14/052,579中描述了后者技術(shù)，在此通過引