CN109596618A - 一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械工程中的机械制造技术领域和图像测量技术领域，特别涉及三维金相测试领域。一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量方法，将微观多相结构材料试件做成金相测试的试样通过第一砂轮、第二砂轮、第三砂轮进行试磨削，同时通过第一显微镜头、第二显微镜头、第三显微镜头采集试样上表面图像，用边缘检测、亚像素细分算法确定断层图像中各相边界的轮廓数据，用八领域连码跟踪和NURBS自由曲面重构方法进行各相封闭边界的三维模型重构，通过布尔运算得到各相的三维实体模型。

Description

一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量方法

技术领域

本发明涉及机械工程中的机械制造技术领域和图像测量技术领域，特别涉及三维金相测试领域。

背景技术

在颗粒增强型复合材料、多晶体金属以及多孔型材料等多相材料的制备、成型加工和切削加工的三维仿真分析和三维尺度的实体测量问题中，需要测量颗粒相、晶体以及孔隙的三维尺寸，并且生成反映多相材料实体的三维模型，为评价材料的制备质量或进行高精度三维仿真分析奠定基础。目前，在颗粒增强型复合材料、多晶体金属以及多孔型材料等多相材料的普通金相测试等二维尺度的测量分析已经相当成熟，但在三维尺度方面还处于探索阶段，一般采用二维金相结果来构建材料的三维金相形貌；这种方法具有一定的实用价值，但由于没有准确获取材料的三维数据，形成的三维金相与实际有一定的差距。采用工业CT法可以通过断层扫描的方法进行实体的三维模型重构，但是对于颗粒增强型复合材料和多晶体金属的三维模型重构，由于颗粒相和晶体的尺寸都在几微米到几十微米的尺度，工业CT的三维重构精度难以满足这类材料的要求而且成本高昂。层切法是近年来发展的一种破坏式的反求建模方法，目前主要进行金属材料构件常规尺度的三维测量与建模，精度为几微米到几十微米；美国UES公司开发的Robo-Met.3D全自动连续切片***，使用6自由度机械臂自动逐层地研磨和抛光材料，形成连续切片，通过对切片材料微观结构的金相蚀刻和成像，经后处理程序将连续切片二维图像重构生成三维模型，检测的精度达到微米级，但是检测效率不高。上述的三维重构方法和手段均难以满足颗粒增强型复合材料、多晶体金属以及多孔型材料等多相材料在微米到纳米级的三维测量和建模需求，需要一种新的方法来实现多相材料的三维实体高精度测量和模型重构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：改变和解决颗粒增强型复合材料、多晶体金属以及多孔型材料等多相材料中颗粒相、晶体和孔隙等微结构的三维测量和这类材料的三维模型重构难度大、精度低和成本高等问题，从而提供一种能实现多相材料实体测量和三维模型重构的装置。

本发明所采用的技术方案是：一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量装置，主要由高精度数控三轴移动平台，可转位精密平面磨抛装置，图像采集装置和附件部分组成：

高精度数控三轴移动平台包括：由底座（1）和处于底座（1）一侧与底座（1）垂直的立柱（4）组成三轴移动平台的机架主体，底座（1）上平行于立柱（4）的方向有一对X向导轨，X向导轨处于底座（1）前侧和后侧中部，X向导轨上有一个可在X向导轨上直线移动的X向工作台（31），X向工作台（31）平行于底座（1）；X向工作台（31）上有一对垂直于X向导轨的Y向导轨，Y向导轨上有一个可在Y向导轨上直线移动的Y向工作台（22），Y向工作台（22）平行于底座（1）；立柱（4）上有一对垂直于底座（1）的Z向导轨，Z向导轨处于立柱（4）中部，Z向导轨上有一个可在Z向导轨上直线移动的Z向工作台（38），Z向工作台（38）平行于立柱（4）；X向导轨由两条平行的X向第一直线导轨（32）和X向第二直线导轨（35）组成，Y向导轨由两条平行的Y向第一直线导轨（2）和Y向第二直线导轨（18）组成，Z向导轨由两条平行的Z向第一直线导轨（6）和Z向第二直线导轨（9）组成；X向直线往复电机（34）安装在X向第一直线导轨（32）和X向第二直线导轨（35）的中部，Y向直线往复电机（21）安装在Y向第一直线导轨（2）和Y向第二直线导轨（18）中部，Z向直线往复电机（5）安装在Z向第一直线导轨（6）和Z向第二直线导轨（9）中部；X向直线光栅（33）安装在X向第一直线导轨（32）和X向直线往复电机（34）之间，Y向直线光栅（19）安装在Y向第二直线导轨（18）和Y向直线往复电机（21）之间，Z向直线光栅（7）安装在Z向第一直线导轨（6）和Z向直线往复电机（5）之间。

可转位精密平面磨抛装置安装在Z向工作台（38）上，可转位精密平面磨抛装置包括与Z向工作台（38）固定连接的横梁（10），安装在横梁（10）上的砂轮转位电机（28），安装在砂轮转位电机（28）输出轴上的砂轮底座（36），安装在砂轮底座（36）上的第一砂轮电机（27）、第二砂轮电机（29）、第三砂轮电机（40），第一砂轮电机（27）输出轴上安装有第一砂轮（37），第二砂轮电机（29）输出轴上安装有第二砂轮（30），第三砂轮电机（40）输出轴上安装有第三砂轮（39），第一砂轮（37）的粒度大于第二砂轮（30）的粒度，第二砂轮（30）的粒度大于第三砂轮（39）的粒度。

图像采集装置包括通过夹板（12）与横梁（10）固定连接的图像采集器（11），图像采集器（11）下端连接图像采集电机（13），图像采集电机（13）输出轴上安装第一显微镜头（14）、第二显微镜头（15）、第三显微镜头（16）；第一显微镜头（14）的放大倍率小于第二显微镜头（15），第二显微镜头（15）的放大倍率小于第三显微镜头（16），第一显微镜头（14）的光轴、第二显微镜头（15）的光轴、第三显微镜头（16）的光轴在工作过程中平行于Z向导轨。

附件部分包括固定安装在横梁（10）上方的第二吊环（26）、安装在立柱（4）顶部的定滑轮（8）、安装在配重块（23）上的第一吊环（24）、安装在Y向工作台（22）上的托盘（3）、安装在托盘（3）里用于夹紧试样（20）的夹子（17），配重块（23）悬空，第一吊环（24）、第二吊环（26）通过安装在定滑轮（8）上的钢丝绳（25）连接。

作为一种优选方式：砂轮转位电机（28）输出轴的轴线、第一砂轮电机（27）的轴线、第二砂轮电机（29）的轴线、第三砂轮电机（40）的轴线均与Z向导轨平行；第一砂轮（37）的下端面、第二砂轮（30）的下端面、第三砂轮（39）的下端面在同一个平面上。

X向直线光栅（33）反馈X向工作台（31）的位置信号，Y向直线光栅（19）反馈Y向工作台（22）的位置信号，Z向直线光栅（7）反馈Z向工作台（38）的位置信号。

测量坐标系为一个立体直角坐标系，在测量坐标系中，X向导轨从左到右为X轴方向，X向工作台（31）向X向导轨左侧移动的极限位置的X轴坐标为0，Y向导轨从后到前为Y轴方向，Y向工作台（22）向Y向导轨后侧移动的极限位置的Y轴坐标为0，Z向导轨从上到下为Z轴方向，Z向工作台（38）向Z向导轨下侧移动的极限位置的Z轴坐标为0。

一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量方法，按照如下的步骤进行：

步骤一，将微观多相结构材料试件做成金相测试的试样（20），然后将试样（20）放置在托盘（3）上，然后通过夹子（17）夹紧试样（20）；

步骤二，启动砂轮转位电机（28）、X向直线往复电机（34）和Y向直线往复电机（21），使第一砂轮（37）位于试样（20）正上方，向下移动横梁（10），采用第一砂轮（37）对试样（20）进行试磨削，直到试样（20）表面全部被砂轮磨削到为止；

步骤三，保持横梁（10）位置不变，驱动X向直线往复电机（34）和Y向直线往复电机（21），使图像采集装置位于试样（20）正上方，启动图像采集电机（13），分别用第一显微镜头（14）、第二显微镜头（15）、第三显微镜头（16）采集试样（20）上表面图像，调节图像采集器（11），直到得到聚焦清晰的试样（20）表面图像，按照测试要求确定所采用的显微镜头，记下Y向工作台在测量坐标系中X、Y向的坐标值（x ₀,y ₀），将该位置作为采集图像时图像采集装置在测量坐标系中XY平面的位置点；

步骤四，采用张正友标定法，考虑二阶精度时的径向畸变，通过11×11微棋盘标定板对图像采集装置和步骤三中确定的显微镜头进行标定，获取图像采集装置和对应显微镜头的6个内部参数和2个外部参数矩阵，完成图像采集装置和对应显微镜头的标定；

步骤五，驱动X向工作台和Y向工作台，将试样移动到第一砂轮（37）下方；驱动Z向工作台（38）让可转位精密平面磨抛装置和图像采集装置一起沿测量坐标系的Z向进给，步长范围设为1~5μm的定值，先采用第一砂轮（37）对试样（20）进行粗磨削，再采用第二砂轮（30）对试样（20）进行细磨削，最后采用第三砂轮（39）对试样（20）进行抛光；保持图像采集装置的位置不变，记下图像采集装置在测量坐标系中的Z向坐标值z _i0 ，然后将Y向工作台（22）驱动到测量坐标系的（x ₀,y ₀）点，用图像采集装置和步骤三中确定的显微镜头进行试样（20）表面的图像采集，在该位置连续采集N张试样（20）表面的断层显微图像，记为：{ wp_image _i,j (u,v)| 1≤j≤N，1≤u≤U，1≤v≤V }，其中，u、v为断层图像像素点在图像坐标系中的坐标，图像坐标系为平面直角坐标系，在图像坐标系中，坐标原点位于断层显微图像的左上角点，u轴方向为断层显微图像的左上角点到右上角点，v轴方向为断层显微图像的左上角点到左下角点，U、V为u、v的最大值，i为该断层显微图像的层序号；

步骤六，对步骤五采集的N张图像分别进行中值滤波，并对N张图像中同一位置像素的灰度求平均值，进行图像预处理，得到灰度平均后的图像{ wp_image _i (u,v)| 1≤u≤U，1≤v≤V }，用Canny算子进行边缘求取，再用二阶距亚像素细分算法对得到的边缘进行细分处理，得到多相材料中各封闭相的边界在图像坐标系中的轮廓位置点集{ (u _i ,v _i )| p(u _i ,v _i )=1 }；利用图像采集装置的标定参数，将轮廓位置点集和采集图像时图像采集装置的Z向坐标z _i0 ，通过坐标变换记为测量坐标系中的坐标集{(x _i ,y _i ,z _i ) }；

步骤七，由八领域连码跟踪法进行多相材料中各封闭相的边界轮廓拟合，得到图像中每个封闭相边界的二维轮廓数据；再求出每个封闭相边界轮廓的长度L和包围的面积A，由式4A/L计算单个封闭相边界所包围空间的当量粒径，再比较求出该幅图像中粒径的最大值d _max；

步骤八，反复进行步骤五、步骤六的操作，直到磨削完M层，磨削深度达到最大粒径d _max的1.5倍，停止磨削和采集，记录每层断层显微图像的Z向坐标z _i （1≤i≤M）；得到试样（20）的全部断层序列图像{(z _i ,wp_image _i,j )| 1≤i≤M, 1≤j≤N}和断层序列图像在测量坐标系中的轮廓点云{(x _i ,y _i ,z _i )| 1≤i≤M }；

步骤九，对得到的试样断层序列图像的轮廓点云{(x _i ,y _i ,z _i )| 1≤i≤M }进行基于八叉树k领域的点云数据曲率精简，得到精简后的点云数据{ (x′ _i ,y′ _i ,z _i )| 1≤i≤M }；

步骤十，对经过点云精简的数据由八领域连码跟踪法进行封闭相边界所包围空间的轮廓拟合，得到图像中每个边界包围空间的二维轮廓；再对每个边界包围空间进行NURBS自由曲面重构，将得到的自由曲面转化为三维实体，得到每个封闭相边界所包围空间的三维几何模型；

步骤十一，以所有封闭相边界所形成空间的最外侧的边界作为所构建试样的三维模型边界，构建试样的三维立方体，以得到的各封闭相边界所包围空间为增强体，将三维立方体与增强体进行布尔求差，得到基体相的三维模型。

步骤十二，将基体相的三维模型和封闭相边界所包围空间的三维模型进行组合，但不进行布尔求和，即得到能分别反映各相的三维实体模型。

作为一种优选方式：该测量***采用非接触图像测量技术，通过沿Z向逐层磨削试样，并用图像采集装置相应地逐层获取多相材料试样的断层序列显微图像，用边缘检测、亚像素细分算法确定断层图像中各相边界的轮廓数据，用八领域连码跟踪和NURBS自由曲面重构方法进行各相封闭边界的三维模型重构，通过布尔运算得到各相的三维实体模型。

本发明的有益效果是：

（1）采用高精度数控三轴移动平台和可转位精密平面磨抛装置，对试样进行逐层微量精密磨抛的方法，得到试样的金相测试级表面，同时获取断层表面的高精度Z向位置数据和高度一致性的逐层断面中心X向和Y向位置数据；

（2）通过磨抛一层采集一幅显微图像来实现序列图像的获取，同时利用在Z轴进给时的高精度深度信息，形成试样的高精度断层显微序列图像，利用非接触图像测量技术获取断层显微序列图像中各相边界的轮廓数据，实现多相材料边界轮廓高精度三维位置信息的求取，提高各相边界轮廓数据测量的精度和效率；

（3）结合（1）和（2），利用NURBS自由曲面重构的方法构建出试样中每一个颗粒（晶体或孔隙）的三维实体模型，同时利用其边界轮廓的位置信息，确定其在试样中的分布，实现微观多相结构的三维模型重构及测量；解决了多相材料微观三维模型重构难的问题，具有方法简单、精度高、成本低、易实现的优点。

该方法能够实现颗粒增强型复合材料、多晶体金属以及多孔型材料等多相材料的三维实体尺寸测量和三维模型重构，为这类多相材料的制备、分析和仿真提供高精度微观多相结构三维模型和测量数据。

附图说明

图1是本发明所使用装置的结构示意图；

图2是图1的B向示图；

图3是图1的A-A剖示图；

图中：1、底座，2、Y向第一直线导轨，3、托盘，4、立柱，5、Z向直线往复电机，6、Z向第一直线导轨，7、Z向直线光栅，8、定滑轮，9、Z向第二直线导轨，10、横梁， 11、图像采集器，12、夹板，13、图像采集电机，14、第一显微镜头，15、第二显微镜头，16、第三显微镜头，17、夹子，18、Y向第二直线导轨，19、Y向直线光栅，20、试样，21、Y向直线往复电机，22、Y向工作台，23、配重块，24、第一吊环，25、钢丝绳，26、第二吊环，27、第一砂轮电机，28、砂轮转位电机，29、第二砂轮电机，30、第二砂轮，31、X向工作台，32、X向第一直线导轨，33、X向直线光栅，34、X向直线往复电机，35、X向第二直线导轨，36、砂轮底座，37、第一砂轮，38、Z向工作台，39、第三砂轮，40、第三砂轮电机。

具体实施方式

实施例一

一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量装置，主要面向颗粒增强型复合材料类型的试样，如图1所示，主要由高精度数控三轴移动平台，可转位精密平面磨抛装置，图像采集装置和附件部分组成：

高精度数控三轴移动平台包括：由底座和处于底座一侧与底座垂直的立柱组成三轴移动平台的机架主体，底座上平行于立柱的方向有一对X向导轨，X向导轨处于底座前侧和后侧中部，X向导轨上有一个可在X向导轨上直线移动的X向工作台，X向导轨与X向工作台构成滑动副，X向工作台平行于底座；X向工作台上有一对垂直于X向导轨的Y向导轨，Y向导轨上有一个可在Y向导轨上直线移动的Y向工作台，Y向工作台平行于底座，Y向导轨与Y向工作台构成滑动副；立柱上有一对垂直于底座的Z向导轨，Z向导轨处于立柱中部，Z向导轨上有一个可在Z向导轨上直线移动的Z向工作台，Z向工作台平行于立柱， Z向导轨与Z向工作台构成滑动副；测量坐标系为一个立体直角坐标系，在测量坐标系中，X向导轨从左到右为X轴方向，X向工作台向X向导轨左侧移动的极限位置的X轴坐标为0，Y向导轨从后到前为Y轴方向，Y向工作台向Y向导轨后侧移动的极限位置的Y轴坐标为0，Z向导轨从上到下为Z轴方向，Z向工作台向Z向导轨下侧移动的极限位置的Z轴坐标为0；X向导轨由两条平行的X向第一直线导轨和X向第二直线导轨组成，Y向导轨由两条平行的Y向第一直线导轨和Y向第二直线导轨组成，Z向导轨由两条平行的Z向第一直线导轨和Z向第二直线导轨组成；X向直线往复电机安装在X向第一直线导轨和X向第二直线导轨的中部，Y向直线往复电机安装在Y向第一直线导轨和Y向第二直线导轨中部，Z向直线往复电机安装在Z向第一直线导轨和Z向第二直线导轨中部；X向直线光栅安装在X向第一直线导轨和X向直线往复电机之间，Y向直线光栅安装在Y向第二直线导轨和Y向直线往复电机之间，Z向直线光栅安装在Z向第一直线导轨和Z向直线往复电机之间。

可转位精密平面磨抛装置安装在Z向工作台上，可转位精密平面磨抛装置包括与Z向工作台固定连接的横梁，安装在横梁上的砂轮转位电机，安装在砂轮转位电机输出轴上的砂轮底座，安装在砂轮底座上的第一砂轮电机、第二砂轮电机、第三砂轮电机，第一砂轮电机输出轴上安装有第一砂轮，第二砂轮电机输出轴上安装有第二砂轮，第三砂轮电机输出轴上安装有第三砂轮，第一砂轮的粒度大于第二砂轮的粒度，第二砂轮的粒度大于第三砂轮的粒度。

图像采集装置包括通过夹板与横梁固定连接的图像采集器，图像采集器下端连接图像采集电机，图像采集电机输出轴上安装第一显微镜头、第二显微镜头、第三显微镜头；第一显微镜头的放大倍率小于第二显微镜头，第二显微镜头的放大倍率小于第三显微镜头，第一显微镜头的光轴、第二显微镜头的光轴、第三显微镜头的光轴在工作过程中平行于Z向导轨。

附件部分包括固定安装在横梁上方的第二吊环、安装在立柱顶部的定滑轮、安装在配重块上的第一吊环、安装在Y向工作台上的托盘、安装在托盘里用于夹紧试样的夹子，配重块悬空，第一吊环、第二吊环通过安装在定滑轮上的钢丝绳连接。

砂轮转位电机输出轴的轴线、第一砂轮电机的轴线、第二砂轮电机的轴线、第三砂轮电机的轴线均与Z向导轨平行；第一砂轮的下端面、第二砂轮的下端面、第三砂轮的下端面在同一个平面上。X向直线光栅反馈X向工作台的位置信号，Y向直线光栅反馈Y向工作台的位置信号，Z向直线光栅反馈Z向工作台的位置信号。

实施例二

一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维模型建模测量方法，试样类型主要为颗粒增强型复合材料，按照如下的步骤进行：

（1）将颗粒增强型复合材料试件做成金相测试的试样，然后将试样放置在托盘上，然后通过夹子夹紧试样；

（2）启动砂轮转位电机、X向直线往复电机和Y向直线往复电机，使第一砂轮位于试样正上方，向下移动横梁，采用第一砂轮对试样进行试磨削，直到试样表面全部被砂轮磨削到为止；

（3）保持横梁位置不变，驱动X向直线往复电机和Y向直线往复电机，使图像采集装置位于试样正上方，启动图像采集电机，分别用第一显微镜头、第二显微镜头、第三显微镜头采集试样上表面图像，调节图像采集器，直到得到聚焦清晰的试样表面图像，按照测试要求确定所采用的显微镜头，记下Y向工作台在测量坐标系中X、Y向的坐标值（x ₀,y ₀），将该位置作为采集图像时图像采集装置在测量坐标系中XY平面的位置点；

（4）采用张正友标定法，考虑二阶精度时的径向畸变，通过11×11微棋盘标定板对图像采集装置和步骤（3）中确定的显微镜头进行标定，获取图像采集装置和对应显微镜头的6个内部参数和2个外部参数矩阵，完成图像采集装置和对应显微镜头的标定；

（5）驱动X向工作台和Y向工作台，将试样移动到第一砂轮下方；驱动Z向工作台让可转位精密平面磨抛装置和图像采集装置一起沿测量坐标系的Z向进给，步长范围设为1~5μm的定值，先采用第一砂轮对试样进行粗磨削，再采用第二砂轮对试样进行细磨削，最后采用第三砂轮对试样进行抛光；保持图像采集装置的位置不变，记下图像采集装置在测量坐标系中的Z向坐标值z _i0 ；，然后将Y向工作台驱动到测量坐标系的（x ₀,y ₀）点，用图像采集装置和（3）中确定的显微镜头进行试样表面的图像采集，在该位置连续采集N张试样表面的断层显微图像，记为：{ wp_image _i,j (u,v)| 1≤j≤N，1≤u≤U，1≤v≤V }，其中，u、v为断层图像像素点在图像坐标系中的坐标，U、V为u、v的最大值，i为该断层显微图像的层序号；

（6）对（5）采集的N张图像分别进行中值滤波，并对N张图像中同一位置像素的灰度求平均值，进行图像预处理，得到灰度平均后的图像{ wp_image _i (u,v)| 1≤u≤U，1≤v≤V }，用Canny算子进行边缘求取，再用二阶距亚像素细分算法对得到的边缘进行细分处理，得到颗粒增强型复合材料中颗粒相的边界在图像坐标系中的轮廓位置点集{ (u _i ,v _i )| p(u _i ,v _i )=1 }；利用图像采集装置的标定参数，将轮廓位置点集和采集图像时图像采集装置的Z向坐标z _i0 ，通过坐标变换记为测量坐标系中的坐标集{(x _i ,y _i ,z _i ) }；

（7）由八领域连码跟踪法进行颗粒增强型复合材料中各颗粒相的边界轮廓拟合，得到图像中每个颗粒相边界的二维轮廓数据；再求出每个颗粒相边界轮廓的长度L和包围的面积A，由式4A/L计算单个颗粒相边界所包围空间的当量粒径，再比较求出该幅图像中粒径的最大值d _max；

（8）反复进行（5）、（6）的操作，直到磨削完M层，磨削深度达到最大粒径d _max的1.5倍，停止磨削和采集，记录每层断层显微图像的Z向坐标z _i （1≤i≤M）；得到试样的全部断层序列图像{(z _i ,wp_image _i,j )| 1≤i≤M, 1≤j≤N}和断层序列图像在测量坐标系中的轮廓点云{(x _i ,y _i ,z _i )| 1≤i≤M }；

（9）对得到的试样断层序列图像的轮廓点云{(x _i ,y _i ,z _i )| 1≤i≤M }进行基于八叉树k领域的点云数据曲率精简，得到精简后的点云数据{ (x′ _i ,y′ _i ,z _i )| 1≤i≤M }；

（10）对经过点云精简的数据由八领域连码跟踪法进行颗粒相边界所包围空间的轮廓拟合，得到图像中每个边界包围空间的二维轮廓；再对每个边界包围空间进行NURBS自由曲面重构，将得到的自由曲面转化为三维实体，得到每个颗粒相边界所包围空间的三维几何模型；

（11）以所有颗粒相边界所形成空间的最外侧的边界作为所构建试样的三维模型边界，构建试样的三维立方体，以得到的各颗粒相边界所包围空间为增强体，将三维立方体与增强体进行布尔求差，得到基体相的三维模型。

（12）将基体相的三维模型和颗粒相边界所包围空间的三维模型进行组合，但不进行布尔求和，即得到能分别反映各相的三维实体模型。

实施例三

与实施例二不同之处在于：实现对多晶体金属材料层磨后的高精度三维金相模型重建。

实施例四

与实施例一不同之处在于：图像采集装置采用常规镜头，即第一显微镜头、第二显微镜头、第三显微镜头都为常规镜头，能够实现对多孔材料层磨后的高精度三维模型重建。

Claims (3)

1.一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量方法，按照如下的步骤进行：

步骤一，将微观多相结构材料试件做成金相测试的试样（20），然后将试样（20）放置在托盘（3）上，然后通过夹子（17）夹紧试样（20）；

步骤二，启动砂轮转位电机（28）、X向直线往复电机（34）和Y向直线往复电机（21），使第一砂轮（37）位于试样（20）正上方，向下移动横梁（10），采用第一砂轮（37）对试样（20）进行试磨削，直到试样（20）表面全部被砂轮磨削到为止；

步骤三，保持横梁（10）位置不变，驱动X向直线往复电机（34）和Y向直线往复电机（21），使图像采集装置位于试样（20）正上方，启动图像采集电机（13），分别用第一显微镜头（14）、第二显微镜头（15）、第三显微镜头（16）采集试样（20）上表面图像，调节图像采集器（11），直到得到聚焦清晰的试样（20）表面图像，按照测试要求确定所采用的显微镜头，记下Y向工作台在测量坐标系中X、Y向的坐标值（x ₀,y ₀），将该位置作为采集图像时图像采集装置在测量坐标系中XY平面的位置点；

步骤四，采用张正友标定法，考虑二阶精度时的径向畸变，通过11×11微棋盘标定板对图像采集装置和步骤三中确定的显微镜头进行标定，获取图像采集装置和对应显微镜头的6个内部参数和2个外部参数矩阵，完成图像采集装置和对应显微镜头的标定；

步骤五，驱动X向工作台和Y向工作台，将试样移动到第一砂轮（37）下方；驱动Z向工作台（38）让可转位精密平面磨抛装置和图像采集装置一起沿测量坐标系的Z向进给，步长范围设为1~5μm的定值，先采用第一砂轮（37）对试样（20）进行粗磨削，再采用第二砂轮（30）对试样（20）进行细磨削，最后采用第三砂轮（39）对试样（20）进行抛光；保持图像采集装置的位置不变，记下图像采集装置在测量坐标系中的Z向坐标值z _i0 ，然后将Y向工作台（22）驱动到测量坐标系的（x ₀,y ₀）点，用图像采集装置和步骤三中确定的显微镜头进行试样（20）表面的图像采集，在该位置连续采集N张试样（20）表面的断层显微图像，记为：{ wp_image _i,j (u,v)| 1≤j≤N，1≤u≤U，1≤v≤V }，其中，u、v为断层图像像素点在图像坐标系中的坐标，图像坐标系为平面直角坐标系，在图像坐标系中，坐标原点位于断层显微图像的左上角点，u轴方向为断层显微图像的左上角点到右上角点，v轴方向为断层显微图像的左上角点到左下角点，U、V为u、v的最大值，i为该断层显微图像的层序号；

步骤六，对步骤五采集的N张图像分别进行中值滤波，并对N张图像中同一位置像素的灰度求平均值，进行图像预处理，得到灰度平均后的图像{ wp_image _i (u,v)| 1≤u≤U，1≤v≤V }，用Canny算子进行边缘求取，再用二阶距亚像素细分算法对得到的边缘进行细分处理，得到多相材料中各封闭相的边界在图像坐标系中的轮廓位置点集{ (u _i ,v _i )| p(u _i ,v _i )=1 }；利用图像采集装置的标定参数，将轮廓位置点集和采集图像时图像采集装置的Z向坐标z _i0 ，通过坐标变换记为测量坐标系中的坐标集{(x _i ,y _i ,z _i ) }；

步骤七，由八领域连码跟踪法进行多相材料中各封闭相的边界轮廓拟合，得到图像中每个封闭相边界的二维轮廓数据；再求出每个封闭相边界轮廓的长度L和包围的面积A，由式4A/L计算单个封闭相边界所包围空间的当量粒径，再比较求出该幅图像中粒径的最大值d _max；

步骤八，反复进行步骤五、步骤六的操作，直到磨削完M层，磨削深度达到最大粒径d _max的1.5倍，停止磨削和采集，记录每层断层显微图像的Z向坐标z _i （1≤i≤M）；得到试样（20）的全部断层序列图像{(z _i ,wp_image _i,j )| 1≤i≤M, 1≤j≤N}和断层序列图像在测量坐标系中的轮廓点云{(x _i ,y _i ,z _i )| 1≤i≤M }；

步骤九，对得到的试样断层序列图像的轮廓点云{(x _i ,y _i ,z _i )| 1≤i≤M }进行基于八叉树k领域的点云数据曲率精简，得到精简后的点云数据{ (x′ _i ,y′ _i ,z _i )| 1≤i≤M }；

步骤十，对经过点云精简的数据由八领域连码跟踪法进行封闭相边界所包围空间的轮廓拟合，得到图像中每个边界包围空间的二维轮廓；再对每个边界包围空间进行NURBS自由曲面重构，将得到的自由曲面转化为三维实体，得到每个封闭相边界所包围空间的三维几何模型；

步骤十一，以所有封闭相边界所形成空间的最外侧的边界作为所构建试样的三维模型边界，构建试样的三维立方体，以得到的各封闭相边界所包围空间为增强体，将三维立方体与增强体进行布尔求差，得到基体相的三维模型。

2.步骤十二，将基体相的三维模型和封闭相边界所包围空间的三维模型进行组合，但不进行布尔求和，即得到能分别反映各相的三维实体模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于断面轮廓序列的微观多相结构三维建模测量方法，其特征在于：该测量***采用非接触图像测量技术，通过沿Z向逐层磨削试样，并用图像采集装置相应地逐层获取多相材料试样的断层序列显微图像，用边缘检测、亚像素细分算法确定断层图像中各相边界的轮廓数据，用八领域连码跟踪和NURBS自由曲面重构方法进行各相封闭边界的三维模型重构，通过布尔运算得到各相的三维实体模型。