專利名稱：基于圖像法的大直徑非接觸式測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種基于圖像法的大直徑非接觸式測量儀。
背景技術(shù)：
在機械加工行業(yè)中，我國已經(jīng)具備了回轉(zhuǎn)體軸盤類大直徑工件(直徑超過500mm)的機械加工能力，但是高精度的測量技術(shù)卻落后于機械加工能力。長期以來國內(nèi)外學(xué)者對此進行大量的研究，嘗試過的測量方法有幾十種。但是回轉(zhuǎn)體軸盤類工件大直徑的高精度測量技術(shù)仍然是當今尚未圓滿解決的世界性技術(shù)難題。
在實際的工程中，接觸式機械大直徑尺寸測量技術(shù)的現(xiàn)狀是依然停留在傳統(tǒng)的機構(gòu)測量方法的水平上(主要指游標卡尺法、外徑千分尺法、卡規(guī)法、π尺法，弓高弦長法)這些方法的共同特點是費時費力，量具笨重，測量精度不高(相對測量精度在0.1mm量級)，并且因人而異。滿足不了加工現(xiàn)場提出的越來越嚴格的要求。例如，舉世矚目的世界上最大的工程三峽工程中水輪發(fā)電機組的主軸止口直徑為3050mm，要求機械加工達到IT6級加工精度(測量誤差小于0.02mm/M)，這是目前所見報道中大直徑尺寸測量方法及測量儀器所達到的最高精度。實際工程急需一種大直徑尺寸測量的新方法、新的測量儀器，它應(yīng)滿足“以小測大”的小型化，非接觸式高精度的測量，并且適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型提供了一種基于圖像法的測量機械回轉(zhuǎn)體大直徑軸盤類工件內(nèi)/外徑、圓度的行位誤差的測量儀。
本實用新型的結(jié)構(gòu)包括實現(xiàn)移動物體的位移量測量的圖像傳感器[1]、確定被測工件位置的金屬傳感器[2]、進行數(shù)據(jù)累加、接口轉(zhuǎn)換和對圓周標記進行實時監(jiān)測的處理器[3]、顯示測量計算半徑和圓度的顯示器[4]，其中圖象傳感器[1]和處理器[3]之間電信號相連接，金屬傳感器[2]和處理器[3]之間電信號相連接，處理器[3]和顯示器[4]之間電信號相連接(見附圖1)。
本實用新型的工作原理是，首先把給金屬傳感器[2]提供檢測信號的金屬標記[7]固定在被測工件[6]的任意表面處，如附圖(3)所示，使固定于機床上的該測量儀通電開始工作，同時放在同一機床上的被測工件[6]開始勻低速轉(zhuǎn)動，然后金屬傳感器[2]感應(yīng)到金屬標記[7]同時給出被測工件[6]的起始信號，輸入到處理器[3]，并通過圖象傳感器[1]連續(xù)不斷地拍攝被測工件[6]的表面圖象，對圖象進行分析、處理后得出被測工件[6]的位移量，然后輸出給處理器[3]，處理器[3]對該位移量進行累加、計算，并將計算所得位移量輸出給顯示器[4]，進行被測工件[6]的直徑顯示。
本實用新型的優(yōu)點在于大直徑非接觸式高精度測量儀體積小，成本低，操作簡單，測量精度高；是目前唯一的集直徑、圓度測量為一體的軸盤類大工件在線、非接觸式高精度測量方法。隨著高分辨率成像器件技術(shù)的發(fā)展，測量精度將會得到進一步的提高。
它適用于機械加工領(lǐng)域中所有軸盤類大工件的在線高精度測量，將促進軸盤類大工件機械加工精度、加工水平的提高。改變目前測量技術(shù)對軸盤類大工件精密機械加工的制約。


圖1是基于圖像法的大直徑非接觸式測量儀的原理框圖圖2是圖像傳感器拍攝的位移圖像示意圖圖3是被測工件的直徑測量原理示意圖圖4是被測工件通過圖象傳感器的光學(xué)透鏡成像示意圖圖5是基于圖像法的大直徑非接觸式測量儀的電路圖具體實施方式
1.圖像法位移測量原理采用圖像法可以實現(xiàn)移動物體的位移量進行測量，測量原理非常簡單。當被測工件[6]移動時，在t1時刻拍攝到的圖像如附圖2(a)所示；在t2時刻拍攝到的圖像如附圖2(b)所示。由于現(xiàn)代高分辨率的圖像傳感器[1]是點陣結(jié)構(gòu)的。從t1和t2時刻拍攝到的兩幀圖像可以看出在Δt＝t2-t1時間間隔內(nèi)被拍攝工件[6]的像在水平方向上移動了六個圖像傳感器陣列點。假設(shè)圖像傳感器[1]是1600DPI，那么傳感器陣列點間距為25.4mm÷1600＝0.015875mm。所以Δt時間被測工件[6]移動的距離Δ1＝0.015875mm×6＝0.09525mm。由此可以看出圖像傳感器[1]的分辨率越高，測量精度就越高。
2.圖像法大直徑測量原理及方法根據(jù)圖像法的位移測量原理，附圖3給出了圖像法測量直徑原理的示意圖。圖中被測工件[6]在測量時順時針旋轉(zhuǎn)。在圖中的圖像傳感器[1]的分辨率可以達到1600DPI(每英寸1600點)。前面已經(jīng)給出了它的精度為15.875微米，它可以安裝在加工機床的刀架上。圖像傳感器[1]與被測工件[6]之間的距離可以采用塞規(guī)的方法控制。這個間隙的控制有兩個作用一是控制圖像傳感器[1]拍攝被測工件[6]的表面圖像時的聚焦，聚焦不好會引起測量誤差的增大；二是保證每次安裝間隙的一致性(該間隙的改變會導(dǎo)致測量誤差的改變)。圖像傳感器[1]的作用是以6400幀/秒的速度連續(xù)拍攝旋轉(zhuǎn)的被測工件[6]表面的圖像，同時實時進行圖像處理與模式識別。經(jīng)過模式識別既可以計算出相鄰兩幀圖像的位移量。在圖像傳感器[1]上安裝的金屬傳感器[2]，利用這個傳感器檢測臨時安裝在被測工件[6]表面的金屬標記[7](可以使用磁塊作為金屬標記，這樣現(xiàn)場測量會更方便一些)。通過金屬標記[7]的檢測可以啟動圖像傳感器[1]開始測量，當再次檢測到金屬標記[7]時表明一周周長測量結(jié)束。這樣在兩次檢測到金屬標記[7]之間由圖像傳感器[1]所測得的全部位移量的累加和就是被測工件[6]的周長。然后根據(jù)周長與直徑的關(guān)系計算出被測工件[6]的直徑。
如果要進行內(nèi)徑測量時，只要將圖像傳感器[1]安裝在被測工件[6]的內(nèi)側(cè)既可以進行測量。測量原理與測量外徑是一樣的。
圖像法實現(xiàn)機械回轉(zhuǎn)體軸盤類工件大直徑高精度測量方法巧妙、技術(shù)含量高，但是所采用的電路確十分的簡單，其原因是圖像方面的高技術(shù)處理完全由現(xiàn)成的CMOS光電鼠標實現(xiàn)。圖像傳感器[1]使用的1600DPI的CMOS光電鼠標，鼠標能夠完成6400幀/秒圖像的拍攝、圖像處理與模式識別，最后通過USB接口給出位移量數(shù)據(jù)。需要說明的是，一般鼠標的使用方法是移動鼠標；而在大直徑測量時鼠標是固定不動的，這并不影響實際的測量。因為鼠標對位移的測量只要求鼠標與被測工件[6]之間的相對位移。由于使用了鼠標，整個測量儀的電子設(shè)備就完成了90％，剩余的工作就是將鼠標給出的USB接口轉(zhuǎn)換為PS2接口，然后通過處理器[3]接收這些位移量數(shù)據(jù)。另外處理器[3]還必須實時記錄圓周信息，對圓周標記進行實時監(jiān)測。處理器[3]將一周內(nèi)的所有位移量數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)計算給出直徑/圓度行位誤差測量結(jié)果。并控制顯示器[4]顯示測量結(jié)果。該測量儀的具體電路圖如附圖5所示。該測量儀的處理器[3]選用8051型號的單片機。
3.圖像法大直徑圓度的行位誤差測量原理及方法根據(jù)圖像法大直徑測量原理可以進行圓度的行位誤差的測量。在被測工件[6]勻速旋轉(zhuǎn)的條件下，圖像傳感器[1]拍攝的速度是固定的，那么被測工件[6]旋轉(zhuǎn)一周所測得的所有位移量的測量次數(shù)進行整數(shù)劃分，例如等分成36，那么對應(yīng)將所測得的周長數(shù)據(jù)等分成36組數(shù)據(jù)，每組中的位移量累加和就是10度角所對應(yīng)的弧長，根據(jù)角度和弧長可以計算出半徑。所有36個半徑值即可以給出圓度的行位誤差。如果被測工件[6]不是勻速旋轉(zhuǎn)的話，可以在加工機床上采用角度傳感器的方法測量角度，那么金屬傳感器[2]可以被取替。
4.儀器測量精度的標定通過上述方法可以測量出移動物體的位移量。但是這個位移量需要進行修正，因為物體移動的真實距離與圖像法測量出的位移量之間還受圖象傳感器[1]中的光學(xué)透鏡[5]的影響。也就是說物體的實際位移量ΔL＝kΔl，這里的常數(shù)k是光學(xué)透鏡[5]造成的像與成像之間的比例變換，詳見附圖4。利用高精度光學(xué)尺很容易測量出物體的實際位移量ΔL，這樣就可以得出常數(shù)k。這就是圖像法大直徑測量儀的測量精度標定。從這里可以看出圖像法測量的測量精度標定方法十分簡單。我們將這種標定方法稱之為平面直線標定法。另外平面直線標定法得出的k值是隨被拍攝物體與光學(xué)透鏡[5]之間的距離變化而變化的。只有保持標定時kc值與實際測量時的km值不變，圖像法測量的測量精度的標定才有意義，測量結(jié)果才能真實有效。要保證kc＝km的話，就必須保證標定時光學(xué)透鏡[5]與被拍攝平面被測工件[6]表面之間的距離dc等于實際測量時光學(xué)透鏡[5]與被測工件[6]表面之間的距離dm。要做到這一點并不困難，采用機械弗塞規(guī)的方法控制這個距離即可。但是即使采用機械塞規(guī)的方法控制這個間隙的距離，實際工程中的機械安裝總是存在誤差的。塞規(guī)方法造成的間隙誤差達到10微米量級并不困難，由此造成k的誤差Δk正比于Δdc÷dc。其中dc是透鏡至距成像點的距離。因為dc＞＞Δdc通常情況下dc至少是Δdc的200倍量級。所以Δk是非常小的。由此造成的誤差Δk也是很小的。通過上述分析可以看出，圖像法測量的平面直線標定法對測量精度標定方法是可行的；對于測量儀機械安裝誤差所引起的測量精度的改變來講，塞規(guī)法也是可行的。
5.圖像法大直徑測量儀自身機械加工精度對測量精度的影響通過前面的分析可以得出這樣的結(jié)論圖像法大直徑測量儀的測量精度主要受圖像傳感器[1]的分辨率和圖像傳感器[1]的光學(xué)透鏡[5]與被測工件[6]表面之間的距離dm的精度影響，而與測量儀自身的機械加工精度無關(guān)。這就降低了測量儀機械結(jié)構(gòu)加工精度的要求，有利于測量儀產(chǎn)品化的生產(chǎn)。
通過上面的分析可以看出，采用點陣結(jié)構(gòu)的圖像傳感器對大直徑工件進行測量，影響測量精度的關(guān)鍵因素是圖像傳感器[1]的分辨率。近年來，高分辨率圖像傳感器技術(shù)發(fā)展很快，主要指標一分辨率在不斷地提高。相信不久就會有價格便宜、分辨率更高的傳感器上市。從這一點來看圖像法測量機械位移的精度還能隨著傳感器分辨率的不斷提高而提高；換句話說，圖像法在大直徑測量技術(shù)中的應(yīng)用，測量精度的不斷提高是有可能的。
權(quán)利要求1.一種基于圖像法的大直徑非接觸式測量儀，其特征在于其構(gòu)成包括圖像傳感器[1]、金屬傳感器[2]、處理器[3]、顯示器[4]；其中圖像傳感器[1]和處理器[3]之間通過電信號相連接，金屬傳感器[2]和處理器[3]之間通過電信號相連接、處理器[3]和顯示器[4]之間通過電信號相連接。
專利摘要本實用新型屬于一種基于圖像法的大直徑非接觸式測量儀。它由圖像傳感器、金屬傳感器、處理器和顯示器四部分構(gòu)成，它們之間通過相應(yīng)的接口電路相連接。由處理器完成圖像傳感器的上電初始化和測量數(shù)據(jù)的采集與處理，并用控制顯示器實時地顯示測量結(jié)果。該測量儀采用了現(xiàn)代高分辨率光學(xué)圖像成像、圖像處理和模式識別技術(shù)來實現(xiàn)周長/弧長的測量，巧妙地解決了大直徑高精度、非接觸式測量的問題。測量儀可以采用現(xiàn)有成熟的高精度(例如0.1um精度)測量儀器進行測量精度的標定；測量儀操作簡單，現(xiàn)場安裝方便，重復(fù)安裝之后的測量誤差小。可廣泛適用于各種機械回轉(zhuǎn)體大直徑軸盤類工件的外徑、內(nèi)徑測量和圓度的行位誤差測量。
文檔編號G01B21/30GK2872297SQ200520021749
公開日2007年2月21日 申請日期2005年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月13日
發(fā)明者蘇暢 申請人:哈爾濱工程大學(xué)