单向器高精度尺寸自动化检测系统的设计与实现

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硬件系统
机械结构是硬件系统研发的关键技术之一。根据
实际情况决定采用以下两类机械结构： @ 类图像传感 器固定式； B 类图像传感器移动式。 @ 类又可分为单图像传感器、 双图像传感器、 多图 像传感器。B 类又可分为单导轨式 （ 用于测量轴向或 径向尺寸） 、 双导轨式 （ 用于测量两维尺寸） ， 无论是单 导轨式还是双导轨式， 都采用位置 （ 位移） 传感器。 +C # 专用图像测量平台 （ @ 类） 生产线产品的测量要素多， 既要测量产品的几何 要素和相关联结尺寸， 测量系统的不确定度在 D !9 以内 （ 工件加工精度为 %E %$ 99 ） ， 精度高。又要求非 接触测量， 要求系统具有很高的测量效率和可靠性。 为此， 专用图像测量平台以图像传感器为测量探 头， 采用分布式多探头的布局与同时采样的策略， 达到 高精度、 快速、 非接触、 低成本的测量与质量控制要求。 主要采用机械定位系统、 图像传感器测座和数字图像 信息与处理技术。对于不同的测量项目， 采用不同的 组合方案。在流水线产品变化时， 只要按新的工件测 量要求， 重新布局， 重新标定后， 即可工作， 系统具有相 当的柔性。专用图像测量平台结构如图 F 所示， 包括 以下几个部分：
成。 测量时， 通过移动工作台， 将工件移动到图像的视 场中， 通过采样命令， 将图像与工作台的坐标值读入计 算机。图像采集系统将工件的局部放大图形采样后读 入图像处理计算机。经过彩灰度过滤处理、 二值化处 理和图像处理， 得到工件轮廓在图像坐标下的相对坐 标阵列。工作台相对于图像传感器的坐标通过光栅信 号得到。这样， 工件轮廓的绝对坐标通过坐标转换计 算出。再进一步通过数据处理系统， 得到工件要素的 特征值， 如圆的中心坐标、 直径等。 （# ） 高精度机械系统： 作为高精度的仪器， 机械系 统由二维移动工作台， 进给机构， 光学照明部件组成。 测量范围 $,/ 00 1 #// 00。 （$） 高精度测量系统： 采用高精度的光栅位移测 量系统， 对工作台的移动进行实时测量。测量的分辨 率为 # !0。 （%） 图像处理系统： 图像采集系统由光学系统、 图 像采集和图像信息处理系统构成。 一般图像传感器像素空间分辨率为 2 !0， 工件的 图像必须通过光学系统放大与数据处理， 才能使图像 测量的分辨率达到 # !0 的量级。 （!） 数据处理系统软件： 包括： " 几何要素测量： 点、 线、 面、 圆、 椭圆； 直线度、 # 形位公差测量与评价： 圆度、 平面度、 同轴度、 平行度、 垂直度、 倾斜度、 跳动； 交点、 交线、 距离、 角度、 对称点、 对称线、 $要素联结： *++345 线、 投影； 曲线拟合与轮廓度评 % 曲线测量：
!"#$%& ’&( )"’*$+’,$-& -. /0,-1’,$2 3$%4 56"2$#$-& !$1"&#$-& 7"’#06Fra Baidu bibliotek&% 89#,"1 .-6 :#-*’,-6
&’( )*+,-+. （ /0123+-45 6-70489-+8，&3:2*3 ;<==-.-，&3:2*3 "$"%%% ，;>(） 汽车单向器高精度尺寸自动化检测系统集光、 机、 电、 计算机于一体， 能对多个种类 （ 轴类、 盘类、 法兰 类） 多种系列零件的各种尺寸与形状精 度 进 行 自 动 化、 通用化检测， 能快速、 准确地溶入流水生产线， 并能 进行数据采集、 保存、 统计等， 进行一定程度的质量分 析与质量管理， 具备高精度化、 自动化、 高速化和智能 化的特点。单向器高精度尺寸自动化检测系统的实施 和运用， 一方面将实现对在线产品的自动化检测和动 态质量管理， 对产品尺寸精度实行有效控制， 及时发现 质量波动信号， 解决存在的问题， 杜绝产品批量报废的 可能性； 另一方面以对在线产品实现自动化检测和动 态质量管理为突破， 在提升企业的产品质量和质量管 理水平的同时， 有效地降低产品成本并为企业生产能 力与规模的扩大创造条件， 从而提升企业信誉与形象， 提升企业的产品市场占有率和市场竞争能力。 软件系统。其中硬件系统包括： 机械结构、 传感器 （位 置传感器、 图像传感器） 、 采样卡 （ 位置采集、 图像采 集） 以及图像处理计算机。软件系统包括： 数据 （ 来自 位置传感器、 图像传感器的信息） 处理、 ;@6 接口、 结 果显示和 A 或打印、 统计等， 采用图形菜单方式。
在图 $( 的基础上， 通过特征的识别与处理， 得到 几条特征线段， 通过最小二乘或 )*++ 变换得到直线 方程。类似地， 还可得到其他的工件轮廓图， 得到特征 圆弧、 线段等基本几何要素的特征值以后， 经坐标转换 与数据处理， 将各个图像传感器内的相对坐标值， 转换 到整个工件的绝对坐标系， 再计算线段之间的距离， 最 后得到所需要的工件评价结果。
（$） 系统误差补偿： 由于机床导轨、 传动系统、 长 光栅和图形传感器等都可能产生误差。这些部分的系 统误差， 可通过事先标定得出。这些系统误差也存入 计算机， 测量与加工控制时通过计算机进行补偿， 使机 床的精度得到提高。 （% ） 测量计算机： 采用高可靠性的工业控制计算 机， 它的主要任务通过数据采集与控制接口， 将产品的 图像与坐标的数据读入计算机， 进行产品评价数据的 预处理， 完成尺寸测量所需的边沿特征量的提取， 处 理、 评价、 数据库管理。 （&） 图像采集系统： 是 本 设 备 的 传 感 器， 至关重 要。根据测量项目的要求， 摄像系统应具有高的分辨 率， 快速的响应能力。图像传感器测头的照明也是影 响图像质量的重要因素。根据以往的工程经验， 可选 择白色的环行 ’() 作为照明光源。
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对国内立式加工中心可持续发展之思考
王 鹤 王海英 郑淑萍
（ 沈阳机床集团中捷立式加工中心事业部， 辽宁 沈阳 $$%%&’ ）
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()*+ ,-，()*+ ,./0/12，3,4*+ 5678/12 （ 36912:/- ;-<=/>.? @.>6/1/12 A-1=-< B/C/D/91，56-10.12 @.>6/1- E99? +<978 ，56-10.12 $$%%&’ ，A,*） （ 第五 由上海移师北京、 扩大规模的 AA@E &%%F 届中国数控机床展览会） 展会， 以 “ 展示自主创新成 果， 推动重大专项实施” 为主题， 成为机床工具行业企 业展示成果与实力的舞台， 用户与制造企业交流与沟 通的理想平台。充分展示了中国数控机床最新的发展 成果。 数控机床关键功能部件及配套件的展品有： 数控 装置、 电主轴、 滚珠丝杠副、 直线电机和导轨副、 数控转 台、 数控刀架、 刀库与机械手、 防护装置等； 磨料磨具中 有超硬材料及制品； 工具展品有工具系统、 硬质合金和 超硬材料刀具、 涂层刀具等； 检验和测量仪器有三坐标 测量仪、 圆度仪、 激光干涉仪、 测长仪等； 软件展品有 A)B、 A)@、 A)4 、 A)K、 4LM 软件等。 此次展会的国产机床展品有 " 大亮点： 数控机床 的整体水平全面提升； 高档数控机床遍地开花； 卧式加 工中心增多， 一改往届立式加工中心为主的旧貌； 多家 企业大规模展出系列产品； 柔性制造系统 （ N@5 ） 成套 展品靓丽登场； 大型、 重型数控机床展品之多前所未 有。
（$） 图像传感器安装座： 图像传感器被安装在顶 部， 安装座本身有两个方向的调整机构， 又可在机械定 位系统中沿着工件轴向移动调整。这样， 图像传感器 就可在工件的侧上方沿轴向、 径向调整到测量部位， 上 下调整图像传感器达到要求的分辨率与清晰的图像。 （% ） 图像测量系统： 由图像传感器与数据采集构 成。多个图像传感器通过控制系统， 实现各个图像传 感器同时采样、 数据传输、 数据存储等。 （!） 数据处理系统： 图像采集系统将工件的局部 图形采样后读入图像处理计算机， 如图 $& 所示。经灰 度过滤处理， 删除背景， 得到灰度图。并通过最大方差 比、 分区域等处理将灰度图二值化， 得到图 $’。经过 对二值图腐蚀膨胀， 消除由于光线不均引起的原图反 光， 以避免二值图上的误判 （ 将物体当作景） 。通过平 滑增强、 减弱、 水平、 垂直边沿增强、 扩充、 侵蚀、 中值、 背景抑制等处理， 得到理想的二值图像 （ 算法对测量 精度的影响可通过标准样测定） ， 结果如图 $(。
单向器高精度尺寸自动化检测系统的设计与实现
林云峰
（ 丽水学院机械系， 浙江 丽水 "$"%%% ） 摘 要： 详细论述了单向器自动检测系统的工作原理、 系统结构以及实验结果。该系统的检测精度高于 !" !# $$， 检测速度%# % & 次， 零件综合合格率在 ’(" )* 以上， 具有高精高效性、 通用适应性和低价 位的特点。 关键词： 单向器 高精度 图像传感技术 自动化检测系统
（#） 机械定位系统： 包括工件的定位夹具与图像 传感器的安装与调整。
（, ） 标定系统： 每个图像测量传感器的像素所对 应的空间距离、 各个图像传感器之间的相对坐标， 事先 要严格标定。这些参数作为基本的数据， 存在计算机 内。 !- ! 通用图像测量平台 （ . 类） 为实现对生产线各种产品的在线检测， 需要有一 台通用的测量设备， 以满足非标准的、 特殊的测量要 求， 特别是一些复杂的工件测量。为此， 在整个生产的 质量保证系统中， 要设置一台通用的测量仪器。通用 图像测量平台由高精度的机械导轨、 测量系统、 图像采 集系统、 计算机数据接口与控制、 数据处理软件系统组
值、 最大值、 最小值、 合格率等可供显示和打印。数据 统计处理的结果如图 ! 所示。
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测量精度分析
（1） 图像检测系统的标定 图像传感器得到的图像是以像素为单位。工件的
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系统软件
系统软件基于上述控制系统硬件平台， 采用面向
影像， 从光学系统到图像传感器单元， 以及图像传感器 像素之间的距离等， 都影响工件空间尺寸测量的精度。 为此测量以前， 特别是机械系统， 在工件型号变动时， 都要对测试台的图像传感器测量系统的空间分辨率进 行标定。为此， 需要为测试台设计一个尺寸合适， 标定 方便， 可溯源的一个专用校准模板。 （2 ） 测量精度与误差分析 假设整个图形所对应的工件的实际尺寸为 $ 33 4 " 33， 相应的像素 &55 4 $55 ， 每个像素对应的空间 长度约为 56 51 33。通过大量冗余数据的处理， 可达 到亚像素级的处理精度。处理精度通过对机械系统、 图像传感器测量系统、 光学成像系统、 照明系统以至数 据处理等等方面予以保证。 （, ） 被测工件的安装位置 被测工件安装在机械定位系统中。保证较高的测 量精度， 轴向与定位系统平行度跳动控制在 " !3。 （!） 物距变化的影响 当工件转动时， 外圆的跳动、 曲率变化会造成光学 系统物距的变化， 引起图像传感器成像的误差， 如图 " 所示。误差计算公式如下：
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系统结构
单向器自动检测系统针对单向器的几何形状与测
量要求， 采用光机电一体化技术， 对生产线流水产品进 行测量， 实现产品几何精度的测量与评价和质量控制。 根据产品测量要素的不同要求， 整个系统采用通用测 量平台与专用测量检测设备构成， 实现曲线和几何尺 寸的测量。对产品的测试过程与状态进行实时监测和 显示， 实现对测试结果的自动分析、 计算、 打印测试报 告， 建立数据库和质量控制系统 （ ?;; ） ， 可对产品的 质量进行分析以及生产过程的质量控制提供技术支 持。 单向器自动检测系统的整体结构包括硬件系统和
对象的方法， 以 * + + 语言开发具有开放性的控制、 测 量和数据处理软件包。对于非数控测量设备， 其中的 数据采集和处理软件可单独使用。系统软件的结构如 图 , 所示。
系统采用计算机虚拟控制面板技术， 动态地显示 当前被测量数据。全图形屏幕中文显示， 可以方便地 设置试验代号、 产品编码、 操作人员姓名， 实验数据文 件等。 !- " 实时数据库管理 将系统测量采样数据、 处理与评价的特征值、 要素 名等存入数据库， 对数据库的记录可进行动态的显示， 具有追加、 查询、 选择、 存储、 调用、 删除、 打印和绘图等 功能。 !- # 数据的统计处理 系统可对测量数据、 计算结果进行统计分析， 建立 质量控制数据库。测量数据可进行查询、 打印、 绘图、 统计处理， 同 一 产 品 的 参 数、 . / 0 图、 直 方 图、 平均
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价模式， 事先将设计理论值输入计算机。测量时， 对工 件的截面进行图像测量， 提取二维测量数据， 并进行曲 线拟合。将测量与理论曲线按整体误差最小的原则进 行计算与误差分离， 得到测量曲线的轮廓度误差与位 置偏差。 （, ） 样板标定： 采用专用测量平台的校准样板， 也 可通过通用的测量平台进行标定。