轮廓测量范文

轮廓测量范文（精选7篇）

轮廓测量 第1篇

随着经济发展, 大型设备品种、产量逐年增加, 大型零件检测技术的研究与使用越来越重要。同时面对制造业的全球化, 我们越来越多地接触到国外的图样、国外的标注方式。我公司在与美国公司的合作中, 复杂形位公差的标注就被广泛地应用, 尤其是复合轮廓度。而对于此类复合形位公差, 国内还很少有资料给出明确定义, 只有通过学习国外的标准加上三坐标的强大功能, 才能很好地实现复合形位公差的检测。

1 复合轮廓度概念解析

1.1 一般面轮廓度误差定义及测量方法

面轮廓度的公差带是包络一系列直径为公差值t的球的两包络面之间的区域, 诸球的球心应位于具有理论正确几何形状的曲面上。国家标准GB/T1958-2004中, 利用三坐标测量装置测量面轮廓度的方法为:将被测零件放置在仪器工作台上, 并进行正确定位。测出若干个点的坐标值, 并将测得的坐标值与理论轮廓的坐标值进行比较, 取其中差值最大的绝对值的2倍作为该零件的面轮廓度误差。

1.2 复合轮廓度的种类及其概念

复合轮廓度是ASMEY14.5M (AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEER) 即美国机械工程师协会制定的“尺寸和公差标准”的一种标注方法。主要应用于位置公差比形状/方向公差大的标注中。我们介绍的是只有一个轮廓度符号的复合轮廓度的标注。复合轮廓度可以控制单个形体和阵列形体。它的下公差框格描述的是轮廓的大小、形状和方向或阵列形体间的相互位置关系。上公差框格描述的是轮廓的位置或阵列形体作为一个整体的位置。而下公差框格中的基准应该重复上公差框格中的部分或全部基准。同时下公差框格中的基准限制的是旋转自由度, 不限制移动自由度, 只定向不定位。受控特征必须同时满足2个公差带的要求。下面分别介绍单个形体的复合轮廓度和阵列形体的复合轮廓度。

1.2.1 单个形体的复合轮廓度

如图1所示, 下公差框格描述的是轮廓的大小、形状和方向, 上公差框格描述的是轮廓的位置。即0.8为位置公差, 0.1为形状公差。其形状公差带在位置公差带中可以上下左右移动或转动。实际轮廓必须同时位于2个公差带内。

如图2中的标注, 形状公差带在位置公差带中可以上下左右移动, 但不能转动。实际轮廓必须同时位于2个公差带内。

1.2.2 阵列形体的复合轮廓度

如图3所示, 最上面的公差框格是PLTZF (PatternLocating Tolerance Zone Framework) 称为阵列位置公差, 它控制了阵列形体作为一个整体的位置, 按相关基准定向并定位, 公差值比下公差框格大。下面的公差框格是FRTZF (Feature-Re-lating Tolerance Zone Framework) 称为形体相关公差, 它控制轮廓形体的大小、形状、方向及各形体间的相互位置关系, 相关基准只定向不定位。其公差值比PLTZF小。而下面公差框格的参照基准不同, 其控制轮廓形状的旋转和移动也会不同。如:

1) 如果下公差框格中没有基准, 则FRTZF可在PLTZF控制的公差带内任意移动或旋转;

2) 如果下公差框格中有参考基准, 则其约束FRTZF在PLTZF控制的公差带内的旋转。且这些基准必须按顺序重复上公差框格中的部分或全部。

2 CALYPSO中如何测量复合轮廓度

如图1零件图, 第一步, 先将零件放置在三坐标工作台面上, 将其安装定位。第二步, 求上公差框格的误差, 先以A建立坐标系空间旋转轴Z轴, B建立坐标系平面旋转轴Y轴, 并以A、B、C确定坐标系的坐标原点。然后在该坐标系1下采集被评价元素的测量点, 修改好被评价特性的理论值。第三步, 用ZEISS CALYPSO测量软件的面轮廓度评价指令直接评价其上公差框格的轮廓度误差。那么, 对于下公差框格的误差, 我们这样来评价。在“资源”菜单栏的“其它”下拉菜单中选择“几何元素最佳拟合”, 在几何元素最佳拟合1中的“选择元素”栏选择被评价元素, 坐标系选择以上建立好的坐标系1, 最主要的是在“评定约束”栏中, 选择被评价元素的约束条件, 即被评价元素可以绕Z轴转动, 沿X、Y轴平移。然后用面轮廓度评价指令在几何元素最佳拟合1里评价下公差框格的轮廓度误差, 即可。

3 结语

随着制造业的发展, 复合形位公差的应用将会越来越广泛, 我们需要结合先进的检测设备, 对于不同形式的标注, 研究总结出准确、快捷的检测方案, 来满足生产, 迎接发展。

摘要：详细描述了复合轮廓度的具体意义以及基本概念, 并说明了三坐标测量复合轮廓度的原理和方法。

关键词：复合轮廓度,三坐标测量机,单个形体,阵列形体,CALYPSO

参考文献

[1]Geometric Dimensioning&Toleracing:ASME Y14.5M-2009[S].

[2]产品几何量技术规范 (GPS) 形状和位置公差检测规定:GB/T1958-2004[S].

轮廓测量 第2篇

傅里叶变换轮廓术 (Fourier transform profilometry, FTP) 是结构照明型三维传感领域中运用较为广泛的一种方法, FTP以Ronchi光栅 (或正弦光栅) 产生的结构光投影到待测量的三维物体表面, 获取被测物体面形调制的变形条纹光场, 成像系统将该变形光场成像于CCD探测器上, 通过在计算机上与参考光栅原像的比较分析处理, 以获得物体的三维轮廓信息[1,2,3,4]。用该种方法获取的数据具有速度快, 系统结构简单, 精度较高, 适合计算机快速处理等特点。本文简要介绍了利用傅里叶变换轮廓术测量物体三维轮廓信息的基本原理, 并在实验室搭建了由LCD投影仪、CCD摄像机、图像采集卡和光学导轨等组成的光栅投影测量系统的硬件平台, 给出了由计算机重构后具有较好精度的三维轮廓图像及其实验的测量误差分析。

1FTP测量原理

FTP测量方法有以下几个步骤:

(1) 将光栅投影到被测物体表面, 对采集的参考光栅像和变形光栅像的空间域信号分别进行傅里叶变换, 以得到其频域信号;

(2) 在频域内对其做滤波处理, 留下有用的基频分量;

(3) 对基频分量分别进行傅里叶逆变换, 在空间域内进行相位的展开;

(4) 根据相位与高度之间的关系, 得到被测对象的高度信息。FTP测量系统的光路原理如图1所示。图中, G为正弦光栅原像;P为投影系统;C为CCD摄像机系统;S为图像监视器。在参考平面上, 根据摄像机和投影仪连线与参考平面平行, 投影仪光轴与摄像机光轴平行时, 被测物体表面的高度与相位差之间的映射关系为:

式中:L为CCD入瞳到参考平面的距离;D为投影系统出瞳到摄像机入瞳的距离;f0为光栅像的基频;Δφ (x, y) 为物体高度分布引起的相位差调制。

在L>>h (x, y) 的情况下, 令tanθ=D/L (θ为投影仪光轴与摄像机光轴之间的夹角) , 则有:

从式 (2) 可知, 测量物体重构的精度与相位测量精度、光栅像的基频及投影仪光轴与摄像机光轴之间的夹角密切相关。光栅投影测量系统结构如图2所示。

2实验测量系统的搭建

2.1 测量系统组成

FTP测量系统由LCD投影仪 (Philips, 分辨率为1 024×768) 、标准工业用CCD摄像机 (分辨率为800×600, 镜头为焦距f为6～12 mm, F=1.4的Avenir镜头) 、图像采集卡、计算机和监视器组成。其投影图像由计算机产生, 通过LCD投影仪将正弦光栅投影到被测物体表面, 用CCD摄像机采集参考光栅图像和变形光栅图像, 经由图像采集卡对CCD视频信号进行滤波、放大处理, 由A/D转换器件对连接的视频信号在时间上进行等间隔采样, 并进行量化、编码, 将视频的模拟量转变成数字量, 最后存储到计算机内存或硬盘, 以待后续的计算机程序处理。该测量系统主机的视频输出线直接连到投影仪, 再将投影仪的视频输出通过视频线连接到显示器, 该方法的计算机可以同时控制光栅图像的投影和采集, 而且可以控制投影光栅图像的周期及初始相位的随意更换, 使实验显得更加灵活, 容易控制。

2.2 搭建实验平台

所搭建的实验平台如图3所示。根据被测物体外形大小及轮廓高度的变化特征, 经过多次的实验和参数优化处理, 可得到光路系统的一个最佳参数设置, 其中CCD摄像机光心到参考平面的距离L约为104 cm, LCD投影仪光心到CCD摄像机光心的距离约为15 cm, 参考平面上光栅节距为3.18 lines/cm。

2.3 测量实验步骤

在FTP测量方法中, 为了避免变形光栅的相移变化过大, 引起频率混叠, 造成被测物体高度的严重失真, 实验测量选取以表面曲率变化较为平滑的人形面具作为测量对象, 如图4所示。实验以CCD摄像机与LCD投影仪光心连线不平行、两者光轴相交的系统结构, 系统调整时摄像机和投影仪的位置摆放无需非常严格, 其相对位置误差可以通过高度z标定来进行补偿, FTP的测量实验流程如图5所示。

3实验结果及误差分析

通过运行Matlab程序对CCD摄像机拍摄到的图像进行处理, 可以得到原物体的三维网络图形, 如图6所示。在参数选择和优化上对系统量进行稍微调整, 可得到图像较好的重建精度。标定中, 标定板在光学导轨上的移动距离由步进电机精确控制, 每次步进距离真值为5 mm, 行程为-35～+35 mm共15组图像, 对15组图片在z方向的测量误差进行统计如表1所示, 其最大测量误差不超过0.03 mm, 标准误差为0.025 6 mm, 如图7为10 mm处的图像误差分布情况。

由于傅里叶变换轮廓术采用傅里叶变换、频域滤波和傅里叶逆变换的方式从变形光栅图中恢复出被测物体的三维面形分布, 故频谱混叠仍是影响测量精度的最重要因素, 通过参数选择和优化, 对测量范围做出限定条件, 有效地防止了携带有用信息的基频分量同其他频率分量之间的混叠情况。从整个实验来分析, 实验设备、实验环境、计算方法等因素都对系统测量结果存在一定的误差。误差按性质可分为系统误差和随机误差。其中, 系统误差包括光学成像误差、计算方法误差和标定误差。随机误差主要来源于图像噪声干扰、光源闪烁等影响。在参数选择和优化过程中, 还需要注意LCD投影仪光轴与CCD摄像机光轴之间的夹角越大, 系统的测量精度越高, 但是夹角过大会使视场变小, 影响系统的测量范围, 一般控制夹角在20°～30°之间可取得较好的测量精度。另外, 也可以利用正弦光栅+π相移或正弦光栅+物体灰度图的方法[5,6], 去除背景项与高频项, 使得傅里叶变化轮廓术的测量范围得到相应的拓宽改进。

4结语

从整个实验过程可以看出, FTP测量方法对测量对象的选取具有一定的限制, 如其表面曲率变化不能太大, 以选取平滑的面形物体最佳, 在相位展开部分也会产生较大的误差。这些因素的限制, 使得实验系统的参数选择和优化极为重要, 需要不断研究调整测量系统, 使测量结果趋于最优化。此外, LCD投影仪光轴与CCD摄像机光轴之间的夹角与系统的视场范围之间存在相互制约的关系, 可利用等效波长的概念, 压缩夹角, 以提高投影光栅的空间频率, 既保证系统在频域中避免各次频谱混叠的测量精度, 又保证系统的视场范围。

摘要：为了快速、高精确度地得到物体的三维轮廓信息, 在此利用傅里叶变换轮廓术, 将被测物体置于光栅投影下, 采集变形光栅图像, 根据被测物体表面的高度与相位差之间的映射关系, 通过在计算机中与参考光栅原像的比较分析, 以获得被测物体的三维轮廓信息。实验中搭建了由LCD投影仪、CCD摄像机、图像采集卡和光学导轨等组成的光栅投影测量系统的硬件平台, 提出了用1台计算机同时控制投影和采集处理光栅图像, 根据映射关系在多次实验中不断修改优化测量参数, 做到既不影响视场范围, 又保证较高的测量精度, 并给出了由计算机重建后较好的三维轮廓图像精度及其实验的测量误差分析。

关键词：FTP,三维轮廓测量,光栅投影法,三维重构

参考文献

[1]潘伟, 赵毅, 阮雪榆.采用光栅投影的三维测量方法[J].光电工程, 2003, 30 (2) :28-31.

[2]苏显渝, 谭松新, 向立群, 等.基于傅里叶变换轮廓术方法的复杂物体三维面型测量[J].光学学报, 1998, 18 (9) :1228-1233.

[3]黄文宇, 龚建伟, 陆际联.基于傅里叶变换移相测量的相位测量轮廓术[J].北京理工大学学报, 2000, 20 (6) :715-719.

[4]陈文静, 苏显渝, 谭松新.Fourier变换轮廓术中对测量系统的基本要求[J].光电子.激光, 1999, 10 (6) :535-539.

[5]陈文静, 苏显渝, 苏立坤, 等.利用灰度图提高Fourier变换轮廓术的测量精度[J].光电工程, 2000, 27 (3) :56-59.

[6]李满海, 陈文静, 陈锋, 等.基于FTP的动态相位展开方法的研究[J].激光杂志, 2004, 25 (6) :19-22.

[7]彭瑾, 王黎, 高晓蓉, 等.Fourier变换轮廓术中参数的选择和优化研究[J].现代电子技术, 2009, 32 (2) :98-101.

[8]步鹏.提高傅里叶变换轮廓术测量精度及速度的方法研究[D].成都:四川大学, 2004.

[9]吴双卿.光栅投影三维形貌测量技术的研究[D].成都:西南交通大学, 2005.

[10]SU Xian-yu, ZHOU Wen-sen.Automated phase-measuringprofilometry using defocused projection of a Ronchi grating[J].Optics Communications, 1992, 94:561-573.

[11]CHEN Wen-jing, BU Peng, ZHENG Su-zhen, et al.Studyon Fourier transforms profilometry based on bi-color pro-jecting[C].Proceedings of 20th Congress of the Interna-tional Commission for Optics.[S.l.]:[s.n.], 2005.

轮廓测量 第3篇

关键词：精密零件,尺寸测量,误差补偿

1 引言

伴随着科技的前进, 制造程序自动化快速前进以及精密制造的普遍使用, 对制作的机器工件的精准性要求越来越高, 精密性工件的大小度量问题也慢慢的受到人们的关注, 现代化工业制造的水准是凭借精准的工件大小度量措施。现在机器工件变得更加繁琐, 从单一模型朝着多模型前进, 精密性高的工件日益增多, 各种各样的工件对外表的需求也日益增多, 所以对大小度量检测措施也日益提升。现在机器工件很多都是使用工厂加工线的加工形式, 巨量的工件是从分散在各个不一样地方的工厂制造, 然后装置在一件产品中, 因为不一样的范围制造加工规模不一样, 这就需要提升对每一个工件大小测量的精密度, 检测它是不是符合标准。由于工件大小是不是精确, 对机器设备等各式设施的品质、工作状况、安全性、抗磨性、噪音以及工作时间都有着很大程度的影响, 所以有关智能的工件大小度量手段也慢慢的成为学者探索的对象。

2 零件尺寸测量原理

现在对于机器工件大小度量的手段主要是经过人工进行检测, 借助特殊的工具实现大小的度量, 对于智能化的工件大小度量大多是经过提取工件的大小边沿像素, 之后和完整的工件照片进行对比开展相减操纵, 借助相减的差异值经过直径抑或角度值进行算计, 获取真正的大小, 在设立的工件大小的缺陷阀值时, 假如得到的数值要比阀值大, 那么就能够认定工件大小是不达标的, 如果得到的数值要比阀值小, 那么经过计算, 得到真正的阀值, 这种计算方式的详细检测道理, 是根据:

2.1 零件图像的初始化

零件图像初始化。考虑到零件所处的不同环境的变化, 光照限制等实际的情况, 对采集的零件图片边沿可能因为细微的缺陷原因造成像素丢失, 影响下一步尺寸计算的结果, 通过一些图像的预处理可以很好的提取更多零件的边沿尺寸信息。

2.2 零件待计算像素定位

在像素的基础上计算工件大小的手段具有一点问题。使用阀值的宗旨是考虑在度量大小的过程中存在差异。不过当要进行测量的工件是高精准性时, 对于一些高精准度的大小使用像素距离方式没有办法精确的计算出来, 如果工件的图片和规范大小图片之间只有很细小的差距时, 计算出来的结果和规范数据差不多, 没有太大出入, 大小的差异不符合阀值需要, 会判断为合格产品。不过这对精准度高的工件来讲, 这种算计差异已经是错误辨别工件大小不达标的根据, 所以不能够实现对工件高精准性的度量, 致使计算方式对精准性工件大小度量的准确性干扰。

针对传统算法的缺陷, 本文提出一种基于误差补偿的零件尺寸计算方法。通过补偿计算过程中产生的误差, 解决了上述算法中的问题, 使其能够比较精准的计算高精密零件尺寸, 提高计算精度。

3 误差补偿的零件尺寸测量

度量精准性工件最经常使用的方法是算计用位置对比方式, 经过将需要进行测量的工件定位在规范大小模型上, 其定位大小为依据确定大小, 定位方位能够划分为等待检测工件点、线面的地方。针对小型但精准度高的工件来讲, 精准性大多在二毫米以内。现在在定位度量的基础上关键是在坐标的差异程度为基础开展算计, 使用像素视觉的措施, 可以减少对高精准度工件的直接触碰, 降低误差, 迅速精确的得到每个孔的大小以及方位度差异, 精准的得到工件的大小。

3.1 初步误差计算分析

对一个高精密空间均匀分布的机械零件进行尺寸测量, 能够得到误差极小的结果, 一般的结果误差范围都在小数点后2位, 这样的测量结果对一般的机械零件也能够满足要求了, 但是对于一些高精密零件来说, 这样的结果还是略显粗糙, 需要得到更为精密的结果。因此需要在原来的基础上进行一系列的补偿工作。

3.2 偏移误差补偿

上文求出的结果不够精准的一个主要原因就是偏移误差不够精确。偏移误差是相对于真实的偏移角度来说的, 所以要求出高精度的偏移误差就要先确定真实的、准确的偏移角度, 一旦高精密零件真实的偏移角度确定以后, 根据其与相邻零件组成不分的结构特性, 也能求出一个相对准确的偏移误差补偿量。

确定精密零件真实偏移量的原则是, 真实的偏移误差位置应该满足条件最小收敛性, 也就是这个实际误差值应该是所有相关部分与其对比后, 求出的共性误差最小的那个值。

3.3 距离误差补偿

距离差距是, 在进行一些距离算计时不能够完全的获取真实的数据存在一定的差异, 下面论述了对偏移差异开展弥补, 获得最佳的方位度量数据。测量距离时, 任何点的选择对最终的度量成果都存在影响, 只要有一个点没有选择对, 那么测量数据就肯定会存在差异, 选择不对的点越来越多, 那么最后获得的数据和实际数据就相差越多, 为了补偿这个误差, 对高精准度的机器工件开展距离差异弥补, 综合上一节的便宜差异弥补, 获取最佳距离位置, 获取最真实的大小值。

在偏移角度误差确定之后, 通过弥补角度上的不足来求得距离误差, 如果实际测得的距离尺寸数据比真实的数据要大, 误差设为正向, 可以利用计算出的较大误差对对应的点进行距离补偿, 距离尺寸补偿的原则也是要求满足共性收敛的条件, 即距离补偿后没点的平均距离误差达到最小, 也就是距离补偿后平均距离误差达到最小。具体的方法步骤如下:

(1) 找到偏移度最大的测试点, 测得该点的偏移角度, 设为a。

(2) 计算出补偿的单位距离q, 根据计算出的最大补偿距离, 除以补偿的次数, 就是单位补偿距离, 最大补偿距离为多层实际测得距离与实际距离的差值的平均距离。

(3) 计算偏转角度后, 把角度除以需要偏转的次数, 求出每次需要偏转的角度, 按次偏转, 记录下每次偏转后的距离误差值。

(4) 没偏转一次, 与实际误差值进行做差操作, 求出移动后每次的误差值, 运用每次得到的结果迭代计算, 使得求得的值逐渐变小。误差成下降趋势。

(5) 假如获取的差异结论数据没有改变, 表明差异结论已经降到最低, 获得的最后距离差异为弥补差异, 使用这种结论对最终结论开展弥补操纵。

使用上面所讲述的方式, 可以精准的对高精准度机器工件的大小度量结论开展弥补。最终实现精准度量。

4 结束语

文章提出了一种在误差基础上进行弥补的高精密机器工件大小度量方式。经过对工件开展大小度量偏差以及便宜角度度量差异的弥补, 准确度量高精密工件的真实大小。防止以往算计中具有的毛病, 伴随着工业智能化的前进, 文章中提出的算计方式具有现实以及实用意义。

参考文献

[1]孙亦南, 等.二维几何图形测量中的边缘定位算法研究[J].计算机仿真, 2011, 4:35-37.

[2]张少军, 苟中魁.利用数字图像处理技术测量直齿圆柱齿轮几何尺寸[J].光学精密工程, 2004, 12 (6) :619-625.

轮廓测量 第4篇

支架是轮廓测量装置的关键部件之一, 也是轮廓测量装置的重要承载结构件, 支架的设计精度与加工精度将直接影响轮廓测量装置的几何精度与位置精度。因此, 在支架的设计与制造过程中, 需对支架进行静态特性分析并进行优化, 以提高支架的几何精度, 从而保证整机的精度[1]。本文基于ANSYS的静态分析结果, 通过建立响应面模型, 以多目标遗传算法对响应面模型进行优化, 从而提高支架的优化效率[2]。

1 轮廓测量装置典型结构

轮廓测量装置主要包括:外水套、外水套法兰、轮廓仪支架、内水套、水套支撑组件和工件支撑架等。本文以攀钢集团研究院有限公司研发的某型材轮廓测量装置的支架为研究对象, 如图1所示, 对其进行静态分析与优化。

2 支架三维模型建立

利用Pro/Engineer软件建立支架的三维实体模型, 如图2所示。在建模过程中, 为便于网格划分与提高计算速度, 对结构进行了适当简化, 删除了部分结构特征, 如螺纹定位孔、倒角和圆角等。通过接口命令, 将简化后的支架实体模型导入至ANSYS中[3]。

3 支架静态特性分性

1) 有限元模型建立

在ANSYS中设置支架的材料为:Q235A, 弹性模量为200GPa, 密度为7850kg/m3, 泊松比为0.3。选择六面体单元, 利用自由网格划分方式对其进行网格划分, 得到支架的有限元模型, 如图3所示, 共有105126个结点, 31942个单元。

2) 静态特性分析

对支架进行网格划分后, 还需对其进行边界条件设置, 主要包括约束条件和载荷。根据支架实际工况, 对支架有限元模型进行相应处理:

支架左侧两个直径10mm的圆孔为安装孔, 限制其所有方向的自由度。支架右侧4个直径8mm的圆孔为承载受力孔, 根据计算结果可知, 每个孔受力为30N;同时, 对支架整体施加重力载荷, 设置边界条件后, 即可对支架进行静态特性分析, 分析结果如图4所示。

根据有很元分析结果得知:支架的最大变形位于支架右侧, 其值为0.054mm;最大应力为20.046MPa。根据分析结果可知支架的最大变形较大, 为提高支架精度, 需对支架进行优化以减少支架的最大变形与最大应力。

4 支架优化设计

1) 确定设计变量

为了对支架结构进行优化, 需选取一定尺寸参数为设计变量, 而支架是由厚度不等的Q235板材焊接而成的钢结构件, 所包括的尺寸变量录较多。如果将所有尺寸变量均设为设计变量, 则将导致计算规模太大, 为此选取下述4个变量作为设计变量, 如表1所示。

2) 灵敏度分析

通过对设计变量进行灵敏度分析, 可以得出设计变量的变化对输出变量变化的影响程度[4]。

图5给出支架最大变形和最大应力与设计变量的灵敏度分析结果, 它反映了设计变量与支架最大变形和最大应力之间的关系。若图中灵敏度值为负, 则表示随着设计变量的增加, 对应的输出变量将下降。从图中可以得出:设计变量P2、P3和P4对最大变形的影响较大;设计变量P1、P2和P3对最大应力的影响较大。

通过对各设计变量进行灵敏度分析, 可以得出:

设计变量P2, P3和P4对支架最大变形影响较明显, 合理的改变这些尺寸参数对减小最大变形有一定作用, 图6给出P2, P3和P4对最大变形的灵敏度图。

从图7中可以看出, 设计变量P1, P2和P3对支架结构的最大应力影响较大, 改变这三个设计变量的尺寸对支架结构的最大应力的降低有一定作用。

3) 响应面模型分析

进行试验设计时, 首先要设置各设计变量变化范围, 如表1所示。采用CCD (中心复合试验) 进行试验设计, 共4个设计变量, 样本点总数为25个。对支架在各样本点下进行静态分析, 将分析所得到最大变形与最大应力定义为输出响应[5]。

图8和图9分别给出设计变量在不同取值范围下最大变形与最大应力的响应曲面。

因此, 对支架进行优化设计一定要适应轻量化设计原则, 即不能以牺牲支架质量为代价来提高支架静态性能, 而支架质量的降低又与提高静态性能相矛盾, 故需合理的修改支架尺寸参数。

4) 多目标优化

在完成灵敏度分析和响应面建模的基础上, 即可对支架的设计变量进行优化。将支架初始设计状态下的质量设置为约束条件, 使优化后该值低于或等于初始值。以最大变形和最大应力最小化为优化目标, 采用多目标遗传算法 (MOGA) 进行求解[6]。

通过多目标遗传算法与帕累托法则进行计算后, 获取一系列Pareto最优解, 如图10所示, 其中Feasible points即代表可行解。Tradeoff图是一个折中图, 以支架最大变形为横轴, 最大应力为纵轴。

从图10中只可以看出, 随着支架的最大变形降低, 最大应力呈上升趋势, 两者很难同时达到最优, 只能根据特定设计要求与工艺要求, 从中选择所需优化结果, 表2给出了五组最优解。经分析, 同时综合考虑制造工艺要求, 选择最优解1为优化结果。

5 结论

支架经多目标优化后, 最大变形从最初的54.14μm降低至33.41μm;最大应力从20.05MPa降低15.75MPa, 分别降低了38%和21%, 达到了优化设计的目的。优化结果表明本文所提出的优化方法具有一定的工程实用性, 而且也为研发类似结构提供了一个切实可行的办法。

摘要：为提高轮廓测量装置支架的精度, 有效防止支架变形, 提出以降低支架最大变形和最大应力为目标的多目标优化设计方法。利用有限元软件ANSYS对支架进行静态特性分析, 基于静态分析的结果, 结合中心复合试验设计方法进行响应面建模, 采用多目标遗传算法对响应面模型进行优化, 从而获得Pareto最优解集。优化后支架最大变形和最大应力分别减少了38%和21%, 表明所提方法具有一定的工程实用性。

关键词：支架,有限元分析,响应面模型,优化设计

参考文献

[1]施昱, 孟宾宾, 傅菁菁.基于ANSYSWorkbench的钢格板剪床刀具优化设计[J].制造业自动化, 2014, 35 (12) :32-34.

[2]廖萍强, 周陈全, 倪红军, 等.基于Workbench的电池组支架结构分析及优化[J].制造业自动化, 2014, 36 (7) :30-32.

[3]Zheng Bin, Yin Guofu, Huang hui, et al.Optimization design for fixed table of gantry machining center based on sensitivity and topology analyses[J].Journal of Donghua University (English Edition) , 2013, 30 (4) :263-268.

[4]姜衡, 管贻生, 邱志成, 等.基于响应面法的立式加工中心动静态多目标优化[J].机械工程学报, 2011, 47 (11) :125-133.

[5]R.H.Myers, D.C.Montgomery.Response surface methodology[M].New York, Weily and Sons, 1995.

二维表面轮廓测量仪测试系统的开发 第5篇

关键词：轮廓测量仪,测试系统,数据采集处理

表面形貌的测量和评定是国内外摩擦学和表面计量学领域的一个重要研究方向,所以目前迫切需要开发研制高精度、微位移、大量程的测量仪器。当前普遍应用的测量方法主要有机械触针式测量方法、光学探针式测量方法、干涉显微测量方法、扫描电子显微镜以及扫描探针显微镜等方法。其中触针式二维轮廓测量仪具有测量直观、测量范围大、分辨率高、测量结果稳定可靠、重复性好等优点[1],是机械加工企业和计量检定单位测量工件轮廓和表面粗糙度的一种常用仪器[2]。目前触针式轮廓仪的主要生产厂家有英国的Taylor Hobson、德国的Mahr、日本的东京精密和三丰公司,以及哈尔滨量具刃具集团。由于国内产品的测试功能有限,导致其市场竞争力下降,所以急需开发新型的轮廓仪形状测量测试系统。本文主要从该轮廓仪的工作原理入手,介绍此测试系统的功能设置与主要功能的实现。

1 针式二维轮廓测量仪工作原理

表面形状测量仪由工作台、立柱、驱动箱、传感器、电箱、调斜工作台以及计算机和打印机等部件组成,工作部件结构简图如图1所示。

驱动箱通过电机驱动可以沿立柱导轨自动升降,对于不同尺寸的零件均可以方便地测量,其工作原理是:当运动控制系统带动工作台作匀速运动时,触针随工件表面的微观起伏做上下运动,测头的运动经测杆传递到传感器转换为电压信号的变化,电压信号经前置放大电路和A/D转换得到电压数字信号,再通过系统的标定处理和计算,最终得到工件表面轮廓参数值[3]。通过光栅尺得到的每个采样点的水平坐标与电感传感器采样得到的垂直坐标就可以绘制出一幅二维轮廓曲线,经过图形处理和分析,就得到被测工件的几何特征值。

2 测试系统设计

表面轮廓仪测试系统的开发包括10个模块,如图2所示。

数据采集模块包括数据采集的初始设置、数据采集两个部分。初始设置包括数据采集时的测量速度、测量范围、测量行程、采集频率、数据段长度、采集开始位置、结束位置等。数据采集的具体实施主要是对数据采集卡的操作———采集垂直方向传感器信号和水平方向光栅信号。

2.1 测量控制与数据采集

测量控制模块可以完成驱动箱的运行控制,如垂直测量范围的选取(20mm或4mm两档)、测杆滑行速度和量程的选取以及测杆返回初始位置的方式,并可以控制传感器测杆抬起与放下的动作。打开如图3所示的控制界面即可显示当前触针的垂直实时坐标值,便于测试人员调节仪器和选择合适的控制参数;当测量开始后可以实时显示被测工件的轮廓形状,给使用人员以良好的人机交互感觉。

2.2 图形数据处理

传感器采集到的数据受到外界温度、噪声和振动的影响比较大,所以对于原始数据必须进行数字滤波。为了能够更好地保留数据信息并滤除掉噪声信号,采用合适的滤波方式是关键。目前用于数字滤波的方法很多,但随着数学形态学理论的不断完善与发展,数学形态学在图像边缘检测中得到了更为广泛的研究和应用[7]。

2.2.1 形态学滤波器工作原理

(1)明可夫斯基(Minkowski)加法

两个集合的明可夫斯基加法可以用下列公式表示。

简单地用图形表示如图4所示,明可夫斯基加法可以看作两个图形的合并,这两个图形可以是多维的,而且维数不需要一定相等。

(2)明可夫斯基(Minkowski)减法

两个集合的明可夫斯基减法可以用下列公式表示。

简单地用图形表示如图5所示,明可夫斯基减法可以看作图形A被B缩减,同时这两个图形可以是多维的,但A的维数不能少于B的维数,并且运算顺序是不可逆的,A苓B与B苓A是不相等的。

(3)形态学膨胀

膨胀的定义可以用下列公式表示。

其中,可以用图形表示如图6。

(4)形态学腐蚀

腐蚀的定义可以用下列公式表示。

其中,可以用图形表示如图7。

(5)形态学开和闭运算

我们可以利用腐蚀和膨胀来定义开运算和闭运算。先腐蚀后膨胀称为开运算,开运算可以消除散点和毛刺,即对图像进行平滑。先膨胀后腐蚀称为闭运算,通过选择适当的元素结构可以通过闭运算将两个临近的目标连接起来。

2.2.2 运用形态学方法滤波

对于轮廓点进行滤波不仅仅要求滤除掉噪声、振动等干扰信号,还必须保留原数据的主要信息,所以选用形态学开运算进行滤波是一个合适的选择。图8是运用圆盘结构要素进行滤波的效果。

从图中可以看出,选用半径为50μm的圆盘结构要素既可以很好地保留原图形的形状又可以很好地滤除毛刺和粗大误差点,提高了下一步图形评价工作的准确性。

2.3 图形显示与尺寸标注

如图9所示,图形显示模块的功能将测得的轮廓数据按要求绘制图形,其功能包括绘制测得的轮廓曲线以及二维坐标空间、图形的放大与缩小、图形的区域放大以及运用鼠标滚轮缩放图形。并可以在图形下方实时显示一些计算结果和数据,如当前鼠标所在点的X、Y坐标以及直线和圆等图形要素的特征值。

图形调整模块的功能主要有:点击鼠标左键选取靠近鼠标位置的图形元素,或者拖动鼠标选取拖动范围内的所有图形元素,将选中的图形元素显示成不同的颜色加以区分,并可删除所选取的图形;整体移动、旋转和调平的功能使得操作人员能够更好地观察图形形状,选择合适的位置、角度进行图形特征分析。

该测试系统允许测试人员添加丰富的辅助元素,如任意直线和圆、任意直线平行线与垂直线、两线交点,直线与圆交点等。测试人员还可以根据需要选取任意一段数据点进行数据处理,通过最小二乘法拟合出直线或圆,作为后续尺寸标注的基准要素。

图形分析模块包括点与点之间的水平、垂直及绝对距离、直线长度、点到直线距离、点到圆心距离、两圆心距离、圆心到直线距离、圆半径、两直线夹角及螺纹批量标注等功能,分析选定轮廓区域的直线度及圆度。标注的方法可以参考Auto CAD软件的方式,标注时可以根据用户的需求,点击或拖动鼠标完成标注,方便,实用,不仅适合掌握计算机绘图技能的技术人员应用,对于普通技术人员也是易于掌握。

2.4 仪器标定

标定模块主要是针对不同的测针、传感器、测量范围、形状等方面的要求,为了保证测量的精度,可以通过对标准量块的测量,以此为基准,对于垂直放大比和水平放大比以及对个别几何形状的参数进行修正。将测量结果以数据文件的形式保存,也可以调用不同的标定数据文件修正测量数据。

在测头有磨损或者测试仪重新进行调整时,可以随时进行重新标定,修改或建立新的标定文件。测试人员只需将标准量块标称值和电感显示值输入到标定界面中,进行多项式拟合并保存结果即可。对于该仪器进行多次试验,如图11所示,对于4mm量程进行标定,用Matlab软件进行多项式拟合和误差分析,可以验证,5阶以内的多项式拟合能够将测量误差减小到量值的0.1%以内,对于20mm量程具有同样的结果,满足了对该类形状测量仪器的精度要求。

2.5 数据保存与打印功能模块

测量的数据可以以本测试系统的文件格式存储,也可以存储成dxf格式,以便用Auto CAD软件读取,方便了与其他较为流行的二维作图软件的图形交互,满足了对此软件系统市场化、国际化的要求。以所见即所得的方式打印图形和计算结果,测试人员通过缩放功能,将要打印的区域显示于软件的主界面中。通过屏幕与打印机之间的转换计算,将屏幕所显示的内容完全的绘制于打印机的绘图区域内。如图12(a)所示,在绘图区域显示的图形都可以完整地打印出来,打印预览如图12(b)所示。

3 对于螺纹类零件的一次性尺寸标注

螺纹连接是机械结构中常见的连接方式,螺纹零件作为一种常用的紧固件,在机械领域发挥着巨大的作用。针对于各大量具生产厂家,螺纹量规的制造精度关系着市场上各类螺纹零件的出厂精度,直接影响该螺纹零件的使用价值。所以面对市场的需求,需要研制针对螺纹类零件尤其是螺纹量规的螺纹轮廓测量仪。

在一般二维轮廓仪上进行改进是一种简便的方法,除了设计针对螺纹量规的特殊卡具以外,软件的改进成为最主要的内容。应用轮廓仪测量螺纹一般主要测量螺距和牙型角两个参数,以往的方法是工作人员在一个牙型的两个牙侧分别选取两组起点与终点,拟合出两条牙侧线,作出牙型角。此两条牙侧线的交点与相邻一组牙侧线交点的距离即为螺距。此标注方法过于繁琐,而且对于一组螺纹,人工选取牙型拟合区域会造成每个牙型标注的结果都不一致。为了满足一次性准确标注螺纹的要求,本软件通过用户输入被测螺纹的标称值,根据螺纹检测三针法计算出所需的相切圆半径,并排除牙顶和牙底的一部分区域(该区域加工毛刺较多,而且对于检定螺纹不起主要作用,故排除),进行直线拟合,计算并标注出螺距和牙型前角及后角。

点击图13中的螺纹尺寸标注按钮,可以显示如图14对话框。

输入被测螺纹的公称尺寸,即可得到如图15所示的标注结果。该方法避免了测试人员的人为误差,大大减少了工作量,并提高了测量精度及稳定度,对于螺纹的测量具有广阔的应用前景。

4 结论

新型的轮廓测量仪形状测试系统针对市场需求,弥补了国内轮廓仪软件功能不全,人机交互差以及和其他图形软件交流不便等不足。测试人员可以根据自己的需求创建各种辅助元素,对于各类零件均可方便灵活地进行尺寸标注,尤其对于螺纹类零件的测量,极大地减少了测试人员的工作量并且提高了测量结果的稳定度。方便的校准功能使得测试人员也可以随时随地的校准仪器,减小了由于工作环境变化或者工作磨损等因素带来的误差。灵活的保存和打印方式增强了人机交互以及与机械领域主流软件交互的能力。提出了一种模块化的概念,将点、线、圆等图形元素和这些图形元素的创建以及各种尺寸和公差分析功能都建立成不同的类,便于此系统的功能扩充和性能升级,使得该系统具有长期的生命力与市场竞争力。

参考文献

[1]赵学增,王伟杰,强锡富,等.在通用微机上实现触针式轮廓仪的技术改造[J].东北林业大学学报,1994,22(2):87-91.

[2]吕会娣,郎岩梅.触针式轮廓仪的测针形状及其检定[J].工具技术,2003,37(7):70-71.

[3]王晓强,李兵,蒋庄德.触针式二维轮廓测量仪软件系统的开发[J].轴承,2007(7):37-40.

[4]王晓强,李兵,蒋庄德,等.二维轮廓测量仪的系统建模及标定[J].轴承,2007(9):39-41.

[5]胡杰,孙东.表面粗糙度和形状测量技术的最新发展动向[J].青岛大学学报,1996,11(4):71-76.

[6]谢峰,李建林,谢铁邦,等.工程表面粗糙度两用测量系统[J].工具技术,1999,33(4):28-30.

[7]李秀峰,苏兰海.基于中值滤波和数学形态学的图像边缘检测[J].计算机与信息技术,2006(10):27-28.

轮廓测量 第6篇

螺纹测量有很多方法。除采用螺纹量规对螺纹进行综合检验外, 通常用螺纹千分尺配合三针量规来测量螺纹中径, 用万能工具显微镜、影像仪等仪器测量螺纹的螺距、牙型角等参数。这些方法在外螺纹测量中非常有效, 但在内螺纹测量中却无法应用。本文介绍了一种可以广泛应用于螺纹轮廓测量的触针式轮廓扫描法, 它在触针式表面轮廓测量仪的基础上, 增加了螺纹测量卡具和螺纹评定软件模块, 可以实现对螺纹的螺距、牙型角、牙型半角、牙侧角、牙型高度、牙顶或牙底的圆弧半径、牙厚、槽宽等参数的精确测量。操作者只需输入螺纹标称参数, 就可将规定区域的螺纹各参数一次测量完成, 并标注在螺纹轮廓图形上。

用这种方法, 既可以实现对螺纹的高效率测量, 又可以避免操作中人为选点带来的测量误差, 保证对同一螺纹轮廓多次测量的一致性。测量结果既可以保存为轮廓图形, 又可以保存为Auto CAD软件可以打开的DXF格式文件, 同时, 可以将轮廓参数测量结果保存为文本格式, 方便了生产管理部门对检测数据进行整理与存档。

2 螺纹测量原理

本文用于测量螺纹的是哈尔滨量具刃具集团生产的2303型表面形状测量仪, 由传感器、驱动箱、电箱、立柱、底台几部分组成。仪器采用触针式电感传感器测量, 驱动箱以恒定的速度带动传感器匀速直线运动, 传感器的测针针尖与被测工件表面接触, 在被测表面匀速滑行。驱动箱的高精度直线光栅传感器记录针尖轨迹的水平坐标, 传感器针尖的垂直位移量通过电路处理, 转换为数字量, 送入计算机形成被测轮廓曲线。仪器的轮廓评定软件可计算垂直和水平距离、两直线夹角、圆弧半径、直线度、圆度等参数, 评定被测轮廓的形位尺寸参数。

传感器的针尖半径为20μm, 水平测量分辨力0.1μm, 可以勾勒出螺纹轮廓的微观起伏变化, 如图1所示。仪器角度测量误差不大于±2′, 圆弧半径测量误差不大于4μm, 完全可以满足螺纹测量的精度要求。

根据GB/T 14791-93《螺纹术语》[1]的定义, 螺纹牙型是指在通过螺纹轴线的剖面上螺纹的轮廓形状[1]。因此, 在测量中, 必须保证仪器导轨滑行轨迹与轮廓轴线平行, 此时, 传感器针尖在螺纹表面的滑行轨迹就是螺纹牙型轮廓。

3 螺纹测量方法

用轮廓法测量螺纹, 是沿轮廓轴线方向扫描出螺纹牙型, 在螺纹牙型轮廓上评定螺距、牙型角、牙侧角等参数。

因为螺纹测量需要使仪器的导轨运动轨迹与螺纹轴线平行, 因此螺纹的定位就很重要。一般在加工过程中, 外螺纹的加工通常有中心孔, 可以用中心孔定位或外轮廓定位。而内螺纹的轴线是虚拟的, 需要找出一个定位基准。此定位精度直接影响到牙侧角的测量误差。

我们设计了一套内螺纹定位卡具, 可以提供内螺纹的螺纹轮廓定位或外端面定位。卡具包括支承台、定位杆、夹紧装置等, 如图2所示。测量中, 将工件挂在定位杆上。由加工精度决定, 2个定位杆与支承台底面的平行度误差不大于0.005mm, 支承台A面与底面的垂直度误差不大于0.005mm, 而两支承杆轴线所在平面与底面的平行度误差不大于0.001mm, 测针滑行轨迹在两支承杆之间中心分界面内。这样, 就保证了传感器滑行轨迹与螺纹最低母线相重合。

完成螺纹装卡定位后, 就可以开始螺纹的测量。

4 螺纹评定方法

螺纹牙型扫描完成后, 可以在测得的轮廓上评定螺纹参数。由于螺纹表面有加工纹理, 螺纹轮廓不可能与标称轮廓完全重合。在测量中, 螺纹牙侧轮廓的微观起伏变化、螺纹牙侧与牙顶、牙侧与牙底相交处的微观形貌等, 都会影响到螺纹参数的评定。为了保证螺纹评定的重复性精度, 提高评定效率, 我们设计了一套自动评定螺纹参数的螺纹测量模块。

为了评定螺纹参数, 首先需要在测得的螺纹轮廓上拟合测量需要的牙侧轮廓直线。由于螺纹表面的加工纹理, 螺纹牙侧轮廓存在一定的直线度误差。因此, 在螺纹牙侧轮廓上拟合直线存在选点误差。我们设定两条平行于螺纹中径线的切线, 其距螺纹牙顶和螺纹牙底的距离分别为规定值。在螺纹牙侧上两条切线与螺纹轮廓交点之间的轮廓部分拟合出一条直线, 即为螺纹牙侧直线, 如图3所示。这条直线将参与螺纹牙侧角、牙型角、螺距等参数的计算。

根据标准规定, 螺距是指相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。为了保证测量的一致性, 我们采用了对三针法的数字模拟方式测量螺距。由操作者输入标称螺距值P0, 软件根据下式计算出与螺距值相对应的三针量规直径d0[2]:

再做出一系列直径d0的辅助圆, 分别与螺纹的各牙侧直线相切。然后测量相邻辅助圆的圆心在轴线方向上的投影距离, 作为螺纹的螺距值, 如图4所示。

根据标准规定, 牙型角指在螺纹牙型上, 两相邻牙侧间的夹角[1];牙侧角指在螺纹牙型上, 牙侧与螺纹轴线的垂线间的夹角[1]。拟合得到的牙侧直线就可以评定牙型角和牙侧角参数———两相邻牙侧直线的交角即为螺纹牙型角, 牙侧直线与轴线的垂线的交角即为牙侧角。所有这些参数都可以一次标注在轮廓图形上, 并可以图形和图表的形式保存及打印输出, 如图5所示。

5 结语

用触针式轮廓扫描的方法, 可以测量圆柱螺纹、圆锥螺纹、管螺纹的螺距、牙型角、牙型半角等参数, 解决了外螺纹和内螺纹的精确测量问题。通过螺纹测量卡具, 可以实现螺纹的精确定位, 保证了螺纹轴线这一测量基准的精确导出, 从而保证了牙侧角和螺距等参数的测量精度。螺纹测量模块使螺纹轮廓拟合更加精确。经实验, 对同一螺纹轮廓的多次测量重复性误差不大于0.01%。同时, 螺纹各牙型的螺距、牙型角、牙侧角等参数可以在输入标称数值后一次计算出来, 标注在螺纹轮廓图形上, 测量效率大大提高。测量数据可以以文本形式保存或输出, 方便了检测数据的管理和分析。这种高精度、高效率、高信息化的检测方法对生产企业进行产品质量检验与质量管理具有非常重要的意义。

摘要：介绍了用触针式轮廓测量仪实现螺纹测量和自动评定的方法, 阐述了螺纹测量原理及评定方法。用轮廓扫描法测量螺纹的螺距、牙型角、牙侧角等参数, 并实现螺纹参数的自动评定, 可以实现对螺纹、丝杠等通用部件的高效率、高精度的测量检验。

关键词：螺纹测量,轮廓扫描,触针法

参考文献

[1]GB/T14791-93, 螺纹术语[S].

轮廓测量 第7篇

利用单一图像传感器的机器视觉测量技术难以满足精密制造业中对测量方法的精度高、速度快、非接触等诸多要求。因此, 研究结合多种不同传感器各自优点的两级甚至多级视觉协同精密测量方法十分重要。

协同视觉测量方法是根据传感器各自的特点选择多个不同的视觉传感器配合使用并按特定要求完成测量。若为两级视觉协同测量, 则使用第一级视觉传感器完成大范围粗略测量或是测量定位, 使用第二级传感器完成局部小范围精密测量。第二级视觉传感器可以是不同分辨力的图像传感器, 也可以是高精度的激光位移传感器。本文以齿轮倒角轮廓测量为对象, 采用面阵图像传感器结合标定算法完成第一级测量定位, 使用二维高精度电动平台携带点视觉的激光位移传感器按规划路径完成对工件轮廓尺寸的协同高精度测量。

1 协同测量的基本原理及坐标关系

1.1 协同测量的基本原理

本文所研究的测量系统用于对齿轮倒角表面轮廓的测量, 精度要求在1μm。由于目前面阵CCD自身的特性, 像素尺寸通常大于2.5μm, 难以满足测量精度要求。而亚像素算法又存在对图像的矩特征估计, 且计算复杂、计算结果稳定性不高, 不适于对工件的高精度测量。因此, 本系统采用面阵图像传感器拍摄图像, 通过标定算法完成第一级视觉粗测量, 及定位到需要精确测量的局部区域, 采用重复测量精度达0.1μm的激光位移传感器完成工件表面轮廓的第二级视觉高精度测量。具体实现方式如图1所示, 摄像机拍摄图像, 计算机完成图像处理和标定矩阵的计算, 然后发出指令给XY电动平台携带激光位移传感器按要求的路径完成测量, 并输出打印测量报告。

1.XY二维驱动平台;2.激光位移传感器;3.摄像机 (CCD面阵传感器) ;4.大理石平台;5.待测齿轮;6.背光光源;7.计算机;8.打印机

1.2坐标转换关系

系统在测量工程中, 使用图像经过标定引导XY驱动平台按测量路径运动, 因此需要把测量过程中涉及到的几个坐标系统一在世界坐标系下。本系统包括世界坐标系XwYwZw、二维驱动平台坐标系XYZ、图像传感器坐标系XiYiZi和图像像素坐标系UV, 对应序号依次为A、B、C、D, 如图2所示。

为方便计算, 系统的世界坐标系XwYwZw的建立应与二维电动平台的坐标系XYZ重合。图像传感器坐标系的Zi轴即为摄像机光轴, 与图像平面垂直, 其余两轴Xi和Yi分别与图像的像素坐标系UV的U轴和V轴平行。图像像素坐标系 (像平面坐标系) 是一个平面坐标系, 其坐标用离散的像素位置U和V表示。本系统将待测物放在二维平台坐标系的XOY平面 (物平面) 上, XOY平面和UOV平面之间的坐标关系可由相应的标定算法确定。

1.3 图像传感器的标定方法

利用图像传感器拍摄图像, 根据物体在像平面上的像素位置关系确定物体在物平面上的实际位置, 则应解决像平面与物平面之间的坐标映射关系 (本系统中指UOV平面与XOY平面) , 这就涉及到标定问题。在单目视觉标定中, 物平面中任意一点的齐次坐标 (x, y) 与像平面中的像素坐标 (u, v) 之间的关系可有一个3×3的矩阵确定[1]。

其中w为系数, m33=1, 展开后即得:

因此, 只要求出式 (1) 标定矩阵中的8个待定系数, 即可根据式 (2) 求得像平面上任意像素点所对应的物平面上点的实际坐标。通过印有矩形方块的标定板可以求得物平面上矩形4个角点的真实坐标, 再通过在图像上搜索矩形方块的4个角点, 即可求得对应的像平面坐标。将物平面上4个点的坐标及其在像平面上对应4个点的坐标通过式 (1) 即可求得标定矩阵中的8个待定系数。下一步即可通过像平面上的坐标引导激光位移传感器完成测量。

2齿轮倒角的协同测量

2.1齿轮倒角一级测量的圆心定位计算

2.1.1测量对象

本系统要测量的倒角齿轮的实物图和局部放大图如图3所示:左图中的放射直线是每个齿的齿顶圆圆弧中点与齿轮圆心的连线, 右图中单个轮齿上的3条白色折线所在的截面与左图中对应轮齿的放射线垂直, 激光位移传感器沿白色折线完成测量。

2.1.2 齿轮圆心定位方法

系统中的摄像机使用LED背光光源的透射光成像, 因此可以得到边缘轮廓清晰的灰度图像, 如图6中左图所示, 利用VC++6.0软件编写程序对其进行图像处理, 使用边缘检测算法提取齿轮图像的外圈边缘在图像像素坐标系UV下位置点的坐标集合。该集合根据边缘点的不同位置可分为三个子集合, 包括齿轮齿顶圆上的点的集合、齿根圆上的点的集合和齿廓上的点的集合。将齿根圆上的点的集合从中提取出来, 再通过最小二乘圆拟合算法即可求得齿轮圆心的坐标。经提取后, 图像上齿根圆上所有点组成的集合记为D, 其中任意一点Di (ui, vi) 距圆心的距离为Ri, 以Ri为半径的圆面积为si, 拟合圆心坐标为 (x0, y0) 标准圆半径为R, 面积为s, 两圆的面积误差为:

误差的平方和函数为:

根据最小二乘原理, 求取使F (x0, y0, R) 最小时x0、y0和R的值, 即对F (x0, y0, R) 求偏导, 且使之为零, 即:

求解式 (6) 可得:

其中:

通过式 (7) 可求出齿轮精确圆心坐标O (Ou, Ov) 。

2.2 齿轮倒角的测量

2.2.1 测量的主要参数

齿轮倒角的主要测量参数包括:成型截面的夹角, 如图4中M所示;成型面交线到指定面的距离, 如图4中N所示。

2.2.2 测量要求

图5中给出了倒角齿轮的一个轮齿待测量的三个截面位置, 其中43.7、45.1等表示待测截面到齿轮圆心 (中心) 的距离, 具体的数值应根据齿轮直径的大小设定。齿轮圆心为O点, 被测齿的齿顶圆圆弧的中点为P点, 则测量截面必须与直线OP垂直。根据测量截面到齿轮圆心距离的要求以及测量截面与直线OP的垂直的要求, 决定了齿轮圆心定位的重要性。图4为测量截面中的一个, 角度M和距离N即为待测参数。

2.3 测量路径规划

测量路径规划原理图如图7所示。

图6中直线AB为测量数据时激光器走过的路径, P为被测齿的齿顶圆圆弧的中点, 由前文关于测量要求的论述可知, AB与OP垂直, 且OP1之间的距离L为已知。由于O点在图像像素坐标系UV中的坐标可由式 (7) 求出, 因此, 只要求出图像像素坐标系下的P点坐标 (Pu, Pv) 即可确定直线OP。直线CD为对应齿顶圆圆弧的弦, P2为直线CD的中点。

系统测量时, 用户可通过鼠标点击选择齿轮图像上的任意一个齿, 系统便可自动完成对该齿测量。Windows程序是基于消息机制的, 用户点击轮齿时, 程序便会感应到点击消息并记录该点。假设将该点记为Q3, 其在图像像素坐标系UV下的坐标为 (Q3u, Q3v) 。此时, 即可通过程序在图像上搜索点Q3附近的一个较小邻域, 得到图像的局部边缘点的集合, 此集合中包括齿顶圆圆弧CPD上的所有点, 然后将圆弧CPD上的第一点C和最后一点D提取出来。求直线CD中点P2坐标 (P2u, P2v) , 由于P、P2、O三点共线, 即可求出直线OP的方程。

将图像像素坐标系下的点O和点P2通过式 (2) 转换到二维平台坐标系的XOY平面上, 求得坐标分别为 (Ox, Oy) 和 (P2x, P2y) 。直线OP2的斜率为k, OP1长度已知为L, 可利用极坐标求得点P1在XOY平面上的坐标 (P1x, P1y) 。在如图10所示坐标系中, 可推导如下公式:

直线AB与OP1垂直, 且AB为测量长度, 此长度根据齿宽人为设定, 即为已知L1, 则点A坐标 (Ax, Ay) 为:

类似的, 可求出B点坐标 (Bx, By) 。

2.4 利用激光位移传感器完成第二级精密测量

系统中采用点视觉的激光位移传感器完成第二级局部精密测量, 测得的数据即为轮廓的高度信息Z坐标, 配合高精度的XY电动平台的X、Y两维坐标信息, 即可完成对表面轮廓的三维尺寸测量。

1) 系统运动方式:系统按测量路径运动是依靠XY二维平台完成的。计算机发指令给二维平台控制步进电机带动高精度滚珠丝杠完成平台运动。平台的运动精度为1μm, 通过不停的发送不同方向的脉冲给步进电机即可携带激光器在XY平面内完成不同的运动。

2) 测量方法:使用式 (9) 求出点A和点B在二维平台坐标系的XOY平面上的坐标后, 便可由计算机发出指令驱动XY二维电动平台携带激光器按测量路径运动, 以完成测量。

2.5 测量数据输出

激光位移传感器可通过激光三角测距法测量物体表面轮廓的高度信息, 即z坐标。同时XY平台以1微米的精度在XY二维方向上运动, 可提供XY二维坐标信息。将上述XYZ三维信息配合在一起, 即可测量物体的三维轮廓尺寸。如果使所有截面的Y坐标都为0, 则可将齿轮倒角轮廓绘制在一个平面 (XOZ) 中, 一个轮齿三个截面的测绘结果如图8所示。在三维空间中, 通过将XOZ平面配合不同的Y坐标即可形成轮齿倒角的三维轮廓, 结果如图9所示。

3 结论

本文提出了一种的结合两种不同视觉传感器各自优点的协同视觉高精度测量方法。满足精密制造业中关于测量的速度快、精度高、非接触等测量要求, 并将此方法成功应用于倒角齿轮轮廓测量系统, 对齿轮倒角轮廓高度测量的精度达1μm。本系统无需机械卡具定位且可以测量齿轮中的任意轮齿倒角的轮廓, 降低了生产成本, 提高了测量效率和测量精度。

参考文献

[1]许增朴, 于德敏.光—象平面自动标定方法的研究[J].天津轻工业学院学报, 1993, S1:14-21.

[2]李自芹, 董小雷, 李庆利, 郭彩玲.小模数齿轮视觉测量系统研究[J].沿海企业与技, 2010, (5) .

[3]XU Z P, ZH SH.Gear Chamfering Profile Measurement System Based On Laser And Machine Vision[C].AMR, [EI]2011:888-893.