CN101216287A - 一种弹簧同心度和垂直度测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于图像测量技术领域，尤其涉及压缩弹簧的同心度和垂直度测量装置，一种弹簧同心度和垂直度测量仪，包括由下列部件：设置在云台上的摄像机；置于摄像机对面的背光板，用以投射出均匀光线；旋转底座，用以固定待测弹簧；气缸和气缸顶轴，用以固定弹簧位置，并对弹簧进行压缩操作；云台，用以进行摄像机视角的调整；计算机，用以根据摄像机采集的图像信号进行弹簧同心度和垂直度的计算和测量。本发明同时提供一种采用该种装置测量压缩弹簧的同心度和垂直度的测量方法。本发明的测量仪可以完全取代压缩弹簧生产过程中利用靠模或轮廓投影测量仪测量同心度和垂直度的方式，实现高速在线测量，具有较高的测量精度和稳定性，实现了对弹簧生产质量的控制。

Description

一种弹簧同心度和垂直度测量仪及其测量方法

技术领域

本发明属于图像测量技术领域，尤其涉及压缩弹簧的同心度和垂直度测量装置及测量方法。

背景技术

压缩弹簧是机械结构中一种重要零部件。它经常套制在轴承上进行压缩运动，通过两者的紧密配合来控制整个系统的协调运动。弹簧具有良好的同心度垂直度是保证协调运动的前提，若存在偏差会对轴承产生磨损，直接影响到轴承的使用寿命和系统的稳定性，所以，对弹簧的同心度和垂直度检测是压缩弹簧生产流程中的重要环节。

现有对弹簧同心度和垂直度检测的方法，主要使用标尺或标准块靠模法，该方法完全靠人工进行，因此，测量速度低、精度难以保证，不能满足弹簧流水线生产的需求。还有的采用轮廓投影测量仪，把弹簧放大投影到带有二维标尺的屏幕上，通过人工观察求解这些量，虽然测量精度高，但测量时需要对图像进行对齐调整，测量效率低，一般用于抽样检验。为了满足压缩弹簧大规模生产的需要，快速在线检测系统成为研究的关键技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种能够满足弹簧快速在线检测的高精度弹簧同心度垂直度测量仪，并提供采用此种测量仪测量弹簧同心度垂直度的标定和测量方法。

本发明的测量仪采用如下的技术方案：

一种弹簧同心度和垂直度测量仪，包括由下列部件：

设置在云台上的摄像机；

置于摄像机对面的背光板，用以投射出均匀光线；

旋转底座，用以固定待测弹簧；

气缸和气缸顶轴，用以固定弹簧位置，并对弹簧进行压缩操作；

云台，用以进行摄像机视角的调整；

计算机，用以根据摄像机采集的图像信号进行弹簧同心度和垂直度的计算和测量。

作为进一步的优选实施方案，本发明的测量仪最好还包括嵌在底座内的半圆盘旋转定位块。测量仪上最好还包括用于感应定位块的位置开关。

本发明同时提供一种采用上述的测量仪测量弹簧同心度和垂直度的方法，测量过程包括以下步骤：

(1)双线重合调整，即保证摄像机横向中心线和旋转轴线重合；

(2)标定实际横向尺寸和屏幕横向距离之间的对应关系；

(3)利用摄像机采集待测弹簧的图像；

(4)进行图像处理，提取待测弹簧的边缘顶点；

(5)在测量范围内取顶点中最上面左右两个点，作为弹簧的顶面端点；取最下的两点为底面端点；

(6)分别计算出顶面端点和底面端点的距离，利用两者差值的一半定义该位置的同心度；

(7)对两侧的顶点分别进行直线拟合，取直线斜率角与标称值的偏差为该位置的垂直度；

(8)将旋转底座旋转到各个不同角度，重复执行步骤(3)至(7)，获取不同位置的同心度和垂直度，分别取其中的最大值定义整个弹簧的同心度垂直度。

作为优选实施方式，上述测量弹簧同心度和垂直度的方法，其中的步骤(1)包括以下步骤：

(a)在采集屏幕上绘制栅线，包括屏幕横向中心线和等距离的其他竖线，并在栅线上下绘制标尺；

(b)将标定圆柱放置于旋转底座上，通过调整摄像机云台，以竖线和标尺为参考，让圆柱的像在中心线两侧对称；

(c)循环旋转圆柱到不同角度，重复调整云台，确保每个角度的像都对称。

其中的步骤(2)包括以下步骤：

(a)制作三个或三个以上直径大小不一的圆柱，分别将其放置于旋转底座上，利用摄像机采集它们的图像；

(b)分别对各个圆柱的图像进行如下处理：提取圆柱的边界点；对其一条边上的边界点集合进行直线拟合；求另一边上的不同点到该直线的距离，并计算各个不同点到直线距离的平均值，为圆柱对应的屏幕横向大小；

(c)把各个圆柱直径实际值和该圆柱对应的屏幕横向大小代入实际横向尺寸和屏幕横向距离之间的对应关系式d＝A·D+B，式中，d是指实际横向尺寸，D是指屏幕横向距离，再使用最小二乘法对其中参数A，B进行求解。

本发明可用于对半径在10mm~40mm，高度在100mm~350mm的大型压缩弹簧进行快速检测。通过在线检测测试，采用本发明的测量仪，同心度和垂直度测量精度分别能够控制在0.05mm和0.04°之内。本发明的测量仪可以完全取代压缩弹簧生产过程中利用靠模或轮廓投影测量仪测量同心度和垂直度的方式，实现高速在线测量，具有较高的测量精度和稳定性，实现了对弹簧生产质量的控制。

附图说明

图1本发明的弹簧同心度和垂直度测量仪结构示意图。

图2双线重合调整屏幕示意图。

图3摄像机所采集的弹簧图像。

附图标记说明如下：

1待测弹簧         2旋转底座    3旋转定位块

4位置开关         5气缸        6气缸顶轴

7摄像机           8云台        9背光板

10计算机          11栅线       12屏幕中心线

13标定圆柱成像    14顶面端点   15底面端点

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

图1是本发明的弹簧1同心度垂直度测量仪结构示意图。由CCD摄像机7采集弹簧1图像，并进行图像处理提取弹簧1的边缘信息，依据边缘信息进行同心度和垂直度的计算。背光板9放置于摄像机7对面，弹簧1处于两者之间，背光板9投射出均匀光线以增强弹簧1边界信息，易于对弹簧1图像处理；仅对弹簧1的单一位置进行测量得到的数据不能真实反应实际信息，因此，本装置采用CCD摄像机7，对底座2带动旋转的弹簧1进行360°的全面测量，综合分析得到弹簧1可靠的同心度和垂直度参数。其中，利用气缸5和气缸顶轴6固定弹簧1位置，并依靠云台8进行CCD摄像机7视角的调整。由于每个旋转位置图像可以得到弹簧1两侧的数据，为了提高测量效率，要对弹簧1进行360°测量，只需采集180°内的图像即可。本测量仪采用位置开关3和嵌在底座2内的半圆盘旋转定位块3进行旋转位置的判断；位置开关3可在一定距离内感应到定位块3，并把测量信号传送到计算机10，由计算机10定时进行采集测量；而在没有圆盘的半边则不产生感应信号，测量过程中断。

在使用本发明的测量仪测量弹簧的同心度和垂直度时，首先要进行双线重合调整：首先要通过调整云台8的上下、俯仰、旋转和偏摆，尽量让CCD摄像机7横向中心线12和旋转轴线重合，即双线重合。双线重合的操作如下：在采集屏幕上绘制如图2所示的栅线11，其中包括屏幕横向中心线12和等距离的其他竖线，并在栅线11上下绘制标尺。把标定圆柱放置系统底座2上，通过调整摄像机云台8，以竖线和标尺为参考，让圆柱的像13在中心线12两侧对称，然后，循环旋转圆柱一定角度，再调整云台8，保证每次的像13都对称，经过一周的调整后可以保证双线重合。本测量仪底座2和气缸圆盘上都有顶柱设计，保证以后放置的物体能在旋转轴上，因此系统调整完毕后，双线重合仍能保证。

测量过程如下：

(1)标定实际横向尺寸d和屏幕横向距离D之间的关系

两者关系可以描述为一阶方程式

d＝A·D+B    (1)

系统标定主要是其中的参数A，B_o设计三个直径d_i大小不一的圆柱，分别由CCD采集它们的图像。对每个图像进行如下处理：

(a)提取圆柱边界点{p(u，v}；

(b)对其中一个边界点集合进行直线au+bv+c＝0拟合；

(c)求另一边上的任一点p_i(u_i，v_i)到该直线的距离；

$D_i^{\′}=\frac{|{\mathrm{au}}_i+{\mathrm{bv}}_i+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}---\left(2\right)$

(d)求解所有点到直线距离的平均值，为圆柱对应的屏幕横向大小D_i；

(e)把D_i和当前圆柱直径d_i代入式(1)，使用最小二乘法对参数A，B进行求解。

(2)测量同心度C

当旋转底座2转到某位置i时，出于测量状态，CCD摄像机7采集弹簧的图像，系统对其进行图像处理，提取弹簧边缘上的顶点，如图3采集图像上“+”字所示。在测量范围内取最上面左右两个点，作为弹簧顶面的端点14；同理取最下的两点为底面端点15。顶面宽度D_t和底面宽度D_b为端点的屏幕坐标距离，由式(1)分别计算出对应的实际距离为d_t和d_b，则该位置的同心度C_i

C_i＝|d_t-d_b|/2    (3)

实际上，弹簧上下面中心距离是所有旋转位置m中距离最大值，这个值是屏幕坐标系中整个弹簧的同心度C

$C=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{Max}}}{C}_i---\left(2\right)$

(3)测量垂直度V

对两侧的顶点分别进行直线拟合，得到其中较大的直线斜角为θ_i(如图4所示)，它和弹簧斜角的标称值θ_act相减为该位置时的垂直度V_i。同样，对弹簧旋转的不同位置，取所有差值的最大值为整个弹簧的垂直度V。

$V=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{Max}}}|{\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{act}}|---\left(4\right)$

本发明实施例采用分辨率为1392×1040的数字CCD摄像机7，安装在测量现场后，调校好CCD的位置，并采用直径分别为19mm、29mm和39mm的圆柱进行标定，标定参数分别为：A＝0.311，B＝0.816。弹簧的标准上半径为15mm，下半径为20mm，高度为300mm。利用测量精度高的轮廓投影测量仪测得弹簧的同心度为0.21mm，垂直度为0.83°。将该弹簧固定与试验机底盘上，多次测量得同心度的最大值为0.26mm，最小值为0.18mm，平均值为0.23mm；垂直度的最大值为0.87°，最小值为0.79°，平均值为0.84°。测量值均能满足测量精度要求。

Claims (6)

1.一种弹簧同心度和垂直度测量仪，包括由下列部件：

设置在云台上的摄像机；

置于摄像机对面的背光板，用以投射出均匀光线；

旋转底座，用以固定待测弹簧；

气缸和气缸顶轴，用以固定弹簧位置，并对弹簧进行压缩操作；

云台，用以进行摄像机视角的调整；

计算机，用以根据摄像机采集的图像信号进行弹簧同心度和垂直度的计算和测量。

2.根据权利要求1所述的弹簧同心度和垂直度测量仪，其特征在于，所述测量仪还包括嵌在底座内的半圆盘旋转定位块。

3.根据权利要求2所述的弹簧同心度和垂直度测量仪，其特征在于，所述测量仪还包括用于感应定位块的位置开关。

4.一种采用权利要求1所述的测量仪测量弹簧同心度和垂直度的方法，其特征在于，测量过程包括以下步骤：

(1)双线重合调整，即保证摄像机横向中心线和旋转轴线重合；

(2)标定实际横向尺寸和屏幕横向距离之间的对应关系；

(3)利用摄像机采集待测弹簧的图像；

(4)进行图像处理，提取待测弹簧的边缘顶点；

(5)在测量范围内取顶点中最上面左右两个点，作为弹簧的顶面端点；取最下的两点为底面端点；

(6)分别计算出顶面端点和底面端点的距离，利用两者差值的一半定义该位置的同心度；

(7)对两侧的顶点分别进行直线拟合，取直线斜率角与标称值的偏差为该位置的垂直度；

(8)将旋转底座旋转到各个不同角度，重复执行步骤(3)至(7)，获取不同位置的同心度和垂直度，分别取其中的最大值定义整个弹簧的同心度垂直度。

5.根据权利要求4所述的测量弹簧同心度和垂直度的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：

(a)在采集屏幕上绘制栅线，包括屏幕横向中心线和等距离的其他竖线，并在栅线上下绘制标尺；

(b)将标定圆柱放置于旋转底座上，通过调整摄像机云台，以竖线和标尺为参考，让圆柱的像在中心线两侧对称；

(c)循环旋转圆柱到不同角度，重复调整云台，确保每个角度的像都对称。

6.根据权利要求4所述的测量弹簧同心度和垂直度的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：

(a)制作三个或三个以上直径大小不一的圆柱，分别将其放置于旋转底座上，利用摄像机采集它们的图像；

(b)分别对各个圆柱的图像进行如下处理：提取圆柱的边界点；对其一条边上的边界点集合进行直线拟合；求另一边上的不同点到该直线的距离，并计算各个不同点到直线距离的平均值，为圆柱对应的屏幕横向大小；

(c)把各个圆柱直径实际值和该圆柱对应的屏幕横向大小代入实际横向尺寸和屏幕横向距离之间的对应关系式d＝A·D+B，式中，d是指实际横向尺寸，D是指屏幕横向距离，再使用最小二乘法对其中参数A，B进行求解。