CN101266137A - 轴外径长度检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴外径长度检测方法及装置，方法包括如下步骤：①将待测轴放于产品受台上定位后，由CCD影像系统获取图像采集数据，通过对图像进行投影处理判定待测物体边缘位置并记录边缘位置坐标，并记录对应伺服位置，而后传递到计算机；②通过水平移动机构沿轴向移动CCD影像系统到设定位置，并由光栅尺装置记录移动位移量传递到计算机，CCD影像系统再次获取图像采集数据，通过对图像进行投影处理判定待测物体边缘位置同时记录边缘位置坐标，并记录对应伺服位置，而后传递到计算机；③重复步骤2直至CCD影像系统获取到最后设定位置上轴的图像；④计算机将所获得的图像数据及光栅数据进行综合处理计算出轴的外径长度值。

Description

轴外径长度检测的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光学检测方法及装置，尤其涉及一种用于检测轴类的外径及长度的方法及装置。

背景技术

随着中国市场经济的高速发展和现代人对办公成本、效率、生活品质的需求不断提升，制造商对产品质量要求也是越来越高，而传统人工检测轴类产品的方法存在工作强度大、效率低、稳定性差的缺点，所以目前的手工测量方式越来越不能满足现代生产的要求，轴类行业制造厂商越来越迫切需求能自动，高精度，多功能检测轴类零件的设备。CCD作为一种能有效实现动态跟踪的非接触检测技术，被广泛应用于光学测试领域，在尺寸测量中，通常采用合适的照明系统使被测物体通过物镜成像在CCD靶面上，通过对CCD输出的信号进行适当处理，提取测量对象的几何信息，结合光学系统的变换特性，可计算出被测尺寸。因此采用CCD技术，将计算机图像处理技术与传统测量方法相合，能获得被测对象的更多信息，实现快速，准确的无接触测量，将会显著提高测量技术水平和智能化水平。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种快速准确自动检测轴的长度、外径的检测方法及检测装置。

本发明所述的轴外径长度检测方法，包括如下步骤：

①将待测轴放于产品受台上定位后，由CCD影像系统获取图像采集数据，通过对图像进行投影处理判定待测物体边缘位置并记录边缘位置坐标，并记录对应伺服位置，而后传递到计算机；

②通过水平移动机构沿轴向移动CCD影像系统到设定位置，并由光栅尺装置记录移动位移量传递到计算机，CCD影像系统再次获取图像采集数据，通过对图像进行投影处理判定待测物体边缘位置同时记录边缘位置坐标，并记录对应伺服位置，而后传递到计算机；

③重复步骤2直至CCD影像系统获取到最后设定位置上轴的图像；

④计算机将所获得的图像数据及光栅数据进行综合处理计算出轴的外径长度值。

上述方案中，步骤①所述通过对图像进行投影处理判定待测物体边缘位置是指采用通过相对于检测方向实施垂直扫描，并求得各投影线的平均浓度的投影色阶图，根据色阶颜色深浅变化量判定检测物体的边缘，以测量变化量是否达到边缘判定条件来判定检测到物体的边缘位置。

上述方案中，其步骤④所述轴的外径是通过计算同一轴段两边缘位置的径向宽度获得，轴的长度值是通过计算同一轴段两边缘位置的轴向长度获得。

为了提高检测精度并获得轴的真圆度值，在其步骤①或步骤③的同时还可通过轴旋转驱动机构驱动产品旋转，由CCD影像系统获取图像采集数据，获得同一位置的多个坐值以取该位置的平均值提高测量精度，并得到外径的最大最小值以计算出轴该点的真圆度值。

本发明所述的轴外径长度检测装置所采用的技术方案是：所述轴外径长度检测装置包括工作台、产品受台、CCD影像系统、水平移动机构、计算机、光栅尺装置、CPU-PLC，所述产品受台安装于工作台面上用以放置待测轴，所述CCD影像系统包括用以拍摄图像的CCD、放大图像大小倍数的镜头及记录拍摄图像数据的CCD控制器，所述水平移动机构包括导轨、伺服驱动结构，导轨安装在工作台支撑架上，与轴平行，CCD及镜头垂直于轴安装在导轨上，光栅尺装置包括光栅尺、光栅尺读数头，光栅尺平行于导轨安装在工作台支撑架上，光栅尺读数头与CCD影像系统固定在一起对准光栅尺，由CPU-PLC控制伺服驱动结构驱动随CCD影像系统一起沿轴向水平移动，CCD影像系统及光栅尺装置将所获得图像及数据传送到计算机进行综合处理计算出轴的外径、长度值。

所述产品受台包括两支撑座及至少一根导向轴，导向轴水平且相互平行安装，两支撑座上用以放置待测轴，安装于导向轴左右两侧并可自由水平移动，待测轴的正下方设置背光源。

所述产品受台还可包括一原点定位装置等放置于导向轴左侧，优选为顶尖，既作为原点定位装置，又可防止产品在旋转过程中左右移动。

所述伺服驱动结构包括伺服电机、丝杆、丝杆连接件，伺服电机安装在支撑架上，并与丝杆连接，丝杆平行于导轨，丝杆连接件安装在丝杆上，并与一安装座固定，CCD影像系统及光栅尺读数头安装于安装座上，由伺服电机带动丝杆转动使丝杆连接件沿丝杆左右水平移动并带动安装座上的CCD影像系统及光栅尺读数头移动。

所述产品受台还包括一轴旋转驱动机构以驱动旋转，所述轴旋转驱动机构优选包括步进电机、皮带轮，由步进电机带动皮带轮转动，皮带轮与待测轴接触带动待测轴旋转，这样当产品旋转时，CCD可在同一位置内采集到多个不同的数值，以保证测量精度，在测量轴长度时，计算时通常是取该点的平均值；在外径测量时，也是取该点的外径平均值作为该点的外径值，还可找出外径的最大值及最小值，并由最大值及最小值之差得到真圆度值。

本发明所述的圆轴外径长度的方法及装置主要运用CCD影像及光栅尺技术相结合计算轴的长度值，轴外径及真圆度值通过CCD扫描采集到的数据，再通过计算机对数据处理计算得出外径值和真圆度值。待检测产品水平放置在产品受台上，在伺服驱动机构驱动下，CCD及镜头可沿着X轴方向水平移动，观察图像画面，移动CCD及镜头到所需测量的产品上方，使其置入影像视野内，在计算机中记下对应的伺服位置，不同的边对应不同的伺服位置，不同的伺服位置设定到不同点的序号值。在伺服驱动机构驱动下，影像装置根据设定的点作相应移动，同时光栅尺读数头也沿着光栅尺作相应的平行移动，当移动到一个设定点时，CCD进行拍摄图像一次，CCD记录该点的数据，光栅尺读数头记下CCD所移动的位移量。CCD控制器将处理后图像及数据传送到计算机，精密光栅尺读数头测量所得到的数据传送到CPU-PLC，CPU-PLC再传送给计算机，计算机将得到的图像数据及光栅数据进行综合处理及演算，计算出所需求的值。轴旋转驱动机构驱动轴类产品的旋转，当产品旋转时，CCD可在同一位置采集到多个不同的数值，为了保证测量精度，在测量轴长度时，计算时通常是取该位置的平均值；在外径测量时，也是取该位置的外径平均值作为该点的外径值。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种采用高精密光栅尺及高分辨率的影像检测技术相结合检测轴类产品长度的方法及装置，同时本发明还可检测轴类产品的外径值及真圆度值，解决传统人工检测的速度慢，精度不高的难题。检测精度高，速度快，参数设置灵活，操作简单方便，本发明所具有的优点能很大的满足轴类行业生产的需求，具有很大的发展潜力和应用前景。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明具体实施例的装置结构示意图；

图2为本发明具体实施例的控制系统原理图；

图3a、3b、3c为本发明所运用的CCD检测原理图；

图4a、4b、4c、4d为本发明检测产品系统坐标图。

具体实施方式

图1为本发明具体实施例的测量装置结构示意图。图1中，下方为产品受台及轴旋转机构。产品受台包括两支撑座1及两导向轴2，两导向轴2水平且平行安装，两支撑座1安装于导向轴2左右两侧且可沿着导向轴2的轴向方向作自由移动，这样可根据检测轴的长度自由调节两支撑座间的距离，在左侧支撑座1后方设置有轴旋转驱动机构，轴旋转驱动机构包括步进电机3、皮动轮4，由步进电机3带动皮动轮4的转动，皮带轮4压在轴上时带动轴作径向转动，轴在转动状态下，CCD在轴同一位置点上中可采集多个数据，以确保测量数据的准确，计算时通常采用的是平均值。在左测支撑座1左端，设置有产品原点定位装置定位顶尖19，为确保测量数据的准确，在检测轴过程中，原点定位顶尖19抵住产品的左端，防止轴在旋转过程中左右移动，轴的正下方设置有背光源8。

图1中的上方为CCD影像检测系统、光栅尺装置及水平移动机构。CCD影像检测系统包括CCD5、CCD控制器6及镜头7，水平移动机构包括水平滑动导轨9、伺服驱动结构，伺服驱动结构包括伺服电机16、丝杆18、伺服控制器12、滑动安装座20，光栅尺装置包括高精密光栅尺10及光栅读数头11，水平滑动导轨9安装在工作台上与待测轴平行，高精密光栅尺10平行于水平滑动导轨9安装在工作台上的支撑架21上，CCD5及镜头7垂直安装于产品受台的正上方，与高精密光栅读数头11一起固定在滑动安装座20上，伺服电机16安装在支撑架21上，并与丝杆18连接，丝杆18平行于导轨，丝杆连接件设在滑动安装座21内部安装在丝杆18上，由伺服电机16带动丝杆18转动使丝杆连接件沿丝杆左右水平移动并带动滑动安装座20上的CCD影像系统及高精密光栅尺读数头移动，在检测轴时，打开背光源8，光从下到上入射到CCD上。CCD及镜头在伺服控制下，水平移动到轴上方，因待测轴水平放置于产品受台上，且CCD入射光线及待测轴的轴向方向垂直，通过成像原理，进入CCD影像视野范围内的产品的形状显示于计算机显示屏，在伺服控制下，高精密光栅尺读数头11及CCD5及镜头7可沿着水平方向自由移动，高精密光栅尺读数头11记录着CCD影像系统所移动的位移量。

本发明所提供的装置还包括计算机13，计算机一方面直接从CCD控制器6获取检测数据，另一方面还完成对系统参数的设置。计算机中包括对非接触式的CCD扫描所得的扫描数据进行数据处理的处理单元，所述处理单元包括检测数据判定、公式演算、工程能力报表，由计算机实现数据的保存，统计，工程能力运算及报表打印。

图2为本发明的控制系统图

本控制系统以CPU-PLC 14作为主控制单元，CPU-PLC14直接连接伺服控制器12，步进驱动器15，计算机13。

伺服控制器12与伺服电机16连接，伺服电机16利用伺服驱动器12的控制，能正反自由的驱动。在伺服驱动器12驱动下CCD5及镜头7沿水平方向左右移动，CCD5及镜头7移动可检测到轴不同位置上的尺寸数值，CCD5对扫描产品所到得到的数据信息进行处理，经处理所得的数据传送到计算机13。计算机与CPU-PLC 14连接。CPU-PLC14与计算机13可互相传送信号，并对数据进行处理分析。高精密光栅尺的读数头11可沿着X轴左右移动，高精密光栅尺的读数头11移动的量在光栅控制器17里存储，光栅控制器17把数据传送到CPU-PLC14里，CPU-PLC14及CCD控制器6将采集所得到的数据传送到计算机13进行处理。

步进驱动器15与步进电机3连接，步进电机3利用步进驱动器15的控制，能自由的驱动，带动皮带轮4的转动，因待测轴水平放置于产品受台上，当皮带轮4与待检测产品接触时则皮带轮4带动产品的转动，在轴转动的状态下，可实现检测产品的真圆度值。

图3为本发明所运用的CCD检测原理图

本发明运用了CCD影像检测技术的边缘位置及边缘宽度检测技术，CCD在设定的测量窗口内按方向进行扫描(扫描方向可选择)，并将扫描所得的图像进行投影处理，投影处理是指相对于检测方向实施垂直扫描，并求得各投影线的平均浓度如图3a中为投影色阶图，图3b为CCD扫描投影波形图。在扫描过程中，CCD根据色阶(颜色深浅)变化量判定检测物体的边缘(在检测产品前先设定作为检测边缘进行检测的条件)，如测量变化量达到或是超过边缘判定条件则判定检测到物体的边缘，如测量变化量未达到判定条件(指定的数值)，则判定无边缘存在，CCD以像素数输出检测的边缘位置坐标。如图3c中，CCD从原点位置由左向右对产品进行扫描，如设定检测边缘的条件即变化量是120，当色阶浓度值从221变化到0时，变化量达到了221，如图3c中所示，根据边缘判定基准判定在N处有边缘。在设定测量窗口扫描完成，计算机软件里也同时记录检测边缘位置的像素数(即该位置的坐标)。本发明所述的检测产品的段差长度，轴外径大小测量是通过测量2个边缘之间的宽度来判定出轴的长度及外径大小值。如图4a中测量LC的长度，则测量出P3及P4的边缘的宽度，CCD以像素数输出轴LC的长度距离。检测轴外径大小也是通过测量轴2个边缘之间的宽度来判定其外径值。轴长度测量由光栅尺及CCD影像检测共同完成，轴外径及轴真圆度的检测主要是通过CCD影像检测完成。测量轴长度需要计算光栅尺的绝对坐标值及CCD影像系统中的绝对坐标值。如所需检测的产品长度全部都在同一个视野范围内，则直接用CCD影像就可测出长度，如图3中轴LC的长度测量。如所需测量的轴长度在不同的影像视野范围内则需结合光栅读数头所记录的坐标值再运用公式计算。

如图4所示，图4a为检测产品系统坐标图，4b、4c、4d为CCD拍摄产品不同位置上的图像。

计算轴的长度运用以下的公式

L＝(b_i-b_i’)+(a_i-n-a_i-n’)                (1)

公式中L为检测轴的长度

公式中b_i(i＝1，2，3，…………)表示光栅尺的绝对坐标，如图4a中b₂表示伺服移动到第②个位置时光栅尺的绝对坐标。

公式中的a_i-n表示CCD影像的绝对坐标(其中i＝1，2，3，……表示CCD在检测一根产品时的第i次拍摄；n＝1，2，3，……表示CCD当次拍摄图像中的第n条边。)

在进行测量前，首先要初始化测量设备，即按照各部件所要求的相互关系安装好各个系统，并设定好检测产品的参数。装置好待检测产品，根据产品的形状特征，本发明自动测量轴段差长度和外径，为了提高检测产品的效率，同一批产品检测时，首先用一根标准产品手动设置最佳的检测位置，设置其想输出检测产品的项目，如检测图中所示的产品，设置伺服移动的三个位置点，即位置①、②、③，并在软件中记下设置的参数坐标值。

在进行产品测量时，伺服系统将按顺序带动光栅尺读数头及CCD移动到预先设定好的位置，每移到一个位置后，伺服会作停留，待计算机软件记下该点的光栅位置及CCD拍摄静止图像一次之后再移动到下一点作相同处理。如图4a所示，伺服移动到位置①停下后，计算机记下位置①的光栅坐标b₁，同时CCD拍摄一次，得到图像图4b，CCD控制器将处理与分析图像图4b，得出影像坐标系即图3中的a_1-1与d₁值后传送给计算机作保留，以上的动作完成后，伺服自动按先后顺序移到位置②与位置③，并作与位置①相同的处理，得到图像图4c及图像图4d。当伺服走完设置的所有位置点后自动回原点，同时计算机软件程序将所得到相应光栅坐标值及CCD影像坐标值运用公式(1)计算得出相应长度值，相应的外径值为相应位置处的d值，由CCD控制器直接处理得出。如用户想测出图4a中的长度LD及外径d₃。计算长度LD时，计算机将会把伺服处于位置①时的光栅坐标值b₁和CCD影像坐标值a_1-1及伺服处于位置③时的光栅坐标值b₃和CCD影像坐标值a_3-2套入到公式(1)计算得到LD长度值。即：LD＝(b₃-b₁)+(a_3-2-a_1-1)

外径d₃将由伺服移动到位置③，CCD影像测出后将数据传送给计算机。产品其它各段的长度计算方法同上，图4a中：

LA＝(b₂-b₁)+(a_2-1-a_1-1)

LB＝(b₃-b₂)+(a_3-1-a_2-1)

LC＝(b₃-b₃)+(a_3-2-a_3-1)＝a_3-2-a_3-1

当需测产品的真圆度时，伺服移动到相应位置点后，产品在步进电机3的驱动下慢速旋转，同时CCD在该位置连续拍摄，得到圆周方向上的多个外径值，CCD控制器将根据这些数值统计分析，找出最大外径值d_MAX及最小值d_MIN，并将(d_MAX-d_MIN)的结果传送给计算机作为该点的真圆度值输出。

本发明的检测方法及装置的优点是检测的多功能化，测量精度高、速度快，参数设置灵活，操作简单方便，系统具有数据采集，存储，传输，处理，分析，统计，显示打印功能。

上述的内容只是针对检测轴类产品的长度、外径、真圆度值来说明本次发明的检测方法及装置，并不能限定本发明的保护范围，对于本领域的专业技术人员依照本发明的技术特征而进行的改变，也包括在本发明的权利要求保护范围内。

Claims (10)

1、一种轴外径长度检测方法，包括如下步骤：

①将待测轴放于检测工作台上定位后，由CCD影像系统获取图像采集数据，通过对图像进行投影处理判定待测物体边缘位置同时记录边缘位置坐标，并记录对应伺服位置，而后传递到计算机；

②通过水平移动机构沿轴向移动CCD影像系统到设定位置，并由光栅尺装置记录移动位移量传递到计算机，CCD影像系统再次获取图像采集数据，通过对图像进行投影处理判定待测物体边缘位置同时记录边缘位置坐标，并记录对应伺服位置，而后传递到计算机；

③重复步骤2直至CCD影像系统获取到最后设定位置上轴的图像；

④计算机将所获得的图像数据及光栅数据进行综合处理计算出轴的外径，长度值。

2、如权利要求1所述的轴外径长度检测方法，其特征在于：步骤①所述通过对图像进行投影处理判定待测物体边缘位置是采用通过相对于检测方向实施垂直扫描，并求得各投影线的平均浓度的投影色阶图，根据色阶颜色深浅变化量判定检测物体的边缘，以测量变化量是否达到或是超过边缘判定条件来判定检测到物体的边缘位置。

3、如权利要求1或2所述的轴外径长度检测方法，其特征在于：步骤④所述所述轴的外径是通过计算同一轴段两边缘位置的径向宽度获得，轴的长度值是通过计算同一轴段两边缘位置的轴向长度获得。

4、如权利要求1或2所述的轴外径长度检测方法，其特征在于：在其步骤①或步骤③的同时还可通过轴旋转驱动机构驱动产品旋转，由CCD影像系统获取图像采集数据，获得同一位置的多个数值以取该位置的平均值提高测量精度，并得到外径的最大最小值以计算出轴该点的真圆度值。

5、一种应用如权利要求1所述轴外径长度检测方法的轴外径长度检测装置，其特征在于：所述轴外径长度检测装置包括工作台、产品受台、CCD影像系统、水平移动机构、计算机、光栅尺装置、CPU-PLC，所述产品受台安装于工作台面上用以放置待测轴，所述CCD影像系统包括用以拍摄图像的CCD、放大图像大小倍数的镜头及记录拍摄图像数据的CCD控制器，所述水平移动机构包括导轨、伺服驱动结构，导轨安装在工作台的支撑架上，与轴平行，CCD及镜头垂直于轴安装在导轨上，光栅尺装置包括光栅尺、光栅尺读数头，光栅尺平行于导轨安装在支撑架上，光栅尺读数头与CCD影像系统固定在一起对准光栅尺，由CPU-PLC控制伺服驱动结构驱动随CCD影像系统一起沿导轨轴向水平移动，CCD影像系统及光栅尺装置将所获得图像及数据传送到计算机进行综合处理计算出轴的外径长度值。

6、如权利要求5所述轴外径长度检测装置，其特征在于：所述检测工作台包括两支撑座及至少一根导向轴，导向轴水平且相互平行安装，两支撑座用以放置待测轴，安装于导向轴左右两侧并可自由水平移动，待测轴的正下方设置背光源。

7、如权利要求6所述轴外径长度检测装置，其特征在于：所述检测工作台还包括一原点定位装置，放置于导向轴左侧。

8、如权利要求5至7任一权利要求所述轴外径长度检测装置，其特征在于：所述伺服驱动结构包括伺服电机、丝杆、丝杆连接件，伺服电机安装在工作台支撑架上，并与丝杆连接，丝杆平行于导轨，丝杆连接件安装在丝杆上，并与安装座固定，CCD影像系统及光栅尺读数头安装于安装座上，由伺服电机带动丝杆转动使丝杆连接件沿丝杆左右水平移动并带动安装座上的CCD影像系统及光栅尺读数头移动。

9、如权利要求8所述轴外径长度检测装置，其特征在于：所述检测工作台还包括一轴旋转驱动机构以驱动旋转。

10、如权利要求8所述轴外径长度检测装置，其特征在于：所述轴旋转驱动机构包括步进电机、皮带轮，由CPU-PLC控制步进电机带动皮带轮转动，皮带轮与待测轴接触带动待测轴旋转。

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