CN103196367B - 基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置及方法，本发明将待测工件进行三维空间测量，然后将测好的基础数据在图像域进行空间转换，由相伴曲线生成线性伴随误差分布，并根据形位误差的不同类型生成相应的参考基准，然后由最优算法计算出图像域形位误差模型，最后通过标定算法将图像空间的形位误差数据转化为测量空间的形位误差数据。本发明能够快速获取轴套类零件形位误差。

Description

基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种形位误差测量装置及方法，具体讲是基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置及方法。

背景技术

随着汽车、机床、家电、航空等工业领域制造技术的飞速发展和客户对产品质量要求的日趋提高，产品制造过程中的检测环节变得越来越重要。零件设计过程中公差的合理制定及制造过程中公差的正确检测对产品的质量至关重要。设计及加工过程中涉及到的误差有尺寸误差和形状与位置误差以下简称形位误差，尺寸误差的检测已有成熟的工具和方法，而形位误差由于其理论的复杂度、检测工具及设备的复杂性，目前的检测工具及方法还不成熟，从而影响产品的生产效率及产品质量。

形位误差是评定零件制造质量的一项重要技术指标，尤其是在精密机械、仪器仪表、航空航天和各种高科技设备中，零件的形位误差往往是影响整机工作的关键，它们会影响产品的工作精度、连接强度、运动平稳性、密封性、耐磨性和寿命等。回转零件的圆柱度误差会使配合性质不均匀；平面度误差会减少互配零件的实际支撑面积，增大单位面积的压力，使接触表面的变形增大；导轨的直线度误差会使得运动部件的运动精度受到影响；轴颈或者轴瓦的轮廓度误差会导致轴线在运动过程中产生跳动等等。为了保证机械产品的质量，保证零部件的互换性，需确保形位误差在规定的范围之内，形位公差的检测和评定是一项十分重要的工作。

目前工件形位误差测量一般是使用三坐标测量机或工具显微镜，这类设备价格昂贵，操作复杂，对环境要求高，检测效率低，并且这类设备一般属于接触式测量，易于损伤探头或划伤被测实体表面，而且这类设备不适于柔性材质产品表面测量，因为当探头触碰到待测工件表面时，会改变物体表面形状；并且这类设备大部分采用人工方式对工件进行旋转来完成各项形位误差检测，劳动强度大，工作效率低，检测结果可靠性差，因此在实际生产中，越来越迫切需要提供相应的专用设备用于工件的形位误差测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够快速获取轴套类零件形位误差的基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置，它包括机架、设于机架上的三维工作台、至少一个用于固定待测工件并能使待测工件绕其轴线旋转的夹持机构、计算机和控制器，三维工作台上设有三自由度调节的图像传感器和水平二自由度调节的顶部光源，夹持机构上的固定待测工件的位置的下方设有背景光源，图像传感器与计算机电连接，三维工作台和夹持机构均与控制器电连接，计算机与控制器电连接；

所述的三维工作台包括X向运动传输机构、Y向运动传输机构和Z向运动传输机构，X向运动传输机构包括X向步进电机、两条X向滑轨、输入轴同步转动的两个X向锥齿轮减速器，每条X向滑轨上均安装有一个X向丝杠，每个X向丝杠上均安装有一个X向滑块，X向步进电机的输出轴与其中一个X向锥齿轮减速器的输入轴传动连接，Y向运动传输机构和Z向运动传输机构安装在两个X向滑块上；

所述的Y向运动传输机构包括Y向步进电机和第一Y向滑轨，第一Y向滑轨的两端分别安装在两个X向滑块上，第一Y向滑轨上安装有Y向丝杠，Y向丝杠上安装有第一Y向滑块，Y向步进电机的输出轴通过一Y向锥齿轮减速器与Y向丝杠传动连接，Z向运动传输机构安装在第一Y向滑块上；

所述的Y向运动传输机构还包括设于第一Y向滑轨上方的第二Y向滑轨，第二Y向滑轨与第一Y向滑轨通过两块固定板固定，第二Y向滑轨上设有第二Y向滑块，Z向运动传输机构安装在第一Y向滑块和第二Y向滑块上。

作为改进，所述的夹持机构包括同轴线设置的卡盘和活动顶尖，卡盘连接有驱动卡盘绕其轴线旋转的旋转电机。

作为改进，所述的Z向运动传输机构包括Z向步进电机和Z向滑轨，Z向滑轨安装在第一Y向滑块和第二Y向滑块上，Z向滑轨上安装有Z向丝杠，Z向丝杠上安装有Z向滑块，Z向步进电机的输出轴与Z向丝杠传动连接，图像传感器安装在Z向滑块上，顶部光源安装在Z向滑轨上。

作为改进，所述的图像传感器为线阵CCD图像传感器或面阵CCD图像传感器。

作为改进，所述的图像传感器的镜头为定心镜头、远心镜头或可变焦镜头。

作为改进，所述的顶部光源和背景光源为条形光源、环形光源或球形光源。

采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下的优点：

通过控制器控制三维工作台，可对图像传感器可进行三自由度调节，可方便地进行图像传感器成像参数调整，即调节图像传感器的高度，具体高度的确定要视工件的尺寸大小以及图像传感器的型号而定，通过控制器控制旋转步进电机，可方便地实现待测工件的旋转调节，不在需要通过人工方式对待测工件进行旋转，降低了劳动强度，使工作效率较高，本发明与现有技术相比优势在于可通过图像传感器对待测工件进行非接触式测量，可精确的对图像传感器进行三自由度调节可以通过旋转电机对待测工件进行旋转调节，本发明结构简单，成本较低，操作简便，对环境要求较低，检测效率较高。

另外，由于X向运动传输机构有两条滑轨，可以把Y向运动传输机构和Z向运动传输机构的重量分摊在两条滑轨上，可以更好的支撑Y向运动传输机构和Z向运动传输机构，使Y向运动传输机构和Z向运动传输机构固定稳固。

另外，由于Z向滑轨安装在第一Y向滑块和第二Y向滑块上，使Z向滑轨固定稳固。

另外，由于设置了X向锥齿轮减速器和Y向锥齿轮减速器，减慢了X向丝杠和Y向丝杠的输入转速，使三维工作台沿X方向和Y方向调节位置时位移更精确。

本发明所要解决的另一个技术问题是，提供一种能够快速获取轴套类零件形位误差的基于图像域的轴套类零件形位误差测量方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的基于图像域的轴套类零件形位误差测量方法，它包括以下步骤：

1、将待测工件固定在夹持机构上，待测工件的一端由卡盘固定，待测工件的另一端由活动顶尖固定；

2、通过控制器控制三维工作台移动，调节图像传感器的位置和成像高度，从而将图像传感器调节到最佳测量位置；

3、打开顶部光源和背景光源，对待测工件进行截面测量，并通过旋转电机使待测工件旋转，完成对工件的三维空间测量；

4、将测量好的基础数据传输给计算机，将测量好的基础数据在图像域进行空间转换，由相伴曲线生成线性伴随误差分布，并根据形位公差的不同类型生成相应的参考基准，然后由最优算法计算出图像域形位误差模型；

5通过标定算法确定出测量空间与图像空间的放大倍数，然后将图像空间的形位误差数据转化为测量空间的形位误差数据；

6、重复步骤2、3、4、5，相继测出待测工件其余部位的形位误差；

7、测完一个工件后，控制活动顶尖向外运动，松开已经测好的工件。

采用以上方法后，本发明与现有技术相比，具有以下的优点：

采用本发明方法，先获取工件的图像域数据，通过理想几何信息拟合得出相伴曲线，然后通过误差转换得到线性形位误差模型，通过标定算法得出空间转换放大倍数，结合三自由度的图像传感器和能带动待测工件旋转的夹持机构最终得到完整的工件的形位误差分布；与现有技术的形位误差测量的不同之处在于，本发明是非接触式的，不会损伤探头或划伤被测实体表面，测量精度较高，并且通过三维工作台可实现图像传感器的三自由度调节，通过夹持机构可以实现待测工件的旋转调节，因而所有的检测数据都是自动获取的，工作效率较高，检测结果可靠性较高。

附图说明

图1为本发明基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置的结构示意图；

图2为本发明基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置的俯视图；

图3为两个X向锥齿轮减速器的连接结构示意图；

图4为X向滑轨、X向丝杠和X向滑块的装配图；

图5为本发明的误差模型相伴曲线图。

其中，1、机架；2、三维工作台；3、计算机；4、控制器；5、图像传感器；6、顶部光源；7、背景光源；8、卡盘；9、活动顶尖；10、旋转电机；

101、X向步进电机；102、X向滑轨；103、X向锥齿轮减速器；104、X向丝杠；105、X向滑块；106、联轴器；107、传动轴；

201、Y向步进电机；202、第一Y向滑轨；203、第一Y向滑块；204、Y向锥齿轮减速器；205、第二Y向滑轨；206、固定板；207、第二Y向滑块；

301、Z向步进电机；302、Z向滑轨；303、Z向滑块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

由图1、图2所示，本发明基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置包括机架1、设于机架1上的三维工作台2、至少一个用于固定待测工件并能使待测工件绕其轴线旋转的夹持机构、计算机3和控制器4，三维工作台2上设有三自由度调节的图像传感器5和水平二自由度调节的顶部光源6。

所述的三维工作台包括X向运动传输机构、Y向运动传输机构和Z向运动传输机构，结合图3可知，X向运动传输机构包括X向步进电机101、两条X向滑轨102、输入轴同步转动的两个X向锥齿轮减速器103，其中一个X向锥齿轮减速器103的一个输出轴连接一个联轴器106，另一个X向锥齿轮减速器103的输入轴也连接一个联轴器106，两个联轴器106通过一根传动轴107连接，X向步进电机101的输出轴与其中一个X向锥齿轮减速器103的输入轴传动连接，该X向锥齿轮减速器103的输入轴通过传动轴107与另一个X向锥齿轮减速器103的输入轴同步转动，结合图4可知，每条X向滑轨102上均安装有一个X向丝杠104，每个X向丝杠104上均安装有一个X向滑块105，当X向步进电机101转动时，通过X向锥齿轮减速器103带动X向丝杠104转动，X向丝杠104转动带动X向滑块105沿X方向移动，Y向运动传输机构和Z向运动传输机构安装在两个X向滑块105上，从而Y向运动传输机构和Z向运动传输机构可以沿着X方向移动。

所述的Y向运动传输机构包括Y向步进电机201和第一Y向滑轨202，第一Y向滑轨202的两端分别安装在两个X向滑块105上，第一Y向滑轨202上安装有Y向丝杠，Y向丝杠上安装有第一Y向滑块203，第一Y向滑轨202、Y向丝杠和第一Y向滑块203的装配结构与图4所示的X向滑轨、X向丝杠和X向滑块的装配结构一致，Y向步进电机201的输出轴通过一Y向锥齿轮减速器204与Y向丝杠传动连接，所述的Y向运动传输机构还包括设于第一Y向滑轨202上方的第二Y向滑轨205，第二Y向滑轨205与第一Y向滑轨202通过两块固定板206固定，第二Y向滑轨205上设有第二Y向滑块207，当Y向步进电机201转动时，通过Y向锥齿轮减速器204带动Y向丝杠转动，Y向丝杠转动带动第一Y向滑块203沿Y方向移动，Z向运动传输机构安装在第一Y向滑块203和第二Y向滑块207上，从而Z向运动传输机构可以沿着Y方向移动，Z向运动传输机构移动时，同时带动第二Y向滑块207移动。

所述的Z向运动传输机构包括Z向步进电机301和Z向滑轨302，Z向滑轨302安装在第一Y向滑块203和第二Y向滑块207上，Z向滑轨302上安装有Z向丝杠，Z向丝杠上安装有Z向滑块303，Z向滑轨302、Z向丝杠和Z向滑块303的装配结构与图4所示的X向滑轨、X向丝杠和X向滑块的装配结构一致，Z向步进电机301的输出轴与Z向丝杠传动连接，Z向步进电机301转动时，带动Z向丝杠转动，Z向丝杠转动带动Z向滑块303沿着Z方向移动，图像传感器5安装在Z向滑块303上，从而图像传感器5可以沿着Z方向移动，结合上两段所述可知，图像传感器5可以沿着X方向、Y方向和Z方向移动，即图像传感器5可以进行三自由度调节，顶部光源6安装在Z向滑轨302上，结合上两段所述可知，顶部光源6可以沿着X方向和Y方向移动，即顶部光源6可以进行水平二自由度调节。

所述的夹持机构包括同轴线设置的卡盘8和活动顶尖9，活动顶尖9可以通过转盘进行伸缩，以固定和取下待测工件，卡盘8连接有能驱动卡盘8绕其轴线旋转的旋转电机10，当待测工件由卡盘8和活动顶尖9固定后，通过旋转电机10可以使待测工件旋转以进行三维空间测量。

X方向运动传输机构的步进电机功率为25KW，Y方向运动传输机构的步进电机、Z方向运动传输机构的步进电机的功率15KW，旋转电机10为步进电机，其功率为15KW。

夹持机构上的固定待测工件的位置的下方设有背景光源7，背景光源7安装于机架1上，机架1上开设有燕尾槽，背景光源7通过燕尾槽固定于机架1，图像传感器5与计算机3电连接，以使计算机3接收图像传感器5的数据，三维工作台2上的三个步进电机即X向步进电机101、Y向步进电机201和Z向步进电机301和夹持机构上的旋转电机10均与控制器4电连接，以通过控制器控制上述各个电机工作，计算机3与控制器4电连接，以通过计算机3给控制器4发送指令。

为了使测量效率更高，所述的夹持机构可以设置多个，并在机架1上一一对应的设置背景光源7，也就是说每一个夹持机构对应的设置一个背景光源7，可以把多个待测工件分别固定在多个夹持机构上，通过控制图像传感器5和顶部光源6移动来逐个测量待测工件，以提高测量效率。

所述的图像传感器5为线阵CCD图像传感器或面阵CCD图像传感器。

所述的图像传感器5的镜头为定心镜头、远心镜头或可变焦镜头。

所述的顶部光源6和背景光源7为条形光源、环形光源或球形光源。

本发明基于图像域的轴套类零件形位误差测量方法，包括以下步骤：

1、将待测工件固定在夹持工作台上，待测工件的一端由卡盘固定，待测工件的另一端由活动顶尖固定；

2、通过控制器控制三维工作台移动，调节图像传感器的位置和成像高度，从而将图像传感器调节到最佳测量位置；

3、打开顶部光源和背景光源，对待测工件进行截面测量，并通过旋转电机使待测工件旋转，完成对工件的三维空间测量；

4、将测量好的基础数据传输给计算机，将测量好的基础数据在图像域进行空间转换，由相伴曲线生成线性伴随误差分布，并根据形位公差的不同类型生成相应的参考基准，然后由最优算法计算出图像域形位误差模型；

5、通过标定算法确定出测量空间与图像空间的放大倍数，然后将图像空间的形位误差数据转化为测量空间的形位误差数据。

6、重复步骤2、3、4、5，相继测出待测工件其余部位的形位误差。

7、测完一个工件后，控制活动顶尖向外运动，松开已经测好的工件。

步骤4中经过空间转换的点记为P_ij(x_ij,y_ij,z_ij)，下标j表示第j个横截面，下标i表示横截面上的第i个点，其中1≤i≤24，1≤j≤N，N为采集得到的横截面的个数。

把零件某一截面实际轮廓和最小二乘法产生的理想圆称为相伴曲线，且这两个曲线是法向映射的，如图5所示，E₀为理想圆，E为实际圆轮廓，P₀，P为法向映射点，显然P₀P为法向误差。在理想圆E₀上设立Frenet标架：标架矢量均为参数t的函数，即以及其中为E₀的矢径，令为E的矢径，则有：其中δ＝δ(t)为法向误差。理想圆E₀的圆心为(a,b)，半径为R，则其可用下面的参数方程表示：

$\left\{\begin{array}{c}X=a+R\cos t\\ Y=b+R\sin t\end{array}\right.(0\&le;t<2\mathrm{\&pi;})---\left(1\right)$

由上式知，标架单位矢量以及

将平移后的圆E^*的方程在t点展开成泰勒级数，则有：

式中的“…”表示略去的高阶项。设σ＝d(E₀)，则由平面曲线的Frenet公式得：

式中，k为该点处的曲率，即k＝1/R。将式3带入式(2)得到：

把式(4)中的带到式中，用来表示平移矢量，则有得到：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;}}^2=\frac{1}{4}{k}^2{\mathrm{\&sigma;}}^4-k{\mathrm{\&sigma;}}^2\mathrm{\&delta;}+{\mathrm{\&delta;}}^2+{\mathrm{\&sigma;}}^2+x^2+y^2-2\mathrm{x\&sigma;}\&CenterDot;\sin t\\ -\mathrm{xk}{\mathrm{\&sigma;}}^2\cos t+2\mathrm{x\&delta;}\cos t+2\mathrm{y\&sigma;}\cos t-\mathrm{yk}{\mathrm{\&sigma;}}^2\sin t+2\mathrm{y\&delta;}\sin t\end{array}---\left(5\right)$

式中，σ＝d(E₀)为无穷小量，位移矢量的坐标x、y相对于零件的结构尺寸可视为一阶小量，其与σ的乘积可视为二阶小量，略去式(5)中的二阶小量，整理，得到法向误差的线性几何模型：

△＝δ+x·cost+y·sint    (6)式中，δ为原始法向误差，x、y为规划坐标。

由式(6)中的误差模型可以得到以下误差：

在j横截面上圆度误差为：

ε_j＝max△_ij-min△_ij 1≤i≤24。    (7)

圆柱度误差为：

ε＝max△_ij-min△_ij 1≤i≤24 1≤j≤N。    (8)

在j横截面上圆跳动误差为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_j=\max \sqrt{(x_{\mathrm{ij}}^2+y_{\mathrm{ij}}^2)}-\min \sqrt{(x_{\mathrm{ij}}^2+y_{\mathrm{ij}}^2)}1\&le;i\&le;24.---\left(9\right)$

全跳动误差为：

$\mathrm{\&epsiv;}=\max \sqrt{(x_{\mathrm{ij}}^2+y_{\mathrm{ij}}^2)}-\min \sqrt{(x_{\mathrm{ij}}^2+y_{\mathrm{ij}}^2)}1\&le;i\&le;\mathrm{24,1}\&le;j\&le;N.---\left(10\right)$

i点所在直线的线轮廓度为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_i=\max \sqrt{(x_{\mathrm{ij}}^2+y_{\mathrm{ij}}^2)}-\min \sqrt{(x_{\mathrm{ij}}^2+y_{\mathrm{ij}}^2)}1\&le;i\&le;N---\left(11\right)$

误差模型先在图像域进行计算，然后通过标定程序，映射到真实空间中，完成零件形位误差的检测。

Claims (6)

1.一种基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置，其特征在于：它包括机架(1)、设于机架(1)上的三维工作台(2)、至少一个用于固定待测工件并能使待测工件绕其轴线旋转的夹持机构、计算机(3)和控制器(4)，三维工作台(2)上设有三自由度调节的图像传感器(5)和水平二自由度调节的顶部光源(6)，夹持机构上的固定待测工件的位置的下方设有背景光源(7)，图像传感器(5)与计算机(3)电连接，三维工作台(2)和夹持机构均与控制器(4)电连接，计算机(3)与控制器(4)电连接；

所述的三维工作台包括X向运动传输机构、Y向运动传输机构和Z向运动传输机构，X向运动传输机构包括X向步进电机(101)、两条X向滑轨(102)、输入轴同步转动的两个X向锥齿轮减速器(103)，每条X向滑轨(102)上均安装有一个X向丝杠(104)，每个X向丝杠(104)上均安装有一个X向滑块(105)，X向步进电机(101)的输出轴与其中一个X向锥齿轮减速器(103)的输入轴传动连接，Y向运动传输机构和Z向运动传输机构安装在两个X向滑块(105)上；

所述的Y向运动传输机构包括Y向步进电机(201)和第一Y向滑轨(202)，第一Y向滑轨(202)的两端分别安装在两个X向滑块(105)上，第一Y向滑轨(202)上安装有Y向丝杠，Y向丝杠上安装有第一Y向滑块(203)，Y向步进电机(201)的输出轴通过一Y向锥齿轮减速器(204)与Y向丝杠传动连接，Z向运动传输机构安装在第一Y向滑块(203)上；

所述的Y向运动传输机构还包括设于第一Y向滑轨(202)上方的第二Y向滑轨(205)，第二Y向滑轨(205)与第一Y向滑轨(202)通过两块固定板(206)固定，第二Y向滑轨(205)上设有第二Y向滑块(207)，Z向运动传输机构安装在第一Y向滑块(203)和第二Y向滑块(207)上。

2.根据权利要求1所述的基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置，其特征在于：所述的夹持机构包括同轴线设置的卡盘(8)和活动顶尖(9)，卡盘(8)连接有能驱动卡盘(8)绕其轴线旋转的旋转电机(10)。

3.根据权利要求1所述的基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置，其特征在于：所述的Z向运动传输机构包括Z向步进电机(301)和Z向滑轨(302)，Z向滑轨(302)安装在第一Y向滑块(203)和第二Y向滑块(207)上，Z向滑轨(302)上安装有Z向丝杠，Z向丝杠上安装有Z向滑块(303)，Z向步进电机(301)的输出轴与Z向丝杠传动连接，图像传感器(5)安装在Z向滑块(303)上，顶部光源(6)安装在Z向滑轨(302)上。

4.根据权利要求1所述的基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置，其特征在于：所述的图像传感器(5)为线阵CCD图像传感器或面阵CCD图像传感器。

5.根据权利要求1所述的基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置，其特征在于：所述的图像传感器(5)的镜头为定心镜头、远心镜头或可变焦镜头。

6.根据权利要求1所述的基于图像域的轴套类零件形位误差测量装置，其特征在于：所述的顶部光源(6)和背景光源(7)为条形光源、环形光源或球形光源。