CN103604389B - 一种测量外星轮花键尺寸的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三角测量法的外星轮花键尺寸测量装置，包括激光器、相机、镜头和用于固定被测工件的机械结构。同时公开了一种测量外星轮花键尺寸的方法，该方法采用激光作为结构光，CCD相机拍摄获取花键轮廓，通过标定和图像处理计算获取花键尺寸，可实现非接触式测量外星轮花键的大径、小径、两针距和分度误差。本装置设计增强了花键轮廓图像的清晰度和对比度；固定外星轮的转盘和同步转动的顶针结构，具有较高的动态精度，减少了机械结构磨损带来的精度下降；本发明测量外星轮花键尺寸的最高重复精度可达到+0.01mm，并且具有良好的稳定性。

Description

一种测量外星轮花键尺寸的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于三角测量法的非接触式测量方法及测量装置，尤其涉及一种外星轮花键尺寸专用的非接触式测量方法及测量装置，属于非接触式测量领域。

背景技术

外星轮作为汽车传动轴的主要零件，其花键的尺寸精度是重要的质量指标。传统测量花键尺寸的方法主要通过综合环规接触式测量，存在如下的问题：量规争议，用新量规和旧量规检验同一个工件的花键可能会出现不同的检验结论；检测效率低，难以满足快速、大批量生产的要求；误差较大，对量规的磨损会降低测量精度，由于采用人工测量，会造成一定程度的人为误差。经过相关调研，目前在国内外均尚未发现花键非接触式测量方法或系统的报道。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可用于外星轮花键测量的非接触式测量方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于外星轮花键测量的非接触式测量方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种测量外星轮花键尺寸的装置，基于三角测量法制成，包括激光器、相机、镜头和用于固定被测物的机械结构。

优选地，激光器选用20mW大发散角条形激光器。

优选地，相机选用500万像素CCD相机。

优选地，镜头选用50mm定焦镜头。

优选地，用于固定被测工件的机械结构，包括底部的转盘和顶部的顶针，顶针下压后，被测工件轴向固定。所述转盘由伺服电机带动。由伺服电机带动的转盘和同步转动的顶针结构，具有较高的动态精度，减少了机械结构磨损带来的精度下降。

本发明还提供了利用上述装置测量外星轮花键尺寸的方法，包括以下步骤：

步骤一、按三角测量法要求，校准测量装置。要求工件轴线垂直，激光结构光水平；镜头光心线与工件旋转轴共面；激光结构光在基准面上的直线在图像中心位置；激光结构光中心与镜头光心线共面。

步骤二、打开激光器，记录激光光斑像素坐标和CCD中心点像素坐标，计算出激光光斑离CCD中心点的纵向和横向距离；

步骤三、记录基准面与工件轴线之间的距离、镜头焦距、物距和激光入射角，利用三角形各边的比例关系，计算花键表面激光轮廓点距离其所在花键横截面中心的距离；

步骤四、工件绕轴线转动一圈，并依次测量和计算，最后获得同一横截面花键的齿形数据。

更详细的测量步骤如下：

步骤一、激光呈固定角度照射在工件表面，通过校准，使得激光、相机和工件物理位置关系满足三角测量法要求。

步骤二、N_y为激光光斑纵向像素坐标，N_x为激光光斑横向像素坐标，Y₀为CCD中心点的纵向像素坐标，X₀为CCD中心点的横向像素坐标，i₀为CCD像素大小；记录N_y、N_x、Y₀、X₀、i₀各自的数据；

h为激光光斑在CCD上的像距离图像中心的纵向距离，H为激光光斑在CCD上的像距离图像中心的横向距离，按照如下公式：

h=（N_y-Y₀）×i₀；H=（N_x-X₀）×i₀；

分别计算出h和H的数值。

步骤三、通过标定和计算，得出相机参数和激光入射角度，相机参数包括焦距和物距，激光入射角度是指入射光线和光轴之间的夹角。R为基准面与工件轴线之间的距离，f为焦距，PA为物距，α为激光入射角；分别记录R、f、PA、α的数值；

利用三角形各边的比例关系，按下列公式：

$r=\sqrt{{(R-\frac{h\×\mathrm{PA}\×\cos \mathrm{\α}}{\sin (\mathrm{\α}-{\tan }^{-1}\left(\frac{h}{f}\right))\×\sqrt{h^2+f^2}})}^2+{\{(\frac{h\×\mathrm{PA}\×\sin \mathrm{\α}}{\sin (\mathrm{\α}-{\tan }^{-1}\left(\frac{h}{f}\right))\×\sqrt{h^2+f^2}}+\mathrm{PA})\×\frac{H}{f}\}}^2}$

计算花键表面激光轮廓点距离其所在花键横截面中心的距离。

步骤四、由于受到CCD相机和镜头拍摄范围的限制，每次拍摄获取一个花键齿形上的条形激光轮廓，通过伺服电机带动底部的转盘使得工件绕轴线转动，其中顶针随着工件做同步转动；根据花键的齿数，伺服电机带动底部的转盘做相应次数的转动，每一次转动完成，根据CCD相机拍摄得到的激光轮廓图像进行反算，当完成360°转动后，可得到同一横截面花键的齿形；同时，检测数据通过工控机数据采集系统，完成数据采集和处理，从而可计算花键的大径、小径、两针距及分度误差等花键尺寸信息。

本发明的有益效果在于：可实现非接触式和定量测量外星轮花键尺寸；尤其是精度高，最高重复精度可达到+0.01mm，并且具有良好的稳定性，使其在外星轮花键测量领域显示出独特的优势。本装置设计的采用20mW大发散角条形激光呈固定角度照射在花键表面，500万像素CCD相机水平拍摄的方法，增强了花键轮廓图像的清晰度和对比度；本装置设计用于固定外星轮的转盘和同步转动的顶针结构，具有较高的动态精度，减少了机械结构磨损带来的精度下降；因此，本发明可以广泛用于非接触式测量花键尺寸，提高了花键尺寸测量精度和检测效率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明基于激光三角测量法的光路图；

图2是本发明一个较佳实施例的测量外星轮花键尺寸的装置的结构示意图。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

本实施例提供的测量外星轮花键尺寸的装置如图2所示，基于三角测量法制成，包括激光器5、相机2、镜头3和用于固定被测物的机械结构。用于固定被测工件的机械结构，包括底部的转盘4和顶部的顶针1，顶针1下压后，被测工件6轴向固定。所述转盘4由伺服电机带动。激光器5选用20mW大发散角条形激光器。相机2选用500万像素CCD相机。镜头3选用50mm定焦镜头。

图1展示的是激光三角测量法的光路图，具体测量方法如下：

激光呈固定角度照射在花键表面。通过校准，使得激光、CCD相机和被测工件物理位置关系满足三角测量法要求，即：工件轴线垂直，激光结构光水平；镜头光心线与工件旋转轴共面；激光结构光在基准面上的直线在图像中心位置；激光结构光中心与镜头光心线共面。

N_y为激光光斑纵向像素坐标，N_x为激光光斑横向像素坐标，Y₀为CCD中心点的纵向像素坐标，X₀为CCD中心点的横向像素坐标，i₀为CCD像素大小；记录N_y、N_x、Y₀、X₀、i₀各自的数据；

h为激光光斑在CCD上的像距离图像中心的纵向距离，H为激光光斑在CCD上的像距离图像中心的横向距离，按照如下公式：

h=（N_y-Y₀）×i₀；H=（N_x-X₀）×i₀；

分别计算出h和H的数值。

通过标定和计算，得出相机参数和激光入射角度，相机参数包括焦距和物距，激光入射角度是指入射光线和光轴之间的夹角。R为基准面与工件轴线之间的距离，f为焦距，PA为物距，α为激光入射角；分别记录R、f、PA、α的数值；

利用三角形各边的比例关系，按下列公式：

$r=\sqrt{{(R-\frac{h\×\mathrm{PA}\×\cos \mathrm{\α}}{\sin (\mathrm{\α}-{\tan }^{-1}\left(\frac{h}{f}\right))\×\sqrt{h^2+f^2}})}^2+{\{(\frac{h\×\mathrm{PA}\×\sin \mathrm{\α}}{\sin (\mathrm{\α}-{\tan }^{-1}\left(\frac{h}{f}\right))\×\sqrt{h^2+f^2}}+\mathrm{PA})\×\frac{H}{f}\}}^2}$

计算花键表面激光轮廓点距离其所在花键横截面中心的距离。

由于受到CCD相机和镜头拍摄范围的限制，每次拍摄获取一个花键齿形上的条形激光轮廓，通过伺服电机带动底部的转盘使得工件绕轴线转动，其中顶针随着工件做同步转动；根据花键的齿数，伺服电机带动底部的转盘做相应次数的转动，每一次转动完成，根据CCD相机拍摄得到的激光轮廓图像进行反算，当完成360°转动后，可得到同一横截面花键的齿形；同时，检测数据通过工控机数据采集系统，完成数据采集和处理，从而可计算花键的大径、小径、两针距及分度误差等花键尺寸信息。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种测量外星轮花键尺寸的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、按三角测量法要求，校准测量装置；具体操作流程是：激光呈固定角度照射在工件表面，通过校准，使得工件轴线垂直，激光结构光水平；镜头光心线与工件旋转轴共面；激光结构光在基准面上的直线在图像中心位置；激光结构光中心与镜头光心线共面；

步骤二、打开激光器，记录激光光斑像素坐标和CCD中心点像素坐标，计算出激光光斑离CCD中心点的纵向和横向距离；具体操作流程是：

N_y为激光光斑纵向像素坐标，N_x为激光光斑横向像素坐标，Y₀为CCD中心点的纵向像素坐标，X₀为CCD中心点的横向像素坐标，i₀为CCD像素大小；记录N_y、N_x、Y₀、X₀、i₀各自的数据；

h为激光光斑在CCD上的像距离图像中心的纵向距离，H为激光光斑在CCD上的像距离图像中心的横向距离，按照如下公式：

h＝(N_y-Y₀)×i₀；H＝(N_x-X₀)×i₀；

分别计算出h和H的数值；

步骤三、记录基准面与工件轴线之间的距离、焦距、物距和激光入射角，利用三角形各边的比例关系，计算花键表面激光轮廓点距离其所在花键横截面中心的距离；具体操作流程是：

R为基准面与工件轴线之间的距离，f为焦距，PA为物距，α为激光入射角；分别记录R、f、PA、α的数值；

利用三角形各边的比例关系，按下列公式：

$r=\sqrt{{(R-\frac{h\×PA\×\cos \mathrm{\α}}{\sin \left(\mathrm{\α}-{\tan }^{-1}\left(\frac{h}{f}\right)\right)\×\sqrt{h^2+f^2}})}^2+{\{(\frac{h\×PA\×\sin \mathrm{\α}}{\sin \left(\mathrm{\α}-{\tan }^{-1}\left(\frac{h}{f}\right)\right)\×\sqrt{h^2+f^2}}+PA)\×\frac{H}{f}\}}^2}$

计算花键表面激光轮廓点距离其所在花键横截面中心的距离；

步骤四、被测工件绕轴线转动一圈，并依次测量和计算，最后获得同一横截面花键的齿形数据；具体操作流程是：

每次拍摄获取一个花键齿形上的条形激光轮廓，通过伺服电机带动底部的转盘使得被测工件绕轴线转动，其中顶针随着被测工件做同步转动；根据花键的齿数，伺服电机带动底部的转盘做相应次数的转动，每一次转动完成，根据CCD相机拍摄得到的激光轮廓图像进行反算，当完成360°转动后，可得到同一横截面花键的齿形；同时，检测数据通过工控机数据采集系统，完成数据采集和处理。

2.如权利要求1所述的一种测量外星轮花键尺寸的方法，其特征在于：所述激光器选用20mW条形激光器。

3.如权利要求1所述的一种测量外星轮花键尺寸的方法，其特征在于：所述CCD相机选用500万像素CCD相机。

4.如权利要求1所述的一种测量外星轮花键尺寸的方法，其特征在于：所述镜头选用50mm定焦镜头。