CN107917916B - 一种利用双自由度导轨检测椭球形玻壳的检测方法 - Google Patents

Abstract

用于椭球形玻壳检测的双自由度导轨，它涉及一种双自由度导轨。本发明解决了目前椭球形导轨加工难度非常大，加工精度难以保证导致难以加工大尺寸的椭球形导轨的问题。导轨组件的轮廓呈半圆形，连接滑块上设置有第一凹槽和第二凹槽，连接滑块通过第一凹槽安装在导轨组件上且连接滑块与导轨组件滑动连接，连接滑块上的第一凹槽与第二凹槽相互垂直设置，相机连接支杆插装在连接滑块的第二凹槽上，相机连接支杆指向导轨组件的圆心。本发明用于椭球形玻壳检测。

Description

一种利用双自由度导轨检测椭球形玻壳的检测方法

技术领域

本发明涉及一种双自由度导轨，具体涉及一种椭球形玻壳的表面质量检测装置的双自由度导轨，属于表面质量检测、自动化检测技术领域。

背景技术

光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200～1200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图象传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。

光电倍增管根据不同的应用有不同的尺寸大小，目前世界上最大的光电倍增管是20 英寸，由日本滨松光子学株式会社(hamamatsu)研制生产，最初用于小柴昌俊的超级神冈探测器中，装入了11200个，并最终探测到了宇宙中微子，小柴昌俊因此获得了2002年诺贝尔物理学奖，而20寸光电倍增管也因此在2014年获得“IEEE里程碑”。2016年11月 25日，由中国科学院高能物理研究所(简称高能所)牵头成立的微通道板型大面积光电倍增管研制合作组(以下简称合作组)宣布，国内首条年产7500支的20英寸微通道板型光电倍增管的生产线建成运行。未来2年内，中国兵器工业集团北方夜视技术股份有限公司将为中科院战略性先导科技专项——江门中微子实验提供15000支该产品。该生产线的建成及运行，标志着20英寸新型光电倍增管正式进入批量生产阶段，其不仅是产学研有机结合的范例，也将为我国在中微子实验的研究领域再登高峰夯实基础。

20英寸新型光电倍增管已投入生产当中，其玻璃外壳的表面质量严重影响光电倍增管对微光信号的接受，表面疵病如气泡、划痕、异物的大小和数量都需要严格把控。由于光电倍增管的玻璃外壳为椭球形，玻璃厚度约为3～5mm左右，玻壳整体尺寸大、形状新异，目前的检测只能停留在人工检测，难以达到自动化检测以及对疵病的量化检测。由于扫描成像的精度严重影响成像质量，需要严格控制相机距离使得玻璃壳表面始终在相机成像清晰的距离范围内。最好的解决方案是使用与玻璃壳相同形状的椭球形导轨开控制相机的扫描，但是由于椭球形导轨的加工难度非常大，加工精度难以保证，目前的加工水平难以实现加工大尺寸的椭球形导轨。

综上，目前椭球形导轨加工难度非常大，加工精度难以保证导致难以加工大尺寸的椭球形导轨。

发明内容

本发明为解决目前椭球形导轨加工难度非常大，加工精度难以保证导致难以加工大尺寸的椭球形导轨的问题，进而提供一种用于椭球形玻壳检测的双自由度导轨。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的用于椭球形玻壳检测的双自由度导轨包括导轨组件1、双向连接滑块7和相机连接支杆8；导轨组件1的轮廓呈半圆形，双向连接滑块7上设置有第一凹槽和第二凹槽，双向连接滑块7通过第一凹槽安装在导轨组件1上且双向连接滑块7与导轨组件1 滑动连接，双向连接滑块7上的第一凹槽与第二凹槽相互垂直设置，相机连接支杆8插装在双向连接滑块7的第二凹槽上，相机连接支杆8指向导轨组件1的圆心。

进一步地，导轨组件1包括导轨本体和导轨固定座，导轨本体的下端固装在导轨固定座上。

进一步地，导轨本体的横截面为矩形。

进一步地，相机连接支杆8的横截面为矩形。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明的用于椭球形玻壳检测的双自由度导轨将工业相机的工作距离固定，无需后续调焦，能够保证整个检测过程清晰成像；高亮度球形白光光源，发光均匀，光源放置中心与待测椭球形玻壳中心重合，能够保证光源照亮整个玻壳表面，光源均匀有利于后期的图像拼接与处理；

二、本发明采用了便于加工的圆形导轨，为使椭球形玻璃壳的表面始终在相机的清晰成像范围内，在圆形导轨上使用了双向连接元件，使得相机在沿着圆形导轨长度方向移动的同时，还能够沿着相机连接支杆的长度方向移动，从而控制相机距离椭球形玻璃壳表面的距离，使得玻璃壳表面始终处于相机景深范围内。

附图说明

图1是本发明的用于椭球形玻壳检测的双自由度导轨的结构示意图；

图2是椭球形玻壳检测装置的整体结构示意图；

图3是具体实施方式一中的双向连接滑块7的结构示意图(放大部分为双向连接滑块7的主视图和俯视图)；

图4是本发明的用于椭球形玻壳检测的双自由度导轨的设计原理图；

图5是本发明双自由度导轨的双向控制轨迹示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～4所示，本实施方式的用于椭球形玻壳检测的双自由度导轨包括导轨组件1、双向连接滑块7和相机连接支杆8；导轨组件1的轮廓呈半圆形，双向连接滑块7上设置有第一凹槽和第二凹槽，双向连接滑块7通过第一凹槽安装在导轨组件1上且双向连接滑块7与导轨组件1滑动连接，双向连接滑块7上的第一凹槽与第二凹槽相互垂直设置，相机连接支杆8插装在双向连接滑块7的第二凹槽上，相机连接支杆8指向导轨组件1的圆心。

由于椭球形的导轨加工难度大，加工精度难以保证，本发明设计了一种圆形双自由度导轨，通过与其连接的支杆来控制相机距离椭球面表面的距离大小，从而实现对椭球面的拍摄。椭球形玻壳表面质量检测装置包括导轨组件1、圆形转台2、球形白光光源3、支撑架4、远心镜头5、工业相机6、双向连接滑块7和相机连接支杆8；其中第一步进电机控制器9、第二步进电机控制器11、第三步进电机控制器12均与PC10机相连，PC机 10控制角度旋转、相机支杆的移动、相机沿导轨的移动以及玻壳表面图像的采集，提高了测量速度及相机移动精度；本发明的相机工作距离与景深的大小固定，避免了后续的调焦，能够保证快速成像；由于采用了便于加工的圆形导轨，为使椭球形玻璃壳的表面始终在相机的清晰成像范围内，在圆形导轨上使用了双向连接元件，使得相机在沿着圆形导轨的长度方向方向移动的同时，能够沿着相机连接支杆8方向移动，从而控制相机距离椭球形玻璃壳表面的距离，使得玻璃壳表面始终处于相机景深范围内。

使用高亮度的球形白光光源3，其支撑架4将光源支撑到光源中心与椭球形中心重合，白光光源发光均匀；

工业相机6的镜头为远心镜头，镜头的工作距离和景深已定，景深的选择需要大于玻璃外壳的厚度，使用远心镜头能够消除由于被测物体离镜头距离的远近不一致，造成放大倍率不一样的问题；

圆形转台2的中心为中空，能够放入球形白光光源3和支撑架4，同时圆形转台2的大小保证玻璃壳能够平稳放置并且同轴转动；

工业相机在椭球形导轨上的移动步长为相机视场的1/4，以保证垂直方向拍摄相邻图片具有1/4的重叠，方便图像拼接；

圆形转台2带动椭球形玻璃壳沿B方向匀速转动360°时，工业相机连续拍摄的速度要保证水平方向拍摄相邻图片具有1/4的重叠，方便图像拼接。

具体实施方式二：如图1和图2所示，本实施方式的导轨组件1包括导轨本体和导轨固定座，导轨本体的下端固装在导轨固定座上。如此设计，可以固定导轨，还可以安装椭球形玻壳检测装置的圆形转台2。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1和图2所示，本实施方式的导轨本体的横截面为矩形。如此设计，如此设计，便于双向连接滑块7在导轨本体上滑动，便于加工。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图1和图2所示，本实施方式的相机连接支杆8的横截面为矩形。如此设计，便于相机连接支杆8在双向连接滑块7上滑动，便于加工。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

工作原理：

如图1～5所示，本发明在使用过程中，工业相机在椭球导轨上沿导轨的长度方向每移动固定步长后停止，圆形转台带动椭球形玻璃壳沿B方向匀速转动360°，圆形转台转动过程中PC机控制工业相机连续拍照，步进电机控制器控制双向连接元件带动相机和支杆沿着A方向移动一定距离后，控制相机支杆沿C方向移动；

双向连接滑块7连接着导轨组件1与相机连接支杆8，工业相机6固定在相机连接支杆8的一端，步进电机能够控制双向连接滑块7在导轨组件1上沿A方向移动，同时能够控制相机连接支杆在双向连接滑块7上沿C方向移动；

椭球形玻壳检测的圆形双自由度导轨的设计原理是利用光学镜头的景深具有一定的范围大小，物体在景深范围内能够保证成像的清晰度，双向连接原件带动相机沿圆形导轨 A方向移动的同时，通过控制相机沿着C方向移动，能够保证相机的工作距离α不变的同时，玻璃壳表面始终处于相机的景深范围β之内。相机沿着C方向每次移动的步长设置略小于景深大小，以保证每次移动时的边缘也能够保证清晰成像；

如图5所示，双自由度圆形导轨的双向控制轨迹设计方法使用的原理是直角坐标系中圆与椭圆的交点坐标的求解，图中所示的1、2、3、4环带为相机的设置步长覆盖的范围(步长设置小于景深的大小)，在直角坐标系中，椭圆以及圆的解析式已经，通过MATLAB 求解可以得到A、B…..H的坐标点，通过确定中心坐标(0，0)以及交点坐标两点连线的直线方程与导轨圆方程的解，可以求得支杆开始移动的位置坐标A’、B’……H’从而能够确定相机的移动轨迹。轨迹为：确定A’的相机位置后，A’到B’沿圆周移动，B’位置相机向上移动一个步长，同理移动至E’位置后开始向下移动一个步长。

本发明中使用圆形双自由度导轨与圆形转台配合工业相机拍照来实现椭球表面全覆盖检测的操作方法：

步骤一：装调时保证圆形转台与球形光源同轴，保证球形光源的高度位于椭球玻壳的中心位置，保证圆形导轨与光源同心；

步骤二：将椭球玻壳放置到圆形转台上，调整工业相机第一次拍照的位置保证能够对椭球的球顶清晰成像；

步骤三：根据双自由度圆形导轨的双向控制轨迹设计方法使用的原理是直角坐标系中圆与椭圆的交点坐标的求解方法，计算相机每次沿着C方向开始移动的位置；

步骤四：设置步进电机控制器，相机在椭球形导轨上沿A方向每移动一次，圆形转台带动待检测玻壳(4)沿B方向转动360^。，步进电机控制器控制双向连接元件带动相机和支杆沿着A方向移动一定距离后，控制相机支杆沿C方向移动。通过相机的移动与转台的转动配合相机的拍摄获取整个玻壳表面图像；

步骤五：图像拼接，图像处理获得疵病信息

这种方案的设计采用了便于加工的圆形导轨，为使椭球形玻璃壳的表面始终在相机的清晰成像范围内，在圆形导轨上使用了双向连接元件，使得相机在沿着圆形导轨A方向移动的同时，能够沿着C方向移动，从而控制相机距离椭球形玻璃壳表面的距离，使得玻璃壳表面始终处于相机景深范围内。

Claims (3)

1.一种利用双自由度导轨检测椭球形玻壳的检测方法，所述检测方法采用如下装置，所述装置包括导轨组件、圆形转台、球形白光光源、支撑架、远心镜头、工业相机、双向连接滑块、相机连接支杆、第一步进电机控制器、PC机、第二步进电机控制器和第三步进电机控制器；导轨组件包括导轨本体和导轨固定座，导轨本体的下端固装在导轨固定座上，导轨本体的轮廓呈半圆形；双向连接滑块上设置有第一凹槽和第二凹槽，双向连接滑块通过第一凹槽安装在导轨组件上且双向连接滑块与导轨组件滑动连接，双向连接滑块上的第一凹槽与第二凹槽相互垂直设置，相机连接支杆插装在双向连接滑块的第二凹槽上，相机连接支杆指向导轨组件的圆心；圆形转台的中心为中空，球形白光光源通过支撑架安装在圆形转台的中空位置，工业相机固定在相机连接支杆的一端，远心镜头与工业相机连接，第一步进电机控制器、第二步进电机控制器和第三步进电机控制器均与PC机相连；

其特征在于：所述一种利用双自由度导轨检测椭球形玻壳的检测方法的具体步骤如下：

步骤一：装调时保证圆形转台与球形白光光源同轴，保证球形白光光源的放置中心与待测椭球形玻壳中心重合，保证导轨本体与光源同心；

步骤二：将椭球玻壳放置到圆形转台上，调整工业相机第一次拍照的位置保证能够对椭球的球顶清晰成像；

步骤三：根据双自由度圆形导轨的双向控制轨迹设计方法使用的原理是直角坐标系中圆与椭圆的交点坐标的求解方法，来计算相机每次沿着相机连接支杆与导轨本体圆心连线方向开始移动的位置；

步骤四：设置三个步进电机控制器，工业相机在导轨本体上沿导轨本体的圆周方向每移动一次，圆形转台带动待检测玻壳绕圆形转台的中轴线转动360°，圆形转台转动过程中PC机控制工业相机连续拍照，通过工业相机的移动与圆形转台的转动来配合相机的拍摄以获取整个玻壳表面图像；

其中，工业相机在导轨本体上沿导轨本体圆周方向移动的具体运动轨迹为：通过第一步进电机控制器控制双向连接滑块带动工业相机和相机连接支杆沿着导轨本体的圆周方向移动一定距离后，第二步进电机控制器控制相机连接支杆沿相机连接支杆与导轨本体圆心连线方向移动一个步长；

步骤五：图像拼接，图像处理获得疵病信息。

2.根据权利要求1所述的一种利用双自由度导轨检测椭球形玻壳的检测方法，其特征在于：所述检测方法所采用的装置中的导轨本体的横截面为矩形。

3.根据权利要求1-2任一所述的一种利用双自由度导轨检测椭球形玻壳的检测方法，其特征在于：所述检测方法所采用的装置中的相机连接支杆的横截面为矩形。

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