CN108709509A - 轮廓照相机、配套的超大直径回转体工件非接触式测径仪以及非接触式回转体测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高精度的非接触测量领域，特别是一种传感器上安装的轮廓照相机、配套的超大直径回转体工件非接触式测径仪以及非接触式回转体测量方法。旨在解决现有的非接触式测量技术中测量精度低，测量速度慢，测量设备稳定性差的问题。本发明的感器包括安装在壳体内的平行光光源发生器、安装在壳体上的轮廓照相机和进行光电信号转换的控制处理器，轮廓照相机输出端连接图像处理器和显示器以实现被测工件表面轮廓的数据处理和显示；平行光光源发生器发出的平面光束与工件的圆柱表面相交形成高亮度弧线。优点在于：测量结果精确，同时可以消除工件在测量区域内的倾斜及位置误差，实现大直径工件外直径的精确快速测量。
Description
技术领域
本发明涉及高精度的非接触式工件测量领域，特别是一种轮廓照相机、配套的超大直径回转体工件非接触式测径仪以及非接触式回转体测量方法。
背景技术
非接触式测量是指不接触被测物体的前提下进行精准测量，其测量精度可以达到μm量级。非接触式测径仪利用CCD采集成像透镜组所成的被测体轮廓影像,再配合移动平台，运用影像分析原理，通过计算机处理影像信号，对科研生产零件进行精密的几何尺寸的测量，并可进行CPK数值的分析。在工业制造领域，涉及很多大型回转体工件的非接触直径测量，例如带保温层的大直径管材、大直径胶辊、大直径硅棒、光纤母棒等。
目前，这些工件的非接触测量一般使用对射式激光扫描法和激光位移传感器法。而技术人员发现这些检测方法存在如下问题：
对射式激光扫描法用两组激光扫描器和接收器，体积较大，当工件沿轴向运动时，工件的支承架会遮挡激光扫描光束或碰撞扫描器；
激光位移传感器法是相对的两个传感器分别测量工件表面的距离，当传感器的轴线与工件的直径线不重合时，会产生很大测量误差，如要减少该误差需要传感器作精确的机械跟踪运动，测量速度大大降低。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中的各种问题，提供一种轮廓照相机、配套的超大直径回转体工件非接触式测径仪以及非接触式回转体测量方法。
本发明的具体方案是：
设计一种传感器上安装的轮廓照相机，轮廓照相机包括安装在壳体内的平行光光源发生器、安装在壳体上的轮廓照相机和进行光电信号转换的控制处理器，所述轮廓照相机包括安装在壳体上的成像透镜组、图像传感器，所述控制处理器的输入端连接所述图像传感器，其输出端连接图像处理器和显示器以实现被测工件表面轮廓的数据处理和显示；所述平行光光源发生器发出的平面光束与工件的圆柱表面相交形成高亮度弧线，以使所述弧线经过成像透镜组，在图像传感器的矩形感光面上聚焦成实像，所述图像传感器的矩形感光面上设有中线以作为测量基准线，所述图像传感器与所述控制处理器电路连接。
所述成像透镜组的光轴为A线，所述成像透镜组的光轴A线，所述A线与所述平行光光源发生器发出的光束的中心线相交于作为测量基准点的S0点，所述A线与光束的中心线间的夹角为θ0，所述图像传感器的矩形感光面与成像透镜组的光轴A的夹角θ1，所述成像透镜组的光轴与图像传感器的矩形感光面的交点为M0，M0到成像透镜组主面的距离为v0，成像透镜组的光轴与激光束的中心线的交点S0到成像透镜组主面的距离为u0，f为成像透镜组的焦距，u0、v0满足：
，从而将所述高亮度弧线转换为图像传感器的矩形感光面上的弧形图像，其中，沿激光束方向距S0点距离为h的点在图像传感器的矩形感光面上所成的像到M0点的距离为MM0，与h成以下的函数关系：
,以反映所述高亮度弧线的各个点到基准点S0的距离。
所述平行光光源发生器上安装有光源亮度调节部件。
一种超大直径回转体工件非接触式测径仪，其上安装轮廓照相机，包括支架和穿过两侧支架的移动装置，所述移动装置上安装有至少2段V型固定架，所述V型固定架上安装被测量的回转体工件，所述V型固定架的顶面为C面，所述回转体工件平行于所述C面的最大横截面为B面，B高于C，B面在轮廓照相机的视场外；
滑动平移台对应安装在所述支架的两侧，所述轮廓照相机安装在所述滑动平移台上，所述滑动平移台上还安装有测量所述轮廓照相机到指定固定端间间距的测量元件。
每单侧的所述滑动平移台上安装有至少一个轮廓照相机。
所述滑动平移台包括在竖直方向上滑动安装于所述支架上的垂直升降台，所述垂直升降台上沿水平方向滑动安装有伸缩滑台，所述轮廓照相机安装在所述伸缩滑台的另一端，在所述支架与所述垂直升降台间、在所述垂直升降台与所述伸缩滑台间各设有动力源以带动移动副连接，以所述支架的外侧边缘为固定端，所述测量元件包括安装在所述伸缩滑台上以测量轮廓照相机与所述固定端间距的光栅测量器。
所述非接触式测径仪远程连接有图像处理器以处理图像和计算测量数据，所述图像处理器的输出端连接有显示装置以输出测量结果。
一种非接触回转体测量方法，使用上述的轮廓照相机，其特征在于包括如下步骤：
（1）安装：在被测量工件的位移路径的两侧对称安装轮廓照相机，同时指定两侧的固定端，在轮廓照相机与固定端间安装测量其二者间的测距部件，被测量工件安装时保证其中线高度与所述轮廓照相机的测量区域及垂直升降台的移动范围相对应；
（2）测距:被测量工件以小于5km/小时的速度相对于所述轮廓照相机移动，在被测量工件移动的同时，两侧的轮廓照相机测量其与被测量工件间的距离G1、G2，测距部件测量所述轮廓照相机与固定端间的距离L1、L2，两侧固定端间距离为D0，测得被测量工件的直径
D=(D0-L1-L2-G1-G2)。
在被测量工件的位移路径的两侧对称安装两对轮廓照相机，每对轮廓照相机的间距为L0，L0大于10mm，对应的在步骤（2）之后增加步骤（3）计算补偿直径：
首先计算工件实际轴线与×轴在水平方向的倾斜角：以一对所述轮廓照相机与固定端间的距离L11、L12，与被测量工件间的距离G11、G12，另一对所述轮廓照相机与固定端间的距离L21、L22，与被测量工件间的距离G21、G22，
得偏移角，
单对轮廓照相机测量直径D1=D0-L11-L12-G11-G12, D2=D0-L21-L22-G21-G22
取D1、D2的平均值并补偿工件倾斜影响后得到直径：
D=（D1+D2）/2*COSθ。
本发明的有益效果在于：
传感器的设计，规避了散射的光源，替换为平行光源，检测平行光源输出的最近光线确定距离，精度高；
激光平行光源发出均匀的线型激光束，与扩散光源激光束相比，照度更均匀，成像质量更好。所述激光平行光源发出的激光束形成一个与水平面垂直的平面，所述激光束与被测工件的圆柱表面相切形成一条明亮的轮廓曲线，所述轮廓曲线经过成像透镜组，在与所述成像透镜组光轴偏转一定角度的图像传感器的像面上形成实像。所述实像的各像点与工件轮廓曲线的各点一一对应，像点在图像传感器上的位置反映了对应的工件轮廓曲线各个点距非接触传感器基准面的距离；
同时该测量系统解决了大直径回转体工件外径的非接触测量问题，消除了一维距离传感器中心线与工件直径线不重合问题并且消除了工件倾斜造成的测量误差，具体的超大直径回转体工件非接触式测径仪，实现超大直径回转体类工件快速准确连续的外径测量，同时，多组传感器的安装设计，进一步考虑到测量过程中可能出现的误差的情况，计算出误差倾角，输出结果进一步叠加补偿误差，提高输出精度；
支撑的 V型固定架采用多点固定的形式实现对工件的固定，工件固定效果好，其装配尺寸保证测量的是工件的直径，测量准确，同时其由具有一定弹性的材料制成，可以防止碰撞对工件表面精度带来的影响
与控制系统的连接，通过控制系统的内置程序可以实现测量方式的自动化，测量过程中，工件置于行驶的车辆上通过支架，就可以直观的在显示屏上看到测量结果，节约人工。
附图说明
图1是轮廓照相机结构俯视图；
图2是轮廓照相机结构侧视图；
图3是轮廓照相机成像原理示意图；
图4是轮廓照相机测量原理示意图；
图5是轮廓照相机在图4所示状态投影在图像传感器感光面上的主视图；
图6是本发明中测径仪总体结构的立体图；
图7是本发明中测径仪总体结构的的主视图；
图8是本发明中测径仪总体结构的的左视图；
图9是本发明中测径仪总体结构的的俯视图；
图10是本发明中测量过程中原理示意图；
图11是本发明另一状态中测量过程中原理示意图；
图6中略去移动装置；
图中各部件名称：1.被测量工件；2.支架；3. V型固定架；4.移动装置；5.轮廓照相机；6. 垂直升降台；7.伸缩滑台；8. 照相机架；9. 控制处理器；10.平行光光源发生器；11.摄录测距机构；12.平行光光源；13. 图像透镜组；14.壳体；15.图像传感器；16.图像显示器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种轮廓照相机，参见图1至图11，轮廓照相机包括安装在壳体内的平行光光源发生器10、安装在壳体上的轮廓照相机和进行光电信号转换的控制处理器，轮廓照相机包括安装在壳体14上的成像透镜组13、图像传感器15，控制处理器的输入端连接图像传感器15，其输出端连接图像处理器和显示器以实现被测工件表面轮廓的数据处理和显示；平行光光源发生器发出的平面光束与工件的圆柱表面相交形成高亮度弧线，以使弧线经过成像透镜组，在图像传感器的矩形感光面上聚焦成实像，图像传感器的矩形感光面上设有中线以作为测量基准线，图像传感器与控制处理器电路连接。
成像透镜组的光轴为A线，成像透镜组的光轴A线，A线与平行光光源发生器发出的光束的中心线12相交于作为测量基准点的S0点，A线与光束的中心线12间的夹角为θ0，图像传感器的矩形感光面15与成像透镜组的光轴A的夹角θ1，成像透镜组的光轴与图像传感器的矩形感光面的交点为M0，M0到成像透镜组主面的距离为v0，成像透镜组的光轴与激光束的中心线的交点S0到成像透镜组主面的距离为u0，f为成像透镜组的焦距，u0、v0满足：
从而将所述高亮度弧线转换为图像传感器的矩形感光面上的弧形图像，其中，沿激光束方向距S0点距离为h的点在图像传感器的矩形感光面上所成的像到M0点的距离为MM0，与h成以下的函数关系：
,以反映所述高亮度弧线的各个点到基准点S0的距离
平行光光源发生器上安装有光源亮度调节部件。
一种超大直径回转体工件非接触式测径仪，其上安装如轮廓照相机，包括支架2和穿过两侧支架2的移动装置4，移动装置4上安装有至少2段V型固定架3，V型固定架3上安装被测量的回转体工件，V型固定架3的顶面为C面，回转体工件平行于C面的最大横截面为B面，B高于C，B面在轮廓照相机的视场外；
滑动平移台对应安装在支架2的两侧，轮廓照相机5安装在滑动平移台上，滑动平移台上还安装有测量轮廓照相机5到指定固定端间间距的测量元件。
每单侧的滑动平移台上安装有至少一个轮廓照相机5。
滑动平移台包括在竖直方向上滑动安装于支架2上的垂直升降台6，垂直升降台6上沿水平方向滑动安装有伸缩滑台7，轮廓照相机5安装在伸缩滑台7的另一端，在支架2与垂直升降台6间、在垂直升降台6与伸缩滑台7间各设有动力源以带动移动副连接，以支架2的外侧边缘为固定端，测量元件包括安装在伸缩滑台7上以测量轮廓照相机5与固定端间距的光栅测量器。
非接触式测径仪远程连接有图像处理器以处理图像和计算测量数据，图像处理器的输出端连接有显示装置以输出测量结果。
一种非接触回转体测量方法，使用上述的轮廓照相机5，其特征在于包括如下步骤：
（1）安装：在被测量工件1的位移路径的两侧对称安装轮廓照相机5，同时指定两侧的固定端，在轮廓照相机5与固定端间安装测量其二者间的测距部件，被测量工件1安装时保证其中线高度与轮廓照相机5的测量区域及垂直升降台6的移动范围相对应；
（2）测距:被测量工件1以小于5km/小时的速度相对于轮廓照相机5移动，在被测量工件1移动的同时，两侧的轮廓照相机5测量其与被测量工件1间的距离G1、G2，测距部件测量轮廓照相机5与固定端间的距离L1、L2，两侧固定端间距离为D0，测得被测量工件1的直径
D=(D0-L1-L2-G1-G2)。
在被测量工件1的位移路径的两侧对称安装两对轮廓照相机5，每对轮廓照相机5的间距为L0，L0大于10mm，对应的在步骤（2）之后增加步骤（3）计算补偿直径：
首先计算工件实际轴线与×轴在水平方向的倾斜角：以一对轮廓照相机5与固定端间的距离L11、L12，与被测量工件1间的距离G11、G12，另一对轮廓照相机5与固定端间的距离L21、L22，与被测量工件1间的距离G21、G22，
得偏移角，
单对轮廓照相机5测量直径D1=D0-L11-L12-G11-G12, D2=D0-L21-L22-G21-G22
取D1、D2的平均值并补偿工件倾斜影响后得到直径：
D=（D1+D2）/2*COSθ。
工作过程中，弧线的像偏离测量基准线的距离反映了工件表面到轮廓照相机的距离。
每单侧的滑动平移台上安装有至少两个轮廓照相机5。以适应被测量工件1存在倾角的状况。
V型固定架3为多边形棱台状，厚度小于50cm，其上表面包括一对对称设置的斜面，由橡胶制成。可以有效防止磕碰带来的表面精度磨损。具体工作中也可以替换为软木。
非接触式测径仪远程连接有控制器以输入测量数据，控制器的输出端连接有显示装置以输出测量结果。进一步节省人工。
该倾斜角度的测定和补偿，主要考虑的是相对于水平面的倾斜，因为相对于竖直方向上的倾斜，只要在测量的行程范围内，测量结果不受影响。
工作过程中，被测量工件1定位固定后，缓慢通过支架2的过程中传感器和其他设备的结合测定，直接得出被测量工件1的尺寸，测量精度高，同时测量过程中不会发生零部件的磕碰，即不会因为测量对工件本身产生磨损。
实施例2：本实施例原理同实施例1，具体不同之处在于：轮廓照相机及其测量方法可以应用于车工零件侧测量领域，平行光光源投射至工件的柱状表面上，轮廓照相机测量被车削工件的外径是否合格。
实施例3：本实施例原理同实施例1，具体不同之处在于：在测量时也可以采用被测量工件不动，测量架动的情况。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种传感器上安装的轮廓照相机，其特征在于：轮廓照相机包括安装在壳体内的平行光光源发生器（10）、安装在壳体上的轮廓照相机和进行光电信号转换的控制处理器，所述轮廓照相机包括安装在壳体（14）上的成像透镜组（13）、图像传感器（15），所述控制处理器的输入端连接所述图像传感器（15），其输出端连接图像处理器和显示器以实现被测工件表面轮廓的数据处理和显示；所述平行光光源发生器（10）发出的平面光束与工件的圆柱表面相交形成高亮度弧线，以使所述弧线经过成像透镜组，在图像传感器的矩形感光面上聚焦成实像，所述图像传感器的矩形感光面上设有中线以作为测量基准线，所述图像传感器与所述控制处理器电路连接。
2.如权利要求1所述的传感器上安装的轮廓照相机，其特征在于：所述成像透镜组的光轴为A线，所述A线与所述平行光光源发生器发出的光束的中心线（12）相交于作为测量基准点的S0点，所述A线与光束的中心线（12）间的夹角为θ0，所述图像传感器（15）的矩形感光面与成像透镜组的光轴A的夹角θ1，所述成像透镜组的光轴与图像传感器的矩形感光面的交点为M0，M0到成像透镜组主面的距离为v0，成像透镜组的光轴与激光束的中心线的交点S0到成像透镜组主面的距离为u0，f为成像透镜组的焦距，u0、v0满足：
，从而将所述高亮度弧线转换为图像传感器的矩形感光面上的弧形图像，其中，沿激光束方向距S0点距离为h的点在图像传感器的矩形感光面上所成的像到M0点的距离为MM0，与h成以下的函数关系：
，以反映所述高亮度弧线的各个点到基准点S0的距离。
3.如权利要求1所述的传感器上安装的轮廓照相机，其特征在于：所述平行光光源发生器上安装有光源亮度调节部件。
4.一种超大直径回转体工件非接触式测径仪，其上安装如权利要求1所述的轮廓照相机，其特征在于：包括支架（2）和穿过两侧支架（2）的移动装置（4），所述移动装置（4）上安装有至少2段V型固定架（3），所述V型固定架（3）上安装被测量的回转体工件，所述V型固定架（3）的顶面为C面，所述回转体工件平行于所述C面的最大横截面为B面，B高于C，B面在轮廓照相机的视场外；
滑动平移台对应安装在所述支架（2）的两侧，所述轮廓照相机（5）安装在所述滑动平移台上，所述滑动平移台上还安装有测量所述轮廓照相机（5）到指定固定端间间距的测量元件。
5.如权利要求4所述的超大直径回转体工件非接触式测径仪，其特征在于：每单侧的所述滑动平移台上安装有至少一个轮廓照相机（5）。
6.如权利要求5所述的超大直径回转体工件非接触式测径仪，其特征在于：所述滑动平移台包括在竖直方向上滑动安装于所述支架（2）上的垂直升降台（6），所述垂直升降台（6）上沿水平方向滑动安装有伸缩滑台（7），所述轮廓照相机（5）安装在所述伸缩滑台（7）的另一端，在所述支架（2）与所述垂直升降台（6）间、在所述垂直升降台（6）与所述伸缩滑台（7）间各设有动力源以带动移动副连接，以所述支架（2）的外侧边缘为固定端，所述测量元件包括安装在所述伸缩滑台（7）上以测量轮廓照相机（5）与所述固定端间距的光栅测量器。
7.如权利要求5所述的超大直径回转体工件非接触式测径仪，其特征在于：所述非接触式测径仪远程连接有图像处理器以处理图像和计算测量数据，所述图像处理器的输出端连接有显示装置以输出测量结果。
8.一种非接触回转体测量方法，使用如权利要求1所述的轮廓照相机，其特征在于，包括如下步骤：
安装：在被测量工件（1）的位移路径的两侧对称安装轮廓照相机（5），同时指定两侧的固定端，在轮廓照相机（5）与固定端间安装测量其二者间的测距部件，被测量工件（1）安装时保证其中线高度与所述轮廓照相机（5）的测量区域及垂直升降台（6）的移动范围相对应；
测距:被测量工件（1）以小于5km/小时的速度相对于所述轮廓照相机（5）移动，在被测量工件（1）移动的同时，两侧的轮廓照相机（5）测量其与被测量工件（1）间的距离G1、G2，测距部件测量所述轮廓照相机（5）与固定端间的距离L1、L2，两侧固定端间距离为D0，测得被测量工件（1）的直径
D=(D0-L1-L2-G1-G2)。
9.如权利要求8所述的非接触回转体测量方法，其特征在于：在被测量工件（1）的位移路径的两侧对称安装两对轮廓照相机（5），每对轮廓照相机（5）的间距为L0，L0大于10mm，对应的在步骤（2）之后增加步骤（3）计算补偿直径：
步骤（3），首先计算工件实际轴线与×轴在水平方向的倾斜角：以一对所述轮廓照相机（5）与固定端间的距离L11、L12，与被测量工件（1）间的距离G11、G12，另一对所述轮廓照相机（5）与固定端间的距离L21、L22，与被测量工件（1）间的距离G21、G22，
得偏移角，
单对轮廓照相机（5）测量直径D1=D0-L11-L12-G11-G12, D2=D0-L21-L22-G21-G22
取D1、D2的平均值并补偿工件倾斜影响后得到直径：
D=（D1+D2）/2*COSθ。
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