CN109238157A - 转盘半径及安装偏心四转位坐标增量检测方法及检测装置 - Google Patents

转盘半径及安装偏心四转位坐标增量检测方法及检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种转盘半径及安装偏心四转位坐标增量检测方法及检测装置，将被测转盘部件的转轴固定于标准转台上，建立四转位各点的圆周偏心转位定点坐标增量方程组，通过方程组求解获得在初始转位时转盘中心偏离量坐标，并计算得转盘半径和安装偏心，以及任意转位时转盘中心偏离量。该装置简单实用，易于操作；提出的方法简便，精度高，容易实现，为转盘类部件的尺寸和误差检测提供了高效、高精度的测量装置和方法，并为转盘类部件的同轴度的精调提供依据。本发明的方法及装置适用于圆形光栅、机械调制盘、光电编码器码盘等转盘部件的尺寸及偏心误差检测。尤其适用于转盘偏心误差较小，且其尺寸和形状误差远小于偏心误差的检测。

Description

转盘半径及安装偏心四转位坐标增量检测方法及检测装置
技术领域
本发明涉及一种圆形光栅、机械调制盘、光电编码器码盘等转盘部件的尺寸及误差的检测装置和方法，尤其是转盘半径及安装偏心四转位局部图像坐标增量检测装置和检测方法。
背景技术
转盘(旋转圆盘)类部件安装时存在与其转轴的安装误差，主要是由于转盘类零件与转轴的偏心引起的同轴度误差。该误差直接影响转盘的工作稳定性和输出信号的精度，因此该误差的检测与调试是生产转盘类部件必要的工作。
现有转盘类部件的偏心测量方法需要通过被测件整圆周边缘的包络圆的求取确定被测圆的中心坐标，进而计算偏心量。这种方法对于大尺寸圆盘或局部圆盘零部件而言，无法实现。
此外大尺寸圆盘或局部圆盘的尺寸(半径或直径)的测量常采用三坐标测量仪器、测量显微镜等通用设备，通过测弦长和弦高计算半径的间接测量方法，一直存在测量不方便、精度不高的问题。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种转盘类部件安装偏心误差四转位圆周定点坐标增量检测方法；同时该方法还可测量转盘的半径或直径尺寸。
本发明的目的是提供一种可控标准转台+图像采集的转盘安装偏心误差自动检测装置。
本发明的思想是：将被测转盘部件的转轴固定于标准转台上，并与标准转台同轴转动；通过固定于标准转台上方其镜头的光轴垂直转盘面的数码显微镜，在转台转动过程中，将转盘的圆周局部边缘清晰成像记录于数码显微镜的像平面；数码显微镜和标准转台分别通过数据线和控制线与PC机连接，构成图像自动采集处理系统；数码显微镜驱动、转台转角控制和四转位坐标增量检测方法的程序预置于PC机中。
在标准转台的转角为α+θi(i＝1、2、3、4)四个的位置上采集4个转位转盘圆周边缘的局部图像Ii，其中为α标准转台的初始角；在各局部图像上提取同一圆周上的边缘点：在初始转位的局部图像I1上选择转盘圆周的两个边缘点A0和A1，即θ1＝0；在其余转位时的局部图像I2、I3和I4上分别各选择转盘与A0和A1同一圆周的一个边缘点A2、A3和A4；并获得5个点的图像空间坐标A0(x0，y0)和Ai(xi，yi)；在物空间坐标系(以转台转轴与被测转盘成像平面的交点O为原点，X、Y坐标轴分别平行于数码显微镜的图像坐标轴)下，以A0在转台初始位置时的物空间坐标(x，y)对应的物空间位置点A为定点，建立四转位各点Ai(xi，yi)的圆周偏心转位定点坐标增量方程组，通过方程组求解获得在初始转位时转盘中心偏离量a和b、定点A的坐标x和y，并计算得转盘半径R和安装偏心e，以及任意转位α+θ时转盘中心偏离量a’和b’。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种转盘半径及安装偏心四转位圆周定点坐标增量检测方法，包括以下步骤：
a、建立圆周偏心转位定点坐标增量方程；
其中：x、y分别为标准转台在初始角α位置时，转盘圆周上的一点A0在物空间坐标系X、Y坐标值，A0对应的物空间位置点A为定点；a、b分别为标准转台在初始位置时，成像平面上转盘中心O’与其安装中心O在X、Y方向的偏离量，即偏心初始位置的X、Y坐标值；θi为标准转台当前转位相对于初始位置的转动角度，Δxi和Δyi分别为当前转位边缘点Ai与定点A在物空间坐标系下X、Y坐标的增量；
b、图像采集分别在标准转台的四个转角位置α+θi上采集四个转位转盘圆周边缘的局部图像Ii，i＝1、2、3、4，其中α为标准转台的初始角，四个转位尽量在转盘圆周内均匀分布，且取θ1＝0；
c、图像处理对四个转位转盘的局部图像Ii进行畸变校正、像素标定、边缘提取的图像处理过程，得校正后的局部图像I’i、显微成像的横纵方向的像素当量βx、βy和转盘的边缘；
d、选取转盘在同一圆周上的边缘点，在初始转位的校正后局部图像I’1上选择转盘同一圆周的两个边缘点A0和A1，在其余转位时的校正后局部图像I’2、I’3和I’4上分别各选择转盘同一圆周的一个边缘点A2、A3和A4；
e、建立坐标系，确定各边缘点的坐标，以局部图像左下角的像素中心为原点OI，分别沿像素横向分布向右为横坐标轴，沿像素纵向分布向上为纵坐标轴，建立图像坐标系XIOIYI，在四个校正后局部图像I’i中确定5个边缘点Aj在图像坐标系的坐标(xj，yj)，坐标单位为像素数，j＝0、1、2、3、4；以转台转轴与被测转盘成像平面的交点为原点O，坐标轴平行于数码显微镜的图像坐标轴建立物空间坐标系XOY，设定点A在物空间坐标系的坐标为(x，y)，单位为mm；
f、圆周偏心转位定点坐标增量方程联立求解，分别计算四转位边缘点Ai与定点A在物空间坐标系的X、Y坐标增量：
Δxi＝-βx(xi-x0) (2)
Δyi＝-βy(yi-y0) (3)
其中：βx、βy为显微成像的横向、纵向像素当量，即显微图像像素长、宽对应的物方尺寸，单位为mm/像素；
分别代入方程(1)，四个转位得四个方程式，四方程联立求解得转盘中心偏心位置坐标(a，b)、定点A的坐标(x，y)；当方程组多解时，根据定点坐标的数值范围和偏心值的范围选取合理值；
g、计算被测转盘半径R和安装偏心误差e：
转盘在任意转位α+θ时的偏心位置(a’，b’)：
转盘半径及安装偏心四转位坐标增量检测装置，是由支架底座13上装有调节支架1，高度可调悬臂11与调节支架1通过齿轮齿条和滑动导轨连接，高度可调悬臂11上装有数码显微镜3，数码显微镜3通过数据线8与PC机9连接；标准转台7的中间设有标准转台转轴14，标准转台7通过控制线与PC机9连接，被测转盘6置于标准转台7上，被测转盘转轴4插入标准转台转轴14的中心孔中，通过固定顶丝5固定，标准转台7带动被测转盘6转动；数码显微镜3与被测转盘6的焦距粗调是通过高度可调悬臂11在调节支架1上升高或降低，通过固定螺栓12固定，焦距微调是通过数码显微镜3的镜头调整；数码显微镜3的图像坐标轴分别与物空间坐标系的坐标轴平行。
有益效果：本发明提供的可控标准转台+图像采集处理的转盘尺寸及安装偏心误差检测装置，并基于转盘的局部图像建立的圆周偏心转位定点坐标增量方程，提出四个转位方程联立求解的转盘尺寸、偏心位置及误差的检测方法，该装置简单实用，易于操作；提出的方法简便，精度高，容易实现，为转盘类部件的尺寸和误差检测提供了高效、高精度的测量装置和方法，并为转盘类部件的同轴度的精调提供依据。本发明提供的方法及装置适用于圆形光栅、机械调制盘、光电编码器码盘等转盘部件的尺寸及偏心误差检测。本发明适用于转盘偏心误差较小，且其尺寸和形状误差远小于偏心误差的检测。
附图说明
图1转盘半径及安装偏心四转位坐标增量检测装置结构图
图2转台初始位置α+θ1时转盘检测空间位置图
图3转台初始位置α+θ1时转盘显微局部图像位置图
图4转台转位α+θi时转盘检测空间位置图
图5转台转位α+θi时转盘显微局部图像位置图
图6转盘半径及安装偏心四转位坐标增量检测方法流程图
1调节支架，2光轴，3数码显微镜，4被测转盘转轴，5固定顶丝，6被测转盘，7标准转台,8数据线，9PC机，10控制线，11高度可调悬臂,12固定螺栓，13支架底座，14标准转台转轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细的说明。
一种转盘半径及安装偏心四转位坐标增量检测方法，包括以下步骤：
a、建立四转位坐标增量方程；
其中：x、y分别为标准转台在初始角α位置时，转盘圆周上的一点A0在物空间坐标系X、Y坐标值，A0对应的物空间位置点A为定点；a、b分别为标准转台在初始位置时，成像平面上转盘中心O’与其转轴中心O在X、Y方向的偏离量，即偏心初始位置的X、Y坐标值；θi为标准转台当前转位相对于初始位置的转动角度，Δxi和Δyi分别为当前转位边缘点Ai与定点A在物空间坐标系下X、Y坐标的增量；
b、图像采集，分别在标准转台的四个转角位置α+θi上采集四个转位转盘圆周边缘的局部图像Ii，i＝1、2、3，4，其中α为标准转台的初始角，四个转位尽量在转盘圆周内均匀分布，且取θ1＝0；
c、图像处理，对四个转位转盘的局部图像Ii进行畸变校正、像素标定、边缘提取的图像处理过程，得校正后的局部图像I’i、显微成像的横纵方向的像素当量βx、βy和转盘的边缘；
d、选取转盘在同一圆周上的边缘点，在初始转位的校正后局部图像I’1上选择转盘同一圆周的两个边缘点A0和A1，在其余转位时的校正后局部图像I’2、I’3和I’4上分别各选择转盘同一圆周的一个边缘点A2、A3和A4；
e、建立坐标系，确定各边缘点的坐标，以局部图像左下角的像素中心为原点OI，分别沿像素横向分布向右为横坐标轴，沿像素纵向分布向上为纵坐标轴，建立图像坐标系XIOIYI，在四个校正后局部图像I’i中确定5个边缘点Aj在图像坐标系的坐标(xj，yj)，坐标单位为像素数，j＝0、1、2、3、4；以转台转轴与被测转盘成像平面的交点为原点O，坐标轴平行于数码显微镜3的图像坐标轴建立物空间坐标系XOY，设定点A在物空间坐标系的坐标为(x，y)，单位为mm；
f、偏心坐标增量方程联立求解，分别计算四转位边缘点Ai与定点A在物空间坐标系的X、Y坐标增量：
Δxi＝-βx(xi-x0) (2)
Δyi＝-βy(yi-y0) (3)
其中：βx、βy为显微成像的横向、纵向像素当量，即显微图像像素长、宽对应的物方尺寸，单位为mm/像素；
分别代入方程(1)，四个转位得四个方程式，四方程联立求解得转盘中心偏心位置坐标(a，b)、定点A的坐标(x，y)；
g、计算被测转盘转盘半径R和安装偏心误差e：
转盘半径及安装偏心四转位坐标增量检测装置，是由支架底座13上装有调节支架1，高度可调悬臂11与调节支架1通过齿轮齿条和滑动导轨连接，高度可调悬臂11上装有数码显微镜3，数码显微镜3通过数据线8与PC机9连接；标准转台7的中间设有标准转台转轴14，标准转台7通过控制线与PC机9连接，被测转盘6置于标准转台7上，被测转盘转轴4插入标准转台转轴14的中心孔中，通过固定顶丝5固定，标准转台7带动被测转盘6转动；数码显微镜3与被测转盘6的焦距粗调是通过高度可调悬臂11在调节支架1上升高或降低，通过固定螺栓12固定，焦距微调是通过数码显微镜3的镜头调整；数码显微镜3的图像坐标轴分别与物空间坐标系的坐标轴平行。
转盘半径及安装偏心四转位坐标增量检测方法，是利用四转位坐标增量检测方法，获得转盘的半径或直径尺寸、安装偏心及偏心位置，在标准转台7的转角为α+θi(i＝1、2、3，4)四个的位置上采集四个转位转盘圆周边缘的局部图像Ii，其中α为标准转台的初始角；在各局部图像上提取同一圆周上的边缘点：在初始转位的局部图像I1上选择转盘圆周的两个边缘点A0和A1，即θ1＝0；在其余转位时的局部图像I2、I3和I4上分别各选择转盘同一圆周的一个边缘点A2、A3和A4；并获得5个点A0和Ai的图像空间坐标(x0，y0)和(xi，yi)；在物空间坐标系下(以转台转轴与被测转盘成像平面的交点为原点O，X、Y坐标轴平行于数码显微镜3的图像坐标轴)，以A0在转台初始位置时的坐标(x，y)对应的物空间位置点A为定点，建立四转位各点Ai(xi，yi)的圆周偏心转位定点坐标增量方程
其中：i＝1、2、3，4；a、b分别为标准转台在初始位置时，成像平面上转盘中心O’与其转轴中心O在X、Y方向的偏离量，即偏心初始位置的X、Y坐标值；x和y为定点A在转台初始位置时的X、Y坐标；Δxi和Δyi分别为四转位同一圆周上的边缘点Ai与定点A物空间坐标系下X、Y坐标增量：
Δxi＝-βx(xi-x0) (2)
Δyi＝-βy(yi-y0) (3)
其中：βx、βy分别为显微成像的横向、纵向像素当量，即显微图像像素长和宽对应的物方尺寸，单位为mm/像素。
四个转位得四个方程，四方程联立求解得转盘中心偏离量a、b、定点A的坐标x、y。转盘半径R和安装偏心e：
转盘半径及安装偏心四转位坐标增量检测装置，如图1所示，包括转角可控的标准转台7、数码显微镜3、PC机9等。被测转盘6置于标准转台7上，被测转盘6的转轴4插入标准转台转轴14的中心孔中，通过固定顶丝5固定，标准转台7带动转盘6转动，并保证转盘转轴4与标准转台转轴14的同轴度。数码显微镜3通过调节其支架1将其固定于标准转台的上方，数码显微镜镜头的光轴2垂直转盘面，平行于标准转台转轴14，并将转盘的圆周局部边缘清晰成像于数码显微镜3的像平面，如图3、5中的XIOIYI。标准转台7、数码显微镜3分别通过控制线10和数据线8与PC机9连接，组成图像采集处理系统。PC机9预装了数码显微镜3的驱动、调焦、拍照和图像处理软件，以及实现四转位坐标增量检测方法的程序，如图6所示，获得转盘的半径或直径尺寸、安装偏心及偏心位置。进行转盘安装偏心误差的四转位坐标增量检测，获得转盘半径R、安装偏心误差e和偏心位置(a，b)，步骤如下：
1、检测装置的安装调整：利用软件控制数码相机成像和调焦，获得转盘圆周边缘局部的清晰像；转动标准转台，同时观察对应的转盘圆周局部像，确保在标准转台转动过程中，转盘圆周局部像在数码相机的视场中。
2、图像采集分别在标准转台四个的转角位置α+θi上采集四个转位(如图2、4所示)圆周边缘的局部图像Ii，i＝1、2、3，4，如图3、5示。其中α为标准转台的初始角，四个转位尽量在转盘圆周内均匀分布，且取θ1＝0，转角以逆时针方向为正；当被测件圆周为整圆时，可取θ2＝90°，θ3＝180°，θ4＝270°。
3、图像处理对四个转位转盘的局部图像Ii进行畸变校正、像素标定、边缘提取的图像处理过程，得校正后的局部图像I’i、显微成像的横纵方向的像素当量βx、βy和转盘的边缘；
4、选取转盘在同一圆周上的边缘点在初始转位的校正后局部图像I’1上选择转盘同一圆周的两个边缘点A0和A1，在其余转位时的校正后局部图像I’2、I’3和I’4上分别各选择转盘同一圆周的一个边缘点A2、A3和A4；
5、建立坐标系，确定个边缘点的坐标如图3、5所示，以局部图像的左下角的像素中心为原点OI，坐标轴分别沿像素的横、纵分布方向向右、向上建立图像坐标系XIOIYI，在四个校正后局部图像I’i中确定5个边缘点Aj在图像坐标系的坐标(xj，yj)，坐标单位为像素数，j＝0、1、2、3、4；以转台的转轴与被测转盘成像平面的交点为原点O，坐标轴平行于数码显微镜的图像坐标轴，建立物空间坐标系XOY，设定点A在物空间坐标系的坐标为(x，y)，单位为mm，未知，待求；定点A在图像坐标系的坐标为(x0，y0)，可在图像I’1中获得；
6、偏心坐标增量方程联立求解分别计算4转位边缘点Ai与定点A在物空间坐标系的X、Y坐标增量：
Δxi＝-βx(xi-x0) (2)
Δyi＝-βy(yi-y0) (3)
其中：βx、βy为显微成像的横向、纵向像素当量，即显微图像像素长、宽对应的物方尺寸，单位为mm/像素；
分别代入方程(1)，四个转位得4个方程式，4方程联立求解得转盘中心偏心位置坐标(a，b)、定点A的坐标(x，y)；当方程组多解时，根据定点坐标的数值范围和偏心值的范围选取合理值；
7、计算转盘半径R和安装偏心误差e：
转盘在任意转位α+θ时的偏心位置(a’，b’)：

Claims (2)

1.一种转盘半径及安装偏心四转位坐标增量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、建立圆周偏心转位定点坐标增量方程：
其中：x、y分别为与转盘转轴同轴的标准转台在初始角α位置时，转盘圆周上的一点A0在物空间坐标系X、Y坐标值，物空间坐标系的原点为标准转台转轴与被测转盘成像平面的交点O，X、Y坐标轴分别平行于数码显微镜的图像坐标轴；A0对应的物空间位置点A为定点；a、b分别为标准转台在初始位置时，成像平面上转盘中心O’与其转轴中心O在X、Y方向的偏离量，即偏心初始位置的X、Y坐标值；θi为标准转台当前转位相对于初始位置的转动角度，Δxi和Δyi分别为当前转位边缘点Ai与定点A在物空间坐标系下X、Y坐标的增量；
b、图像采集，利用光轴与标准转台转轴平行的数码显微镜，分别在标准转台的四个转角位置α+θi上采集四个转位转盘圆周边缘局部图像Ii，i＝1、2、3、4，其中α为标准转台的初始角，四个转位尽量在转盘圆周内均匀分布，且取θ1＝0；
c、图像处理，对四个转位转盘的局部图像Ii进行畸变校正、像素标定、边缘提取的图像处理过程，得校正后的局部图像I’i、显微成像的横纵方向的像素当量βx、βy和转盘的边缘；
d、选取转盘在同一圆周上的边缘点，在初始转位的校正后局部图像I’1上选择转盘同一圆周的两个边缘点A0和A1，在其余转位时的校正后局部图像I’2、I’3和I’4上分别各选择转盘同一圆周的一个边缘点A2、A3和A4；
e、确定各边缘点的图像坐标，以局部图像左下角的像素中心为原点OI，分别沿像素横向分布向右为横坐标轴，沿像素纵向分布向上为纵坐标轴，建立图像坐标系XIOIYI，在四个校正后局部图像I’i中确定5个边缘点Aj在图像坐标系的坐标xj，yj，坐标单位为像素数，j＝0、1、2、3、4；图像坐标系XIOIYI坐标轴与物空间坐标系XOY坐标轴平行，定点A在物空间坐标系的坐标x，y，单位为mm；
f、计算四转位边缘点Ai与定点A在物空间坐标系的X、Y坐标增量：
Δxi＝-βx(xi-x0) (2)
Δyi＝-βy(yi-y0) (3)
其中：βx、βy为显微成像的横向、纵向像素当量，即显微图像像素长、宽对应的物方尺寸，单位为mm/像素；
g、圆周偏心转位定点坐标增量方程联立求解，将Δxi、Δyi分别代入方程(1)，四个转位得四个方程式，四方程联立求解得转盘中心偏心位置坐标(a，b)、定点A的坐标(x，y)；当方程组多解时，根据定点坐标的数值范围和偏心值的范围选取合理值；
h、计算被测转盘半径R和安装偏心误差e：
转盘在当前转位α+θ时的偏心位置(a’，b’)：
2.一种实现权利要求1所述方法所采用的装置，其特征在于，是由支架底座(13)上装有调节支架(1)，高度可调悬臂(11)与调节支架(1)通过齿轮齿条和滑动导轨连接，高度可调悬臂(11)上装有数码显微镜(3)，数码显微镜(3)通过数据线(8)与PC机(9)连接；标准转台(7)的中间设有标准转台转轴(14)，标准转台(7)通过控制线与PC机(9)连接，被测转盘(6)置于标准转台(7)上，被测转盘转轴(4)插入标准转台转轴(14)的中心孔中，通过固定顶丝(5)固定，标准转台(7)带动被测转盘(6)转动；数码显微镜(3)与被测转盘(6)的焦距粗调是通过高度可调悬臂(11)在调节支架(1)上升高或降低，通过固定螺栓(12)固定，焦距微调是通过数码显微镜(3)的镜头调整；数码显微镜(3)的图像坐标系的坐标轴分别与物空间坐标系的坐标轴平行。
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