CN110360959A - 一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，通过控制模块向测量模块发送控制指令，通过测量模块控制视觉传感器模块对待测轴进行检测，通过视觉传感器模块中的发射器发出均匀稳定的线结构光，通过视觉传感器模块中的接收器将接收到的光信息转化为待测轴的表面数据信息并传递给工控机，最后工控机接收并处理这些信息，并将测得的结果进行显示和打印；本发明通过工控机来完成数据的采集与处理，自动进行数据传输，可以实时的获取测量结果，且检测过程中不与零件直接接触，可以避免测量过程中因接触而使被测零件产生划痕的现象，同时避免了人工检测时因主观因素或环境因素而造成的误差，检测结果更为客观。
Description
技术领域
本发明涉及机械零件检测领域，尤其涉及一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统。
背景技术
机械制造业要发展，就离不开形位误差测量技术的提高，而同轴度和直线度测量是轴类零件形位误差测量的一个重要部分，在工业制造的精度和规模不断提高的今天，人们对轴类零件形位误差测量的要求也越来越高。
目前常规的测量采用计量器具（游标卡尺、外径千分尺、通止规、卡规、立式光学计、圆度仪或者三坐标测量机等）的测头与被测表面有直接接触进行测量，测量器具与被测面有测量力产生，检测过程中容易在被测件上留下划痕，对其造成损害，影响测量精度；且大部分均为人工检测，不同检测人员持测量仪器时用力不同，测量结果就会不同，且读数上也会出现视觉误差，一旦测量参数较多或者受到外界因素影响，检测人员容易疲惫，测量速度也会降低；有些检测仪器例如圆度仪和三坐标测量机，造价昂贵，测量成本高，不但对使用环境和条件要求较高，抗干扰能力差，还对于被测件的尺寸有所限制，一般只用于小尺寸轴件的检测。
随着电子技术的发展，激光技术的发展，新型光电探测器的问世，形位误差的测量方法不断进步，为工业应用提供了先进的科学手段；轴类零件形位误差常见的测量方法有测微表法、拉线法、三坐标测量法、自准直仪法、激光于涉法、激光衍射法等等，在不接触被测物体的前提下，采用以光电、电磁、超声波技术为基础的测量设备实现无测量力的测量，这些测量方法的最大的特点是在测量过程中不会损伤被测表面，且可以实时测量，且测量精度高，检测速度快，已成为工业技术发展的趋势。
发明内容
根据以上背景内容，本发明的目的在于提供一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，通过控制模块向测量模块发送控制指令，通过测量模块控制视觉传感器模块对待测轴进行检测，所述视觉传感器模块包括发射器和接收器，通过发射器发出均匀稳定的线结构光并传递给接收器，所述接收器将接收到的光信息转化为待测轴的表面数据信息并传递给工控机，最后工控机接收并处理这些信息，并将测得的结果进行显示和打印；本发明通过工控机来完成数据的采集与处理，自动进行数据传输，采集和处理的速度非常快，可以实时的获取测量结果，且检测过程中不与零件直接接触，可以避免测量过程中因接触而使被测零件产生划痕的现象，同时避免了人工检测时因主观因素或环境因素而造成的误差，检测结果更为客观。
本发明是通过以下技术方案予以实现的。
一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，包括：控制模块和测量模块；
所述控制模块包括：用于发送指令和接收及处理数据信息的工控机；用于接收工控机发送的指令并控制伺服电机工作的运动控制卡；用于将检测数据和结果等信息打印出来，以备后期存档或其他用途的打印机；用于控制视觉传感器模块进行数据采集的传感器控制器以及用于整个系统电路连接的电控系统及操作按钮和指示灯。
所述测量模块包括：用于对待测轴进行数据采集的视觉传感器模块；用于将视觉传感器模块移动的距离传递给工控机的光栅尺；用于控制模块、测量模块和待测轴固定支撑的平台底座；用于待测轴定位的夹持装置；用于驱动待测轴做旋转运动的伺服电机一；用于驱动滚珠丝杠旋转带动视觉传感器模块沿滚珠丝杠进行移动的伺服电机二。
所述光栅尺固定在滚珠丝杠上，所述滚珠丝杠位于夹持装置两侧且其轴线于夹持装置的中轴线平行，所述视觉传感器模块与滚珠丝杠连接，通过伺服电机二滚珠丝杠旋转驱动沿着视觉传感器模块进行移动。
进一步的，所述夹持装置包括头架和尾座，所述头架和尾座中轴线重合并安装在平台底座所述平台底座上设置有燕尾槽，所述头架和尾座置于燕尾槽内并固定于平台底座上，通过调节尾座在平台底座的位置来实现待测轴的固定。
进一步的，所述视觉传感器模块包括发射器和接收器，通过发射器发出均匀稳定的线结构光通过待测轴传递给接收器，所述接收器将接收到的线结构光传递给工控机。
进一步的，所述测量模块的滚珠丝杠两侧均安装有限位开关，限位开关与待测轴的两端对齐，当所述当视觉传感器模块移动到待测轴的轴端时通过接触限位开关，控制视觉传感器模块停止运动或沿相反方向运动。
所述视觉检测模块中的CCD传感器由两套小型CCD传感器组成 ，其分别位于待测轴的上下两侧，所述两套小型CCD传感器之间的间距通过标准轴进行标定。
进一步的，根据本发明所述的一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其同轴度误差测量过程为：
步骤11：视觉传感器模块静止不动，工控机发送指令，伺服电机一工作，待测轴旋转，同时，传感器控制器控制视觉传感器采集待测轴表面数据信息；工控机发送固定脉冲数指令，通过伺服电机一控制待测轴的旋转角度，待测轴旋转一周后停止，至此，待测轴的一段截面表面数据采集完毕；
步骤12：伺服电机二工作，滚珠丝杠旋转带动视觉传感器模块向前移动一段距离后停止，重复上述过程，直至将待测轴所有截面表面数据采集完毕；
步骤13：建立空间直角坐标系，以待测轴的轴径方向为x轴，以垂直于x轴的轴径方向为y轴，以轴线方向为z轴，通过最小二乘法确定待测轴回转轴线位置；
步骤14：通过视觉传感器采集的数据信息得到待测轴在旋转过程中任意角度的实时直径值D；
步骤15：以待测轴旋转过程中的直径D中点为点集P，通过最小包容圆算法求取点集P的最小包容圆，将测量过程的所有截面的最小包容圆拟合为圆柱体；
步骤16：通过上述所求回转轴线与圆柱体之间的关系可求得待测轴的同轴度误差。
进一步的，根据本发明所述的一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其直线度误差测量过程为：
步骤21：待测轴静止不动，工控机发送指令，伺服电机二工作，滚珠丝杠旋转带动视觉传感器模块做直线运动。
步骤22：视觉传感器模块运动至接触到限位开关后停止运动，然后工控机控制视觉传感器模块沿相反方向继续对待测轴进行数据采集，往返5次后停止，至此，待测轴一个角度的表面数据采集完毕。
步骤23：工控机发送固定脉冲数指令，伺服电机一工作，控制待测轴旋转一定角度后停止运动，然后重复步骤21、22动作，直至将待测轴一周的表面数据采集完毕。
步骤24：根据上述步骤的测得的待测轴的表面数据信息拟合出待测轴的最小二乘轴线。
步骤25：以上述步骤得到的最小二乘轴线为基线，基线上方的点为高点，下方的点为低点，将采样点分为高点和低点。
步骤26：通过最小包容区域法可求得待测轴的直线度误差值。
进一步的，所述步骤26的具体过程为：任选两高点作直线，如果此直线上方无采样点，则把此直线作为上包容线，通过距离此直线最远的采样点作与上包容线平行的下包容线，算出两包容线之间的距离，计算出所有符合包容条件的两高点与对应低点和用相同方法得出的两低点与对应高点所构成的平行线间的距离，找出最小的距离即为待测轴直线度误差值。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统在对大型轴类零件进行检测时并不与零件直接接触，可以避免测量过程中因接触而使被测零件产生划痕的现象，同时避免了人工检测时因主观因素或环境因素而造成的误差，本发明环境适应性强，检测结果更为客观。
2.本发明一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统由计算机来完成数据的采集与处理，自动进行数据传输，采集和处理的速度非常快，可以实时的获取测量结果。
附图说明
图1为本发明一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统控制原理图；
图2为本发明一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统控制原理图检测模块的结构示意图；
图3为本发明一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统实施例1检测过程示意图；
图4为本发明一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统实施例2检测过程示意图；
图5为本发明一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统中夹持装置的结构示意图。
图中：1.平台底座；2.伺服电机一；3.伺服电机二；4.发射器；41.发射器一；42.发射器二；5.接收器；51.接收器一；52.接收器二；6.滚珠丝杠；7.限位开关；8.夹持装置；81.头架；82.尾座；83.燕尾槽；9.光栅尺；10.待测轴。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1
一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其特征在于，包括：控制模块和测量模块。
根据图1，所述控制模块包括：用于发送指令和接收、处理数据信息的工控机；用于接收工控机发送的指令并控制伺服电机工作的运动控制卡；用于将检测数据和结果等信息打印出来，以备后期存档或其他用途的打印机；用于控制视觉传感器模块进行数据采集的传感器控制器以及用于整个系统电路连接的电控系统及操作按钮和指示灯。
根据图2，所述测量模块包括：用于对待测轴10进行数据采集的视觉传感器模块；用于将视觉传感器模块移动的距离传递给工控机的光栅尺9；用于将控制模块、测量模块和待测轴10固定和支撑的平台底座1；用于待测轴10固定的夹持装置8；用于传递运动的伺服电机一2、伺服电机二3和滚珠丝杠6。
根据图2，所述光栅尺9固定在滚珠丝杠6上，所述滚珠丝杠6位于夹持装置8两侧且其轴线于夹持装置8的中轴线平行，所述视觉传感器模块与滚珠丝杠6连接，通过伺服电机二3滚珠丝杠6旋转驱动沿着视觉传感器模块进行移动。
根据图5，所述夹持装置8包括头架81和尾座82，所述头架81和尾座82中轴线重合并安装在平台底座1所述平台底座1上设置有燕尾槽83，所述头架81和尾座82置于燕尾槽内并固定于平台底座1上，通过调节尾座82在平台底座1的位置来实现待测轴10的固定。
所述视觉传感器模块包括发射器4和接收器5，通过发射器4发出均匀稳定的线结构光通过待测轴10传递给接收器5，所述接收器5将接收到的线结构光传递给工控机。
根据图2，所述测量模块的滚珠丝杠6两侧均安装有限位开关7，限位开关7与待测轴10的两端对齐，当所述当视觉传感器模块移动到待测轴10的轴端时通过接触限位开关7，控制视觉传感器模块停止运动或沿相反方向运动。
根据图1、图2和图3，所述的一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其同轴度误差测量过程为：
步骤11：视觉传感器模块静止不动，工控机发送指令，伺服电机一2工作，待测轴10旋转，同时，传感器控制器控制视觉传感器采集待测轴10表面数据信息；工控机发送固定脉冲数指令，通过伺服电机一2控制待测轴10的旋转角度，待测轴10旋转一周后停止，至此，待测轴10的一段截面表面数据采集完毕。
步骤12：伺服电机二3工作，滚珠丝杠6旋转带动视觉传感器模块向前移动一段距离后停止，重复上述过程，直至将待测轴10所有截面表面数据采集完毕。
步骤13：建立空间直角坐标系，以待测轴10的轴径方向为x轴，以垂直于x轴的轴径方向为y轴，以轴线方向为z轴，通过最小二乘法确定待测轴10回转轴线位置。
步骤14：通过视觉传感器采集的数据信息得到待测轴10在旋转过程中任意角度的实时直径值D（如图3所示）。
步骤15：以待测轴10旋转过程中的直径D中点为点集P，通过最小包容圆算法求取点集P的最小包容圆，将测量过程的所有截面的最小包容圆拟合为圆柱体。
步骤16：通过上述所求回转轴线与圆柱体之间的关系可求得待测轴10的同轴度误差。
所述的一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其直线度误差测量过程为：
步骤21：待测轴10静止不动，工控机发送指令，伺服电机二3工作，滚珠丝杠6旋转带动视觉传感器模块做直线运动。
步骤22：视觉传感器模块运动至接触到限位开关7后停止运动，然后工控机控制视觉传感器模块沿相反方向继续对待测轴10进行数据采集，往返5次后停止，至此，待测轴10一个角度的表面数据采集完毕。
步骤23：工控机发送固定脉冲数指令，伺服电机一2工作，控制待测轴10旋转一定角度后停止运动，然后重复步骤21、22动作，直至将待测轴10一周的表面数据采集完毕。
步骤24：根据上述步骤的测得的待测轴10的表面数据信息拟合出待测轴10的最小二乘轴线。
步骤25：以上述步骤得到的最小二乘轴线为基线，基线上方的点为高点，下方的点为低点，将采样点分为高点和低点。
步骤26：通过最小包容区域法可求得待测轴10的直线度误差值。
作为本发明更进一步的补充，所述步骤26的具体过程为：任选两高点作直线，如果此直线上方无采样点，则把此直线作为上包容线，通过距离此直线最远的采样点作与上包容线平行的下包容线，算出两包容线之间的距离，计算出所有符合包容条件的两高点与对应低点和用相同方法得出的两低点与对应高点所构成的平行线间的距离，找出最小的距离即为待测轴10直线度误差值。
实施例2
如图4所示，本实施例与实施例1的结构原理类似，与实施例1的不同之处在于，所述视觉检测模块中的发射器4和接收器5由两套小型发射器：发射器一41、发射器二42和两套小型接收器：接收器一51、接收器二52组成 ，其分别位于待测轴10两侧并上下分布，其中所述两套小型CCD传感器之间的间距L通过标准轴进行标定，本实施例中所述待测轴10的直径D由式D=d1+d2+L计算可得，其中d1和d2由视觉检测模块测得。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。
Claims (8)
1.一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其特征在于，包括：控制模块和测量模块；
所述控制模块包括：用于发送指令和接收及处理数据信息的工控机；用于接收工控机发送的指令并控制伺服电机工作的运动控制卡；用于将检测数据和结果等信息打印出来，以备后期存档或其他用途的打印机；用于控制视觉传感器模块进行数据采集的传感器控制器以及用于整个系统电路连接的电控系统及操作按钮和指示灯；
所述测量模块包括：用于对待测轴（10）进行数据采集的视觉传感器模块；用于将视觉传感器模块移动的距离传递给工控机的光栅尺（9）；用于控制模块、测量模块和待测轴（10）固定支撑的平台底座（1）；用于待测轴（10）定位的夹持装置（8）；用于驱动待测轴（10）做旋转运动的伺服电机一（2）；用于驱动滚珠丝杠（6）旋转带动视觉传感器模块沿滚珠丝杠6进行移动的伺服电机二（3）；
所述光栅尺（9）固定在滚珠丝杠（6）上，所述滚珠丝杠（6）位于夹持装置（8）两侧且其轴线于夹持装置（8）的中轴线平行，所述视觉传感器模块与滚珠丝杠（6）连接，通过伺服电机二（3）滚珠丝杠（6）旋转驱动沿着视觉传感器模块进行移动。
2.根据权利要求1所述的一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其特征在于，所述夹持装置（8）包括头架（81）和尾座（82），所述头架（81）和尾座（82）中轴线重合并安装在平台底座（1）所述平台底座（1）上设置有燕尾槽（83），所述头架（81）和尾座（82）置于燕尾槽内并固定于平台底座（1）上，通过调节尾座（82）在平台底座（1）的位置来实现待测轴（10）的固定。
3.根据权利要求1所述的一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其特征在于，所述视觉传感器模块包括发射器（4）和接收器（5），通过发射器（4）发出均匀稳定的线结构光通过待测轴（10）传递给接收器（5），所述接收器（5）将接收到的线结构光传递给工控机。
4.根据权利要求1所述的一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其特征在于，所述测量模块的滚珠丝杠6两侧均安装有限位开关（7），限位开关（7）与待测轴（10）的两端对齐，当所述当视觉传感器模块移动到待测轴（10）的轴端时通过接触限位开关（7），控制视觉传感器模块停止运动或沿相反方向运动。
5.根据权利要求1所述的一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其特征在于，所述视觉检测模块中的CCD传感器由两套小型CCD传感器组成 ，其分别位于待测轴（10）的上下两侧，所述两套小型CCD传感器之间的间距通过标准轴进行标定。
6.根据权利要求1所述的一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其特征在于，所述同轴度误差测量过程为：
步骤11：视觉传感器模块静止不动，工控机发送指令，伺服电机一（2）工作，待测轴（10）旋转，同时，传感器控制器控制视觉传感器采集待测轴（10）表面数据信息；工控机发送固定脉冲数指令，通过伺服电机一（2）控制待测轴（10）的旋转角度，待测轴（10）旋转一周后停止，至此，待测轴（10）的一段截面表面数据采集完毕；
步骤12：伺服电机二（3）工作，滚珠丝杠6旋转带动视觉传感器模块向前移动一段距离后停止，重复上述过程，直至将待测轴（10）所有截面表面数据采集完毕；
步骤13：建立空间直角坐标系，以待测轴（10）的轴径方向为x轴，以垂直于x轴的轴径方向为y轴，以轴线方向为z轴，通过最小二乘法确定待测轴（10）回转轴线位置；
步骤14：通过视觉传感器采集的数据信息得到待测轴（10）在旋转过程中任意角度的实时直径值D；
步骤15：以待测轴（10）旋转过程中的直径D中点为点集P，通过最小包容圆算法求取点集P的最小包容圆，将测量过程的所有截面的最小包容圆拟合为圆柱体；
步骤16：通过上述所求回转轴线与圆柱体之间的关系可求得待测轴（10）的同轴度误差。
7.根据权利要求1所述的一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其特征在于，所述的一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其直线度误差测量过程为：
步骤21：待测轴（10）静止不动，工控机发送指令，伺服电机二（3）工作，滚珠丝杠（6）旋转带动视觉传感器模块做直线运动；
步骤22：视觉传感器模块运动至接触到限位开关（7）后停止运动，然后工控机控制视觉传感器模块沿相反方向继续对待测轴（10）进行数据采集，往返5次后停止，至此，待测轴（10）一个角度的表面数据采集完毕；
步骤23：工控机发送固定脉冲数指令，伺服电机一（2）工作，控制待测轴（10）旋转一定角度后停止运动，然后重复步骤21、22动作，直至将待测轴（10）一周的表面数据采集完毕；
步骤24：根据上述步骤的测得的待测轴（10）的表面数据信息拟合出待测轴（10）的最小二乘轴线；
步骤25：以上述步骤得到的最小二乘轴线为基线，基线上方的点为高点，下方的点为低点，将采样点分为高点和低点；
步骤26：通过最小包容区域法可求得待测轴（10）的直线度误差值。
8.根据权利要求7所述的一种用于大型精密轴类零件的视觉检测系统，其特征在于，所述步骤26的具体过程为：任选两高点作直线，如果此直线上方无采样点，则把此直线作为上包容线，通过距离此直线最远的采样点作与上包容线平行的下包容线，算出两包容线之间的距离，计算出所有符合包容条件的两高点与对应低点和用相同方法得出的两低点与对应高点所构成的平行线间的距离，找出最小的距离即为待测轴（10）直线度误差值。
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