【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 成像系統(tǒng)觀察內(nèi)孔表面的質(zhì)量并檢測(cè)補(bǔ)償孔的中心位置。在測(cè)試技術(shù)中，傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，它擔(dān)負(fù)著感受和傳輸信號(hào)的首要任務(wù)。傳感器質(zhì)量的好壞直接影響著被測(cè)信號(hào)的精度。因此，通常要求傳感器工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好。.由于課題需要較高的系統(tǒng)定位精度，故我們選擇光柵位移檢測(cè)系統(tǒng)。光柵檢測(cè)具有高速、高精度、非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，而光柵位移檢測(cè)有較大的放大率以及誤差平均效應(yīng)，位移精度高。本課題中，光柵位移傳感器主要是測(cè)量補(bǔ)償孔相對(duì)于基準(zhǔn)面的距離。如圖22為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖圖22 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)原理圖 精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)窺鏡光學(xué)成像系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)組成。光學(xué)成像系統(tǒng)用于捕捉補(bǔ)償孔視頻圖像并使其輪廓清晰。其中，內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)由成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)組成。如圖所示圖23為內(nèi)窺鏡外形圖。圖23 內(nèi)窺鏡外形圖內(nèi)窺鏡光學(xué)成像系統(tǒng)采用物鏡加轉(zhuǎn)像系統(tǒng)組成，物鏡采集圖像信息，轉(zhuǎn)像系統(tǒng)獲得長(zhǎng)工作距，90度視向棱鏡完成光線的折轉(zhuǎn)。系統(tǒng)光源采用貼片LED環(huán)形光源照明。為保證光線均勻，不影響成像效果，在制動(dòng)主缸外用鹵素?zé)粽彰?，并置于積分球內(nèi)以保證孔外光線分布均勻。具體實(shí)現(xiàn)如下：貼片式LED光源環(huán)形貼于環(huán)形小電路板上，將電路板貼于內(nèi)窺架側(cè)面所開孔處安裝的五棱鏡鏡面上。在旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下使光線剛好垂直投影到被測(cè)內(nèi)孔表面上，被測(cè)孔圖像通過五棱鏡鏡面90度反射到內(nèi)窺鏡物象遠(yuǎn)心光路上獲取光截輪廓。光截輪廓中包含被測(cè)參數(shù)信息，再將光截輪廓經(jīng)CCD攝像系統(tǒng)成像到光敏面上，由圖像卡采集到計(jì)算機(jī)，通過圖像處理提取特征輪廓。物鏡的成像質(zhì)量對(duì)內(nèi)窺鏡成像影響極大，本系統(tǒng)要求物鏡校正軸上點(diǎn)的各種像差，同時(shí)還要求校正軸外點(diǎn)像差以便獲得清晰逼真的圖像。私服系統(tǒng) CCD計(jì)算機(jī)顯微物鏡物體內(nèi)窺鏡顯示器光導(dǎo)纖維光源圖24 光學(xué)成像及顯示原理框圖 光柵位檢測(cè)系統(tǒng)光柵位移傳感器用于測(cè)量補(bǔ)償孔相對(duì)于預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)面的距離以獲得補(bǔ)償孔徑。在獲得清晰的補(bǔ)償孔光截輪廓的圖像信息是，光柵尺記錄其相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔位置和形狀的精密檢測(cè)。 計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)通過圖像采集卡將CCD攝像機(jī)的視頻信號(hào)實(shí)時(shí)顯示成圖像，通過亞像素圖像處理技術(shù)獲取精確位置，并根據(jù)要求控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，接受光柵位移傳感器讀取的位置信息，經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理最終得到補(bǔ)償孔形位尺寸數(shù)據(jù)信息。 第 3 章 精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)主要硬件包括:滾珠絲杠、直線軸承。滾動(dòng)絲杠副是由螺桿、螺母、滾珠、密封件等零件組成的高精度機(jī)械傳動(dòng)部件，由于滾珠絲桿的螺桿與螺母之間有滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以能得到較高的運(yùn)運(yùn)效率。因此，不僅能把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，也能容易地將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠副由于滾珠運(yùn)動(dòng)，起動(dòng)扭矩極小，不會(huì)產(chǎn)生如滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)中易出現(xiàn)的爬行、蠕動(dòng)現(xiàn)象，所以能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。另一方面，由于滾珠絲桿副效率高、摩擦小、發(fā)熱低，從而又能進(jìn)行高速進(jìn)給。直線軸承是一種以最低成本生產(chǎn)的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，用于無限行程與圓柱軸配合使用。由于承載球與軸承點(diǎn)接觸，故許用載荷小。鋼球以最小的摩擦阻力旋轉(zhuǎn)，因此能獲得高精度的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。 機(jī)密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)方案汽車制動(dòng)主缸內(nèi)表面質(zhì)量光電檢測(cè)系統(tǒng)精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)電控部分是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的終端動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它與光學(xué)成像系統(tǒng)一起配合負(fù)責(zé)補(bǔ)償孔圖像和被測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集，所以精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)果的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的作用。精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)只要包括兩個(gè)傳動(dòng)鏈路及其控制，即負(fù)責(zé)內(nèi)窺鏡的上下直線運(yùn)動(dòng)和被測(cè)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以便找到制動(dòng)主缸不同補(bǔ)償孔的中心位置，兩者要緊密的配合，只有這樣，制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔的形位、尺寸信息以及主缸缸體的內(nèi)表面質(zhì)量信息才能真實(shí)客觀、高精度的得到檢測(cè)和觀察。在本章中，根據(jù)機(jī)構(gòu)的控制精度，傳動(dòng)效率，工件條件，檢測(cè)精度等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)中采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，內(nèi)窺鏡的直線傳動(dòng)采用滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，被測(cè)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。如圖31所示為機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)立體示意圖：圖31 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)立體示意圖 精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖32所示為機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括內(nèi)窺鏡直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和被測(cè)制動(dòng)主缸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、被測(cè)制動(dòng)主缸夾緊定位機(jī)構(gòu)。其中，內(nèi)窺鏡直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由直線傳動(dòng)用伺服電機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，唄測(cè)制動(dòng)主缸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)用伺服電機(jī)、同步齒形帶、被測(cè)主缸等組成，被測(cè)制動(dòng)主缸夾緊定位機(jī)構(gòu)由夾緊塊、夾緊彈簧、和標(biāo)校裝置（定位機(jī)構(gòu)）組成。系統(tǒng)通過上述過程的處理，可實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)主缸缸體補(bǔ)償孔內(nèi)表面加工質(zhì)量及位置、形狀的精密檢測(cè)。由于制動(dòng)缸型號(hào)多樣，為適應(yīng)不同制動(dòng)缸的測(cè)量要求，對(duì)不同孔徑的制動(dòng)缸均配有相應(yīng)的標(biāo)校裝置。系統(tǒng)測(cè)量范圍如下：主缸缸體主孔直徑范圍為Φ15~Φ45mm、補(bǔ)償孔位置范圍為5mm~150mm、~。系統(tǒng)要求尺寸測(cè)量精度5um。圖32 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 內(nèi)窺鏡直線傳動(dòng)設(shè)計(jì)被測(cè)制動(dòng)主缸的補(bǔ)償孔可能不止一個(gè)，系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)是以輔助孔為起始點(diǎn)，內(nèi)窺鏡在輔助孔和第一補(bǔ)償孔，第一補(bǔ)償孔和第二補(bǔ)償孔之間的垂直移動(dòng)都需要精確的進(jìn)行定位，這就對(duì)內(nèi)窺鏡的直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了較高的要求。系統(tǒng)中內(nèi)窺鏡的直線傳動(dòng)采用滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成，可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠在機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)上均較簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、精度高、摩擦阻力小、易于維護(hù)。由于啟動(dòng)力矩極小，不會(huì)出現(xiàn)類似滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象，從而保證了高精度的定位。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算尺寸大小和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。圖33為滾珠絲杠的安裝結(jié)構(gòu)圖：圖33 滾珠絲杠副尺寸圖 制動(dòng)主缸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由于被測(cè)制動(dòng)主缸的兩個(gè)補(bǔ)償孔可能不在同一條母線上或是內(nèi)窺鏡在運(yùn)動(dòng)過程中與補(bǔ)償孔位置有偏差，這時(shí)候就需要適當(dāng)調(diào)整工件的位置，以便更好的捕捉到補(bǔ)償孔圖像。本設(shè)計(jì)中被測(cè)制動(dòng)主缸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。同步齒形帶傳動(dòng)常用來傳遞兩平行軸之間的運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。本設(shè)計(jì)的功率不大，且是間歇性工作狀態(tài)，所以采用同步齒形帶傳動(dòng)非常合適。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)被測(cè)制動(dòng)主缸的旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整主缸的位置，旋轉(zhuǎn)過程中并不強(qiáng)調(diào)運(yùn)行的參數(shù)，因此系統(tǒng)直接取同步帶動(dòng)的傳動(dòng)比為1。圖34為轉(zhuǎn)軸尺寸結(jié)構(gòu)。圖34 轉(zhuǎn)軸尺寸結(jié)構(gòu) 定標(biāo)裝置設(shè)計(jì)為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使測(cè)量滿足技術(shù)指標(biāo)要求，系統(tǒng)需求考慮定標(biāo)問題，即：主缸法蘭端面基準(zhǔn)的確定，采用標(biāo)校裝置解決該定位基準(zhǔn)問題。如圖35所示為特制的定位夾緊于一體的標(biāo)校裝置示意圖，圖中定位基準(zhǔn)面為與制動(dòng)主缸缸體法蘭端面重合面，ΦD孔心為光柵位移傳感器測(cè)量補(bǔ)償孔時(shí)的基準(zhǔn)。由 于被測(cè)制動(dòng)缸試件型號(hào)多樣，標(biāo)校裝置上的尺寸L與ΦD直徑根據(jù)不同型號(hào)的補(bǔ)償孔所不同，需要特制不同的標(biāo)校裝置。標(biāo)定時(shí)利用光柵尺測(cè)得的ΦD孔心位置及定位尺寸L確定標(biāo)裝置的定位基準(zhǔn)面位置，經(jīng)行確定主缸法蘭端面位置。由于缸體補(bǔ)償孔尺寸均相對(duì)于缸體法蘭端面給出，因此，確定出端面位置便可通過 光柵尺檢測(cè)出各個(gè)補(bǔ)償孔的位置。需要注意的是，在測(cè)量不同的制動(dòng)主缸被測(cè)件時(shí)要更換不同的標(biāo)校裝置，每次測(cè)量時(shí)均應(yīng)對(duì)基準(zhǔn)面標(biāo)定。圖35 定位夾具組成結(jié)構(gòu)見圖 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)汽車制動(dòng)主缸內(nèi)表面質(zhì)量光電檢測(cè)系統(tǒng)中，由于制動(dòng)主缸的補(bǔ)償孔位置的變化i測(cè)量初始狀態(tài)事內(nèi)窺鏡的探頭可能與補(bǔ)償孔不在同一條母線上，因此為了配合光學(xué)成像系統(tǒng)得到高質(zhì)量的補(bǔ)償孔圖像，控制系統(tǒng)要完成對(duì)內(nèi)窺鏡和被測(cè)工件（制動(dòng)主缸）的高精度定位控制，它接受主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令對(duì)被控制對(duì)象執(zhí)行控制功能。它的執(zhí)行性能和控制精度直接影響到系統(tǒng)檢測(cè)的最終結(jié)果。在本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中我們采用運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服電機(jī)（伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）的設(shè)計(jì)思想保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和快速響應(yīng)，以便達(dá)到精度高，高效率的控制效果。 上位控制模塊運(yùn)動(dòng)控制卡在我們的設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)控制卡與管理計(jì)算機(jī)構(gòu)成了主從式的控制結(jié)構(gòu)，管理計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方面的工作，運(yùn)動(dòng)控制卡則完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)，其原理如圖36所示，這樣使系統(tǒng)管理和控制功能各自執(zhí)行，發(fā)揮運(yùn)動(dòng)控制卡和計(jì)算機(jī)的各個(gè)優(yōu)勢(shì)，提高了工作效率和控制精度。系統(tǒng)狀態(tài)顯示管 理 計(jì) 算 機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方向信號(hào)輸出原點(diǎn)和限位信號(hào)自動(dòng)升降速處理脈沖型號(hào)輸出發(fā)送控制指令外部信號(hào)監(jiān)控圖36 上位控制模塊結(jié)合內(nèi)窺鏡、制動(dòng)主缸的定位控制精度要求，和實(shí)際的應(yīng)用條件，運(yùn)動(dòng)控制卡采用北京科瑞興業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的KPCI882兩軸伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡。 伺服電機(jī)在控制系統(tǒng)中我們采用伺服電機(jī)來作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)單元。本設(shè)計(jì)中對(duì)伺服電機(jī)的基本技術(shù)要求如下：精度高。無論在靜、動(dòng)態(tài)的情況，伺服電機(jī)的輸出量要能夠高精度的復(fù)現(xiàn)輸出量。穩(wěn)定性好。電機(jī)在受到外部干擾的情況下，要能夠穩(wěn)定的恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，電機(jī)只有具有很強(qiáng)的抗干擾能力，才能夠適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。快速響應(yīng)。由于對(duì)制動(dòng)主缸的檢測(cè)是實(shí)時(shí)在線的， 所以要求電機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)快，過渡時(shí)間短。綜合考慮實(shí)際需要和電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)，本設(shè)計(jì)中伺服電機(jī)選用日本panasonic公司生產(chǎn)的A5系列伺服電機(jī)：MSMD012G1V伺服電機(jī)，以保證其速度、位置的精度控制。 MSMD012G1V伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器本設(shè)計(jì)中我們利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要完成以下兩種功能： （1）控制電機(jī)的換相； （2）控制電機(jī)的速度。與MSMD012G1V伺服電機(jī)配套的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器位MADHT1505。其功率原件最大額定電流為10A，電源電壓為三相200V，電流檢測(cè)器的額定電流為5A。第 4 章 光學(xué)成像系統(tǒng)針對(duì)深孔類零件的內(nèi)輪廓形狀尺寸檢測(cè)精度要求較高、難度大，而目前所采用的測(cè)量方法不是精度低就是檢測(cè)效率不能滿足要求的問題，本課題研究了一種適用于零件深孔內(nèi)輪廓形狀尺寸檢測(cè)的系統(tǒng)一汽車制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔光電檢測(cè)系統(tǒng)，其中，其光學(xué)成像系統(tǒng)是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的眼睛，起到視覺延伸的作用，它是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的前端，是后續(xù)各個(gè)子系統(tǒng)完成功能、滿足精度的基礎(chǔ)和保證，它主要由光源、內(nèi)窺鏡和CCD攝像機(jī)組成。基于CCD的圖像成像系統(tǒng)性能非常優(yōu)越，如:通過提高攝像機(jī)的分辨率，或調(diào)整光學(xué)鏡頭的放大倍數(shù)，就可以使獲得的圖像信息豐富、精確，從而滿足系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)精度和穩(wěn)定性的要求。 光源設(shè)計(jì)我們對(duì)光源的選擇設(shè)計(jì)包括選擇光源的種類，設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)電路和光源擺放位置，從而使所采集的補(bǔ)償孔圖像具有較高的清晰度，使需要計(jì)算機(jī)圖像處理分析的檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域更加突出。此外，還應(yīng)了解制動(dòng)主缸是如何被照明以及光源的反射、散射特性，再進(jìn)一步根據(jù)制動(dòng)主缸的具體特點(diǎn)和具體的檢測(cè)環(huán)境選擇合適的光源。針對(duì)補(bǔ)償孔圖像成像系統(tǒng)光源的技術(shù)要求，可以挑選氙燈或鹵素?zé)魜碜鳛閮?nèi)窺鏡冷光源的光源。氙燈屬于氣體放電燈，它通過惰性氣體電離發(fā)光，優(yōu)點(diǎn)是色溫接近可見光，發(fā)光非常穩(wěn)定，壽命較長(zhǎng)一般可以超過500個(gè)小時(shí)，而鹵素?zé)魧儆诎卓棢?，是通過鎢絲加熱發(fā)光，價(jià)格雖然相對(duì)便宜，但鹵素?zé)羯l(fā)的光線有些淡黃，色彩還原性沒有氙燈好，并且使用壽命也較短。盡管氙燈的發(fā)光電弧與鹵素?zé)舻逆u絲長(zhǎng)度直徑相同，但氙燈的發(fā)光效率和亮度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鹵素?zé)?，由于氙燈不用燈絲，沒有了傳統(tǒng)光源易脆斷的缺點(diǎn)，穩(wěn)定性更高。所以作為侯選光源無論在亮度、節(jié)能、壽命、安全性等方面，氙燈比鹵素?zé)舳几邇?yōu)勢(shì)。所以，綜合考慮實(shí)際的檢測(cè)環(huán)境、光源的自身特性和系統(tǒng)對(duì)圖像質(zhì)量的要求，在本設(shè)計(jì)中采用氙燈作為成像系統(tǒng)光源，并采用導(dǎo)光光纖照明光導(dǎo)入被測(cè)主缸的內(nèi)表面，從而補(bǔ)償孔的反射像通過內(nèi)窺鏡成像在CCD攝像機(jī)的光敏面上，經(jīng)過圖像