专利名称：基于图像法的大直径非接触式测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种基于图像法的大直径非接触式测量仪。
背景技术：
在机械加工行业中，我国已经具备了回转体轴盘类大直径工件(直径超过500mm)的机械加工能力，但是高精度的测量技术却落后于机械加工能力。长期以来国内外学者对此进行大量的研究，尝试过的测量方法有几十种。但是回转体轴盘类工件大直径的高精度测量技术仍然是当今尚未圆满解决的世界性技术难题。
在实际的工程中，接触式机械大直径尺寸测量技术的现状是依然停留在传统的机构测量方法的水平上(主要指游标卡尺法、外径千分尺法、卡规法、π尺法，弓高弦长法)这些方法的共同特点是费时费力，量具笨重，测量精度不高(相对测量精度在0.1mm量级)，并且因人而异。满足不了加工现场提出的越来越严格的要求。例如，举世瞩目的世界上最大的工程三峡工程中水轮发电机组的主轴止口直径为3050mm，要求机械加工达到IT6级加工精度(测量误差小于0.02mm/M)，这是目前所见报道中大直径尺寸测量方法及测量仪器所达到的最高精度。实际工程急需一种大直径尺寸测量的新方法、新的测量仪器，它应满足“以小测大”的小型化，非接触式高精度的测量，并且适应工业环境的使用要求。
发明内容
本实用新型提供了一种基于图像法的测量机械回转体大直径轴盘类工件内/外径、圆度的行位误差的测量仪。
本实用新型的结构包括实现移动物体的位移量测量的图像传感器[1]、确定被测工件位置的金属传感器[2]、进行数据累加、接口转换和对圆周标记进行实时监测的处理器[3]、显示测量计算半径和圆度的显示器[4]，其中图象传感器[1]和处理器[3]之间电信号相连接，金属传感器[2]和处理器[3]之间电信号相连接，处理器[3]和显示器[4]之间电信号相连接(见附图1)。
本实用新型的工作原理是，首先把给金属传感器[2]提供检测信号的金属标记[7]固定在被测工件[6]的任意表面处，如附图(3)所示，使固定于机床上的该测量仪通电开始工作，同时放在同一机床上的被测工件[6]开始匀低速转动，然后金属传感器[2]感应到金属标记[7]同时给出被测工件[6]的起始信号，输入到处理器[3]，并通过图象传感器[1]连续不断地拍摄被测工件[6]的表面图象，对图象进行分析、处理后得出被测工件[6]的位移量，然后输出给处理器[3]，处理器[3]对该位移量进行累加、计算，并将计算所得位移量输出给显示器[4]，进行被测工件[6]的直径显示。
本实用新型的优点在于大直径非接触式高精度测量仪体积小，成本低，操作简单，测量精度高；是目前唯一的集直径、圆度测量为一体的轴盘类大工件在线、非接触式高精度测量方法。随着高分辨率成像器件技术的发展，测量精度将会得到进一步的提高。
它适用于机械加工领域中所有轴盘类大工件的在线高精度测量，将促进轴盘类大工件机械加工精度、加工水平的提高。改变目前测量技术对轴盘类大工件精密机械加工的制约。
图1是基于图像法的大直径非接触式测量仪的原理框图图2是图像传感器拍摄的位移图像示意图图3是被测工件的直径测量原理示意图图4是被测工件通过图象传感器的光学透镜成像示意图图5是基于图像法的大直径非接触式测量仪的电路图具体实施方式
1.图像法位移测量原理采用图像法可以实现移动物体的位移量进行测量，测量原理非常简单。当被测工件[6]移动时，在t1时刻拍摄到的图像如附图2(a)所示；在t2时刻拍摄到的图像如附图2(b)所示。由于现代高分辨率的图像传感器[1]是点阵结构的。从t1和t2时刻拍摄到的两帧图像可以看出在Δt＝t2-t1时间间隔内被拍摄工件[6]的像在水平方向上移动了六个图像传感器阵列点。假设图像传感器[1]是1600DPI，那么传感器阵列点间距为25.4mm÷1600＝0.015875mm。所以Δt时间被测工件[6]移动的距离Δ1＝0.015875mm×6＝0.09525mm。由此可以看出图像传感器[1]的分辨率越高，测量精度就越高。
2.图像法大直径测量原理及方法根据图像法的位移测量原理，附图3给出了图像法测量直径原理的示意图。图中被测工件[6]在测量时顺时针旋转。在图中的图像传感器[1]的分辨率可以达到1600DPI(每英寸1600点)。前面已经给出了它的精度为15.875微米，它可以安装在加工机床的刀架上。图像传感器[1]与被测工件[6]之间的距离可以采用塞规的方法控制。这个间隙的控制有两个作用一是控制图像传感器[1]拍摄被测工件[6]的表面图像时的聚焦，聚焦不好会引起测量误差的增大；二是保证每次安装间隙的一致性(该间隙的改变会导致测量误差的改变)。图像传感器[1]的作用是以6400帧/秒的速度连续拍摄旋转的被测工件[6]表面的图像，同时实时进行图像处理与模式识别。经过模式识别既可以计算出相邻两帧图像的位移量。在图像传感器[1]上安装的金属传感器[2]，利用这个传感器检测临时安装在被测工件[6]表面的金属标记[7](可以使用磁块作为金属标记，这样现场测量会更方便一些)。通过金属标记[7]的检测可以启动图像传感器[1]开始测量，当再次检测到金属标记[7]时表明一周周长测量结束。这样在两次检测到金属标记[7]之间由图像传感器[1]所测得的全部位移量的累加和就是被测工件[6]的周长。然后根据周长与直径的关系计算出被测工件[6]的直径。
如果要进行内径测量时，只要将图像传感器[1]安装在被测工件[6]的内侧既可以进行测量。测量原理与测量外径是一样的。
图像法实现机械回转体轴盘类工件大直径高精度测量方法巧妙、技术含量高，但是所采用的电路确十分的简单，其原因是图像方面的高技术处理完全由现成的CMOS光电鼠标实现。图像传感器[1]使用的1600DPI的CMOS光电鼠标，鼠标能够完成6400帧/秒图像的拍摄、图像处理与模式识别，最后通过USB接口给出位移量数据。需要说明的是，一般鼠标的使用方法是移动鼠标；而在大直径测量时鼠标是固定不动的，这并不影响实际的测量。因为鼠标对位移的测量只要求鼠标与被测工件[6]之间的相对位移。由于使用了鼠标，整个测量仪的电子设备就完成了90％，剩余的工作就是将鼠标给出的USB接口转换为PS2接口，然后通过处理器[3]接收这些位移量数据。另外处理器[3]还必须实时记录圆周信息，对圆周标记进行实时监测。处理器[3]将一周内的所有位移量数据通过数学计算给出直径/圆度行位误差测量结果。并控制显示器[4]显示测量结果。该测量仪的具体电路图如附图5所示。该测量仪的处理器[3]选用8051型号的单片机。
3.图像法大直径圆度的行位误差测量原理及方法根据图像法大直径测量原理可以进行圆度的行位误差的测量。在被测工件[6]匀速旋转的条件下，图像传感器[1]拍摄的速度是固定的，那么被测工件[6]旋转一周所测得的所有位移量的测量次数进行整数划分，例如等分成36，那么对应将所测得的周长数据等分成36组数据，每组中的位移量累加和就是10度角所对应的弧长，根据角度和弧长可以计算出半径。所有36个半径值即可以给出圆度的行位误差。如果被测工件[6]不是匀速旋转的话，可以在加工机床上采用角度传感器的方法测量角度，那么金属传感器[2]可以被取替。
4.仪器测量精度的标定通过上述方法可以测量出移动物体的位移量。但是这个位移量需要进行修正，因为物体移动的真实距离与图像法测量出的位移量之间还受图象传感器[1]中的光学透镜[5]的影响。也就是说物体的实际位移量ΔL＝kΔl，这里的常数k是光学透镜[5]造成的像与成像之间的比例变换，详见附图4。利用高精度光学尺很容易测量出物体的实际位移量ΔL，这样就可以得出常数k。这就是图像法大直径测量仪的测量精度标定。从这里可以看出图像法测量的测量精度标定方法十分简单。我们将这种标定方法称之为平面直线标定法。另外平面直线标定法得出的k值是随被拍摄物体与光学透镜[5]之间的距离变化而变化的。只有保持标定时kc值与实际测量时的km值不变，图像法测量的测量精度的标定才有意义，测量结果才能真实有效。要保证kc＝km的话，就必须保证标定时光学透镜[5]与被拍摄平面被测工件[6]表面之间的距离dc等于实际测量时光学透镜[5]与被测工件[6]表面之间的距离dm。要做到这一点并不困难，采用机械弗塞规的方法控制这个距离即可。但是即使采用机械塞规的方法控制这个间隙的距离，实际工程中的机械安装总是存在误差的。塞规方法造成的间隙误差达到10微米量级并不困难，由此造成k的误差Δk正比于Δdc÷dc。其中dc是透镜至距成像点的距离。因为dc＞＞Δdc通常情况下dc至少是Δdc的200倍量级。所以Δk是非常小的。由此造成的误差Δk也是很小的。通过上述分析可以看出，图像法测量的平面直线标定法对测量精度标定方法是可行的；对于测量仪机械安装误差所引起的测量精度的改变来讲，塞规法也是可行的。
5.图像法大直径测量仪自身机械加工精度对测量精度的影响通过前面的分析可以得出这样的结论图像法大直径测量仪的测量精度主要受图像传感器[1]的分辨率和图像传感器[1]的光学透镜[5]与被测工件[6]表面之间的距离dm的精度影响，而与测量仪自身的机械加工精度无关。这就降低了测量仪机械结构加工精度的要求，有利于测量仪产品化的生产。
通过上面的分析可以看出，采用点阵结构的图像传感器对大直径工件进行测量，影响测量精度的关键因素是图像传感器[1]的分辨率。近年来，高分辨率图像传感器技术发展很快，主要指标一分辨率在不断地提高。相信不久就会有价格便宜、分辨率更高的传感器上市。从这一点来看图像法测量机械位移的精度还能随着传感器分辨率的不断提高而提高；换句话说，图像法在大直径测量技术中的应用，测量精度的不断提高是有可能的。
权利要求1.一种基于图像法的大直径非接触式测量仪，其特征在于其构成包括图像传感器[1]、金属传感器[2]、处理器[3]、显示器[4]；其中图像传感器[1]和处理器[3]之间通过电信号相连接，金属传感器[2]和处理器[3]之间通过电信号相连接、处理器[3]和显示器[4]之间通过电信号相连接。
专利摘要本实用新型属于一种基于图像法的大直径非接触式测量仪。它由图像传感器、金属传感器、处理器和显示器四部分构成，它们之间通过相应的接口电路相连接。由处理器完成图像传感器的上电初始化和测量数据的采集与处理，并用控制显示器实时地显示测量结果。该测量仪采用了现代高分辨率光学图像成像、图像处理和模式识别技术来实现周长/弧长的测量，巧妙地解决了大直径高精度、非接触式测量的问题。测量仪可以采用现有成熟的高精度(例如0.1um精度)测量仪器进行测量精度的标定；测量仪操作简单，现场安装方便，重复安装之后的测量误差小。可广泛适用于各种机械回转体大直径轴盘类工件的外径、内径测量和圆度的行位误差测量。
文档编号G01B21/30GK2872297SQ200520021749
公开日2007年2月21日 申请日期2005年10月13日 优先权日2005年10月13日
发明者苏畅 申请人:哈尔滨工程大学