专利名称：管形零件内轮廓自动检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测技术领域的设备，具体地说，是涉及一种管形零件内轮 廓自动检测系统。
背景技术：
管形零件是机械制造业的常见零件，其加厚段的内轮廓尺寸对管形零件内流 体的流动状态影响很大。目前加厚段的加工工艺普遍采用热挤压成型方法，分为 内加厚和外加厚两个部分，因而内轮廓的具体尺寸参数存在不确定性和随意性。 由于管形零件加厚段的内轮廓属于三维内尺寸，内径尺寸为不完全规则变化，测 量难度较大，精度不易保证，在线测量困难，因此缺少有效和实用的测量手段。
经对现有技术的文献检索发现，目前国内只有宝钢集团钢管厂推出一种钻杆 内加厚轨迹测绘仪(中国专利号02215180. X)，该测绘仪包括探头、探杆、连 杆传动机构、记录装置等部分，探头(为接触式)固定于探杆的一端，该探杆的 另一端与连杆传动机构固定联接，所述记录装置(常用百分表等)亦与该连杆传 动机构相连。检测时，人工手持该测绘仪，使得探头与钻杆内外表面相接触，沿 钻杆轴向方向拉动测绘仪，则记录装置可以反映钻杆的内外轮廓参数变化。但是， 这种方法存在严重的问题 一是该测绘仪实际上是检测钻杆的壁厚，因此外加厚 轮廓尺寸将影响内加厚轮廓尺寸的测量结果；二是手持拖动测绘仪，用目测方法 寻找轮廓变化的拐点位置，精度无法保障；三是钻杆粗糙表面对接触式测头产生 严重的磨损，个别表面质量缺欠(例如毛刺、氧化皮、铁屑、灰尘等)的存在将 会影响测量结果的准确性。
除了上述机械方法之外，还有漏磁方法、涡流方法、7射线方法、电磁方法 和超声方法等。这些方法和装置大多数用于缺陷检测与定位，属于无损检测范畴。 对管形零件内部进行尺寸检测的系统或者装置，可以为光电式、接触式、气动式 几种，主要用于管形零件直径测量，均不能测量内轮廓的三维尺寸参数。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提出一种管形零件内轮廓自动 检测系统，采用结构光技术和计算机视觉技术，实现三维内轮廓自动检测，满足 管形零件实际生产需求。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括测量臂、驱动箱、控制柜和 定位机构。被测零件固定于定位机构之上，驱动箱位于零件一侧并靠近端部，控 制柜位于驱动箱附近，通过电缆与驱动箱相连。驱动箱内部安装有可以往复运动 的测量臂，测量臂与被测零件等高而且轴线重合。在控制柜的控制下，测量臂可 以进入零件内部进行探测，但是与被测零件不接触。被测管形零件通过生产传输 线送入定位机构上，并被夹具固定后，生产线向控制柜发出准备好信号，控制柜 随后向驱动箱发出控制指令，驱动箱带动测量臂快速向前移动并进入被测管形零 件的内部，连续对内轮廓进行采样和测量，测量结束后，驱动箱带动测量臂快速 回退至原先位置，经过控制柜数据处理，检测结果将在控制柜的显示器上显示， 同时存储在内部存储器内，上述工作结束后，控制柜向生产线发出完成信号，检 测工作结束。
所述测量臂是系统的关键部件，包括光源、光学镜组、工业摄像机、测量窗 等组成，光源发出一组环形光束，投射到一个镀膜的光学镜组，经过光学镜组反 射后，透过测量窗，在被测管形零件内表面沿圆周方向形成一组环形分布的多个 光斑，每个光斑代表管形零件内轮廓上某个点。这些光斑通过专用镜头成像后， 通过摄像机获取该光斑图像，通过传输电缆送入后面的控制柜中，通过计算机进 行图像处理和数据处理，可以获得这些光斑所在点的空间坐标。当测量臂沿着管 形零件轴线移动时，每个光斑可以扫描出管形零件内表面的一条母线轮廓，因此 测量系统可以获得多个母线轮廓的离散点坐标，通过对这些三维点进行重构，从 而获得准确的管形零件三维内轮廓尺寸参数。
所述光源由若干个独立的半导体激光器组成，这些激光器沿镜筒的轴向均匀 分布。因此由这些激光器发出的是一组平行的环形光束，在空间形成一个圆柱形 区域。为了保证测量精度，数量至少为4束。光学镜组是多面锥棱镜，表面镀膜， 棱镜的反射面数量与激光器的数量相同，反射面与轴线呈一定角度。由激光器发 射的一组光束首先投射到光学镜组右侧反射面上，经过反射后，激光束透过保护
镜片(即测量窗)，在被测管形零件内表面沿圆周方向形成一组环形分布的多个 光斑。这些光斑成像在摄像机的CCD上，满足测量要求。
所述驱动箱中设置有若干接近传感器，可以通过检测直线导轨和基座之间的 相互位置来检测测量臂和管形零件之间的相互位置，避免产生碰撞，提高测量系 统的安全性和可靠性。
所述驱动箱包括电机、滚动丝杠、直线导轨、基座、调整机构，电机与滚动 丝杠等高并直接相连，传递力矩和转动速度，直线导轨安置在滚动丝杠的两侧， 平衡布局，直线导轨、滚动丝杠和电机都安装在调整机构上，并最终安装在基座 上面，在控制柜的控制下，电机的转动经过滚动丝杠后转变为直线运动，并带动 测量臂沿滚动导轨快速移动，对管形零件内轮廓进行测量。
所述驱动箱同时可以通过调整机构实现测量臂垂直位置的调整，以适应不同 规格的管形零件的测量要求。
所述控制柜是由工业控制计算机和可编程控制器(PLC)组成的主从式测控系 统，由工控机向PLC发出控制命令和系统参数，同时负责光斑图像的采集和处理， 而测量系统的测量过程全部是在PLC的控制下完成，包括测量臂的驱动与定位、 激光器的开关、测量臂的防撞监测等，系统工作可靠、稳定。
所述控制柜具有声光报警与提示功能，当测量结果不合格，或者测量系统出 现异常情况而停止时，控制柜将通过指示灯和喇叭进行生保报警与提示，系统工 作更加安全、可靠。
与现有技术相比，本发明具有的优势与效果第一，本发明采用结构光和计
算机视觉技术，实现了管形零件内轮廓三维尺寸参数的非接触自动检测，解决了
传统机械方法精度低、易磨损、可靠性差的弊病，寿命长，稳定性好；第二，采 用多个独立激光光源在被测表面形成环形分布的激光光斑，有效克服被测零件表 面粗糙的问题。第三，采用多条母线独立检测方式，不仅可以测量管形零件直径， 还可以实现任意形状零件三维内轮廓测量；第四，测量过程全自动化，具有快速、 稳定的特点，符合生产线的节拍要求，大大提高检测效率和智能化水平。
图l为本发明的结构示意图。
图2为本发明的测量臂结构示意图。
图3是测量臂的光源结构示意图。 图4是测量臂的光学镜组原理示意图。 图5为本发明的驱动箱结构示意图。 图6为本发明原理框图。
上述图中l一测量臂，2 —驱动箱，3 —控制柜，4一管形零件，5 —定位机 构，6_光源，7—光学镜组，8—测量窗，9一摄像机，IO —外壳，ll一电缆，12 一镜筒，13—激光器，14一直线导轨，15—滚动丝杠，16_电机，17—基座，18 一接近传感器，19一调整机构。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例由测量臂l、驱动箱2、控制柜3、电缆ll和定位机 构5等部分组成。被测零件4固定于定位机构5之上，驱动箱2位于被测零件4 一侧并靠近端部，控制柜3位于驱动箱2附近，通过电缆11与驱动箱2相连。 驱动箱2内部安装有可以往复运动的测量臂1，测量臂1与被测零件4等高而且 轴线重合。
被测管形零件4通过生产传输线送入定位机构5上，并被夹具固定稳妥后， 生产线向控制柜3发出准备好信号Ready,控制柜3随后向驱动箱2发出控制指 令，驱动箱2带动测量臂1快速向前移动并进入被测管形零件4的内部，连续对 内轮廓进行采样和测量。测量结束后，驱动箱2带动测量臂1快速回退至原先位 置，经过控制柜3数据处理，检测结果将在控制柜3的显示器上显示，同时存储 在内部存储器内。上述工作结束后，控制柜3向生产线发出完成信号ok，检测 工作结束。
如图2所示，测量臂l由光源6、光学镜组7、测量窗8、工业摄像机9、接 近传感器18等组成。由光源6发出一组平行的环形光束投射到光学镜组7上， 经过光学镜组7反射后，透过测量窗8，在被测管形零件4内表面沿圆周方向形 成一组环形分布的多个光斑，每个光斑代表管形零件4内轮廓上某个点。这些光 斑通过光学镜组7成像折射后在管形零件4内壁上成像，通过工业摄像机9采样，
获取该光斑图像，通过传输电缆11送入后面的控制柜3中，通过图像处理和数 据处理，可以获得这些光斑所在点的空间坐标。当测量臂1沿着管形零件4轴线 移动时，每个光斑可以扫描出管形零件内表面的一条母线轮廓，因此测量系统可 以获得多个母线轮廓的离散点坐标，通过对这些三维云点进行重构，从而获得准 确的管形零件三维内轮廓尺寸参数。
测量臂1的外壳10设有光学玻璃制成的测量窗8，既可以满足测量要求， 又可以起到防尘和保护的双重作用。
测量臂1前端设置有若干接近传感器18，可以检测出测量臂1和被测零件4 端口之间的距离和相互位置，从而可以避免产生碰撞，提高测量系统的安全性和 可靠性。
如图3所示，光源6是由一个镜筒12和若干个独立的半导体激光器13组成。 这些激光器13沿镜筒12的轴向呈环形分布。因此由这些激光器13发出的是一 组平行光束，在空间形成一个圆柱形区域。为了保证测量精度，数量至少为4束， 可以是4束、8束、16束、32束、64束等， 一般为4的倍数。
如图4所示，光学镜组7是多面锥棱镜，表面镀膜，棱镜的反射面数量与激 光器13的数量相同，反射面与轴线呈一定角度，该角度大小应该保障反射光束 能够照射到被测零件4内壁表面，而且形成的激光光斑能够被摄像机9捕获和成 像。另一方面，该角度还要保障反射光照射到测量窗8表面后形成的反射光斑不 会被摄像机9成像。由激光器13发射的一组光束首先投射到光学镜组7右侧反 射面上，经过反射后，激光束透过测量窗8，在被测管形零件4内表面沿圆周方 向形成一组环形分布的多个光斑。这些光斑成像到摄像机9的CCD上，满足测量 要求。
如图5所示，驱动箱2由直线导轨14、滚动丝杠15、电机16、基座17、调 整机构19等部分组成。电机16与滚动丝杠15等高并直接相连，传递力矩和转 动速度。直线导轨14安置在滚动丝杠15的两侧，平衡布局。直线导轨14、滚 动丝杠15和电机16都安装在调整机构19上，并最终安装在基座17上面，从 而保证相互稳定可靠的位置关系。在控制柜3的控制下，电机16的转动经过滚 动丝杠15后转变为直线运动，并带动测量臂1沿直线导轨14快速移动，对管形 零件4内轮廓进行测量；驱动箱2同时可以通过调整机构19实现测量臂1垂直
位置的调整，以适应不同规格的管形零件4的测量要求。
如图6所示，控制柜3是由计算机和可编程逻辑控制器(PLC)组成的主从 式测控系统，具体可以包括工业控制计算机、图像采集卡、可编程逻辑控制器 PLC、信号调理电路、电机驱动器、激光控制器、键盘和鼠标等。PLC是控制核 心，是下位机，测量系统的全部测量过程是在PLC的控制下完成的，包括通过电 机驱动器控制电机转动，实现测量臂l的前进、后退与定位；通过激光控制器控 制激光器13的开关，产生激光光斑，并对激光亮度进行调节等等。工业控制计 算机是控制柜3的数据处理中枢，是上位机，用键盘和鼠标操作，由工业控制计 算机向PLC传送系统工作参数、处理来自图像卡的图像数据、对测量臂1实施防 撞监测、对系统工作状态和检测结果进行显示等。信号调理电路的作用，是对各 种电机速度、测量臂位置、现场温度等信号进行预处理(包括滤波、放大等)， 然后送入工业控制计算机中，供处理分析。图像采集卡负责光斑图像的采集，并 送入工业控制计算机进行处理。
控制柜3具有声光报警与提示功能，当测量结果不合格，或者测量系统出现 异常情况而停止时，控制柜3将通过指示灯和计算机内部喇叭进行生保报警与提 示，系统工作更加安全、可靠。
本实施例采用结构光和计算机视觉技术，实现了管形零件内轮廓三维尺寸参 数的非接触自动检测，采用独立激光器形成环形分布的激光束在被测表面形成环 形分布的激光光斑，解决了传统方法精度低、易磨损、可靠性差的弊病，寿命长， 而且全自动化，符合生产线的节拍要求，大大提高检测效率和智能化水平。本实 施例可适用于各种管类零件的非接触尺寸参数测量，既可以测量金属管件，也可 以测量非金属管件。
权利要求
1、一种管形零件内轮廓自动检测系统，其特征在于，包括测量臂、驱动箱、控制柜、定位机构，其中被测零件固定于定位机构之上，驱动箱位于被测零件一侧并靠近端部，控制柜位于驱动箱附近，通过电缆与驱动箱相连，驱动箱内部设有能往复运动的测量臂，测量臂与被测零件等高且轴线重合，被测管形零件通过生产传输线送入定位机构上，并被夹具固定后，生产线向控制柜发出准备好信号，控制柜随后向驱动箱发出控制指令，驱动箱带动测量臂快速向前移动并进入被测管形零件的内部，连续对内轮廓进行采样和测量，测量结束后，驱动箱带动测量臂快速回退至原先位置，经过控制柜数据处理，检测结果将在控制柜的显示器上显示，同时存储在内部存储器内，上述工作结束后，控制柜向生产线发出完成信号，检测工作结束。
2、 如权利要求l所述的管形零件内轮廓自动检测系统，其特征是，所述的 测量臂包括光源、光学镜组、测量窗、工业摄像机，由光源发出的一组环形光束 投射到光学镜组上，经过反射后透过测量窗照射到被测管形零件的内表面，从而 在管形零件的内表面上形成若干个沿圆周方向环形分布的激光光斑，每个光斑代 表管形零件内轮廓上某个点，这些光斑的图像被工业摄像机获取，通过电缆传送 到控制柜进行处理，通过图像处理获得该光斑所在位置的空间坐标，最后通过数 据处理获得管形零件内轮廓的三维尺寸参数，当测量臂沿着管形零件轴线移动 时，每个光斑扫描出管形零件内表面的一条母线轮廓，因此测量系统获得多个母 线轮廓的离散点坐标，通过对这些三维云点进行重构，从而获得准确的管形零件 三维内轮廓尺寸参数。
3、 如权利要求2所述的管形零件内轮廓自动检测系统，其特征是，所述的光源是由一个镜筒和若干个独立的半导体激光器组成，这些激光器沿镜筒的轴向 呈环形均匀分布，由这些激光器发出的是一组环形的平行光束。
4、 如权利要求3所述的管形零件内轮廓自动检测系统，其特征是，所述的 半导体激光器，其数量至少为4束。
5、 如权利要求2所述的管形零件内轮廓自动检测系统，其特征是，所述的 反光镜组是一对多面锥棱镜，棱镜的反射面数量与激光器的数量相同，反射面与轴线呈一定角度，由激光器发射的一组光束首先投射到光学镜组右侧反射面上， 经过反射后，激光束透过保护镜片，在被测管形零件内表面沿圆周方向形成一组 环形分布的多个光斑，这些光斑成像在摄像机的CCD上，满足测量要求，其中 所述棱镜的反射面与轴线的角度保证反射光束能够照射到被测零件内壁表面，且 形成的激光光斑能够被摄像机捕获和成像，同时反射光照射到测量窗表面后形成 的反射光斑不会被摄像机成像。
6、 如权利要求1或2所述的管形零件内轮廓自动检测系统，其特征是，所 述的测量臂，其外壳设有光学玻璃测量窗。
7、 如权利要求l所述的管形零件内轮廓自动检测系统，其特征是，所述的 驱动箱包括电机、滚动丝杠、直线导轨、基座、调整机构，电机与滚动丝杠等高 并直接相连，传递力矩和转动速度，直线导轨安置在滚动丝杠的两侧，平衡布局， 直线导轨、滚动丝杠和电机都安装在调整机构上，并最终安装在基座上面，在控 制柜的控制下，电机的转动经过滚动丝杠后转变为直线运动，并带动测量臂沿滚 动导轨快速移动，对管形零件内轮廓进行测量。
8、 如权利要求1或7所述的管形零件内轮廓自动检测系统，其特征是，所 述的驱动箱中设置有若干接近传感器，通过检测直线导轨和基座之间的相互位置 来检测测量臂和管形零件之间的相互位置，驱动箱能自动调节测量臂的垂直高度 和位置。
9、 如权利要求l所述的管形零件内轮廓自动检测系统，其特征是，所述的 控制柜由工业控制计算机和可编程控制器组成的主从式测控系统，工业控制计算 机向可编程控制器发出控制命令和系统参数，同时负责光斑图像的采集和处理。
全文摘要
一种机械制造业技术领域的管形零件内轮廓自动检测系统，包括测量臂、驱动箱、控制柜、定位机构，被测管形零件通过生产传输线送入定位机构上，并被夹具固定后，生产线向控制柜发出准备好信号，控制柜随后向驱动箱发出控制指令，驱动箱带动测量臂快速向前移动并进入被测管形零件的内部，连续对内轮廓进行采样和测量，测量结束后，驱动箱带动测量臂快速回退至原先位置，经过控制柜数据处理，检测结果将在控制柜的显示器上显示，同时存储在内部存储器内，上述工作结束后，控制柜向生产线发出完成信号，检测工作结束。本发明能完成对管形零件加厚段三维内轮廓的自动测量，对于测量不合格的情形，可以采用声光显示给予提示。
文档编号G01B11/25GK101382422SQ20081020124
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月16日 优先权日2008年10月16日
发明者杰 李, 王占斌, 辉 赵, 卫 陶, 亮 颜 申请人:上海交通大学