专利名称：一种汽车铝合金轮毂成品在线尺寸测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动化测控领域，特别涉及一种汽车铝合金轮毂成品在线尺寸测量系统。
背景技术：
随着现代社会的发展，汽车行业已逐渐成为中国的支柱产业之一。铝合金轮毂作为汽车的重要组成之一，因其重量轻、变形小和环保节能等优点得到广泛应用。随着汽车市场的迅猛发展，对轮毂成品尺寸的快捷正确的检测需求也越来越迫切，其中成品轮毂扣帽槽和帽止口(如图la，Ib所示)作为汽车装饰盖的安装位置，其尺寸是关键装配尺寸，是影响轮毂质量的重要指标。如果扣帽槽和帽止口尺寸超差，会导致装饰盖松动或者无法装配，直接影响车轮整体的美观。因此对轮毂成品扣帽槽、帽止口的尺寸的准确检测受到铝轮毂生产厂家的格外关注。为保证轮毂质量，需要对扣帽槽的直径和深度，以及帽止口的直径进行检测，对尺寸超差产品进行分拣。目前，对于上述尺寸的测量主要分为接触式和非接触式测量。接触式测量主为人工测量和机械测量。人工利用孔径规和深度规测量直径和深度，测量易受量具的调整、操作者经验等影响，影响测量结果的准确性。另外，人工测量为离线检测，耗费大量的人力和时间，对于轮毂的大批量生产不利。机械测量，例如三坐标测量机、电子塞规等可以实现在线 测量，利用接触式测头测量轮毂表面不同位置，得出成品孔径、深度尺寸。机械测量虽然测量精度高，容易在成品留下测量痕迹，造成轮毂损伤或者变形，而且测量时间长。因此，非接触测量逐渐替代接触式测量。电容式传感器测量和气动测量方法可以实现孔径的测量。但由于帽止口的尺寸较小(一般在40mm-100mm)，测头在伸入孔内测量时容易碰到孔表面造成划伤，测量过程缓慢，难以实现在线自动化测量。光学照相法测量孔径易受环境光线的影响导致测值失准，而且图像处理过程复杂。专利CN 101788272A提出了基于激光三角法的多方向轴内孔径精密测量方法，此方法采用光纤传光方法，可以测量在线小尺寸孔径。但是此方法不适用于浅孔测量；而且，不同规格的轮毂成品扣帽槽和帽止口位置不同，此方法需要根据不同轮毂调整测量位置，这个过程比较繁琐。另外，上述非接触测量方法只能实现单一孔径测量，而不能同时测量孔深。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足，提供了一种基于激光三角法原理的在线汽车铝合金轮毂成品尺寸测量装置及测量方法，实现在线测量扣帽槽和帽止口的尺寸。所述测量装置通过对中轮毂，配合双激光器的一次扫描，可以同时测量成品扣帽槽的直径、深度以及帽止口的直径。测量装置实现全自动在线测量，精度高、测量迅速、不对轮毂表面造成损伤，适应各种规格轮毂的测量，提高企业生产效率。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种汽车铝合金轮毂成品尺寸在线测量装置，主要包括检测台、气动夹紧装置、2台激光传感器、控制测量动作的运动控制模块(PLC)、用于数据存储和处理的工控机以及数据处理软件。所述检测台上端安装了水平的滚珠丝杠，滚珠丝杠由伺服电机驱动，并且滚珠丝杠两端设置2个接近开关，气动夹紧装置固定在检测台上的滚珠丝杠下方，并且高于辊道，用于夹紧固定辊道上的轮毂。滚珠丝杠位于检测台中心正上方，激光传感器通过激光器固定机构安装在滚珠丝杠上，滚珠丝杠可以带动两台激光传感器进行往复直线运动。所述检测台可以夹紧对中轮毂成品，检测台辊道和气动夹紧装置中的夹紧轮材料均为硬度值小于轮毂硬度值的硬塑料，不会对成品轮毂造成损伤。所述2台激光传感器对称安装在激光器固定装置的前后侧。所述激光传感器的为日本基恩士公司产品，型号为LKG-405，红色激光，点式扫描，量程为300-500mm，重复精度为2 μ m，线性度为0.05%FS。所述激光传感器带有I个USB接口和I个串口，工作温度在O 50°，工作湿度在35% 85%之间。所述激光传感器在接近开关之间沿滚珠丝杠往复匀速直线运动，扫描轮毂成品。所述激光传感器能根据现场情况自动调节光强，其量程可以适应各种规格轮形的测量。所述激光传感器可以通过USB线与所述工控机实现交互通讯，测量数据通过USB数据线传输到所述工控机。所述运动控制模块(PLC)安装在电控柜中，型号为OMRON CPlH X40DT-D，所述PLC具有快速的处理速度，执行基本指令仅需0.1 μ S，超强的扩展能力，除最多可带7个CPMlA的扩展单元外，还同时可带2个CJl的特殊I/O单元，即最多支持320点数字量I/O及37通道的模拟量I/O ;有2个RS232C/RS485可任选的通信口和USB外设通信口。所述PLC控制各种测量动作。所述工控机也安装在电控柜中，型号为研华IPPC-9151，具有4个USB端口，2个串口，所述工控机通过USB线与所述激光传感器互相通讯，通过RS232串口线与所述PLC交互通讯。所述数据处理软件安装在所述工控机中。所述数据处理软件利用VC++语言编写，可以利用算法提取轮毂扣帽槽和帽止口特征点，并计算直径和深度尺寸。
测量时，当被测轮毂成品被辊道传输到检测台上的气动夹紧装置位置时，PLC控制气动夹紧装置对中并夹紧轮毂，然后PLC向工控机发送开始指令，工控机再向激光传感器发送扫描指令，激光传感器收到扫描指令后开始采集数据；PLC在发送指令完毕后，控制检测台上伺服电机带动滚珠丝杠转动，同时带动2台激光传感器从一端接近开关位置匀速扫描轮毂成品至另一端接近开关位置，并停止；然后PLC向工控机发送指令，工控机再向激光传感器发送停止指令，激光传感器停止采集数据；激光传感器通过USB线将测量数据传输到工控机中，经过处理可以得到轮毂成品扣帽槽和帽止口的轮廓，根据轮廓曲线曲率变化分别提取成品轮毂扣帽槽和帽止口处的特征点；利用数据处理软件，标定各特征点坐标，并计算直径和深度值；计算完成，工控机向PLC发送释放指令，PLC控制气动夹紧装置松开轮毂成品；工控机数据处理软件将计算结果与设定值比较，超差即为不合格品，并发出警报，由机械手分拣出不合格品，准备测量下一个轮毂成品。本发明提供的测量方法中测量过程自动进行，测量适应恶劣环境，不受振动、烟雾和湿度的影响，测量总时间为10s，测量过程简单迅速、测量精度可达10 μ m，满足实际测量需求。本发明与现有技术相比有以下优点:融合了机械、传感器、电气和计算机软件等众多先进技术，采用激光非接触式方式点扫描和测量轮毂，精度高、速度快、可靠性好，同时不会对轮毂造成损伤；测量方法与测量装置的结构简单，全程自动化测量，只需夹紧对中轮毂成品，配合激光传感器的一次扫描，能同时得到成品扣帽槽的直径、深度和帽止口的直径，减少测量工序和时间，保证产品质量，降低成本，提高企业生产效率。
图1是轮毂成品的结构示意图和虚线处扣帽槽、帽止口位置放大示意图；图2是本发明的轮毂成品在线尺寸测量装置的正面结构图；图3是本发明的轮毂成品在线尺寸测量装置的侧面结构图；图4是本发明的轮毂成品在线尺寸测量装置的俯视结构图；图5是测量过程激光传感器在轮毂表面的扫描路径图；图6是其中一个激光传感器扫描轮毂扣帽槽和帽止口的曲线轮廓和特征点选取示意图。图中:1-检测台；2_运动控制模块(PLC) ；3-工控机；4_辊道；5_轮毂成品；6_伺服电机；7_接近开关；8_激光器固定机构；9_激光传感器；10_滚珠丝杠；11_导向杆；12_气动夹紧装置；13-扣帽槽；14-帽止口。
具体实施例方式为能进一步了解本发明的发明内容、特点和功能，下面介绍本发明的一种实施例，配合附图详细说明 如下。请参见图1-6，本发明是基于激光三角法的铝合金轮毂成品在线扣帽槽和帽止口尺寸测量装置及测量方法，所述的测量装置通过如下步骤实现测量:(I)预先利用量具调整激光传感器9在激光器固定机构8上安装位置，确保两激光传感器光点的连线方向与激光传感器9沿滚珠丝杠10的运动方向垂直，调整并测量两激光传感器9光点的间距，确保间距小于帽止口最小直径；(2)参见图2、3、4，开启电路、气路和激光传感器9，轮毂成品5经辊道4或者机械手运输到检测台I的辊道4上指定位置时，检测台I向PLC2发出信号；(3)PLC2控制嵌在辊道4里面的气动夹紧装置12夹紧对中轮毂成品5 ;并调整轮毂成品5处于激光传感器9的有效量程内。(4)轮毂成品5被夹紧对中后，PLC2通过串口向工控机3发送开始指令，工控机3再通过USB向激光传感器9发送扫描指令，激光传感器9开始采集数据；(5)PLC2控制位于检测台I上方的伺服电机6带动滚珠丝杠10运动，使激光传感器9沿滚珠丝杆10和导向杆11从右端接近开关7位置匀速扫描轮毂成品5至左端接近开关7位置停止，然后PLC2通过串口向工控机3发送指令，工控机3再通过USB向激光传感器9发送指令，激光传感器9停止采集数据；(6)激光传感器9通过USB线将采集的测量数据传输到工控机3中，经过工控机3中的数据处理软件处理后可以得到轮毂成品5扣帽槽13附近的轮廓，提取扣帽槽13和帽止口 14轮廓处特征点并计算直径和深度等尺寸；(7)计算完成，工控机3向PLC2发送完成指令，PLC2控制夹紧装置12松开轮毂成品5 ；(8)工控机3将(6)得到的结果与设定值比较，超差即为不合格品，并发出警报，由机械手分拣出不合格品，准备测量下一个轮毂成品5 ;否则直接将合格的轮毂成品5通过辊道4运输到下一个位置，准备测量下一个轮毂成品5。本发明涉及一种在线测量轮毂扣帽槽13和帽止口 14尺寸的方法。基于非接触激光三角法原理，利用双激光传感器，配合气动夹紧装置12对中夹紧轮毂成品5，扫描轮毂成品5。全过程激光传感器9进行一次扫描，即可得到扣帽槽13和帽止口 14的尺寸，测量迅速、精度高、效率高，而且自动适应各种规格轮毂成品5的测量，实现轮毂产品5的高自动化在线测量。本发明中采用工控机3内安装的数据处理软件对激光传感器9采集的测量数据进行处理，具体处理过程包括:1、坐标标定。在激光传感器9开始扫描时,设定激光传感器9沿滚珠丝杠10运动方向为X轴方向。测量过程中，两个激光传感器9同时开始采集数据和停止采集数据，所以每次扫描两个激光传感器9的采点数量相等。以激光传感器9起始运动位置为X轴零点位置，则所采集的各点X轴坐标为:x=mv/η其中，m为每次扫描一个激光传感器9在任意位置的采点数目，V为激光传感器9沿滚珠丝杠10的直线运动速度，η为激光传感器9的采样率(每秒采点数)。设定两激光传感器9的光点连线方向为y轴方向。以其中一激光传感器9开始运动位置为I轴零点，则这条扫描线上的所有点的I轴坐标为0，另一条扫描线上的所有点的y轴坐标为L (L为 两个激光传感器9的光点间距)。设定激光束照射方向为z轴方向，激光传感器9的量程中点为z轴零点，各点z轴坐标值即为实际激光传感器9采集高度值。 由此可以标定两条激光扫描线上任意一点的三维坐标。2、轮毂成品表面特征点提取。特征点选点范围在轮毂成品5中心附近，由于在扣帽槽孔、帽止口孔处存在角点，而且扣帽槽13底部为平面，利用轮廓曲率角和曲率符号的变化，(参见文献《一种基于曲率提取轮廓特征点的方法》，张文景等，上海交通大学学报，1999，33 (5)，592-595)，在一条轮廓线上提取到6个特征点,标记为Pu, P1^2, Pu, P1+ P1-S和Pu，如图6所示。同理,可以在另一条轮廓线上提取到相应的特征点=Ph, P2-2，P2-3，P2-4，P2-5和P2-6。其中，点Ph、Pu、Ph和P2_2为帽止口孔处的特征角点；点P1+ P1+ P2-3和P2-4为扣帽槽13底部的直线特征点；P1-5、Pl-6> P2-S和P2-B为扣帽槽孔处的特征角点。3、轮毂成品5的扣帽槽13和帽止口 14尺寸计算。首先利用点Pm，P1^2和P”计算帽止口 14直径。假设圆心坐标为(X。，yQ, zQ), Ap1+ Ph和P2-1的坐标分别为(X1-1，y1-1，Zh)、(X^y1I Zp2)和(X2-Dy2-PZp1),帽止口 14直径为R。根据三点定圆方程，可以得到:(Xh-xO) 2+ (Y1-1-Y0)2+ (ζι-ι~ζ0) 2=妒(Xh2-Xtl)2+ (y 卜 2-y0)2+ (Z1^2-Z0) 2=R2
(x2-1-x0)2+ (y2-1-y0)2+ (z2-1-z0)22=R2同时3点可以确定一个空间平面，ax+by+cz+d=0a, b，c, d为根据特征点坐标确定的平面系数。解以上方程即可得出帽止口 14的直径。利用帽止口 14处4个特征点Ph，P1^2, P2_!和P2_2，可以得到4个帽止口直径值(Ii(i=l,2, 3，4)取均值，Rl=(ClAWd4)/4Rl为测量的帽止口直径。同理，利用特征点和P2_6，可以得到4个扣帽槽直径值叫(i=l, 2, 3,4),取平均值，R2= (Hi^m2+m3+Iii4) / 4R2为扣帽槽的直径值。利用点Pu，P1^4和P2_3可以确定一个扣帽槽平面，Ax+By+Cz+D=0A, B, C，D为根据特征点确定的扣帽槽平面系数。利用点到平面计算方程计算点PmPifPw和P2_6到上述扣帽槽平面的距离，即为扣帽槽的深度值。由于在扣帽槽底面上提取了 4个特征点，任取3点可以确定一个平面，所以最终得出16个深度值Iii (i=l，2，3，4..16)，取平均值:H即为扣帽槽13的深度。本发明中采用的数据处理软件利用VC++语言编写，用于提取轮毂成品5表面特征点及其坐标，计算轮毂成品5的扣帽槽13和帽止口 14尺寸。除此之外，所述的数据处理软件还有测量进程显示、测量统计、阀值和选点范围设定、测量历史记录和轮毂成品5质量判别功能。上述测量方法的一个测量装置如图2 图4所示，所述的测量装置主要包括检测台1、激光器固定机构8、激光传感器9关注丝杠10和气动夹紧装置12，所述的检测台I上从下到上依次设置有气动夹紧装置12、辊道4和滚珠丝杠10，如图2，所述的滚珠丝杠10是上下两侧还可以设置两个导向杆11，当所述的激光传感器9通过激光器固定机构8固定在滚珠丝杠10上，所述的导向杆11可以对激光器固定机构8进行限位，保证激光器固定机构8的竖直平面内不发生摆动。所述的滚珠丝杠10两端分别连接在检测台I的两个侧面，并且所述的两个侧面上分别设置有一个接近开关，分别用于对激光传感器9的运动端点进行传感提示。在滚珠丝杠10与检测台I的连接处，滚珠丝杠10上连接伺服电机6，伺服电机6可以驱动滚珠丝杠10传动，带动其上的激光传感器9直线运动。所述的激光传感器9通过激光器固定机构8固定在滚珠丝杠10上，并且两个激光传感器9的光点连线垂直于激光传感器9的运动方向。所述的激光传感器9与工控机3电气连接，工控机3与PLC2之间通过RS232串口连接并相互通讯。
所述的辊道4与激光传感器9之间的距离满足，当轮毂成品5夹紧在辊道4的指定位置后，轮毂成品5的表面位于激光传感器9的有效量程内，保证激光传感器9对轮毂成品5的扣帽槽和帽止口的完整扫描。所述的气动夹紧装置12固定在检测台I的底面，并且穿过辊道4间隙，高于所述辊道4的高度，用于夹持辊道4上的轮毂成品5。所述的气动夹紧装置12含有电磁阀，PLC2与电磁阀通过导线连接，电磁阀位于气路中间部位；PLC向电磁阀发出不同的指令，可以控制阀门的不同位置的开关 ，进而控制气动夹紧装置的夹紧和松开动作。
权利要求
1.一种汽车铝合金轮毂成品在线尺寸测量方法，其特征在于: (1)预先利用量具调整激光传感器在激光器固定机构上安装位置，确保两激光传感器光点的连线方向与激光传感器沿滚珠丝杠的运动方向垂直，调整并测量两激光传感器光点的间距，确保间距小于帽止口最小直径； (2)开启电源，轮毂成品运输到检测台辊道4上的指定位置时，检测台向PLC发出信号; (3)PLC控制气动夹紧装置夹紧对中轮毂成品； (4)轮毂成品被夹紧对中后，PLC通过串口向工控机发送指令，工控机再通过USB向激光传感器发送指令，激光传感器开始采集数据； (5)PLC控制位于检测台上方的伺服电机带动滚珠丝 杠运动，使激光传感器沿滚珠丝杆和导向杆从右端接近开关位置匀速扫描轮毂成品至左端接近开关位置停止，然后PLC通过串口向工控机发送指令，工控机再通过USB向激光传感器发送指令，激光传感器停止采集数据； (6)激光传感器通过USB线将测量数据传输到工控机中，经过数据处理软件处理得到轮毂成品扣帽槽附近的轮廓，提取扣帽槽和帽止口轮廓处特征点并计算直径和深度尺寸； (7)计算完成，工控机向PLC发送完成指令，PLC控制夹紧装置松开轮毂成品； (8)工控机将(6)得到的结果与设定值比较，超差即为不合格品，并发出警报，由机械手分拣出不合格品，准备测量下一个轮毂成品。
2.根据权利要求1所述的一种汽车铝合金轮毂成品在线尺寸测量方法，其特征在于:所述的数据处理软件对激光传感器采集的测量数据进行处理，具体处理过程包括: (1)坐标标定 在激光传感器开始扫描时，设定激光传感器沿滚珠丝杠运动方向为X轴方向，以激光传感器起始运动位置为X轴零点位置，则所采集的各点X轴坐标为:x=mv/η 其中，m为每次扫描一个激光传感器在任意位置的采点数目，V为激光传感器沿滚珠丝杠的直线运动速度，η为激光传感器的采样率； 设定两激光传感器的光点连线方向为y轴方向，以其中一激光传感器开始运动位置为y轴零点，则这条扫描线上的所有点的I轴坐标为O，另一条扫描线上的所有点的y轴坐标为L，L为两个激光传感器的光点间距； 设定激光束照射方向为z轴方向，激光传感器的量程中点为z轴零点，各点z轴坐标值即为实际激光传感器采集高度值； 由此可以标定两条激光扫描线上任意一点的三维坐标； (2)轮毂成品表面特征点提取: 由于在扣帽槽孔、帽止口孔处存在角点，而且扣帽槽底部为平面，利用轮廓曲率角和曲率符号的变化，在一条轮廓线上提取到6个特征点，标记为P1^ P1^2, P”，P1+ P1^5和Pp6，在另一条轮廓线上提取到相应的特征点=Ph, P2_2，P2-3，P2-4，P2-S和P2-6，其中，点Ph、Pu、P2-1和P2_2为帽止口孔处的特征角点；点P1-3>P1-4>P2-3和Pm为扣帽槽底部的直线特征点七-5、 P2-S和P2-6为扣帽槽孔处的特征角点； (3)轮毂成品的扣帽槽和帽止口尺寸计算:首先利用点Pu，P1^和P2-1计算帽止口直径， 假设圆心坐标为(X。，y0, Z0),点P1-P P1^2和P2^的坐标分别为(X1-U Y1-!, Ζκ)、(Xl_2，yi_2，Zl_2)和(χ2_1; y2-u z2_i)，帽止口直径为R，根据三点定圆方程，得到: (Xh-X0) 2+ (Y1-1-Y0) 2+ (Zh-Z0) 2=R2 (Xh2-X0)2+ (y 卜 2_y0)2+ (Zh2-Z0) 2=R2 (Xh-X0) 2+ (Y2^1-Y0) 2+ (Zh-Z0) 2=R2 同时3点确定一个空间平面， ax+by+cz+d=0 a,b，c，d为根据特征点坐标确定的平面系数；解以上方程即得出帽止口的直径；利用帽止口处4个特征点Ph，P1^2, Ph和P2_2，得到4个帽止口直径值屯，i=l, 2，3，4，取均值: Rl= (d1+d2+d3+d4) / 4 Rl为测量的帽止口直径； 同理，利用特征点P1-5、P1-6、P2-S和P2-6，得到4个扣帽槽直径值IV 1=1, 2，3，4，取平均值: R2= (Hi1+m2+m3+Iii4) / 4 R2为扣帽槽的直径值； 利用点Pu Ph和P2-3确定一个扣帽槽平面，Ax+By+Cz+D=0 A，B, C，D为根据特征点确定的扣帽槽平面系数； 利用点到平面计算方程计算点和P2-6到上述扣帽槽平面的距离，即为扣帽槽的深度值； 由于在扣帽槽底面上提取了 4个特征点，任取3点确定一个平面，所以最终得出16个深度值hi; i=l,2, 3,4,…，16，取平均值: H= QiJh2+...+h15+h16) /16 H即为扣帽槽的深度。
3.一种汽车铝合金轮毂成品在线尺寸测量装置，其特征在于:所述装置包括检测台、气动夹紧装置、两台激光传感器、控制测量动作的PLC和用于数据存储和处理工控机，所述的工控机内具有数据处理软件； 所述检测台上端安装了滚珠丝杠，滚珠丝杠由伺服电机驱动，并且滚珠丝杠两端各设置一个接近开关，气动夹紧装置固定在检测台底面上，并且高于辊道，用于夹紧固定辊道上的轮毂成品；滚珠丝杠位于检测台中心正上方，两台激光传感器通过激光器固定机构安装在滚珠丝杠上，所述两台激光传感器对称安装在激光器固定机构两侧，满足两台激光传感器的光点连线垂直于激光传感器运动方向；所述的两台激光传感器与PLC之间通过串口连接并相互通讯，所述两台激光器与工控机之间通过USB线通讯，所述的PLC与工控机之间通过串口连接并相互通讯，所述气动夹紧装置含有电磁阀，所述PLC与电磁阀通过导线连接，电磁阀位于气路中间部位；PLC向电磁阀发出不同的指令，控制阀门的不同位置的开关，进而控制气动夹紧装置的夹紧和松开动作。
4.根据权利要求3所述的一种汽车铝合金轮毂成品在线尺寸测量装置，其特征在于:所述的滚珠丝杠的上下两侧各设置一个导向杆。
5.根据权利要求3所述的一种汽车铝合金轮毂成品在线尺寸测量装置，其特征在于:两激光传感器光点 的间距，小于帽止口最小直径。
全文摘要
本发明公开了一种汽车铝合金轮毂成品在线尺寸测量方法及装置，涉及自动化测控领域。所述测量装置包括检测台、气动夹紧装置、2台激光传感器、控制测量动作的PLC模块、用于数据存储和处理工控机和数据处理软件。通过对中轮毂，配合双激光器的一次扫描，可以同时测量成品扣帽槽的直径、深度以及帽止口的直径。测量装置实现全自动在线测量，精度高、测量迅速、不对轮毂表面造成损伤，适应各种规格轮毂的测量，提高企业生产效率。本发明测量过程自动进行，测量适应恶劣环境，不受振动、烟雾和湿度的影响，测量总时间为10s，测量过程简单迅速、测量精度可达10μm，满足实际测量需求。
文档编号G01B11/08GK103217122SQ201310134900
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月18日 优先权日2012年11月19日
发明者张虎, 孙少波, 王力刚 申请人:北京东方鼎鑫科技有限公司