专利名称：气缸套智能检测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于仪器仪表技术领域。特别涉及一种精密的气缸套智能 检测装置。
背景技术：
内燃机气缸套是内燃机的重要部件，随着汽车工业的高速发展， 对气缸套的需求量越来越大，气缸套的检测直接影响气缸套产量和质 量的提高。我国气缸套生产发展非常迅速，但检测还是釆用传统的检 测方法，以接触式百分表、千分表和测量规为主，这种方法重复性差， 人为干扰因素多，极大地影响了生产效率。因此，气缸套的检测已经 成为气缸套发展的瓶颈。
随着我国科技水平的提高，三坐标测量机的接触测量曰趋完善，
釆用CCD视觉检测的非接触测量也已经成熟。
发明内容
接触测量具有准确可靠、精度高的特点，但其测头易磨损，只能
逐点测量，测量速度较慢；而采用CCD视觉检测的非接触测量可进行 快速扫描测量，但易受被测物表面的颜色、斜率等反射特性以及环境 光线的影响。
本发明的目的是将CCD视觉检测的非接触测量和触发式测头的 接触测量完美结合，并根据气缸套各项参数要求，设计出具有髙精度、 高效率、自动检测的适用于各类气缸套产品的智能检测装置。
本发明是通过以下具体技术方案实线的。
本智能检测装置系统采用立柱整体移动式结构，主要由X轴、Z 轴和旋转c轴构成，如
图1所示。这种结构刚性好，机构紧凑，运行
平稳，是对三坐标测量机的简化，而且更适用于回转体检测。主要包
括:X向的底座12、旋转C轴方向的主轴旋转台13、 Z向的立柱7、 电气控制拒27、大理石平台22、测量架17、外壳26、防尘罩25、 操作面板23、显示器24和显示器支撑杆2;所述检测装置以大理石 平台22为基准，大理石平台22与电气控制柜27由四个可调螺紋装 置连接；主轴旋转台13水平放置于大理石平台22上，其轴线垂直于 水平基准；底座12沿X轴方向固定在大理石平台22上；底座12通 过其上导轨及滑块连接Z向的立柱7,立柱7可通过底座滑块在导轨 上沿X轴方向运动；Z向的立柱7通过其上的导轨及滑块连接测量架 17，测量架17可通过立柱滑块在导轨上沿Z轴方向运动。具体如图
2、图3所示。
上述的电气控制柜27内布置有稳压电源、工业控制计算机、PMAC 运动控制卡、伺服驱动单元。本系统的运动控制核心为PMAC运动控 制卡PMAC2A/PC104,工业控制计算机负责运动指令的发送和对PMAC 卡的控制。工控机上的CPU与PMAC的CPU—一DSP构成主从式双微处 理器结构，两个CPU各自实现其相应功能。工控机作为上位机主要实 现人机交互以及通过PMAC间接控制完成检测过程中的各种运动要 求；PMAC卡作为下位机，直接控制驱动器驱动电机完成各种运动、 监控运动过程各类状态量的变化以对运动进行实时调整。电控系统的 逻辑结构如图4所示。
上述的底座12包括了沿X向的伺服电机3、电机丝杠联轴节4、 滚珠丝杠IO、底座滑块及滚动导轨l、 X向光栅尺5、底座外壳及底 座防尘罩。电机驱动滚珠丝杠，从而带动固定在滑块上的立柱沿X向 导轨运动，其光栅尺精确的反馈了立柱在X向的移动量。
上述的主轴旋转台13包括了主轴伺服电机8、电机蜗杆联轴节9、 涡轮蜗杆ll、气缸套工装14。由电机驱动涡轮蜗杆带动转台进行回 转。不同型号的工装装卡不同的气缸套，再配上相应的检测方案，使 本检测装置适合各种气缸套的检测。
上述的立柱7包括了沿Z向的伺服电机21、电机丝杠联轴节20、 滚珠丝杠18、立柱滑块及滾动导轨6、 Z向光栅尺19、立柱外壳及底 座防尘罩。电机驱动滚珠丝杠，从而带动固定在滑块上的测量架沿Z 向导轨运动，其光栅尺精确的反馈了测量架在Z向的移动量。
上述的测量架17包括触发式测头15和CCD视觉检测系统16, 采用接触和非接触测量方法对气缸套进行检测。
本智能检测装置的底座和立柱为整体浇注铸铁件，并经过热处理 进一步提高了机械性能，旋转轴采用精密轴承回转轴系，锥孔为莫氏 4号锥孔。配有P级滚动导轨，研磨丝杠，高速度高精度伺服电机保 证了整个机构的精度、平稳度、可靠度，同时也减小了传动部分运动 时带来微弱震动的影响。
本发明的原理及工作过程如下
仪器的正确调整对保证仪器的整个检测精度也起着十分重要的 作用。我们首先通过采用激光干涉仪检测X向和Z向滚动导轨的直线 度检测调整，通过刮研导轨基座达到精度要求；然后将标准验棒插入 转台锥孔内，检测X向与Z向的垂直度，通过刮研立柱滑块达到精度 要求；然后再通过标准验棒检测回转工作台锥孔的圆跳动，调整支撑
螺钉使其达到精度要求；最后调整智能检测装置工作台的整体方位， 将一台电子水平仪放置再检测机的x轴上调平，然后将水平仪旋转 90° ,以确定另一方向是否水平，反复调整，以确定整个工作台水平。
CCD视觉系统是智能检测仪的主要组成部分，主要由照明光源系
统和成像系统组成。采用单个特征点的靶标件进行标定，首先让靶标 处于视觉系统的焦平面，固定靶标件，移动视觉系统并用光栅尺或双 频激光干涉仪测量视觉系统移动距离，获得多组标定特征点，从而求 出标定参数。这种标定方法釆用的靶标件加工简单，易于实现现场标 定，并釆用分区线性畸变校正的方法对图像畸变进行了校正。
针对仪器安全，本检测装置在软硬件部分都做了多重保护，以保 证仪器正常、稳定的工作，即使在故障的情况下也不会受到损坏。硬 件方面，在控制面板设置了急停按钮和启动/关断按钮，当操作员按 下急停按钮时，电机关闭，立即中断运动，而在仪器启动时，按下启
动/关断按钮，仪器立即断电，结束任何操作。在检测装置的x轴、z
轴上我们安装了超程限位开关，通过PMAC运动控制卡，设定了正向 和反向硬件行程开关用作故障保护， 一旦PMAC检测到限位触发信号， 它将使电机以指令轨迹和指定的速率停止。另外，在超程限位开关外 的适当位置我们还安装了机械限位，保证了检测仪在运行中即便是在 限位开关失效的情况下，滑块也不会脱离导轨。此外，我们还通过设 置PMAC参数对电机进行了速度、加速度以及跟随误差限制。软件方 面，我们在已建立的仪器坐标系下，根据不同的类型的气缸套划分了 工作区、警戒区和中断区，在警戒区运动部件速度降低，并伴以蜂鸣 声警示；在中断区进行了软件限位，即系统立即发出指令关闭电机。 另外，我们设计了测头自我保护功能(防撞功能)，对测头进行了实 时监控。
本智能检测装置通过PMAC运动控制卡控制电机驱动三个轴的运 动，包括在X轴的水平方向运动、在Z轴的竖直方向运动和控制转台 沿C轴的旋转，实现了从各个方位对气缸套的检测。其中X轴和Z轴 的电机通过PMAC控制卡接收光栅尺的反馈信号形成闭环系统；因为 旋转轴的精度要求不太高，仅通过电机编码器构成半闭环系统便能满 足检测要求。检测装置釆用触发式测头进行检测时，我们使用PMAC 运动控制卡的位置捕捉功能对当前光栅尺数据进行捕获；而采用CCD 视觉系统进行检测时，是将检测装置移动到检测位置，采集光栅尺的 数据和气缸套图象，并在计算机中进行实时处理，从而得到检测结果。
与传统的检测方法相比，本气缸套智能检测仪有如下优点
( 一 )本检测仪釆用"PMAC运动控制+工业控制计算机(IPC)"
双CPU硬件结构的控制系统，具有信息处理能力强、开放程度高、运
动轨迹控制精确、通用性好等特点。
(二) 采用高精度的滾动导轨、滚珠丝杠和涡轮蜗杆作为传动机 构，实现了检测装置的平稳运行，完成对测量架的精确定位。
(三) 采用高精度光栅尺，不仅提高了控制系统的控制精度，也 提高了本检测装置的检测精度。
(四) 釆用触发式测头和CCD视觉检测系统结合的方法，实现了 对气缸套快速准确的检测。
(五) 检测过程完全由检测装置自动完成，消除了人为因素的影响。
(六) 各项参数检测都符合内燃机湿式铸铁气缸套技术条件的国 家标准(GB/T 1150-93 ),算法精确可靠，并对检测路线进行了优化， 实现了对气缸套检测的准确、高效。
(七) 用户可根据需求自定义检测方案，实现对气缸套任意尺寸 的自动检测，气缸套各项参数自动生成数据报表，并自动保存检测数 据，方便用户査阅。
(八) 本检测装置具有较好的通用性，针对不同种类的气缸套， 只需釆用不同型号的工装，设计好检测方案，便可一机多用，适合多 种类型气缸套的检测。
图l是立柱整体移动式结构。
图2、图3是气缸套智能检测装置；其中1为底座滑块及导轨, 2为显示器支撑杆、3为底座电机，4为X轴联轴节、5为X向光栅尺， 6为立柱滑块及导轨，7为立柱，8为转台电机，9为C轴联轴节、10 为底座丝杠，ll为涡轮蜗杆，12为底座，13为主轴旋转台，14为气 缸套工装，15为触发式测头，16为CCD视觉检测系统，17为测量架， 18为立柱丝杠，19为Z向光栅尺，20为Z轴联轴节、21为立柱电机， 22为大理石平台，23为搡作面板，24为显示器，25为防尘罩，26 为外壳，27为电气控制拒，28为气缸套。
图4是检测系统的逻辑结构。
图5是搡作面板示意图。
具体实施例方式
本智能检测装置是通过PMAC运动控制卡控制三个轴的电机，包 括在X轴的水平方向、在Z轴的竖直方向和控制转台的C轴，实现了 从各个方位对气缸套的检测。采用触发式测头进行测量时，我们使用 PMAC运动控制卡的位置捕捉功能对当前光栅尺数据进行捕获；而釆 用CCD视觉系统进行测量时，是将检测装置移动到测量位置，釆集光 栅尺的数据和气缸套图象，并在计算机中进行实时处理，从而得到检 测结果。
本检测装置的操作面板如图5所示，包括启动/关断按钮、自动/ 手动旋钮、摇杆、回零按钮、急停按钮、手轮选择旋钮及手轮。启动 /关断按钮是启动和关断主电路电源；手动/自动旋钮是选择不同的操 作模式，在手动模式下，面板上其他按钮才能执行，而在自动模式下， 面板的其他按钮无效(启动/关断按钮和急停按钮除外)，这种模式是
通过软件实现对气缸套的检测；摇杆是在手动模式下实现对检测装置
X轴和Z轴方向运动的控制；手轮选择旋钮及手轮是在手动模式下选 择在不同的轴来实现对检测装置的微动控制；回零按钮是在手动模式 下，仪器通过回零重新建立仪器坐标系；急停按钮是在紧急情况下关 闭电机，保障仪器安全。
本智能检测装置的检测准备过程如下
为适应不同类型的气缸套检测的需要，首先安装好与被测气缸套 对应的工装。然后对安装好的工装进行标定，利用标准圆筒评定旋转 轴轴心，并将检测参数存入数据库。
打开工控机，按下启动/关断按钮，开启数控系统主电源。再按 下回零按钮进行系统回零，建立仪器空间坐标系。
检查测头是否安装正确以及CCD视觉系统是否能检测图象。 将被测气缸套安装到工装上，并确定其是否安装正确。
在做好以上准备工作后，我们就可以对同类型的气缸套进行批量 检测。首先打开检测装置的检测软件，选择好被测气缸套类型，然后 根据软件提示，用户可按自身需求，选择所需要检测的尺寸，保存检 测方案，电机一键测量即可进行自动检测，此外，也可单独对某个工 件的某些特定参数进行单项检测。
下面以气缸套的圆弧半径和测头单点位置检测为例介绍检测装 置的单项检测过程。
(a)首先，程序进入预备阶段。预备阶段主要完成两类工作 一类是仪器的自我诊断，包括判断系统是否回零，是否正在执行别的
检测任务，面板状态是否正常，测头是否处于一个安全的启动位置等； 第二类是检测的准备工作，包括创建新的工件编号，读取待检项目序 号及项目名称、标准尺寸和公差范围等相关信息。
(b) 调用测量点和中断区的坐标位置，控制立柱和测量架分别 在x向和z向运动。运动过程中，监控程序实时进行仿碰撞检查。
(c) 抵达测量点位置后，根据待测尺寸的类型，仪器选用CCD 视觉检测模式并开始釆集数据。
(d) 同时，检测程序开始分析和处理釆集到的图像数据。通过 对图像作二值化、边缘提取和轮廓跟踪处理后，程序首先判断采集到 的图像是否可用，如果可用则进行下一步处理，否则将重新采集图像; 然后，程序根据设定好的CCD系统的标定参数对图像作线性转换和畸 变矫正，最终输出为系统坐标系下的点坐标矩阵；之后是计算过程， 在本例中，程序将首先分析获得的点中哪些是圆弧上的点，再利用最 小二乘法则来拟合圆，同时计算圆心位置和半径。
(e) 得到检测结果后，程序将结果以数据和图形的形式输出到 用户界面，并根据预先存储的标准尺寸和公差范围来判断该尺寸参数 为合格或不合格，如果不合格，用户还可以通过对话框选择继续进行 下一个尺寸的检测，或退出检测，或检查工件实际情况(如工件是否 正确安装，工件表面是否有异物等)后重新检测该尺寸。
(f )采用测头作传感器的检测单点位置的过程与此类似，不同 的是，在步骤(c)中仪器将选择测头检测模式；在步骤(d)中，通 过PMAC运动控制卡的位置捕捉功能获取测头当前坐标系下的空间位 置，再经过误差补偿后可直接进行计算。
以上阐述的是针对典型气缸套尺寸的检测步骤。在检测其它类型 的气缸套时，随气缸套的尺寸、形状不同，需要检测的参数不同检测 步骤也会有所变化。
权利要求
1、气缸套智能检测装置，其特征在于，包括X向的底座(12)、旋转C轴方向的主轴旋转台(13)、Z向的立柱(7)、电气控制柜(27)、大理石平台(22)、测量架(17)、外壳(26)、防尘罩(25)、操作面板(23)、显示器(24)和显示器支撑杆(2)；所述检测装置以大理石平台(22)为基准，大理石平台(22)与电气控制柜(27)由四个可调螺纹装置连接；主轴旋转台(13)水平放置于大理石平台(22)上，其轴线垂直于水平基准；底座(12)沿X轴方向固定在大理石平台(22)上；底座(12)通过其上导轨及滑块连接Z向的立柱(7)，立柱(7)可通过底座滑块在导轨上沿X轴方向运动；Z向的立柱(7)通过其上的导轨及滑块连接测量架(17)，测量架(17)可通过立柱滑块在导轨上沿Z轴方向运动。
2、 根据权利要求l所述气缸套智能检测装置，其特征在于，所 述的电气控制柜(27)内布置有稳压电源、工业控制计算机、PMAC 运动控制卡、伺服驱动单元。
3、 根据权利要求l所述气缸套智能检测装置，其特征在于，所 述的底座(12 )包括了沿X向的伺服电机(3 )、电机丝杠联轴节(4 )、 滚珠丝杠(10)、底座滑块及滚动导轨(1)、 X向光栅尺(5)、底座 外壳及底座防尘罩。
4、 根据权利要求1所述气缸套智能检测装置，其特征在于，所 述的主轴旋转台(13 )包括了主轴伺服电机(8 )、电机蜗杆联轴节(9 )、 涡轮蜗杆(11)、气缸套工装(14)。
5、 根据权利要求l所述气缸套智能检测装置，其特征在于，所 述的立柱(7 )包括了沿Z向的伺服电机(21 )、电机丝杠联轴节(20 )、 滚珠丝杠(18)、立柱滑块及滚动导轨(6)、 Z向光栅尺(19)、立柱 外壳及底座防尘罩。
6、 根据权利要求l所述气缸套智能检测装置，其特征在于，所 述的测量架U7)包括触发式测头(15)和CCD视觉检测系统(16)。
全文摘要
本发明属于仪器仪表技术领域。特别涉及一种精密的气缸套智能检测装置。气缸套智能检测装置主要包括X向的底座12、旋转C轴方向的主轴旋转台13、Z向的立柱7、电气控制柜27、大理石平台22、测量架17、外壳26、防尘罩25、操作面板23、显示器24和显示器支撑杆2。本发明具有高精度、高效率、自动检测的适用于各类气缸套产品的特点。
文档编号G01B11/00GK101387495SQ200810152439
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月23日 优先权日2008年10月23日
发明者向红标, 嘉 朱, 李洪宇, 李醒飞, 谭文斌, 诚 陈 申请人:天津大学