一种用于检验力矩器的设备的制作方法

本发明属于视觉测量技术领域，具体涉及一种用于检验力矩器的设备。

背景技术：

挠性陀螺力矩器正交性决定了两个敏感轴的正交性，是挠性陀螺性能的关键参数之一。我国航天领域挠性陀螺力矩器检验是人工在显微镜下寻找u形口与4个线圈上的参考点，手工检测u型口中心与4个分别以0°、90°、180°、270°为基准的线圈中心的角度偏差值，然后计算任意两角度偏差的差值。

目前该检测均采用人工检测的方式，人工检测150个/月/人，操作过程中边检测边记录、并计算数据，存在工作效率较低，检测精度不高的情况，目前很多研究所挠性陀螺生产量较大，这一检测工序成为制约生产的瓶颈之一。

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种自动化程度高，节约人力成本并大大提高工作效率的用于检验力矩器的设备。

本发明的原理：

该用于检验力矩器的设备在力矩器检测工艺要求基础上，深入研究人工检测具体操作流程及挠性陀螺力矩器工作原理，以视觉实时测量系统为核心，通过视觉系统与机械结构、电气设备的有效配合，实时采集力矩器图像，完成力矩器4个线圈与u型口中心角度偏差的自动测量、合格品判定过程。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种用于检验力矩器的设备，包括控制箱体、视觉系统、旋转机构以及控制系统；

所述视觉系统用于采集力矩器图像并处理得到最终的测量数据；所述旋转机构带动其上安装的力矩器旋转，同时旋转速度与视觉系统采集力矩器图像拍照速度相适配；

视觉系统安装在控制箱体的上表面；旋转机构的一部分位于控制箱体内，另一部分伸出控制箱体上表面，伸出控制箱体上表面的部分安装待测量力矩器；

控制系统(3)负责与视觉系统(2)及旋转机构(4)分别进行通讯，从而促使旋转机构与视觉系统的有效配合，完成控制旋转机构(4)带动力矩器稳定旋转、控制视觉系统获取力矩器图像的时间节拍以及控制光源开关等工作。

上述视觉系统包括相机以及两个线光源；

相机安装在控制箱体的上表面，相机的镜头正对待测量力矩器；两个线光源分别安装在待测量力矩器两侧，相机光轴通过两个线光源之间的狭缝垂直出射至待测量力矩器上，确保待测量力矩器影像能被相机摄取。

所述相机为8k线扫相机，最大行频13khz；相机镜头采用高分辨率60mm镜头，并添加75mm扩展筒，视野范围缩小在4cm，成像效果接近于1:1；所述线光源是用于提供光照，剔除其它光线的干扰，利于视觉系统得到清晰度较高的图像。

上述旋转机构包括旋转轴、位置传感器以及减速电机；减速电机位于控制箱体内，减速电机的输出端穿过箱体上表面与旋转轴下端连接；旋转轴的上端用于安装待测量力矩器；位置传感器安装在旋转轴的侧面。

上述控制系统包括plc、通讯板、硬接线系统、触摸屏、开关电源以及继电器等；

所述plc为控制系统的核心，用于接收、存储并处理视觉系统以及旋转机构发送来的数据，从而控制视觉系统进行线光源开关、相机拍照、图像处理以及旋转机构进行旋转的具体动作；

所述工控机用于控制相机进行图像采集，并展示整个视觉软件操作界面，便于操作人员进行操作与数据读取；

所述通讯板包括两个通讯接口，一个通讯接口负责与工控机进行通讯，告知工控机何时到拍照位，从而确定相机采集图像时间，同时接收工控机信号，确定旋转机构何时开始旋转；另一个通讯接口负责与触摸屏进行通讯，从而实现操作者点击启动按钮即整个控制系统开始运行，选择运行模式则旋转机构控制模式变换，同时在触摸屏上显示当前减速电机运行速度以及角度；

所述硬接线系统包含两个，一个通过i/o口输出控制减速电机工作，从而控制旋转机构的旋转，并通过输入获取电机转速信息；一个通过i/o口输入获取位置传感器信号，确定旋转机构旋转零点；

所述触摸屏与plc进行通讯，用于提供模式选择、控制系统的启动以及对旋转机构动作的参数调整与测试，测试过程中在屏幕上方实时显示测试工件的旋转角度和速度；

所述开关电源用于控制整个控制系统电源的开关动作；

所述继电器用于与控制程序配合进行视觉系统中两个线光源的开关，确保图像采集前光源关闭，采集中光源常亮，采集后光源再次关闭。

为了方便调整相机位置，使相机的光轴能够准确照射在旋转轴的力矩器上，该测量设备还包括安装在相机与控制箱体之间的二维精密滑台，二维精密滑台控制相机在平行与箱体上表面的平面内滑动。

为了进一步的确保设备的测量精度，该测量设备还包括安装在控制箱体上表面的的水平仪。

本发明的有益效果是：

1、本发明的控制系统实现与视觉系统与旋转机构实时通讯；以plc为核心，实现旋转机构、线扫相机以及光源工作有效配合，获取精确度更高的图像，确保设备的精度与稳定性；与视觉系统通讯，采用继电器控制光源开关，确保图像采集前光源关闭，采集中光源常亮，采集后光源关闭，能够避免操作人员安放力矩器时被强光刺激，更为人性化。

2、本发明采用视觉系统配合减速电机控制的旋转轴实现了力矩器的自动测量，不仅节约了人力成本，并且大大提高了测量精度。

3、本发明采用了二维精密滑台以及水平仪，使得操作者能很容易调整相机位置，使相机的光轴能够准确照射在旋转轴的力矩器上，确保了测量的精准度。

4、本发明的采用角度模式和定时模式两种方式对旋转机构进行控制可兼顾使用者在操作时对稳定性或时间两方面因素不同侧重点所产生的不同需求。

5、本发明视觉系统增加了加严放宽与人工选点功能，使设备性能更为人性化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明配电系统示意图。

附图标记如下：

1-控制箱体、2-视觉系统、3-控制系统、4-旋转系统、5-相机6-线光源、7-旋转轴、8-位置传感器、9-减速电机、10-二维精密滑台、11-水平仪。

具体实施方式

基本方案

针对力矩器环形结构特性及高精度测量指标要求，设备总体方案为：

a)使用高精度线扫相机及镜头，辅以合适补光，作为图像采集装置；

b)高稳定旋转结构，固定位置精确安装线扫相机及力矩器目标；

c)高可靠性控制方法，实现整个设备的有效工作，确保设备测量精度；

d)开发自动控制系统，对采集的力矩器完整一周图像进行图像处理，计算力矩器放置位置，必须满足放置要求，对u型口和4个线圈进行数据计算，自动输出4个线圈的角度偏差、极差及合格品判定结果；

e)计算数据自动存储，便于产品质量的可追溯性。

系统组成

用于检验力矩器的设备，包括控制箱体1、视觉系统2、控制系统3以及旋转机构4；

视觉系统2用于采集力矩器图像并处理得到最终的测量数据；

旋转机构4带动其上安装的力矩器旋转，同时旋转速度与视觉系统2采集力矩器图像拍照速度相适配；

视觉系统2安装在控制箱体1的上表面；旋转机构4的一部分位于控制箱体1内，另一部分伸出控制箱体1上表面，伸出控制箱体1上表面的部分安装待待测量力矩器；

控制系统3负责与视觉系统2及旋转机构4分别进行通讯，从而控制旋转机构4旋转以及视觉系统2获取力矩器图像、确定相机图像采集时间以及对采集的力矩器图像进行处理，测量软件对图像进行处理及角度解算，最终得到力矩器精确测量结果。

控制系统3负责与视觉系统2及旋转机构4分别进行通讯，从而促使旋转机构4与视觉系统2的有效配合，完成控制旋转轴7带动力矩器稳定旋转、控制线扫相机5获取力矩器图像的时间节拍以及控制光源6开关等工作。

视觉系统

视觉系统包括相机5以及两个线光源6；相机5安装在控制箱体1的上表面，相机5的镜头正对待测量力矩器；两个线光源6分别安装在待检测力矩器两侧，相机5光轴通过两个线光源6之间的狭缝垂直出射至待测量力矩器上，确保待测量力矩器影像能被相机摄取。

考虑到力矩器视觉测量系统的测量要求，需将力矩器圆柱表面的图像呈现出来并进行图像处理以及计算，因此，系统最终选取线扫相机，操作过程中控制旋转轴，并将线扫相机安装在转台侧面采集一帧一帧的图像序列，最终形成包含力矩器u形口与线圈的矩形图像。利用vc软件在工控机上对图像进行处理，并进行数据测量最终得到线圈角度偏差值。同时，为了消除线扫相机与旋转机构配合时产生的图像畸变，设计采集两幅图像，并通过两幅图像计算得到角度与像素之间的转换关系，之后通过图像处理算法得到u形口与四个线圈的中心点图像坐标值，做差后转换为角度值即为数据测量的最终结果。

为保证测量精度，相机为8k线扫相机，最大行频13khz；镜头采用的是高分辨率60mm镜头，并添加75mm扩展筒，可以将视野范围缩小在4cm左右，成像效果接近于1:1放大；两个线扫相机专用线光源是用于提供光照，剔除其它光线的干扰，利于视觉系统得到清晰度较高的图像。

特别的，为使设备更为人性化，视觉系统还添加了手动选点检测功能，该功能为人工在工控机显示界面显示的4个线圈上下边缘窗口，选取一条人眼判断与4个线圈上下边缘形成的交点均最好的直线，视觉系统将自动对该直线与线圈边缘交点进行测量并得到角度值与正交性检测结果。

特别的，视觉系统在角度测量值得出后，进行正交合格性判断，分为两种模式，加严模式与放宽模式。加严模式为以四个线圈角度偏差值为判定依据，放宽模式以四个线圈角度偏差的极差为判定依据。两种模式由使用者根据需求自行选择。

旋转机构

旋转机构4包括旋转轴7、位置传感器8、减速电机9；减速电机9实际上是通过伺服电机连接减速机来实现，位于控制箱体1内，减速电机9的输出端穿过控制箱体1上表面与旋转轴7下端连接；旋转轴7的上端用于安装待测量的力矩器；

为了达到测量精度+8′要求，设计在+8′内布置10个像素，即每个像素的精度为：0.013(°)/pix。

现采用8k线扫相机，其最大行频为13khz，理论上每秒可以完成169°的图像采集。即需要力矩器旋转速度为360/169＝2.13r/s，实际上要求旋转速度低于该值即可完成精度要求。因此我们设计旋转速度为2r/s。

实际测量中，我们需要采集一副照片涵盖力矩器的400°圆周，即旋转平台以2r/s的速度匀速旋转2.22秒。

这时有两个关键因素：

旋转机构的速度稳定性。

拍照时机的准确性。

为了达到以上目标，我们采取了以下措施：

选取伺服电机提供稳定的旋转速度驱动；同时在结构设计中，力矩器旋转轴与电机轴采用键连接方式，保证电机转动与力矩器旋转轴之间固定连接，速度精度完全由伺服电机保证，不引入任何传动机构的误差，最大程度的保证了转动精度。

拍照时机的选用：设计位置传感器(接近开关)，在力矩器旋转轴直接设置感应片，感应位置性息。控制系统在启动伺服电机后，根据伺服电机前期设置的加速参数(2s)，等待3秒后转速稳定后，第一次感应开关信号的同时发送指令给视觉系统，视觉系统开始采集图像；控制系统在接到第二次接近开关信号后的0.3秒发出结束采集信号，视觉系统停止采集图像。即视觉系统采集了2.3秒的图像(414°)，保证了视觉采集的图像完整。

考虑测量精度要求，结构采用高精度0.003mm相机位置可调装置，保证相机在x/y方向(平行与控制箱体上表面的方向)的位置调整，保证视觉系统采集到无畸变的力矩器图像。

控制系统

控制系统包括plc、工控机、通讯板、硬接线系统、触摸屏、开关电源以及继电器；

plc为控制系统的核心，用于接收、存储并处理视觉系统以及旋转机构发送来的数据，从而控制视觉系统进行线光源开关、相机拍照、图像处理以及旋转机构进行旋转的具体动作；

所述工控机用于控制相机进行图像采集，并展示整个视觉软件操作界面，便于操作人员进行操作与数据读取；

通讯板存在两个通讯接口，一个rs485接口负责与工控机进行通讯，可告知工控机何时到拍照位，从而确定线扫相机采集图像时间，同时接收工控机信号，确定旋转机构何时开始旋转，一个rs242接口负责与触摸屏进行通讯，从而实现操作者点击启动按钮即整个控制系统开始运行，选择运行模式则旋转机构控制模式变换，同时在触摸屏上显示当前减速点击运行速度以及角度等信息；

硬接线系统包含两个，一个通过i/o口输出控制减速电机工作，从而控制旋转机构的旋转，同时输入口接收电机发送脉冲信号，监控电机旋转圈数，一个通过i/o口输入获取位置传感器信号，确定旋转机构旋转零点；

触摸屏与plc进行通讯，用于操作者进行整个设备的模式选择、控制系统启动以及管理者对旋转机构动作的参数调整与测试，测试过程中在屏幕上方实时显示测试工件的旋转角度和速度；

开关电源用于控制整个控制系统电源的开关动作；

继电器用于与控制程序配合进行视觉系统中两个线光源的开关，确保图像采集前光源关闭，采集中光源常亮，采集后光源再次关闭。

特别的，控制系统对旋转机构的控制包含两种控制模式，角度模式(位置模式)和定时模式(速度模式)。

角度模式时减速电机速度可调，通过触摸屏上的速度框输入速度调节电机运行速度，同时通过硬接线i/o口监控电机旋转圈数，与位置传感器传递信号结合以确保电机运行到固定角度位置将到位信号传递给工控机。

定时模式时减速电机速度不可调，电机旋转参数固定，只需计算电机开始旋转到位置传感器确定的初始位置之后的延时时间便可确定旋转机构旋转位置并将到位信息传递给工控机。

两种模式运行过程中在触摸屏上均实时显示测试工件的旋转角度和速度。

控制系统的控制原理

a)当力矩器安装在旋转轴上后，开启视觉软件，在触摸屏上选择控制模式，之后点击“启动”按钮，此时，通讯板将信号传递给plc，plc开始工作；

b)plc将通过继电器控制光源开启，并通过硬接线向减速电机发送旋转命令，旋转轴开始旋转；

c)当位置传感器有信号感应并通过硬接线发送给plc后，旋转轴已到达初始位置，开始计数或计时；

d)当计数或计时到达第一个拍照位时，通讯板将到达拍照位信号传递给工控机，工控机控制相机拍照；

e)当到达第一幅图像采集完成位置时，通讯板将到达停止拍照位信号传递给工控机，工控机控制相机停止拍照并储存第一幅图像；

f)旋转轴一直旋转到达第二个拍照位，通讯板将到达拍照位信号传递给工控机，工控机控制相机拍照；

g)当到达第二幅图像采集完成位置时，通讯板将到达停止拍照位信号传递给工控机，工控机控制相机停止拍照并储存第二幅图像；

h)plc控制旋转轴继续旋转直到回到初始位置停止。

控制系统的配电装配

控制系统电源采用交流220v供给，考虑到系统工作环境和稳定性，将其电路设计成相互隔离的三个回路，见图2。

动力回路供电由发电机组输出的220v交流电经断路器，滤波器和电磁接触器后直接供给驱动器组。

控制回路和传感器电路均采用直流供电，其中24v供给plc电路，另一路24v为传感器、信号灯等供电。

该控制系统具备以下几点特性：

a)可扩展性：plc最大可扩展dio点为256点，附加模块均采用插拔方式进行扩展，为以后的系统升级提供了方便快捷的升级接口。

b)易维护性：控制系统拓扑形式简单。

c)高可靠性：工业级硬件解决方案，其相关部分无兼容性问题，成熟稳定的设备状态。

为了方便调整相机位置，使相机的光轴能够准确照射在旋转轴的力矩器上，该测量设备还包括安装在相机与箱体之间的二维精密滑台，二维精密滑台控制相机5在平行与控制箱体1上表面的平面内滑动。

为了进一步的确保设备的测量精度，该测量设备还包括安装在控制箱体1上表面的的水平仪11。

基于上述的视觉系统、旋转机构与控制系统，用于检验力矩器的设备的具体实现流程如下：

a)将力矩器安装在旋转机构的力矩器工装上；

b)系统上电，工控机开启，打开工控机上的视觉测量软件；

c)在触摸屏上选择控制模式，视觉系统软件选择加严或放宽模式，点击控制系统中的触摸屏上“启动”按钮；

d)控制系统自动控制两个线光源开启，旋转机构开始工作，同时工控机控制线扫相机开始拍照；

e)旋转机构到一定位置时，停止拍照，获取第一帧图像，到某一特定位置，开始控制相机继续拍照，直到获取第二帧图像；

f)控制系统控制光源关闭，旋转机构旋转到初始位置停止旋转；

g)工控机对获取的两帧图像进行处理得到力矩器角度测量结果与判定结果，输出在软件界面上并存储于数据包中；

h)若操作者对自动测量结果不确定，还可进行人工选点测量，对比两种测量方式的结果，选取操作者认为更准确的结果为判定结果；

i)测量任务完成后，关闭视觉测量软件，关闭工控机，关闭总电源。