一種彈簧同心度和垂直度測量儀及其測量方法

2023-06-17 13:36:06

專利名稱：一種彈簧同心度和垂直度測量儀及其測量方法
技術領域：
本發明屬於圖像測量技術領域,尤其涉及壓縮彈簧的同心度和垂直度測量裝置及測量 方法。
背景技術：
壓縮彈簧是機械結構中一種重要零部件。它經常套制在軸承上進行壓縮運動，通過兩 者的緊密配合來控制整個系統的協調運動。彈簧具有良好的同心度垂直度是保證協調運 動的前提，若存在偏差會對軸承產生磨損，直接影響到軸承的使用壽命和系統的穩定性， 所以，對彈簧的同心度和垂直度檢測是壓縮彈簧生產流程中的重要環節。現有對彈簧同心度和垂直度檢測的方法，主要使用標尺或標準塊靠模法，該方法完全 靠人工進行，因此，測量速度低、精度難以保證，不能滿足彈簧流水線生產的需求。還 有的採用輪廓投影測量儀，把彈簧放大投影到帶有二維標尺的屏幕上，通過人工觀察求 解這些量，雖然測量精度高，但測量時需要對圖像進行對齊調整，測量效率低， 一般用 於抽樣檢驗。為了滿足壓縮彈簧大規模生產的需要，快速在線檢測系統成為研究的關鍵 技術。發明內容本發明的目的是克服現有技術的上述不足，提供一種能夠滿足彈簧快速在線檢測的高 精度彈簧同心度垂直度測量儀，並提供採用此種測量儀測量彈簧同心度垂直度的標定和 測量方法。本發明的測量儀採用如下的技術方案 一種彈簧同心度和垂直度測量儀，包括由下列部件 設置在雲臺上的攝像機；置於攝像機對面的背光板，用以投射出均勻光線； 旋轉底座，用以固定待測彈簧；氣缸和氣缸頂軸，用以固定彈簧位置，並對彈簧進行壓縮操作； 雲臺，用以進行攝像機視角的調整；計算機，用以根據攝像機採集的圖像信號進行彈簧同心度和垂直度的計算和測量。 作為進一步的優選實施方案，本發明的測量儀最好還包括嵌在底座內的半圓盤旋轉定位塊。測量儀上最好還包括用於感應定位塊的位置開關。本發明同時提供一種採用上述的測量儀測量彈簧同心度和垂直度的方法，測量過程包括以下步驟(1) 雙線重合調整，即保證攝像機橫向中心線和旋轉軸線重合；(2) 標定實際橫向尺寸和屏幕橫向距離之間的對應關係；(3) 利用攝像機採集待測彈簧的圖像；(4) 進行圖像處理，提取待測彈簧的邊緣頂點；(5) 在測量範圍內取頂點中最上面左右兩個點，作為彈簧的頂面端點；取最下的兩點為 底面端點；(6) 分別計算出頂面端點和底面端點的距離，利用兩者差值的一半定義該位置的同心度;(7) 對兩側的頂點分別進行直線擬合，取直線斜率角與標稱值的偏差為該位置的垂直度;(8) 將旋轉底座旋轉到各個不同角度，重複執行步驟(3)至(7)，獲取不同位置的同 心度和垂直度，分別取其中的最大值定義整個彈簧的同心度垂直度。作為優選實施方式，上述測量彈簧同心度和垂直度的方法，其中的步驟(1)包括以 下步驟(a) 在採集屏幕上繪製柵線，包括屏幕橫向中心線和等距離的其他豎線，並在 柵線上下繪製標尺；(b) 將標定圓柱放置於旋轉底座上，通過調整攝像機雲臺，以豎線和標尺為參 考，讓圓柱的像在中心線兩側對稱；(c) 循環旋轉圓柱到不同角度，重複調整雲臺，確保每個角度的像都對稱。 其中的步驟(2)包括以下步驟(a) 製作三個或三個以上直徑大小不一的圓柱，分別將其放置於旋轉底座上， 利用攝像機採集它們的圖像；(b) 分別對各個圓柱的圖像進行如下處理提取圓柱的邊界點；對其一條邊上 的邊界點集合進行直線擬合；求另一邊上的不同點到該直線的距離，並計 算各個不同點到直線距離的平均值，為圓柱對應的屏幕橫向大小；(c) 把各個圓柱直徑實際值和該圓柱對應的屏幕橫向大小代入實際橫向尺寸 和屏幕橫向距離之間的對應關係式d-i/) + B，式中，t/是指實際橫向尺 寸，"是指屏幕橫向距離，再使用最小二乘法對其中參數4 5進行求解。本發明可用於對半徑在10/fflzT40順，高度在100yzKT350卿的大型壓縮彈簧進行快速檢 測。通過在線檢測測試，採用本發明的測量儀，同心度和垂直度測量精度分別能夠控制 在0.05鵬和0.04°之內。本發明的測量儀可以完全取代壓縮彈簧生產過程中利用靠模或 輪廓投影測量儀測量同心度和垂直度的方式，實現高速在線測量，具有較高的測量精度 和穩定性，實現了對彈簧生產質量的控制。


圖l本發明的彈簧同心度和垂直度測量儀結構示意圖。 圖2雙線重合調整屏幕示意圖。圖3攝像機所採集的彈簧圖像。 附圖標記說明如下1待測彈簧 2旋轉底座3旋轉定位塊4位置開關 5氣缸7攝像機 8雲臺10計算機 11柵線12屏幕中心線 15底面端點6氣缸頂軸 9背光板13標定圓柱成像 14頂面端點具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳述。圖1是本發明的彈簧1同心度垂直度測量儀結構示意圖。由CCD攝像機7採集彈簧1 圖像，並進行圖像處理提取彈簧1的邊緣信息，依據邊緣信息進行同心度和垂直度的計 算。背光板9放置於攝像機7對面，彈簧l處於兩者之間，背光板9投射出均勻光線以 增強彈簧1邊界信息，易於對彈簧1圖像處理；僅對彈簧1的單一位置進行測量得到的 數據不能真實反應實際信息，因此，本裝置採用CCD攝像機7，對底座2帶動旋轉的彈簧 1進行360°的全面測量，綜合分析得到彈簧1可靠的同心度和垂直度參數。其中，利用 氣缸5和氣缸頂紳6固定彈簧1位置，並依靠雲臺8進行CCD攝像機7視角的調整。由 於每個旋轉位置圖像可以得到彈簧1兩側的數據，為了提高測量效率，要對彈簧l進行 360°測量，只需採集180"內的圖像即可。本測量儀採用位置開關3和嵌在底座2內的半 圓盤旋轉定位塊3進行旋轉位置的判斷；位置開關3可在一定距離內感應到定位塊3，並 把測量信號傳送到計算機10，由計算機10定時進行採集測量；而在沒有圓盤的半邊則不 產生感應信號，測量過程中斷。在使用本發明的測量儀測量彈簧的同心度和垂直度時，首先要進行雙線重合調整首先要通過調整雲臺8的上下、俯仰、旋轉和偏擺，儘量讓CCD攝像機7橫向中心線12和 旋轉軸線重合，即雙線重合。雙線重合的操作如下在採集屏幕上繪製如圖2所示的柵 線11，其中包括屏幕橫向中心線12和等距離的其他豎線，並在柵線11上下繪製標尺。 把標定圓柱放置系統底座2上，通過調整攝像機雲臺8，以豎線和標尺為參考，讓圓柱的 像13在中心線12兩側對稱，然後，循環旋轉圓柱一定角度，再調整雲臺8，保證每次的 像13都對稱，經過一周的調整後可以保證雙線重合。本測量儀底座2和氣缸圓盤上都有 頂柱設計，保證以後放置的物體能在旋轉軸上，因此系統調整完畢後，雙線重合仍能保 證。測量過程如下(1)標定實際橫向尺寸^和屏幕橫向距離Z 之間的關係 兩者關係可以描述為一階方程式系統標定主要是其中的參數4仗設計三個直徑"大小不一的圓柱，分別由CCD採集它 們的圖像。對每個圖像進行如下處理-(a) 提取圓柱邊界點》};(b) 對其中一個邊界點集合進行直線++ c = 0擬合；(C)求另一邊上的任一點A(", K)到該直線的距離；(d) 求解所有點到直線距離的平均值，為圓柱對應的屏幕橫向大小Z ,;(e) 把A和當前圓柱直徑"代入式(l)，使用最小二乘法對參數4 ^進行求解。 (2)測量同心度C當旋轉底座2轉到某位置i時，出於測量狀態，CCD攝像機7採集彈簧的圖像，系統 對其進行圖像處理，提取彈簧邊緣上的頂點，如圖3採集圖像上"+"字所示。在測量範 圍內取最上面左右兩個點，作為彈簧頂面的端點14;同理取最下的兩點為底面端點15。 頂面寬度A和底面寬度A為端點的屏幕坐標距離，由式(1)分別計算出對應的實際距離為 d和4，則該位置的同心度G實際上，彈簧上下面中心距離是所有旋轉位置範中距離最大值，這個值是屏幕坐標系中 整個彈簧的同心度C(3)測量垂直度K對兩卿的頂點分別進行直線擬合，得到其中較大的直線斜角為《(如圖4所示)，它和 彈簧斜角的標稱值《。,相減為該位置時的垂直度K。同樣，對彈簧旋轉的不同位置，取所 有差值的最大值為整個彈簧的垂直度K。本發明實施例採用解析度為1392 X1040的數字CCD攝像機7，安裝在測量現場後， 調校好CCD的位置，並採用直徑分別為19腳、29鵬和39鵬的圓柱進行標定，標定參數分別為^4 = 0.311， 5 = 0.816。彈簧的標準上半徑為15附w，下半徑為20m/w，高度 為300wm。利用測量精度高的輪廓投影測量儀測得彈簧的同心度為0.21鵬，垂直度為 0.83°。將該彈簧固定與試驗機底盤上，多次測量得同心度的最大值為0.26鵬，最小值為 0.18皿，平均值為0.23順；垂直度的最大值為0. 87°,最小值為0.79°,平均值為0. 84°。 測量值均能滿足測量精度要求。
權利要求
1.一種彈簧同心度和垂直度測量儀，包括由下列部件設置在雲臺上的攝像機；置於攝像機對面的背光板，用以投射出均勻光線；旋轉底座，用以固定待測彈簧；氣缸和氣缸頂軸，用以固定彈簧位置，並對彈簧進行壓縮操作；雲臺，用以進行攝像機視角的調整；計算機，用以根據攝像機採集的圖像信號進行彈簧同心度和垂直度的計算和測量。
2. 根據權利要求1所述的彈簧同心度和垂直度測量儀，其特徵在於，所述測量儀還包括 嵌在底座內的半圓盤旋轉定位塊。
3. 根據權利要求2所述的彈簧同心度和垂直度測量儀，其特徵在於，所述測量儀還包括 用於感應定位塊的位置開關。
4. 一種採用權利要求1所述的測量儀測量彈簧同心度和垂直度的方法，其特徵在於，測 量過程包括以下步驟-(1) 雙線重合調整，即保證攝像機橫向中心線和旋轉軸線重合；(2) 標定實際橫向尺寸和屏幕橫向距離之間的對應關係；(3) 利用攝像機採集待測彈簧的圖像；(4) 進行圖像處理，提取待測彈簧的邊緣頂點；(5) 在測量範圍內取頂點中最上面左右兩個點，作為彈簧的頂面端點；取最下的兩 點為底面端點；(6) 分別計算出頂面端點和底面端點的距離，利用兩者差值的一半定義該位置的同 心度；(7) 對兩側的頂點分別進行直線擬合，取直線斜率角與標稱值的偏差為該位置的垂 直度；(8) 將旋轉底座旋轉到各個不同角度，重複執行步驟(3)至(7)，獲取不同位置 的同心度和垂直度，分別取其中的最大值定義整個彈簧的同心度垂直度。
5. 根據權利要求4所述的測量彈簧同心度和垂直度的方法，其特徵在於，所述步驟(l) 包括以下步驟(a) 在採集屏幕上繪製柵線，包括屏幕橫向中心線和等距離的其他豎線，並在 柵線上下繪製標尺；(b) 將標定圓柱放置於旋轉底座上，通過調整攝像機雲臺，以豎線和標尺為參 考，讓圓柱的像在中心線兩側對稱-,(c) 循環旋轉圓柱到不同角度，重複調整雲臺，確保每個角度的像都對稱。
6. 根據權利要求4所述的測量彈簧同心度和垂直度的方法，其特徵在於，所述步驟(2) 包括以下步驟(a) 製作三個或三個以上直徑大小不一的圓柱，分別將其放置於旋轉底座上， 利用攝像機採集它們的圖像；(b) 分別對各個圓柱的圖像進行如下處理提取圓柱的邊界點；對其一條邊上 的邊界點集合進行直線擬合；求另一邊上的不同點到該直線的距離，並計 算各個不同點到直線距離的平均值，為圓柱對應的屏幕橫向大小；(c) 把各個圓柱直徑實際值和該圓柱對應的屏幕橫向大小代入實際橫向尺寸 和屏幕橫向距離之間的對應關係式formula see original document page 3，式中，J是指實際橫向尺 寸，"是指屏幕橫向距離，再使用最小二乘法對其中參數4 進行求解。
全文摘要
本發明屬於圖像測量技術領域，尤其涉及壓縮彈簧的同心度和垂直度測量裝置，一種彈簧同心度和垂直度測量儀，包括由下列部件設置在雲臺上的攝像機；置於攝像機對面的背光板，用以投射出均勻光線；旋轉底座，用以固定待測彈簧；氣缸和氣缸頂軸，用以固定彈簧位置，並對彈簧進行壓縮操作；雲臺，用以進行攝像機視角的調整；計算機，用以根據攝像機採集的圖像信號進行彈簧同心度和垂直度的計算和測量。本發明同時提供一種採用該種裝置測量壓縮彈簧的同心度和垂直度的測量方法。本發明的測量儀可以完全取代壓縮彈簧生產過程中利用靠模或輪廓投影測量儀測量同心度和垂直度的方式，實現高速在線測量，具有較高的測量精度和穩定性，實現了對彈簧生產質量的控制。
文檔編號G01B11/00GK101216287SQ20081005205
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月11日 優先權日2008年1月11日
發明者張效棟 申請人:天津大學