（机械工程专业论文）基于ccd的实验快堆光学检测仪的设计.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t p 3 9 3 4 d i s s e r t a t i o nf o r t h em a s t e rd e g r e eo f e n g i n e e r i n g t h ed e s i g no fc c d b a s e do p t i c a l m e a s u r i n gi n s t r u m e n to f e x p e r i m e n tf a s tn e u t r o n c a n d i d a t e ： r e a c t o r s u p e r v i s o r ： v i c es u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： p r o f e s s i o n a lf i e l d ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： w a n gf a m i n 场nb o x u s h a o t a n g m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g j a n ，2 0 0 7 h a r b i n u n i v e r s i t yo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于c c d 的实验快堆光学检 仪的设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：互屯日期：易怕7 年当月7 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于c c d 的实验快堆光学检测仪的设计系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论 文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的部分内容。 本学位论文属于 保密口，在3 年解密后适用授权书。 不保密囹。 作者签名： 王竣艮 导师签名： 桩犯 日期：弘同年岁月_ 7 日 日期：聊年岁月7 日 哈尔滨理- t 大学t 程硕七学位论文 基于c c d 的实验快堆光学检测仪的设计 摘要 在工业生产和制造业中，大、重型管件在设备的整体结构和装配中占有 极为重要的地位，其制造精度和装配精度直接影响着大型设备的整体稳定性 和生产的安全性，但因其长度尺寸和重量的原因为检测带来了较大的困难， 尤其是在常见的铅锤条件下的远距离孔系的同轴度检测。如在核电设备的实 验快堆中法兰座的同轴度检测，除了有很大的安装尺寸及较高的装配精度要 求外，更有在垂直放置条件下无移动和偏摆等特殊要求。 本文根据核电设备中的实验快堆法兰座的检测要求，将激光准直技术与 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 的简称) 成像技术相结合研制开发出一种远距 离孔系铅锤同轴度检测仪。 该检测仪利用激光直线度好的特点，以垂直激光束作为检测的基准轴， 通过基于电荷耦合技术的摄像机和数据采集卡来搭建测试数据采集模块，由 计算机对采集的数据进行处理完成设备同轴度的侧量。系统采用光学原理， 以具有高灵敏度和分辨率的固体成像器件为采集器，通过计算机进行数据的 处理，保证了系统的高精度和高灵敏度。 根据测量仪的应用特点，选择向心关节轴承作为连接件，满足了系统对 高精度，易于校准的需要；同时，系统中的微调机构也是设计的关键部件， 这里采用螺旋杠杆微动装置，保证了系统的高灵敏度和可靠性的需要。整 个机械结构由于设计合理，稳定性好，所以达到了高可靠性，高精度的要 求。 7 结合其检测结果，对系统的性能进行了分析。对测量中存在的误差以及 造成误差的原因进行了讨论，并就此提出了改进建议。 关键词电荷耦合；激光准直；向心关节轴承；同轴度 i i i 旧l l 哈尔滨理t 大学工程硕上学位论文 t h e d e s i g no fc c d - b a s e do p t i c a lm e a s u r i n g i n s t r u m e n to fe x p e r i m e n tf a s tn e u t r o nr e a c t o r a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r yp r o d u c t i o na n dm a n u f a c t u r i n g ，t h el a r g eo rh e a v yt u b u l a r p a r t sp l a ya ni m p o r t a n tr o l eo ft h eh o l i s t i cs t r u c t u r ea n da s s e m b l a g eo ft h e e q u i p m e n t ，i t sm a n u f a c t u r ep r e c i s i o n a n da s s e m b l a g e p r e c i s i o na f f e c t s t h e h o l i s t i cs t a b i l i t ya n dm a n u f a c t u r i n gs a f e t yo fl a r g ee q u i p m e n t b u tt h ep a r t s s c a l ea n dw e i g h tm a k e st h em e a s u r e m e n td i f f i c u l t ，e s p e c i a l l yt h em e a s u r e m e n to f c o a x i a le r r o ru n d e rp l u m b i n g f o ri n s t a n c e ，t h em e a s u r e m e n to fc o a x i a le r r o ro f f l a n g ep l a c eo fe x p e r i m e n tf a s tn e u t r o nr e a c t o ri nn u c l e a rp o w e re q u i p m e n tn o t o n l yh a sd e m a n d sf o rp r o d i g i o u si n s t a l l a t i o nd i m e n s i o na n dh i g ha s s e m b l a g e p r e c i s i o n ，b u th a ss p e c i a ld e m a n d sf o rn om o v ea n dd e f l e c t i o ns w i n gu n d e rt h e p l u m b i n gp l a c e m e n t a c c o r d i n gt ot h em e a s u r i n gr e q u e s t so ff l a n g ep l a c eo fe x p e r i m e n tf a s t n e u t r o nr e a c t o ri nn u c l e a rp o w e re q u i p m e n t ，t h ep a p e rc o m b i n e st h el a s e r c o l l i m a t i o nt e c h n i q u ea n dc c di m a g i n gt e c h n i q u e ，d e v e l o p so n em e a s u r i n g i n s t r u m e n to fp l u m b i n gc o a x i a le r r o rf o rl o n g - d i s t a n c eo r i f i c e s u s i n gt h ev e r t i c a ll a s e rb e a ma st h er e f e r e n c ea x i sw h i c ht o o ke x a m i n a t i o n b e c a u s ei t sg o o dl i n e a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h ei n s t r u m e n t a t i o ni sm a d eu po fd a t a a c q u i s i t i o nc a r d 、c a m e r ab a s e do nt h ec h a r g ec o u p l i n gt e c h n o l o g y a n dt h e c o m p u t e rp r o c e s s i n gt h eg a t h e r i n gd a t a 。u s i n gt h eo p t i c sp r i n c i p l e ，t h es y s t e m t a k et h eh i g hs e n s i t i v i t ym i dt h er e s o l u t i o ns o l i di m a g ef o r m a t i o nc o m p o n e n ta s g a t h e r i n g ，c a r r i e so nt h ed a t at h r o u g ht h ec o m p u t e rp r o c e s s i n g ，h a sg u a r a n t e e d h i g ha c c u r a c ya n dt h eh i g hs e n s i t i v i t y a c c o r d i n g t ot h e m e a s u r i n g i n s t r u m e n t a p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t h e c e n t r i p e t a lk n u c k l eb e a r i n gt a k e st h eb r i d g ep i e c e ，h a ss a t i s f i e dt h es y s t e mt ot h e h i g ha c c u r a c y ，e a s yt oc a l i b r a t en e e d ；a tt h es a m et i m e ，i nt h es y s t e mt r i m m i n g i v h - l 哈尔滨理t 大学工程硕：仁学位论文 o r g a n i z a t i o na l s oi st h ed e s i g nk e yc o m p o n e n t ，w eu s e st h es p i r a l l e v e rj i g g l e s e t t i n g ，h a sg u a r a n t e e dt h es y s t e mh i g hs e n s i t i v i t ya n dt h er e l i a b l en e e d b e c a u s e t h ee n t i r em e c h a n i s md e s i g n s r e a s o n a b l y a n dt h e s t a b i l i t y i s g o o d ，s oh a s a c h i e v e dt h er e d u n d a n tr e l i a b i l i t y ，h i g ha c c u r a c yr e q u e s t u n i f i e si t se x a m i n a t i o nr e s u l t ，w eh a sa n a l y z e dt h es y s t e m ，sp e r f o r m a n c e t oa n a l y z e dt h em e a s u r e se r r o ra n dd i s c u s si t s r e a s o n ，a n dp u tf o r w a r dt h e i m p r o v e m e n tp r o p o s a li nl i g h to ft h i s k e y w o r d sc c d ；l a s e rc o l l i m a t i o n ；c e n t r i p e t a lk n u c k l e b e a r i n g ；p r o p e r a l i g n m e n t v 一 轧 哈尔滨理t 大学t 程顾卜学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 同轴度检测方法发展概述2 1 2 1 机电仪器法2 1 2 2 自准直仪：4 1 2 3 测微准直望远镜。4 1 2 4 最近发展的新的同轴度测量技术4 1 3 主要研究内容8 第2 章测量原理及系统总体结构设计方案一1 0 2 1 同轴度的定义1 0 2 2 铅锤同轴度的测量原理。1 1 2 3 总体方案初步设计1 2 2 4 本章小结1 3 第3 章图像测量理论及实现 。1 4 3 1 图像和数字图像1 4 3 2 图像测量系统1 5 3 3 图像采集1 5 3 3 1 电荷耦合器件c c d 1 6 3 3 2 图像采集卡1 7 3 4 图像处理和分析1 8 3 4 1 数字图像处理概述一1 9 3 4 2 光靶中心检测计算。2 0 3 5 本章小结2 1 第4 章测量系统机械结构组成2 2 4 1 机械结构设计的任务2 2 4 2 设计精密机械的基本要求2 2 4 3 关节轴承的设计2 3 4 3 1 结构件之间的联接2 3 哈尔滨理t 大学t 程顾卜学位论文 4 3 2 支承2 3 4 3 3 关节轴承的选取。2 4 4 3 4 向心关节轴承承载情况2 5 4 4 微调结构的设计2 6 4 4 1 设计时应满足的基本要求2 6 4 4 2 常用微动装置。2 7 4 4 3 倾斜角度调整结构。2 7 4 5 系统机械机构2 8 4 6 本章小结一2 9 第5 章检测数据及分析。3 0 5 1 误差来源。3 0 5 2 仪器的鉴定3 0 5 3 检测数据和误差分析。3 1 5 4 本章小结。3 3 结论。3 4 参考文献3 5 附录3 8 致 射3 9 工程硕士研究生个人简历4 0 i 蠡 哈尔滨理t 大学t 程顾卜学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着1 9 6 4 年1 0 月1 5 日的一声爆炸，地球进入了核子时代。经过了数十 年的发展与进步，核技术被越来越广的应用于和平事业。核能作为一种利用高 科技手段获取的新型能源，具有得天独厚的优越性，完全能成为化石能源的替 代品，甚至将成为解决未来人类能源危机的主要能量来源。我国是一个人口众 多、能源消耗量大的国家，煤因环境问题和作为碳氢原料必须节制使用，这样 就需要大规模的发展核能。在这种情况下我国自主研制的实验快堆对我国的核 能大规模持续发展，免除燃料短缺的后顾之忧具有重要的意义。但同时对于核 设施的安全性就提出了较高的要求。由于核设施多为各种大、重型机械，其在 生产及装配中对精度有很高的要求1 1 j 。 在现代大、重型机械零件的生产及装配中对大型工件的加工精度和装配精 度的要求也越来越高，研究相应的测量方法和仪器也成为迫切需要解决的问 题。其中一个重要的问题就是对大、重型管件的铅垂状态下的同轴度的检测。 同轴度高精度测量本就是机械行业的共性技术难题，影响了大型设备的制造、 安装精度，从而影响了其工作状态和使用寿命，严重制约着我国的大型机械在 国际竞争中的发展。 目前，国内外市场虽然已经出现了相关的测量仪器，但是都是建立的短距 离下的同轴度检测，而且多是建立在对机械部件圆度的检测上。而远距离高精 度的的同轴度检测，其技术关键和难点在于建立长跨距的测量基准线。传统的 方法，包括“拉钢丝法”或上“假轴”的办法，存在的问题是精度差、测量效 率低、劳动强度大。用三坐标测量机测量同轴度误差精度高、速度快，但是对 于轴孔直径比较大、轴孔间距离较远的工作，存在测量不方便或者无法测量的 问题。采用自准直望远镜，即以仪器的光轴作为基准线的方法，可以实现再 现、快速、准确测量，测量结果与三坐标机测量结果相符，而且受被测孔径的 表面质量影响更小。但当测量距离较远时，成像不清晰，目视判读的主观误差 大，另外在测量过程中，须在管件设备内部推进基座反射镜，对管件内壁表面 存在刻、划可能性。与此相类似的还有钢丝电容法i z j 。测微准直望远镜和自准 直仪相类似，是测量同轴度的光学方法之一，其测量方法尤其适用于多孔同轴 哈尔滨理t 大学丁程硕i 二学位论文 度的检测，在测量中受工作环境的影响大，周围的生产活动所产生的震动会使 靶标在望远镜中的图像发生漂移，从而使瞄准不稳定，且对于不同测距需多次 调焦，人为误差较大。近些年，由于计算机、c c d 、激光等技术的不断进步和 完善，其被越来越多的应用于民用事业。在测量技术中，基于以上所述的各项 新的测量方法层出不穷。在装备的实用性和精度上都有很大的提高。如目前就 国内大尺寸机械零部件的同轴度检测而言，如清华大学，北京机械工业学院， 都采用激光作为准直光源，并获得了很好的实验数据，在装备的实用性和精度 上也都有了很大的提高。但是对于核电设备中的大重型管件的同轴度检测，除 了有很大的安装尺寸及较高的装配精度要求外，更有在垂直放置条件下无移动 和偏摆等特殊要求。这就要求在其不同的装配连接过程中保证其铅垂状态，并 能在铅垂状态下完成大尺寸孔系同轴度的检测。 “基于c c d 的实验快堆光学检测仪的设计”正是在这一研究背景下进行 研制的，通过将激光准直机构和c c d 图像数据采集部分相结合，在可调整铅 锤状态的条件下完成对核电设备实验快堆中的孔系同轴度的检测。 本课题项目的完成，对提高大重型机械的制造和安装精度、提高生产安全 具有重要的实际意义，在检测同轴度的同时也完成了对铅锤性的检测，提高了 工作效率，为解决大尺寸机械工件的同轴度、垂直度及位置度的综合测量提供 了方便、快捷、准确的测试方法，克服了传统的同轴度测量单一的限制，既可 以用作单一或多项综合项目的制造精度检测工作，又可以进行装配精度的检 测，具有广泛的应用价值。 1 2 同轴度检测方法发展概述 同轴度的检测方法，根据工件的结构和尺寸大小而各异【引，常用的有芯轴 法、平板法、机电仪器法【4 j 【5 】、光学方法。一般说来，前三种方法多用在小尺 寸工件上，后者多用在大尺寸工件上【6 j 。对于大型孔类零件，由于被测孔的基 准孔的直径较大，距离较远，常用准直望远镜或自准直仪测量。测量时，以仪 器的光轴为测量基准，通过直接或间接的方法获得被测要素的坐标值后，进一 步求得同轴度误差。现将常用的机电仪器法和几种光学方法的测量原理及优缺 点总结如下。 1 2 1 机电仪器法 机电仪器法【7 】是建立在机械实物( 如钢丝) 的基础上的。天津大学的精密 哈尔滨理工人学t 程硕。i = 学位论文 测试技术及仪器国家重点实验室曾自行设计研制出了以电容测微仪进行非接触 测量的钢丝电容法，用以对大型机械工件内孔的同轴度进行测量。其组成原理 如图1 - 1 所示：测量基准主要由标准钢丝和配重组成，设钢丝的直径为d ，则 校正钢丝直线度所需的配重为：g 。8 0 d 2 。由于标准钢丝有一定的重量，水平 拉直钢丝将有一定的挠度，如图1 2 ，不同位置的挠度可按式1 - 1 计算。 , a 钐钐钐彩 雩 曩 于_ 堡塾未 弋 【 | | 【 震穿2 上 j覆 殇珍 | , w , s 心f 213 4 | 5 j| 67 卜钢丝调整装置；2 一被钡l ；f l ；3 一标准检具；4 一标准钢丝 5 一电容测头；6 一电感测头及测量架；7 一配重 图1 - 1 钢丝电容法构成示意图 f i g 1 1s t r u c t u r eo ft h em e a s u r ew i t hs t e e lw i r ea n dc a p a c i t o r 图1 - 2 钢丝挠度示意图 f i g 1 - 2f l e x i b i l i t yo fs t e e lw i r e w = 3 8 3 ( l x ) x ( 1 1 ) 式中形一挠度值( 肼) ； 己钥丝支点间的距离( 小) ； x 钥丝上某点到支点的距离( 朋) 钢丝电容法可用于测量孔一孔同轴度，但是准直精度不高。纯机械机构在 哈尔滨理t 大学t 程硕。仁学位论文 测量现场的架设会有一定的难度，且测量环境中的振动会造成相当大的干扰， 有形的准直线也会给测量带来诸多不方便。 1 2 2 自准直仪 自准直仪通常用于测量平板、机床导轨等大型零件的直线度、垂直度、平 面度【8 1 。其原理是将一个刻线的图像以平行光束( 准直光) 的形式投射到反射 镜上，该反射镜将其光束反射回自准直仪，这就是自准直图像。如果反射镜与 光轴垂直，则光束将反射回其自身，如果反射镜倾斜一个角度口，则其反射光 将以角度2 口反射回来。根据反射光的倾斜程度，自准直图像会以更大的角度 发生位移。通过测量自准直图像在x 轴及y 轴上的位移可以测得反射镜的角度 变化。实际测量时将基座反射镜放在被测的零件上，将自准直仪放在三角架上 ( 或镗床的动力头上) 并就反射镜调好自准直仪，直至准直刻线的图像与目镜 刻线相重合。通过测量自准直图像在x 轴及y 轴上的位移，根据公式 2 , i x , 2 + x 2 可以将x 轴及y 轴上的位移换算为包容被测实际轴线且直径为最小 的圆柱面的直径妒，即同轴度的值。 1 2 3 测微准直望远镜 准直望远镜和自准直仪相类似，是测量同轴度的光学方法之一，其测量方 法尤其适用于多孔同轴度的检测。中国第一重型机械集团有限责任公司在宝钢 1 9 0 0 m m 大型板坯连铸机a 3 辊道中超大距离孔系的同轴度检测中，将两个装 有靶标的三角定心器置于最外侧的两个孔中，利用电感测微仪和深度尺测量并 调整三角定心器，使靶标中心与孔的实际中心重合。调整准直望远镜位置，使 其与两靶标中心重合于同一直线，建立起测量基准轴线，然后移动其中的一个 靶标，利用准直望远镜读出其中心偏移基准轴线的大小【9 1 。在测量中存在的主 要的影响是工作环境的影响，周围的生产活动所产生的震动会使靶标在望远镜 中的图像发生漂移，从而使瞄准不稳定，且对于不同测距需多次调焦，人为误 差较大。 1 2 4 最近发展的新的同轴度测量技术 由于计算机、c c d 、激光等技术的不断进步和完善，其被越来越多的应用 于民用事业。在测量技术中，基于以上所述的各项新的测量方法层出不穷。在 2 的同轴度，以孔2 的轴线作为基准轴线。单模尾纤激光二极管发出的激光束 经过单模光纤传输和准直透镜作用，将椭圆形光束整形为圆形截面的基横模高 斯准直光束，作为大跨距同轴度测量的直线基准，以固定在测量靶上的c c d 探测器采集光斑数据，经图像采集卡送入计算机，并按照一定的算法求出光斑 中心坐标。由于单模光纤严格的模式限制，使出射光束的模式分布和漂移对于 半导体激光器工作温度变化的敏感性大大降低，方向稳定性达到 1 5 x 1 0 。6 小时，有效抑制了激光束的漂移，为同轴度测量提供了高精度、高 稳定、长跨距的测量基准线，提高了系统的准直精度【l o j 【1 。 调 图1 - 3 采用尾纤j f 导体测晕i 司轴度 f i g 1 3u s i n gc a u d i f o r ms e m i c o n d u c t o rt om e a s u r ec o a x i a le r r o r 2 激光扫描激光扫描检测主要是用于在线控制【1 2 】，它通过将激光扫描系 统( 测量刀口尺与被测轴线对基准轴线间隙变化量) 、光栅位移检测系统( 测 量轴向尺寸) 和伺服控制系统( 控制线位移和角位移) 有机的结合起来，通过 计算机控制，实现同轴度误差的测量。其扫描原理如图1 4 所示。激光器发出 的激光光束入射到扫描转镜上，经扫描光学系统后成为平行于光轴的扫描光 束，对工件与刀口尺之间的两个狭缝进行高速扫描，经接收光学系统后再被光 电接收器接收，经光电变换与数据处理后，可得到两个狭缝间隙的测量结果。 若扫描速度为y ，对两个狭缝的扫描时间分别为t 和t ，则狭缝间隙m 和m 分 哈尔滨理t 大学t 程硕上学位论文 其中 m v t m i “ ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) y ：墅塑型垫竺边塑垒堂避堂揪+ 土埘( 1 4 ) c o s z ( 0 - 2 0 c 瞪( 0 - 功o o s z ( o 一锄。 式中，墨一c o s 0 ；k 2f f i s i n 0 ；0 为扫描转镜上激光束的入射角；驴为扫描转镜 的角位移；r 为扫描转镜内切圆半径；，为扫描光学系统焦距；t o 为扫描转镜 角速度。光栅位移检测系统轴向尺寸测量是通过记录光栅莫尔条纹移动数目来 实现的【1 3 1 。 图1 - 4 激光扫描检测系统原理图 f i g 1 - 4p r i n c i p l eo ft h el a s e r - s c a n n i n gm e a s u r i n gs y s t e m 最新型的激光扫描式同轴度测量仪由于在测量原理上采用了自动调节反馈 系统，大大减弱了激光束的平漂移和角漂移的影响，抑制了部分空气扰动和温 度梯度造成的误差，因而大大提高了仪器的精度和稳定度。单片机的应用使仪 器具备部分智能化，提高了仪器性能。在3 0 m 测量范围内相对误差可达 2 x 1 0 。6 1 4 】。除借助于c c d 作为接收器外，也有以p s d 作为图像接收部分的激 光扫描系统i 巧j 。 3 双频激光的使用由清华大学开发研制的基于横向塞曼双频激光的直线 度同轴度测量系统s j d 5 t ，与纵向塞曼系统相比，激光头输出的是一对严格 正交的线偏振光，舍去了1 4 波片，减小了仪器尺寸，从原理上消除了由于 哈尔滨理t 大学t 程硕e 学位论文 1 4 波片相位延迟不是严格9 0 0 造成的非线性误差，符合共路原则，对空气扰动 有较强的抑制力；具有自适应性；信号接收部分利用同一电路根据需要接收水 平方向或垂直方向的测量信号，简化了激光头结构；信号处理采用比相技术， 测量精度可以达到0 1 ”0 6 l 。其原理图示意如图1 5 。双频激光器出射的两个相 互正交的线偏振光通过第一个渥拉斯顿棱镜后，分开一小角度，再通过第二个 渥拉斯顿棱镜后，变成两束平行光，经直角棱镜反射后，再依次通过，弼 又变成一束光，经探测器d 2 接收，形成测量信号。d 1 输出参考信号。嵋( 或 职) 的移动会使测量信号相对于参考信号间的相位发生变化，通过测量二者 相位的变化，就可得到孵( 或职) 的移动量。若将和直角反射镜r 放于导 轨一端，激光器放于另一端，调整光路使之平行与导轨，使彤沿导轨移动，即 可测得导轨和垂直方向上的直线度偏差，合成起来即得到同轴度偏差。 广- 1i y ，_ 一、7 l i ll i i 、 _ - 一 、 v - l l w 2 r l _ 双频激光头；，一渥拉斯顿棱镜；d 1 ，d 2 一光电探测器； r 一直角反射棱镜；p - 检偏器 图1 5 同轴度测量原理图 f i g 1 - 5s c h e m a t i cd i a g r a m o fc o a x i a l i t ym e a s u r e m e n ts y s t e m 4 无衍射光的使用a x i c o n 设计是采用一面为平面，另一面为锥面的透镜 代替调焦望远镜中的物镜和调焦镜，并用单色光源代替白光照明。这种设计可 以将物空间光轴上不同距离的点发出的不同带高的光束都会聚到象空间的某一 点。因此用它代替调焦望远镜不需调焦，光轴也不会因调焦而变动。以激光作 为单色光源，激光束经a x i c o n 可产生有限距离的无衍射光。沿着z 轴方向传 播的无衍射光决定了一条空间无衍射光束中心直线，因而，无衍射光的光轴可 以用作直线度误差同轴度误差测量的直线基准。以无衍射光为基准，配合 哈尔滨理t 大学t 程硕 = 学位论文 c d ，可完成近距离孔的同轴度的高精度测量。测量时，首先，z 向直线工作 台驱动位移探测器至ztz 0 处，位移探测器测量孔半径的相对一个初值 ( y o ) 的测量值，同时c c d 测得无衍射光束的截面图像。然后旋转轴带动位 移探测器和c c d 旋转，再次截面内来测量圆度和旋转轴上的点对无衍射光直 线基准的偏移曲线，旋转轴带动位移探测器和c c d 以口逆时针转一周，每转 4 0 ，位移探测器测一个半径的相对值，同时，c c d 测一个无衍射光束的截面 图像，旋转编码器记录转角。基于旋转坐标系，由系统的无衍射光束的截面图 像的中心可以求得旋转轴的理论旋转中心和实际中心。用实际中心的测量曲线 修正位移探测器的圆度误差曲线，则测量系统的圆度误差曲线的直线基准就是 无衍射光束。进而可以求得孔的相对半径值和基于无衍射光直线基准的圆心坐 标。z 向直线工作台驱动位移探测器至不同的z 处，测量并求得所有孔的相对 半径值和圆心坐标，最后求得孔的直线度同轴度。华中科技大学研制的以无 衍射光为基准的内孔同轴度测量仪，工作距离小于1 5 m 以内时，无衍射光直 线基准的关联不确定小于o 7 2j l 珊，当测量圆度的位移传感器的测量不确定度 为o 4 脚，测量范围2 0 0 朋+ 2 0 0 z m 时，系统的测量不确定度可以小于 1 聊 1 7 】。 综上所述，简单的光学方法( 如自准直仪，测微准直望远镜) 受人为因素 和环境影响大，近些年基于激光技术的各种方法虽然可以达到很高的精度，但 是并不能满足各种大型设备在装配中要求铅锤状态下的各部件的对中检测要 求，即铅锤状态下的同轴度检测。而且检测距离有限，一般多集中于中小型机 械部件( 1 0 m 以下) 的检测。 1 3 主要研究内容 结合前边所述，对各种同轴度检测方法进行比较可知，除不适用于孔径的 检测要求限制外，还受检测长度的限制，而且最重要的是都缺乏对远距离孔径 同轴度在铅锤条件下的检测方法。这也正是研究远距离铅锤状态下同轴度检测 的意义所在。本论文的主要目标是针对核电设备( 实验快堆) 中的法兰座、导 向套孔、模拟板、旋塞四者的同轴度的检测，研制一套适用于大型机械零部件 在铅锤状态下的孔系同轴度的检测仪。测量系统的技术性能指标要求为： 测量范围：8 1 5 m 调焦范围：4 5 r a m 学t 程硕上学位论文 现有的各种检测方法的研究，设计一套基 于c c d 的实验快堆光学检测仪。所要完成的内容有： ( 1 ) 根据提出的测量系统的性能指标，设计基于激光原理的同轴度测量 整体方案； ( 2 ) 分析图象采集及处理原理，完成对系统图像采集处理部分的设计； ( 3 ) 完成对系统关节轴承和微调机构的设计，设计系统的整体机械结 构； ( 4 ) 对系统进行鉴定。通过试验验证系统的性能指标，并对存在的误差 进行分析。 哈尔滨理t 大学t 程硕 ：学位论文 原理及系统总体结构设计方案 2 1 同轴度的定义 、 零件在加工过程中，由于机床一夹具一刀具系统存在几何误差，以及加工 中出现受力变形、热变形、振动和磨损等影响，使被加工零件的几何要素不可 避免地产生误差。这些误差包括尺寸偏差、形状误差( 包括宏观几何误差、波 度和表面粗糙度) 及位置误差。其中，形状公差是指单一实际要素的形状所允 许的变动全量，包括：直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度 等6 项。形状公差用形状公差带表达，而形状公差带包括公差带形状、方向、 位置和大小等四要素。位置公差是指关联实际要素的位置对基准所允许的变动 全量，分为定向公差、定位公差、跳动公差。定向公差是指关联实际要素对基 准在方向上允许的变动全量。这类公差包括平行度、垂直度、倾斜度3 项。定 位公差是关联实际要素对基准在位置上允许的变动全量。这类公差包括同轴 度、对称度、位置度3 项。跳动公差是以特定的检测方式为依据而给定的公差 项目。跳动公差可分为圆跳动与全跳动。因形状误差和位置误差合称形位公 差，所以由上所述可知，零件的形位公差共1 4 项，其中形状公差6 个，位置 公差8 个。同轴度是位置公差中定位公差中的一项，表示零件上被测轴线相对 于基准轴线，保持在同一直线上的状况。也就是通常所说的共轴程度。同轴度 公差是指被测实际轴线相对于基准轴线所允许的变动量。如图2 1 所示的，用 以限制被测实际轴线偏离由基准轴线所确定的理想位置所允许的变动范围【l 引。 基准轴线 图2 - 1 同轴度误差定义示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i co fc o a x i a l i t y sd e f i n i t i o n 哈尔滨理t 火学工程硕1 j 学位论文 2 铅锤同轴度的测量原理 对于由多个机械部件装配而成的管件的孔系同轴度检测，因其外圆半径的 不同及内部孔系半径的不同，检测时面对的首要问题就是基准轴线的建立，如 图2 2 所示。而且由于核电设备的特殊使用要求，其基准轴线亦要求是一铅垂 线【1 9 j ，即最终的检测要求是在铅锤条件下完成对多个管件的同轴度检测。 图2 - 2 零部件装配示意图 f i g 2 2s k e t c hm a p o fp a r t sa s s e m b l a g e 检测中，我们利用激光束调整仪器的铅垂性，并以调整好的激光束作为基 准轴线。整个系统通过图像检测方法达成检测目的。以c c d 作为图像接收部 件，利用准直望远镜原理进行调整和检测。具体检测原理如图2 3 所示。由位 于透镜组焦点位置的半导体激光器出射的激光经十字分划板及半透半反分光镜 后，变成十字平行光束射出，同时c c d 也放置于透镜组焦点位置并承接反射 前后的十字图像，平行光照射到位于管座下方的水银罐，利用水银的自重和高 反射率可知，如果入射光线和反射光线重合，则此时仪器检测部分已为铅锤状 态，并调整仪器配备的水平检测仪位于零点位置，此后的检测过程中水平仪的 变化即是铅锤性的变化。因检测要求是在铅锤条件下检测，只有在保证铅锤状 学t 程硕上学位论文 仪利用激光调整好垂直性后，在管件下方 反射光源照明，经望远光学系统成像于 通过对光靶成像信息的处理完成对同轴度 c c c d ；l _ ：激光器；l 一图像卡；p c 一计算机 t 。圆环状光靶；1 a 一组合透镜组；k 一分光镜：l 3 一十字分划板 图2 3 测量原理图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fm e a s u r e m e n t 2 3 总体方案初步设计 通过参考阅读有关文献，结合同轴度的测量原理以及本仪器检测原理设 想，设定检测系统组成如图2 4 所示。系统主要由激光准直系统、定位调整装 置、光靶、面阵c c d 检测系统、和计算机组成的计算处理系统组成。其中， 激光准直系统由激光器、光学望远系统、自制水银罐、激光电源组成。定位调 整装置主要由水平调整装置和定向调整装置两部分组成。定向调整装置是在激 光调整铅锤性的同时起定位紧固作用，而水平调整装置则是在具体测量过程中 利用水平度来监测和调整测量系统铅锤性的。面阵c c d 检测系统由c c d 摄像 头和图像卡组成，c c d 承接十字线图像以及调整好铅垂性后的检测图像，图 像卡作为c c d 与计算机的连接器件，完成了图像数据的传输和处理。 图2 - 4 检测系统组成示意图 f i 9 2 - 4s t r u c t u r a ls c h e m a t i cd i a g r a m o fm e a s u r i n gs y s t e m 2 4 本章小结 本章概述了轴同轴度的定义，分析了垂直状态下轴件同轴度的测量条件， 阐述了利用光学机理测量同轴度的原理，并基于此提出了基于面阵c c d 检测 系统的测量仪整体设计方案。 哈尔滨理t 大学丁程硕卜学位论文 第3 章图像测量理论及实现 图像测量技术涉及现代光学、图像处理和分析、机器视觉、模式识别和计 量测试等方面的理论。其中现代光学是分析和设计成像系统的基础，图像处理 和分析和机器视觉是既有区别又相互联系得两个范畴，是图像测量系统的核 心，而模式识别和计量测试则是实现图像测量的必不可少的理论支持。本文所 讲图像测量系统是指基于图像处理和分析的图像测量系统。 3 1 图像和数字图像 图像测量就是测量被测对象时，把图像当作检测和传递信息的手段或载体 加以利用的测量方法，其目的是从图像中提取有用的信号。图像对我们并不陌 生，它是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接 或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。人的视觉系统就是一个观测系 统，通过它得到的图像就是客观景物在人心目中形成的影像。科学研究和统计 表明，人类从外界获得的信息约有7 5 来自视觉系统，也就是从图像中获得 的。 客观世界在空间上是三维的( 3 d ) ，但一般从客观景物得到的图像是二维 ( 2 d ) 的。一幅图像可以用一个2 d 数组r ( x ，y ) 来表示，这里x 和y 表示2 d 空问肼中一个坐标点的位置，而厂则代表图像在点x ，y ) 的某种性质f 的 数值。例如常用的图像一般是灰度图，这时，表示灰度值，它常对应客观景物 被观察到的亮度。需要指出，我们一般是根据图像内不同位置的不同性质来利 用图像的。 常见图像是连续的，即厂、z 、y 的值可以是任意实数。为了能用计算机 对图像加工，需要把连续的图像在坐标空间x y 和性质空间f 都离散化。这种 离散化了的图像是数字图像，可以用，( ，c ) 来表示。这里，代表离散化后的 ，( ，c ) 代表离散化后的( 石，y ) ，其中，代表图像的行( r o w ) ，c 代表图像的列 ( c o l u m n ) 。这里j r ，r ，c 得值都是整数。本文中所述主要为数字图像，并用 r ( x ，y ) 代表数字图像，厂、x 、y 都在整数集合中耿值。图像中每个基本单 元叫做图像元素，简称象素( p i c t u r ee l e m e n t ) 。对于2 d 图像，英文罩常用 p i x e l 代表象素。如果采集一系列的2 d 图像或利用一些特殊设备还可得到3 d 图像。对3 d 图像，英文罩常用v