（机械电子工程专业论文）汽车制动主缸补偿孔光电检测技术研究.pdf

摘要 为了解决汽车制动主缸补偿孔传统检测手段效率低、精度差等诸多缺点，本文提 出了集光学成像、精密控制及传动、图像处理等技术于一体的检测系统设计方案，利 用c c d 光学系统采集补偿孔图像，对传动机构进行精密控制，然后在计算机上对补偿 孔图像进行分析，并且利用光栅位移传感器对补偿孔位置进行高精度测量。同时实现 了对制动主缸补偿孔直径、边缘倒角、位置的精确检测，并可以对缸体内表面加工质 量进行观测，从而大大提高了检测的精度、效率和可靠性。 本文首先对检测系统的总体设计方案进行概述，又分别对各个子系统的设计进行 详细阐述，最后介绍了本检测系统的测量方法和流程，进行实验数据的误差分析，得 出对本检测系统的客观评价。 关键词：零件内孔精密传动图像测量 a bs t r a c t t os o l v et h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o d s d e f e c t so nc o m p e n s a t i n gb r a k em a s t e r c y l i n d e r , s u c ha sl o we f f i c i e n c y ，p o o rp r e c i s i o na n ds oo n ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h es y s t e m s d e s i g n m e t h o db a s e do no p t i c a li m a g i n g ，p r e c i s i o nc o n t r o l t r a n s m i s s i o n ，a n di m a g e p r o c e s s i n g w eu t i l i z ec c do p t i c a ls y s t e mt oc a p t u r et h ec o m p e n s a t i o nh o l e si m a g e s ，c o n t r o l t h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mp r e c i s e l y ，t h e na n a l y s i st h ec o m p e n s a t i o nh o l e si m a g e so n c o m p u t e r , a n du t i l i z eg r a t i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o rt om e a s u r ec o m p e n s a t i o nh o l e sl o c a t i o n w i t hh i g h p r e c i s i o n s ot h r o u g ht h i ss y s t e m ，w ec o u l dm e a s u r et h ec o m p e n s a t i o nh o l e s d i a m e t e r ，e d g ec h a m f e ra n dl o c a t i o np r e c i s e l ya tt h es a m et i m e ，a n dc o u l dd e t e c tt h ep r o c e s s q u a l i t yo ft h eb r a k em a s t e rc y l i n d e r i n n e rs u r f a c e ，t h e r e f o r eg r e a t l yi m p r o v et h ei i l e a s u r e p r e c i s i o n ，e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r , w ed e s c r i b et h em e a s u r es y s t e m so v e r a l l d e s i g nm e t h o dr o u g h l ya tt h e f i r s t ，a n dt h e ne l a b o r a t et h es u b s y s t e m s d e s i g ni nd e t a i l ，a t l a s ti n t r o d u c et h es y s t e m s m e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dp r o c e s s e s ，a n a l y s i st h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，a n dt h e nc o n c l u d et h i s m e a s u r es y s t e m so b j e c t i v ee v a l u a t i o n k e yw o r d s ：p a r t s i n t e r n a lh o l ep r e c i s i o nt r a n s m i s s i o ni m a g em e a s u r e m e n t i l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，汽车制动主缸补偿孔光电检测技术研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：绯妒多一月上# 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学 位论文。 作者签名： 指导导师签名： 型：年土月业日 卫生丝- 年三月掣日 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 本课题是吉林省科技厅科技支撑计划项目，汽车制动主缸补偿孔光电检测系统是 为汽车制动系统零部件生产厂家设计研发的用于在产品实验室中或生产流水线上对制 动主缸补偿孔的加工质量和其主缸内表面质量进行检测的专用设备。该系统将光学成 像技术，精密控制传动技术、精密光栅检测技术、图象处理技术相结合，提出有限内 孔空间中光机复合高精度非接触光电成像检测的创新思想，实现制动主缸补偿孔形位 尺寸及其内表面质量疵病检测，分辨率达微米级别。实现了检测的智能化和可视化，更准 确、更方便，可以大大提高工作效率【1 】。 世界的汽车产业布局正在发生前所未有的变化，由于中国汽车生产和消费的蓬勃 发展，美、日、欧三大传统的汽车强势集团渐渐的暗淡，业界关注的目光投向了中国。 汽车产业的发展在于技术创新，而零部件的创新更是核心竞争所在，提高自主研发能 力，掌握先进的制造检测技术是中国本土零部件企业的当务之急。 2 左前轮 左后轮 图1 1 汽车液压制动系统 1 - 锘0 动踏板2 真空助力器3 制动主缸4 制动管路5 制动管路 昏前轮制动器7 后轮制动器8 制动调压阀 汽车制动系统在车辆行驶安全方面担负着非常重要的作用，随着技术应用的发展， 汽车的制动方式也演变成很多种形式，但是考虑到其基本制动功能量和综合效率，液 压制动系统依旧是最可靠、最经济的方法，应用也最为广泛，而其中的制动主缸便是 其核心的部件，所以液压制动主缸的补偿孔及其主缸内表面的加工质量就显的尤为重 要，汽车制动主缸对其寿命和工作效率都要求较高，而常规的补偿孔检测方法比如接 触式测量、简单光学式测量、投影仪式测量、人工测量等在检测性能精度都上不能满 足实际的技术要求，再加上工件的形状特点、生产环境、人的因素等，所以对制动主 缸的检测带来了很大的难度和不确定因素，一方面是对汽车安全性能的重视，对制动 主缸加工精度的要求越来越高，另一方面是制动主缸检测手段的低精度、低效率，已 经完全不能适应制动主缸工业化检测的需要。因此研究出一种非接触、高效率、高精 度的汽车制动主补偿孔及其主缸内表面的检测设备就显得迫在眉睫，非常的必要。 披压 4 泓 图1 。2 液压制动主缸的重要性 由于流水线加工制造技术的成熟发展和广泛应用，大批量的连续的零部件生产已 经非常普遍，这对工件制造质量的控制要求也越来越高，特别是对于汽车制动主缸而 言，其制造质量，加工精度要关系到汽车的整体性能，关系到人身安全，所以必须提 高制动主缸的检测精度，这也是控制其制造质量精度的重要一环，如何研制出符合我 国市场实际情况的深孔类零件检测设备是我们必须要面对和解决的重要课题【2 】。 1 2 国内外研究现状 伴随着制造业特别是汽车产业的高速发展，机械零部件产品的效率和质量日渐受 到人们的重视，精密检测技术的发展也使零部件制造业向高、精、尖的技术方向发展， 零部件的制造和检测彼此依存，互为基础，近年来，深孔类零件精密检测设备的研发 投入和产出均有较大的增长。 1 2 1 高精度高效率检测 深孔类零件的精密测量技术是集光学、机械、电子及计算机技术为一体的综合性 交叉学科，其检测设备具有精密化、集成化的发展趋势，世界各国在测量技术的微纳 米级别上展开了广泛的应用研究。制造业生产现场对深孔类零件精密检测设备的技术 要求如下： ( 1 ) 高检测精度、高可靠性。 ( 2 ) 高检测效率，适应大批量检测的要求。 ( 3 ) 能够适应各种工业生产环境。 ( 4 ) 容易操作，性价比高。 有专家预测，为了进一步提高检测精度和效率，2 1 世纪的深孔类零件检测技术的 发展方向应该是：由位置测量过渡到综合的形状检测阶段，提高整体检测精度由微米 级向纳米级发展。随着深孔类零件检测需求的增加，各公司也争相的开发新产品来满 2 足不断提高的高精度高效率检测。如三丰公司的c s 5 0 0 0 c n c 能一次将表面粗糙度和 位置信息检测出来。东京精密公司的s u r f c o m 2 0 0 0 d x 测量仪可实现低振动精确定 位，检测精度和效率有了很大的改善。美国o g p 公司利用直接录像显微镜( v d m ) 来显示大深度小孔和不可视的检测区域，延长了人的视觉，更加的稳定可靠。三坐标 测量机在机械零件的检测中亦有使用，但其对环境的要求较高。目前外国公司掌握着 该检测领域的关键技术，三丰公司( m i t u t o y o ) 、德国卡尔蔡司、东京精密及海克斯康 集团( l e i t z 、b r o w n & s h a r p e 、d e a 、t e s a 、s h e f f i e l d 及其他) 等都具有相当的技术和 资金优势，使国内企业在竞争上面临很大的压力，所以我们必须要开发出适应自己市 场需求的产品。 1 2 2 数字化非接触检测 随着检测技术的发展，市场需求不仅对深孔类零件的形位、表面质量、圆度等的 检测提出了更高精度要求，还要求能实现数字化、在线检测。在现代化的生产环境下， 对零件进行检测的同时还要将检测数据实时的传递给各个工序流程，也可以利用网络 进行远端控制和管理，随着计算机技术的发展应用，深孔类零件检测领域也不断的开发 出可以适应数字化特点的检测设备，自动化水平也有很大的提高。 虽然接触式测量可以适应不同的零件尺寸，但它对零件表面和检测环境要求较高， 如果在频繁变更零件类型的情况下，很难保证检测的高精度。目前，业界开始利用光 学技术开发非接触深孔类零件的检测设备，意大利m a r p o s s 公司的m i d a l a s e r 测量 系统就是利用激光测头来辅助实现全数化非接触式检测，日本索尼精密工程公司的 y p 2 0 2 1 是采用半导体激光传感器实现非接触检测的，日本y k t 公司的非接触三坐标 测量系统z i p 2 5 0 也可以实现高精度的数字化检测。随着光机电一体化技术更为成熟的 发展，在高精度的生产和质量管理体系中，可以利用光学系统采集被测零件的图像， 利用计算机图像识别技术对其中感兴趣的信息进行提取和处理，通过这些技术手段， 零件的检测精度和效率都获得大大的提高，而且可以与计算机网络相连接便于管理和 更加的人性化操作，因此，深孔类零件的数字化非接触检测也就必然成为未来精密检 测技术的重要发展趋势，是我们所必须关注的重要技术领域。 1 3 论文工作与内容安排 由于深孔类零件对其内轮廓形状尺寸的检测精度要求较高，而目前国内的零件形 位检测常以人工检测为主，在分辨率和效率上都不能满足实际的工业生产需求，近年 来，随着光学技术和计算机技术在工业检测中的应用，运用图像处理技术对零件形位 进行检测，是进行现代化生产的必然趋势【3 】。 1 3 1 论文的主要工作 在本课题的研究过程中，注重密切关注国内外相关技术领域的发展动向，从实际 情况出发进行调研，查阅了大量的国内外文献资料。结合市场需求和技术发展潮流提 出了本系统的设计解决方案，即汽车制动主缸补偿孔光电检测系统。本系统针对制动 主缸补偿孔检测的关键技术，利用c c d 非接触式检测的特点和图像处理技术的有机结 合，加上精密控制及传动系统的配合，解决了有限空间内孔的形位检测及缸体内表面 加工质量的检测，保证了制动主缸补偿孔关键特征尺寸与轮廓的检测精度。 深入研究了制动主缸补偿孔光电检测系统的各个功能子系统的结构和原理，分析系 统实现方案的特点和难点，分别研究设计了光学成像系统，精密控制及传动系统，光 栅位移传感器测量系统，图像采集与图像处理系统，然后将各个功能子系统有机的结 合起来，分析研究各部分之间的信息传递和控制方案，从而使整个检测设备得以较好 的功能实现，以达到精度和效率上的技术要求，完成系统设计后，对系统进行调试， 测试，计算系统的误差，分析系统测量精度，最后得出研究设计结论，客观的评价本 系统的优缺点，并对下一步的研究工作做出展望。 1 3 2 论文的内容安排 第一章绪论部分介绍本课题的研究背景、意义以及与课题相关技术领域的国内外 发展现状，并对汽车制动主缸补偿孔光电检测系统的研究方法，论文的工作内容安排 进行阐述。 第二章介绍制动主缸补偿孔检测系统的总体设计方案，分析系统各个组成部分的 功能、原理和实现。 第三章介绍补偿孔图像成像系统的方案选择设计，进行光源、内窥镜、c c d 摄像 机的选型分析及其在系统中的应用设计。 第四章介绍控制及精密机械传动系统方案，结合本设备的技术特点和要求，设计 可行的控制策略和精密传动机构，包括内窥镜的工进、工件的旋转等部分的传动控制 设计。 第五章利用光栅位移传感器设计出对制动主缸补偿孔的高精度位置测量系统，介 绍了图像采集与图像处理系统，利用图像采集卡连接c c d 摄像机和管理计算机，对采 集得到的图像用软件的方法进行时实分析和处理。 第六章是实验结果分析，介绍系统的检测方法流程，对系统检测得到的数据进行 误差分析。 第七章进行了总结与展望，对论文的主要工作和成果进行客观的评价和总结，提 出有待于迸一步解决和改进的地方，为后续的研究工作指明方向。 4 第二章制动主缸补偿孔检测系统方案设计与实现 2 1 本章引论 汽车制动主缸补偿孔光电检测系统是一个高精度高效率的检测设备在制动主缸 的加工检测过程中可以发挥至关重要的作用，本系统由光学成像系统、控制及精密传 动系统、数据采集与图像处理系统等几个部分组成，本章通过对制动主缸补偿孔检测 设备技术指标和工件加工精度要求的认真分析，结合相关的技术方法，提出了制动主 缸补偿孔检测设备的总体设计思想和各个功能予系统的设计实现方案。 2 2 检测系统主要原理 图2 l 制动主缸实物图 论文主要完成以f 方面的检测( 工件实物如图21 所示) ： ( 1 ) 制动主缸补偿孔形位尺寸的检测( 如图2 2 ) ； a ) 补偿孔位置检测：补偿孔中心与主缸缸体法兰面轴向距离的测量 b ) 补偿孔直径检测。 c ) 补偿孔边缘倒角检测。 ( 2 ) 制动主缸缸体内表面质量的观测。 汽车制动主缸补偿孔光电检测设备的技术参数如f 表所示 表2 - 1 检测指标 c 主缸缸体直径 1 0 5 0 m m精度0 m 2 f s 补偿孔位置 5 2 0 0 m m分辨率00 0 3 m m 补偿孔直径 02 l _ 5n u n重复性 0 0 2r m 检测的时间2 分钟以内 为实现上述对汽车制动主缸补偿孔各个参数的检测精度要求，并且根据实际工 况，我们提出了如图23 所示的集光、机、电、算于一体的系统整体设计方案。本文 研究的制动主缸补偿孔光电检测系统主要适合于生产企业或者计量部门对主缸补偿孔 进行抽样或全检测，它通过前端的内窥镜，高分辨率c c d 摄像机等组成的光学系统将 主缸补偿孔的图像信息通过图像采集卡传递给管理计算机，然后利用图像处理技术可 以在计算机上显示并处理主缸补偿孔的形位和主缸缸体的内表面缺陷，经过计算机数 据处理发出相应的下一步控制指令，控制内窥镜的前后移动和制动主缸的转动，从而 完成工件的整个检测过程。另外，在计算机上可以方便地对所采集的图像作记录、保 存或打印，也可以根据需要进行通信、传输。本设备消除了人为因素和检测环境的影 响，具有非接触、操作简单、高精密、高稳定性等优点，通过对制动主缸补偿孔的检 测不仅可以对制动主缸的质量、使用寿命和精度做出客观评价，而且为分析制动主缸 的改进设计、制造提供相关的依据。 步进电机 图2 2 制动主缸结构图 图2 3 系统方案示意图 本课题的汽车制动主缸补偿孔光电检测系统采用的是光电式非接触的实时检测方 法，系统将光、机、电、算等先进技术紧密的结合起来，高精度高效率的完成了制动主 6 缸补偿孔形位的精密检测。根据预先设定的工件型号及其参数进行检测，当工件和内 窥镜镜头运动到指定检测位置时，本检测系统要完成的任务是：通过内窥镜和c c d 摄 像机摄取视场内的目标区域，输出全视频信号给图像采集卡，然后由管理计算机对所 采集的信号进行图像处理，同时控制执行机构的响应动作，图像处理技术与精密光栅测 量技术相结合，实现了制动主缸补偿孔形位尺寸以及主缸缸体相关疵病的检测，技术 上完全达到了系统检测精度的要求【2 】【3 1 。 2 3 检测系统总体结构 制动主缸补偿孔光电检测系统的结构原理框图如图2 4 所示。 打 存 通 印 储 信 计算机 数据采 集处理 光栅传感器 控制传动系统 c c d 摄像机h 内窥镜h 被测工竹 光源h 光导纤维 图2 4 系统结构原理图 本检测系统主要包括图像采集和数据处理两个过程。图像采集过程包括光学成像、 光电转换和信号处理、控制及精密传动机构等部分，光学系统与精密传动机构配合完 成制动主缸补偿孔及主缸缸体内表面的图像信息采集，采用内窥镜和c c d 摄像机将被 摄取目标转换成电信号，通过图像数据采集卡完成对原始图像的采集，并与光栅位移 传感器的信号一起输入到管理计算机。数据处理是指根据所采集到的图像进行检测判 别，利用图像处理技术对获取的图像进行各种变换和操作，对图像中感兴趣的目标进 行检测和测量，从而获得图像特征区域的特征参数，本设计中计算机还要对光栅位移 传感器的信号进行分析处理，并控制执行机构配合光学系统进行图像采集，最后根据 预设的参数和其他条件设置输出检测结果。 可见，系统的各个功能子系统之间的配合与信息的传递处理非常的重要，这关乎 设备系统功能的实现和工件检测的精度。所以系统的各个子系统的结构功能设计要从 全局出发，注重精度和效率，相互配合。本课题设计的功能模块包括有：光学成像系 统、控制及精密传动系统、光栅位移传感器测量系统、图像采集处理系统等。 2 4 检测系统光学、控制及传动部分设计 2 4 1 光学成像系统 该子系统是以内窥镜、c c d 摄像机为核心部件而组成，用于获取制动主缸补偿孔 及主缸内表面的图像信息并将其转化为电信号。利用内窥镜的物镜加转像透镜系统， 延长工作距，来采集图像信息，内窥镜工作时要辅助以照明系统，其光源要采用合适 的照度质量，通过光纤照明，这样就可以再通过c c d 摄像系统将补偿孔图像成像到 7 c c d 光敏面上，由图像卡采集输入到管理计算机，最后通过图像处理技术对补偿孔图 像进行分析判别，所以高质量高清晰的采集图像对系统检测是非常重要的。 2 4 2 控制及精密传动系统 由于制动主缸补偿孔的个数和位置不确定，所以要通过控制及精密传动系统来找 寻补偿孔的精确位置，该子系统以步进电机为动力源，控制传动机构动作，从而完成 执行机构的精确定位，它的工作原理是：通过滚珠丝杠传动机构带动内窥镜实现水平 移动，通过蜗轮蜗杆传动机构带动制动主缸完成旋转运动，从而光学成像系统在这两 部分的相互配合下完成对补偿孔图像的捕捉，于此同时可以对制动主缸内表面的加工 质量进行观测。 2 4 3 光栅位移传感器测量系统 本设计中的光栅位移传感器是一种高精密的位移传感器，它是基于莫尔条纹现象 来进行位移测量的，应用的关键在于其细分及判向。本设计是将光栅位移传感器用于 测量制动主缸的不同补偿孔相对于设定的测量基准面的距离，以此来获得补偿孔的位 置信息。这样，在获得清晰的补偿孔图像信息的同时，用光栅尺记录其相对位置，从 而完成了制动主缸补偿孔位置和形状的精密检测。 2 5 检测系统图像采集处理部分方案设计 设计中我们利用图像采集卡来完成制动主缸补偿孔图像信息从光学成像系统到管 理计算机的传送，它的作用是将c c d 摄像机获取的模拟图像信号经过采样和量化处理， 变换成为计算机能够处理的数字图像信号。图像处理系统对所采集的图像信息先进行 实时显示，然后通过软件算法对图象进行分析，并根据要求发出指令控制步进电机运 动，同时计算机接收光栅位移传感器传递的位移信息，最后经过数据综合处理得到补 偿孔的形位尺寸特征信息。 2 6 本章小结 本章主要介绍了汽车制动主缸补偿孔光电检测系统的总体方案设计，并在技术理 论上对方案的可行性进行分析，对其进行了功能模块的划分，分别介绍了各个功能子 系统方案的设计思想，为下面的各个系统的设计提供了依据和指导思想，从而使本检 测系统的设计更加科学、高效的进行。 第三章补偿孑l 图像成像系统设计 3 1 本章引论 针对深孔类零件的内轮廓形状尺寸检测精度要求较高、难度大，而目| ； 所采用的 测量方法不是精度低就是检测效率不能满足要求的问题，本课题研究了一种适用于零 件深孔内轮廓形状尺寸检测的系统一汽车制动主缸补偿孔光电检测系统，其中，其光 学成像系统是整个检测系统的眼睛，起到视觉延伸的作用，它是整个检测系统的前端， 是后续各个子系统完成功能、满足精度的基础和保证，它主要由光源、内窥镜和c c d 摄像机组成。基于c c d 的图像成像系统性能非常优越，如：通过提高摄像机的分辨率， 或调整光学镜头的放大倍数，就可以使获得的图像信息丰富、精确，从而满足系统对 检测精度和稳定性的要求。 本章主要介绍了制动主缸补偿孔检测系统的光学成像系统部分的设计，介绍了其 中主要功能模块( 部件) 的选型分析和应用原理，光学成像系统的原理框图如下所示。 l 内窥镜光学系统卜_ 叫c c d 摄像机卜_ 图像 采集# 图3 1 光学成像系统的原理框图 3 2 补偿孑l 图像成像系统光源的选用设计 3 2 1 光源的技术分析 由于系统检测的实际环境为工业生产车间或工厂中的简单测量室，现场环境的不 确定因素、干扰很多，对工件图像成像光源的影响较大，所以在系统设计中，我们首 先要对光源进行特别的选择设计，以便满足光学成像系统的照明要求。看似简单的光 源，是光学成像系统中最关键的部分之一，对成像的质量有很大的影响，不合适的光 源会引起许多问题。本设计中的光源要将补偿孔与背景明显分别并且还要保证合适的 整体亮度和照明角度范围，以便获得高品质、高对比度的图像。 图3 2 常用光源的种类 光源是基于图像检测系统的重要组成部分，被检测工件就是在光源的照射下，成 9 像在c c d 摄像机像面上从而获得图像信息，而且，随着光源光谱成分或者光强度分布 的变化，c c d 摄像机输出的图像信息也会随之变化。因此，合理的选择光源是获取理 想图像信息的关键，一个稳定良好的光源对于检测系统来说是至关重要的，选择光学 成像系统的光源要考虑很多技术因素，在本设计中我们主要考虑以下几个因素： ( 1 ) 光源的亮度要合适，如果亮度不够，所采集的补偿孔图像的信息量不能满足图 像处理的要求，而且噪声信号、自然光等随机光对图像成像质量的影响也会加重。 ( 2 ) 光源的稳定性要好，光源位置的细小变化应该对所采集的图像质量影响很小。 ( 3 ) 光源光线要均匀，不均匀的光线会产生不均匀的反射，影响所采集的图像质量。 ( 4 ) 应该根据工件表面的纹理、形状特征来选择相应的光源。 3 2 2 光源的设计 我们对光源的选择设计包括选择光源的种类，设计其驱动电路和光源摆放位置， 从而使所采集的补偿孔图像具有较高的清晰度，使需要计算机图像处理分析的检测目 标区域更加突出。此外，还应了解制动主缸是如何被照明以及光源的反射、散射特性， 再进一步根据制动主缸的具体特点和具体的检测环境选择合适的光源【扪。 图3 3 光源电源驱动电路 针对补偿孔图像成像系统光源的技术要求，可以挑选氖灯或卤素灯来作为内窥镜 冷光源的光源。氙灯属于气体放电灯，它通过惰性气体电离发光，优点是色温接近可 见光，发光非常稳定，寿命较长一般可以超过5 0 0 个小时，而卤素灯属于白织灯，是通 过钨丝加热发光，价格虽然相对便宜，但卤素灯散发的光线有些淡黄，色彩还原性没有 氙灯好，并且使用寿命也较短。尽管氙灯的发光电弧与卤素灯的钨丝长度直径相同，但 氙灯的发光效率和亮度却远远高于卤素灯，由于氙灯不用灯丝，没有了传统光源易脆 断的缺点，稳定性更高。所以作为侯选光源无论在亮度、节能、寿命、安全性等方面， 氙灯比卤素灯都更具优势。 所以，综合考虑实际的检测环境、光源的自身特性和系统对图像质量的要求，在 本设计中采用氙灯作为成像系统光源( 其电源驱动电路如图3 3 所示) ，并采用导光光纤 1 0 束将照明光导入被测主缸的内表面，从而补偿孔的反射像通过内窥镜成像在c c d 摄像 机的光敏面上，经过图像采集卡输入管理计算机。此外，我们对制动主缸缸体内的补 偿照明采用环型无影l e d 光源进行照明，从而使采集的图像达到更加理想的效果。在 整个检测系统安装完毕之后，还要对成像系统光源的照度、位置等进行调试，并且比 较分析在不同的光照条件下所采集的补偿孔图像质量，从而选择出最佳的成像系统照 明方案。 3 3 内窥镜的选用分析 3 3 1 内窥镜的技术分析 本检测系统是基于图像进行测量的，为了解决制动主缸补偿孔的成像问题，在设 计中我们采用工业内窥镜来延长成像系统的视距，它的后端与c c d 摄像机相连接，并 通过内窥镜的前后移动来捕捉补偿孔的图像信息。工业内窥镜是集光学、精密机械、 电子技术和显微成像技术于一体的新型精密仪器，它可以很容易的改变检测视线方向， 广泛的应用于机械零部件的无法触及到、非可视部分形位及缺陷的检测。 因为内窥镜物镜的成像质量对最终的图像采集质量有着直接的影响，所以本设计 要求内窥镜物镜校正轴上点的各种像差，并且还要求它的校正轴外点的像差，从而使 之能够获得满足成像质量要求的图像。本设计中，由于制动主缸补偿孔位置的特点和 检测精度的需求，要求采用一种远心内窥成像光学系统，将内窥镜的成像光路设计成 一个像方远心光路与物方远心光路合一的光路，这样的设计方案就会非常好的解决制 动主缸补偿孔图像因为虚焦而造成的检测误差问题，从而大大提高了系统的检测精度。 3 3 2 内窥镜的应用设计 工业内窥镜共分为三个种类，第一类，硬性内窥镜系列，第二类，纤维内窥镜系 列，第三类，电子视频内窥镜系列。由于制动主缸补偿孔的检测是在主缸母线的直线 方向上，并且要自动控制内窥镜的水平移动，所以在本设计中采用的是硬性内窥镜， 其结构原理图如下图所示。 图3 4 硬性内窥镜结构原理图 本设计中用到的硬性内窥镜主要是利用窥镜探头物镜配合安装在一个直的不锈钢 管套内的透镜组来传送检测过程中捕获到的补偿孔图像( 即：转像透镜+ 物镜组合) ， 不锈钢管中还安装有用来将光线从光源引导至目标检测点的光纤束，为了方便扩大或 改变检测视角，硬性内窥镜的检测镜头可以根据需要进行更换改进。这样利用内窥镜 就可以很好的对制动主缸补偿孔进行图像检测，本设计中采用光纤传输照明光，物镜 进行显微摄像，捕获的补偿孔图像信号经过c c d 摄像机、图像采集卡的实时处理，最 后输入到计算机进行显示和处理，这样，检测人员就可以通过所得到的补偿孔图像对 工件的加工质量进行分析和观测。本系统中的内窥镜光学系统的性能和效果曾在某型 号枪械枪膛检测项目中得到应用和证明，它稳定性高、成像效果好、使用较为方便， 完全可以满足系统对补偿孔图像成像质量的要求【4 】。 辛h 偿孑l ：细长盲孑l 内 两十孔的一致- i 生 图3 5 窥镜光学系统设计图 3 4c c d 摄像机的选用分析 3 4 1c c d 摄像机的技术分析 在制动主缸补偿孔检测系统中，图像信息的生成就是来自c c d 摄像机，c c d 摄 像机是补偿孔图像成像系统的核心器件，它对最终采集的图像质量起到至关重要的作 用，因此，c c d 摄像机的选用非常的重要，不仅它的相关技术指标要满足系统的检测 精度要求，而且还要和整个成像系统配合使用，以便产生理想的图像效果。c c d 是电 荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e i c e ) 的简称，它能够将其光敏面上的光强转换为电荷量， 然后进行存储和转移，可以非常方便的进行后续处理。用它来构成的c c d 摄像机集成 度高、受现场环境影响小、图像质量稳定清晰，所以非常适合应用于在工业生产环境 下的制动主缸补偿孔检测系统。 在成像系统设计中，我们对c c d 摄象机的技术参数要求主要有【6 】【7 】： ( 1 ) 清晰度，清晰度是c c d 摄像机最本质，也是我们最关心的一个参数，适应于工 业环境的图像检测摄像机的分辨率一般介于3 8 0 - - - , 4 6 0 线之间，摄像器件像素的多少决 定着图像的清晰度，像素越多，采集的图像就越清晰，很显然，清晰的补偿孔图像更 加的便于后续的图像处理和分析。 在以c c d 摄像机为核心的光学成像系统中，c c d 传感元件的参数选择与被测工 件的成像放大率有关，我们设放大率为，则根据几何光学成像理论有： 1 2 其中，y 是工件大小，y ，是成像的大小，是c c d 像素元数，盯是像素元分辨率， 如果我们系统检测的精度是6 ，则c c d 的精度6 1 可以表示为： 4 = 膨2 a 万 2 0 ( 3 2 ) q 所以为了保证系统检测精度，成像系统必须要具有严格的放大率要求。 ( 2 ) 灵敏度，c c d 摄像机的灵敏度就是指其最低照度值的大小，即当制动主缸补偿 孔的光照亮度低于一定值而使c c d 摄像机输出的视频信号电平低于某一指定值时的照 度值。设计中根据光度学理论，像面照度e 可以按下式计算： 肚丢统等南 3 ， 式中提系统透射比，是工件的亮度，d f 是相对孔径，l 和是分别是光垂轴和 物像垂轴放大率。它反映出的是c c d 摄像机对光照条件的敏感程度和适应程度，在条 件较差的工业生产环境中，这一指标尤为重要。 ( 3 ) 信噪比，c c d 摄像机的信噪比q 是指信号电压s 与噪声电压的比值，由于 在正常的情况下，s 要比高很多，所以q 值非常大，如下式所示： s n ，、 s q 2 一n ( 3 4 ) 所以我们实际计算c c d 摄像机信噪比的大小是对其均方信号电压s 与均方噪声电 压l 的比值取以1 0 为底的对数再乘以系数2 0 ，它的单位我们用d b 表示，即： q i = 2 0 1 9 n s 土1 ( 3 5 ) 摄像机的信噪比越高，外部噪声信号对补偿孔图像的影响就越小。 由于本检测系统是基于图像进行检测的，所以补偿孔图像的质量是系统检测的基 础和前提，由此可见c c d 摄像机的硬件技术参数对系统整体的检测精度有着非常大的 影响，因此对成像系统设计中c c d 摄像机的选取要结合以上技术指标进行细致分析。 3 4 2c c d 摄像机的应用选择 前端采集的补偿孔图像信息经过c c d 摄像机的镜头感光到其c c d 传感芯片上， 这个芯片是c c d 摄像机的核心，c c d 芯片根据感受的光强存储起一定比例的电荷量， 各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，最终形 1 3 d0盟y 致y 场 i i 盯 成补偿孔视频图像信号的输出，c c d 摄像机工作原理如图3 6 所示，这个补偿孔视频图 像信号通过图像采集卡输入计算机，我们就可以通过所采集的图像对制动主缸补偿孔 的形状尺寸、位置进行检测，同时也观测、判别了制动主缸缸体内表面的加工质量【5 】。 图3 6c c d 摄像机的工作原理 在补偿孔图像成像系统中，相对于黑白摄像机，彩色摄像机更适用于补偿孔图像 的细部辨别，且在补偿孔的检测界面中更便于进行人机交互，结合c c d 摄像机的工作 原理、技术性能和本设计中的实际检测精度要求，我们采用了维视数字图像技术有限 公司的m v _ v s 0 7 8 f m f c 型彩色面阵c c d 摄像机做为我们成像系统的核心器件，它的 传感器光学尺寸为1 3 ”英寸，最高分辨率为1 0 2 4 ( h ) x 7 6 8 ( v ) ，水平垂直扫描频率为 1 5 7 3 4 h z 5 9 9 4 h z ，照度1 l u x 左右，信噪比大于5 4 d b ，快门速度1 1 0 0 0 0 到1 0 s ，无 论是静态采集还是动态采集，均可以得到无变形的、颜色还原性好的高质图像，并且 输出信号稳定，对c p u 资源的占用少。经过实际的试验测试，我们选用的c c d 摄像 机性能技术指标完全满足补偿孔图像的成像质量要求，并适用于实际现场检测环境。 3 5 本章小结 汽车制动主缸补偿孔光电检测系统中的光学成像系统的设计解决了有限空间内孔 ( 制动主缸补偿孔) 的成像问题，并且保证了图像信号的高质量处理和传输，它是能产 生高质量的、与补偿孔物貌完全相似的像的精密光学系统，这种基于光学系统的图像 测量技术以其非接触、广视场、高精度的优点正在逐渐成为工业检测领域中的新兴测 量技术。 1 4 第四章控制及精密传动系统设计 ；一薷目雪 理器( d s p ) 以及太规模可编程器件来实现两个步进电机的两轴协调控制。它将 实现控制方案的底层软件和硬件集成在一起，从而具有了控制系统所需的速度、 位置等控制功能，然后我们可以在管理计算机上调用这些功能，进而完成执行机 构的精确动作州。 在我们的设计中运动控制卡与管理计算机构成了主从式的控制结构，管理 计算机负责人机交互界面的管理和对控制系统的实时监测等方面的工作，运动控 制卡则完成运动控制的所有细节，其原理如下图所示，这样使系统管理和控制功 能各自执行，发挥运动控制卡和计算机的各自优势，提高了工作效率和控制精度。 运动控制li = = 叫 系统状态娃 l 上j l 生- 主_ 系 脉 自 原 统 一运动轨迹规划1 冲 动 占 方 信 川 和 向 控 号 降限 信 制 输 述位 号 软 - q 发送控制指令 处信 输 件 出出 - q 外部信号监控 卫 号 图42 上位控制模块 结合内窥镜、制动主缸的定位控制精度要求和实际的应用条件，设计中运动控制 卡的型号我们确定采用深圳市雷泰控制技术有限公司d m c l 3 8 0 经济型3 轴运动控 制卡( 如下图所示) 。d m c l 3 8 0 运动控制卡足基于工业p c 机、适用于位移、速度、 加速度等多种运动控制要求上位控制单元，每轴的位置指令脉冲频率可达 i2 m h z ，可以单路脉冲( 脉冲方向) 或双路脉冲( 正脉冲负脉冲) 的方式输出， 特别注意的是，在安装控制悟之前，一定要先关掉主机电源，正确设置好卡地址。 它的优良性能经过试验测试，足以满足制动主缸补偿孔检测系统对它的技术要求。 1 ：署 图4 3d m c l 3 8 0 经济型3 轴运动控制 由于该运动控制卡提供了丰富的、功能齐全的函数库，则在w i n d o w sx p 环 境下，我们采用了v i s u a l c + + 编译软件对其进行了二次开发，开发出符台我们控 制要求的系统方案。与传统的使用m c u 或p l c 的控制系统方案相比较，运用运 动控制卡可以使计算机丰富的外设资源如显示器、键盘、鼠标、通讯端口、硬盘、 光驱等得以充分的利用，并与运动控制卡协调配合，从而更加精确的完成了制动 主缸补偿孔光电检测系统中各种复杂的定位控制要求1 9 1 3 1 。 4 2 - 2 步进电机 在控制系统中我们采用步进电机来做为执行机构的驱动，对其进行精确的定位控 制，步进电机也叫做脉冲式电机，它可以把输入的脉冲信号量转变为相应的角位移量 或直线位移量，其线速度、角速度与所输入的脉冲频率成正比。在其负载能力允许的 情况下，这种关系不会因为负载大小、环境条件、电源电压等的变化而改变，所以步 进电机能在比较大的范围内通过改变输入脉冲信号频率来实现稳定的调速、起停、正 反转，所以完全能够适应本检测系统对位置控制精度的要求】。 l i 图4 4 两相混合式步进电机结构图 步进电机根据励磁原理可以划分为永磁式、反应式和混合式。其中混合式步进电 机结合了永磁式和反应式两者的优点，输出转矩大，尤其是其动态性能优越，步距角 能做的很小，它进而又分为两相和五相，两相电机步距角一般为1 8 度，已经能满足 大部分的控制精度要求，所以这种步进电机的应用最为广泛和成熟，也是本控制 系统方案所选用的步进电机。图4 4 为两相混合式步进电动机的结构图。 ( a ) 匀加、减速曲线 ( b ) s 形加、减速曲线 图4 5 步进电机试验运行曲线 结合检测系统对控制的要求和特点，本设计中对步进电机的基本技术要求如下： ( 1 ) 精度要高，无论在静、动态情况，步进电机的输出量要能够高精度的复现输入 1 7 量，在我们的位置控制系统中，为了保证电机启动时不丢步，停止时不发生过冲现象， 要求平动、转动两轴步进电机分别能够按图4 5 ( a ) 、c o ) 所示曲线运行，其时间、频率 参数按控制系统要求设定【1 7 】。 ( 2 ) 稳定性要好，电机在受到外部干扰的情况下，要能够稳定的恢复到原来的平衡 状态，电机只有具有很强的抗干扰能力，才能够适应复杂的工业生产现场环境。 ( 3 ) 能快速响应，由于对制动主缸的检测是实时在线的，所以要求电机对输入信号 的响应要快，过渡时间要短。 我们在选择步进电机具体型号时，综合考虑实际需求和电机的技术指标，步进电 机只有在满足额定工作条件下才能够正常工作，所以选型时主要参考的技术指标如下： ( 1 ) 步距角：步进电机每走一步其转子所转的角度，不同型号的电机，每步转的角 度不同，在应用中必须结合实际要求来选择。 ( 2 ) 精度：步进电机的精度一般是其步距角的3 5 ，且不累积，我们要求采用 细分技术来提高步进电机的运转精度。 ( 3 ) 转动力矩：在额定电流、电压下，步进电机的轴上所能产生的转矩，它随转速 的升高而下降，应根据实际需求来选择一定转矩的步进电机。 ( 4 ) 保持转矩：步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩，由于本控制系 统中电机经常低速运行，此时的力矩就接近保持转矩，所以保持转矩是我们要考虑的 重要参数。 以h z ) 图4 6 步进电机试验矩频特性曲线 结合以上对步进电机的性能要求和技术参数分析，我们首先保证了步进电机的输 出功率要适中，其次，由于电机的步距角取决于对负载的精度要求，我们将传动机构 的最小分辨率换算到电机轴上，计算出每个当量电机要走的角度，然后其步距角应该 等于或小于此角度。另外，当然还要计算机械系统的负载转矩，在实际的工作过程中， 各种频率下的负载转矩必须要在矩频特性曲线的范围内，如图4 6 所示，其中丁是输出 转矩，厂是控制脉冲频率，所选的电机运行频率应该大于我们所要求的控制频率厂，单 1 8 位是步秒： ，= 万6 n = 了6 i n l ( 4 1 ) 其中，l 和n l 分别是电机轴和负载轴的转速，口是步距角，f 是减速比。此外，还有 工作电压，绕组电流，空载启动频率等参数也要在选型设计过程中予以充分的考虑。 综上所述，我们选择步进电机时依照了下面的示意步骤来进行： 负载一步距角_ 静转矩一电流_ 电机型号 t 上t ( 矩频特性曲线) 本设计中步进电机选用的是深圳市雷泰控制技术有限公司11 0 h s 2 0 系列两相混合 式步进电机，它的步距角1 8 。，保持转矩2 0 n m ，转子惯量1 1 k g c m 2 ，定位转矩6 9 c m ， 经过测试分析和实际应用，它能够很好的满足本控制系统的精度要求【1 6 1 。 4 2 3 电机驱动器 由于步进电机是利用脉冲来工作的，脉冲应该按照一定的规律分配给电机的各相， 所以为了配合步进电机的正常工作，在设计中，我们采用专用的步进电机驱动器来向 其发送驱动脉冲信号，其原理如图4 7 所示，步进电机驱动系统的性能，不仅仅关乎电 机自身的性能实现，更在很大程度上决定着整个控制系统的定位精度，在本设计中我 们利用步进电机驱动器主要完成以下两种功能： ( 1 ) 控制电机的换相顺序，即脉冲分配，对于我们的两相步进电机而言，指令脉冲 必须严格按照一定的顺序分别控制其各相的通断，如果按照给定的正序换相，电机正 转，如果按照反序换相，电机则反转。 ( 2 ) 控制电机的速度，给步进电机发送的每两步脉冲之间的时间间隔越短，电机的 转速就越快，从而通过调整控制脉冲频率就可以对步进电机进行调速。 脉 正向脉冲 脉 力订 加 环 功 冲 冲 混分 ， 减形 豪 厶 配 减 速分放 口 反向脉冲 - 一 电配 大 电电 路路 路器器 机绕组 图4 7 步进电机驱动系统原理 为了提高步进电机的定位控制精度，应该考虑采用细分技术以便达到理想的控制 效果，细分技术本质上是电子阻尼技术的一种，可以用来减弱或者消除步进电机的低 频振动，对于我