（机械电子工程专业论文）汽车制动主缸补偿孔形位误差测量系统误差分析与补偿.pdf

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“长春理工大学硕士学位论文版权使用规 定“，同意长春理工大学保留井向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文 数据库和c n k i 系列数据库及其它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：；乙叠 指导导师签名 到上年互月且日 尘i 生年三月坦日 摘要 本文针对目前我国汽车制动主缸补偿孔测量技术落后这一现状，设计了一种光机 电算相结合的高性能精密测量系统。该系统采用精密传动机构带动光学成像系统得到 补偿孔的图像信息，然后利用图像处理技术以及精密光栅检测技术实现对补偿孔位置、 直径、边缘倒角的精确测量并可以同时对制动主缸缸体的内表面加工质量进行观测。 该系统具有非接触、高精度、操作简便、自动化程度高等特点。 本文第一部分将对测量系统的总体设计方案进行介绍，第二部分将分别对各个组 成部分进行详细阐述，最后对可能影响系统测量精度的误差及其来源进行重点研究， 井进行误差的分析与补偿。 最终实验结果证明，系统检测精度为o0 3 0 m m 。分辨率为00 0 5 m m 满足预期的设 计要隶，工作性能稳定，是一种可行的测量方法。 关键字：$ 恸主缸补偿孔误差分析 a b s t i t a c t b e c a u s eo fo l l ra u t o m o t i v eb r a k em a s t e rc y l i n d e rh o l ec o m p e n s a t i o nm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yb e h i n d i n t h i sp a p e rw es t u d yac o m b i n a t i o no fh i g hp r e c i s i o no p t i c a la n d e l e e t d c a lm e a s u r e m e n ts y s t e mt h es y s t e mu s e sp r e c i s i o nd r i v em e c h a n i s mt od r i v et h e o p f i c f li m a g i n gs y s t e mt og e l t h ei m a g ei n f o r m a t i o no f h o l ec o m p e n s a t i o nt h eu s eo f i m a g e p r o c e s s i n g t e c h n o l o g ya n dp r e c i s i o ng r a t i n gd e t e c t i o n t oa c h i e v eap r e c i s e m e a s u r e m e n t h o l e d i a m e t e r , e d g ec h a m f e ro f t h ec o m p e n s a t i o na tt h es a m et i m ei tc a no b s e r v i n gt h ei n n e r c y l i n d e rb r a k em a s t e rc y l i n d e rs u r f a c eq u a l i t yt h i ss y s t e mh a sn o n c o n t a c t ，h i g hp r e c i s i o n e a s yo p e r a t i o n h i g hd e g r e eo f a u t u m a t i o nf e a t u r e s 1 m e f i r s tp a r to f t h ea r t i c l e w i l l i n t r o d u c e t h eo v e r a l ld e s i g no f m e a s u r e m e n ts y s t e m s t h es e c o n dp a r tw l ld e s c r i b et h ev a r i o u sc o m p o n e n t si nd e t a i lf i n a l l 5f o c u so nt h ei m p a c t o fs y 女e ma c c u r a c ya n d5 0 n l - c e so f e r r o ra n dt h ee n d fa n a l y s i sa n dc o m p e n s a t i o n t h ef i n a le x d e m 印t 出r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e md e t e c t sa na c c u r a c yo f00 3 0 m m ，a r e s o l u t i o no f00 0 5 m m t um e e tt h ee x p e c t a t i o n so ft h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sp e r f o r m a n c e a n ds t a b i l i t y i sav i 曲l em e t h o do f m e a s u r e m e n t k “w o r d s ：b r a k em a s t e rc y l i n d e r h o l ec o m p e n s a t i o n e r r o r a n a l y s i s 34 计算机数据采集及处理系统 2 1 第四章误差分析与补偿2 6 41 误差的分类 一 2 6 42 测量系统误差分析 2 7 43 测量数据分析 一 3 6 44 系统误差的处理 一 一 3 8 结论 致谢 参考文献 4 2 4 3 4 4 第一章绪论 1 1 课题来源以及研究意义 本课题研究的是对汽车制动主缸补偿孔的位置、直径、边缘倒角进行测量的一套 光电榆测系统。项目来源自吉林省科技厅吉林省科技发展计划项目。 汽车的制动系统在车辆行驶安全方面有着报重要的1 乍用。综合考虑安全性能以及 经济效益，液压式制动系统是最好的一种方法，应用也最为普及。在液压式制动系统 结构中补偿孔式制动主缸是非常重要的零部件，它的性能直接影响着汽车的制动性 能”。因此补偿孔式制动主缸的检测工作是非常重要的环节。 补偿孔式液压制动主缸的使用寿命规定：常温下工作j 0 万次7 0 时不少于1 2 万次。为保证制动主缸的寿命以及性能，主缸补偿孔与主孔相贯部需要尽可能的平滑 否则将会导致制动主缸的主皮碗过早的磨损远达不到使用要求，可见制动主缸补 偿孔的加工质量与寿命密切相关，因此，对制动主缸缸体补偿孔的形位测量就显得非 常重要。汽车液压制动主缸补偿孔的测量方法在现阶段仍是一项关键的技术由于测 量方法存在缺陷，所以部分生产出来制动= | ! = 缸不合格，直接导致其使用寿命达不到设 计要求，并且存在若根大的安全隐患。 在很长一段时间内对补偿孔的测量主要是人工用内窥镜的方法。但是这种检测 方法效率低并且精度不高，越来越不能满足实际生产以及测量的需求。所以说研究出 一种精度高并且具有高效率的汽车制动主缸补偿孔形位测量系统就显得尤其重要。 1 2 国内外研究现状 随着科学技术的日益进步q 造业特别是汽车产业也有着非常迅猛的发展，对机 械零部件产品的质量与性能要求也越来越高由此也推动了精密检测技术向更高、更 精、更尖的方向发展。其中物体几何尺寸的测量是一个应用十分普遍的方面并且 精度要求也越来越高。 目前，深腔小盲孔的测量是个需要尽快解决的问题。相比在外形以及平面尺寸的 测量领域，已经达到l n m 甚至0l n m 的分辨率，内尺寸的测量诬比较落后。尤其是对 于d g l 形位尺寸的测量，目前还没有比较完善的方法。 小孔的测量基本有两种方法。种是接触式测最，具体测量方法有气动量仅测孔、 光学测孔等：另一种是非接触式捌量具体测量方法有电接触法测孔振荡扫描测量 法、坐标测量机测量法等，这两种方法互有优缺点其中接触式测量可以对各种零件 尺寸进行测量但它会令待铡件产生一定程度的磨损，并且对零件表面与检测环境有 比较高的要求。因此目前很多公司已经开始应用光学技术来开发非接触检测设各其 中意大利m a r r o s s 公司利用激光测头辅助实现了自动化程度很高的非接触检测研发出 了m l d a l a s e r 期量系统：日本索尼公司采用半导体激光传感器研发出了y p 2 0 2 1 l 非接触 检测仪器。 目前光机电一体化技术发匪进步的越来越成熟。利片3 光学系统采集被i 9 1 4 零件的 图像信息，然后通过计算机图像识别技术对这些图像信息进行提取和处理，在高精度 检测体系中得到了越来越广泛的应用。这些技术让零件检测的效率以及精度都得到了 很大程度的提升而且通过与计算机网络相连接从而令测量体系的管理更加方便， 令操作更加人性化。所以说深孔类零件精密检测技术的芨展趋势必将是数字化的非接 触检测。三丰公司的c s 一5 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 钡u 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a 美国0 g p 公司利用直接录像显徽镜( v d m ) 来显示大深度d , - b , 和不可视的检测区域 延长了人的视觉更加的稳定可靠。三坐标颡4 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。目前外国公司掌握若该检测领域的关键技术，三丰公司 ( m 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 d 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4 ， 在针对制动主缸补偿孔测量的领域，三坐标测量与机械式测量是目前最普遍的方 法a 这两种方法都是接触式测量，因此存在着接触式测量的通病，因为测量时需要接 触待测工件的内表面所以内表面会受到一定程度的磨损，操作流程也比较繁琐。测 量精度还不理想。国内某公司研制的c c dt v 窥膛系统是一种非接触测量系统，这个系 统可以收集图像信息存贮并且进行处理，但这个系统使用的光学管窥膛系统设备体积 大t 比较笨重t 使用过程比较麻烦，最大的缺点是不能定量测量而只能定性的进行观 测。有的系统是使用电容瞄准测孔传感器，用传感器的侧头瞄准定位相邻的小孔中心 从而进行测量，这种方法能够测量两个微d q l f 司相邻孔壁，但是盲i l 测量误差大，所 以说这种方法存在着缺陷。现在光学系统的使用在各个领域的都得到重视并且应用 越来越广泛，内窥光路的应用就是其中之一，并且技术已经比较成熟。因此本文采用 光学系统与机械系统相结台的方式研究出一种高精密传动控制系统和精密光栅传感 检测系统相配合，利用远心内窥光路与c c d 摄像技术采集图像信息然后使用计算机数 据采集及处理系统进行数据处理，从而实现对制动主缸补偿孔位置、直径、边缘倒角 的测量。 1 3 本文主要研究内容及安排 本文研宄出一种光机电结合，高精度非接触光电成像测量方法。该方法采用高精 密传动机构带动内窥光学系统在制动主缸内孔中运动然后利用高分辨率c c d 摄像系 统采集补偿孔的图像信息，最终通过图像处理完成制动主缸补偿孔的测量。 本文通过分析制动主缸补偿孔测量系统各个子系统的原理以及结构进行了以下 几方面的研究：精密机械传动与控制系统；光学成像系统：光栅位移检测技术：计算 机数据采集及处理系统。并研究分析各部分可能影响测量精度的因素进行误差的分 析与补偿使整个测量系统达到精度和效率上的技术指标要求。 本系统拟达到表卜i 所示技术指标： 现状以 光学成 第四章分析可能会对系统测量精度产生影响的因素，进行误差分析与补偿，介绍 系统误差的处理理论。 髑2 1 制动主缸实物图 图22 制动主缸结构图 本系统主要测量以下方面： ( 1 ) 补偿孔的形位尺寸，包括补偿孔位置检测以及补偿孔边缘倒角检测。 ( 2 ) 缸体主孔内表面的加工质量。 为实现上述各个参数的检测，根据实际工况，提出了如图23 所示的整体设计方案 e 稿 、i 旆 ：馘#： 丽 ， 自船姻* d) 撇 一 l ：r 伺服t 机 厕 一 p ，r l 1 |皓 f i 靴t 斟 牲 i 拄机 园 打口机 囊幸彗杠 s 1 基，。目麒m皆 瑚 图23 制动主缸补偿孔形位误差测盈系统结构简图 系统由以下几部分构成：精密机械传动及控制系统主要由窥镜直线传动机构、 被测制动主缸旋转机构、被测制动主缸夹紧机构等组成：光栅位移传感检测系统，使 用绝对式光栅尺来获取补偿孔的位置信息：光学成像系统，采用远心内窥光路，由c c d 成像系统和照明系统组成：计算机数据采集处理系统，将光学成像系统采集到的图像 信息以及光栅尺采集到的位置信息进行处理。整个系统采用人机交互式测量测量时 将被测主缸紧密安装在定位夹具上，然后控制伺服电机，驱动滚珠熊杠带动内窥镜上 升或者下降，同时同步齿形带带动被测主缸旋转直至内窥镜能够捕捉到补偿孔的圈像 为止，然后通过采集到的图像确定采样点位置，同时记录光栅尺的位置信息，最后通 过计算机处理得出行为尺寸的数据。 22 测量系统基本组成 221 精密机械传动及控制系统 系统采用人机交互式测量，为达到检测的技术指标要求，系统要求精密控制内窥 镜光学系统的线性运动及制动主缸的旋转运动以定位光学测头。若两者的运动不精确， 则不能得到最清晰的补偿孔图像。这将直接影响后续的图像处理精度。 精密机械传动机构主要由滚珠丝杠传动机构、制动主缸旋转机构和标校装置等组 成。工作时一个伺服电机带动内窥镜沿着直线导轨进行升降，另- - 个伺服电机带动被 测主缸进行旋转，在内窥镜与被测主缸的运动过程中，利用光学成像系统寻找补偿孔。 如圈24 所示为精密机械传动及控制系统工作原理图。 l ：! l 电机驱动器。： l l ； 人机交互管理 i 直线传动机构 ：二二剖二匝一一j上位控制模块 ! i 转动传动机构 i l外部信号量i 1 一一一一一 l 。i二一一一一一一。 l 一一一一一一一一一 图2 4 精密机械传动及控制系统工作原理国 222 光学成像系统 光学成像系统用于获得补偿孔的视频信息，由c c d 摄像机与内窥镜光学系统两部 分构成。其中t 内窥镜光学系统包括成像系统和照明系统。内窥镜成像系统有两部分 组成一部分是用来图像信息采集的物镜，另一部分是为了获得长工作距的转像系统， 系统光源采用贴片l e d 环型光源”照明。为保证光线均匀不影响成像效果，在制动主 缸外用卤素灯照明，井置 ：积分球内以保证孔外光线分布均匀。具体实现如下：贴片 式l e d 光源环形贴于环形小电路板上，将电路板贴于内窥架侧面所开孔处安装的五棱 镜镜面上。在旋转传动机构带动下使兜线刚好垂直投影到被测内孔表面上被测孔图 像通过五棱镜镜面9 0 度反射到内窥物像远心光路上获取光截轮廓。然后包含测量数据 的光截轮廓通过c c d 成像到光敏面上，最后被图像卡采集恃r 算机进行图像数据处理， 获得测量数据以及特征轮廓。由于在内窥镜的成像过程中物镜的成像质量是一个很 关键的因素，对成像有着很大的影响。所以本系统为了获得清晰度高的图像要求物 镜校正轴上点咀及轴外点的各种像差。光学成像系统原理如图2 5 所示。 图25 光学成像系统原理框图 2 23 光栅位移传感检测系统 光栅位移传感器在本系统中的作用是通过测量补偿孔与基准面的距离以获得补偿 孔的孔径6 。并且在测量过程中当清晰的补偿孔图像信息被光学成像系统捕捉到的时 候，光栅尺记录其相对位置，实现补偿孔形位尺寸的精密测量。 感 第三章系统各组成部分设计 31 精密机械传动及控制系统 精密机械传动及控制系统主要是负责配台光学成像系统实时采集补偿孔的位置以 及图像信息，在整个测量系统中是非常关键的机构，对测量系统整体的优劣有若非常 大的作用。本子系统主要包括负责内窥镜的直线运动以及被测主缸的旋转运动两个传 动链路- 通过两者紧密的配合在两部分的相互运动寻找补偿孔的中心位置，补偿孔 的形位尺寸信息才能得到最真实可靠昂客观的测量。 本部分根据系统的传动效率，检测精度工作条件等技术指标进行了精密机械传 动及控制系统设计，采用滚珠丝杠传动机构带动内窥镜的直线运动，被测主缸的旋转 运动使用同步齿形带来带动控制系统中采用伺服电机作为驱动。 图3l 机械传动机构示意图 3 11 窥镜直线传动设计 由于实际测量过程中可能需要一次测量同一个主缸的两个不同位置的补偿孔，内 窥镜在寻找补偿孔位置而进行的直线运动需要精确的定位所以对内窥镜直线传动机 构的要求较高。 滚珠丝杠传动机构经过在工业生产中的不断实践是目前稳定性最好并且比较成 熟的传动机构。它的传动效率较高，孽擦阻力小而且避免了爬行现象，从而让定位 更加准确。与其它的传动机构相比，滚珠丝杠有比较简单的机械以及控制结构，并且 精度也高。综合考虑本测量系统的实际要求与改传动机构的特点，我们决定采用滚珠 丝杠作为内窥镜直线运动的传动机构，它在本系统主要负责将伺服电机的旋转运动转 换成导轨的线性运动。 滚珠丝杠副的选取需要结合具体的工作载荷，通过计算进行选择。由于本系统内 癌镜移动的定位精度高，并且需要比较高的平稳性。所以需要对滚珠丝杠副的导程和 动载荷进行分析计算“1 。 滚珠丝杠导程由以下三个参数来确定： 所需进给的最高速度v 。 电机的最高转度n 。 电机与丝杠的传动比i 滚珠丝杠导程p 应该满足： p 上 1 x ( 31 ) 滚珠丝杠的额定动载荷计算方法为： 。：五弛助 ( 32 ) ，一 式中： 动载荷硬度影响系数 只，一一平均轴向载荷 寿命系数 一一转速系数 兀一一载荷性质系数 图32 滚珠丝杠副尺寸圉 通过考虑滚珠丝杠的以上各项参数，并结台本测量系统的具体技术要求确定了 滚珠丝杠的技术参数，井对丝杠的结构尺寸进行了分析。图32 所示为系统中使用的滚 珠丝杠副尺寸图。 滚珠丝杠的安装主要有三种方式： ( 1 ) 一端固定、另一端自由。此安装方式适用于低速回转、丝杆较短的应用场合： ( 2 ) 一端固定、另一端游动。此安装方式适用于中速回转、高精度的应用场合： ( 3 ) 两端均固定则适用于高速回转、高精度的应用场合。 综合考虑实际要求及各种方式的优缺点，本系统采用一端固定一端游动的安装 形式。 经过试验t 本系统选用的滚珠丝杠定位精度能够达到预期的要求并且有很好的 稳定性。 3 12 制动主缸旋转机构设计 在实际测量中，内窥镜在s t 降运动中不可能直接捕捉到补偿孔的图像，可能会与 补偿孔的位置存在偏差；又有可能被测主缸的两个补偿 l 不在同一条母线上。所以只 能适当调整被测主缸的位置从而让内窥镜顺利采集u t i 偿孔的图像信息。 本系统中被测主缸的旋转运动通过同步齿形带传动机构来实现。同步齿形带传动 常用来传递两平行轴之间的运动或动力”。本系统中的制动主缸旋转运动所要求的传动 的功率比较小并且工作状态是间歇性的，所以采用同步齿形带传动非常适合。 旋转机构主要实现被测制动主缸的旋转，以调整主缸的位置，旋转过程中并不强 调运行的参数t 因此系统直接取同步带动的传动比为1 。图33 为转轴尺寸结构。 ，u f i l la - a 圉33 转轴尺寸结构 3 13 定标装置设计 测量系统的定标问题对于测量数据的准确性有着比较大的影响。因此为了确保测 量的高精度，使测量精度能够达到预期的要求，本系统考虑了定标问题其中采用标 校装置来解决确定制动被测主缸法兰端面基准的问蘑。标校装置的孔心为绝对式光栅 位移传感器测量主缸补偿孔的基准。标梭装置的定位基准面位置是利用光栅尺测得的 孔心位置以及定位尺寸来确定，进而确定被测主缸法兰端面的位置。由于补偿孔的形 位尺寸是以主缸缸体法兰端面为基准给出的，所以主要确定出端面位置，每个补偿孔 的位置就可以从光栅尺得到。 314 控制系统 制动主缸补偿孔形位误差测量系统中，因为测量时内窥镜的探头可能不会直接捕 捉到补偿孔的图像，或者不同待测主缸补偿孔位置存在变化，所以为了配合光学成像 系统得到高质量的补偿孔图像以达到测量预期要求控制系统要完成对制动主缸旋转 运动及内窥镜直线运动的高精度控制。 控制系统的控制精度以及性能直接影响到系统测量的精度。结合本系统测量精度 的要求，我们采用运动控制卡+ 伺服电机的方法，保证执行机构的运动能够得到及时准 确的响应由此令控制效果达到比较高的精度。 伺服电机 伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变 速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和 转速以驱动控制对象“。：。在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换 成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类。其主要特 点是当信号电压为零时无自转现象转速随着转矩的增加而匀速f 降。 本系统对选用的伺服电机有如下要求： ( 1 ) 精度高。无论在静、动态情况，伺服电机的输出量要能够高精度的复现输入量。 ( 2 ) 稳定性好。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 ) 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，过渡时阃要短。 选用伺服电机需要从以下几方面考虑： ( 1 ) 确定机构部a 此外。还要确定各种机构零件( 滚珠丝杠的长度、导程和带轮直 径等) 的细节。 ( 2 ) 确定运转模式。加减速时间、匀速时自】、停止时间，循环时间、移动距离。 ( 3 ) 计算负载惯量和惯最比。结合各机构部计算负载惯量，并且用所选电机的惯量 去除负载惯量，计算惯量比。 ( 4 ) 计算转速。根据移动距离、加减速时问、匀速时间计算电机转速。 ( 5 ) 计算转矩。根据负载惯量和加减速时间、匀速时间计算所需的电机转矩。 结合本系统结构要求，我们选用了日本松下公司生产的惦系列的m s m d 0 1 2 g 1 v 型 伺服电机。经过试验测试，它能够达到本系统的精度要求。 整藩3 6 日一f - 一 臣； 1 号 塑点一 i 编日9 4 接# 蹙) 制动连接器孕m n 摇 m s m d 0 1 2 g i v 型伺服电机的规格如表3 1 所示 表3 一lm s m d o l 2 g i v 型电机规格目 m s m d 0 1 2 g l v 伺服电机的转矩特性如图3j 所示 再苷 蓬续转婚一嗣、境温度 蕺乏寿带比 0 3 0 0 0 舢啪c 辞退i r 脚i n l 01 02 03 0 互麓蔷覆f i 图35m s m i ) 0 1 2 g i v 伺服电机的转矩特性 伺服电机驱动器 由于电机不能直接接到直流或交流电源上工作。必须使用专用的驱动电源( 电机 驱动器) 。控制器( 脉冲信号技生器) 可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量从而 达到准确定位的目的：同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度， 从而达到调速的目的。 我们选用的伺服电机驱动器是与m s m d 0 1 2 g i v 伺服电机配套的电机驱动器型号为 m a d h t l 5 0 5 。其功率元件撮大额定电流为i o a ，电源电压为三相2 0 0 v ，电流检测器的额 定电流为5 a 。 控制模块 在本测量系统中，我们需要进行人机交互式的两轴精确控制，一个是制动主缸的 旋转另一个是光学内窥镜的直线运动，并且要求控制有比较高的精度以及及时响应。 因此我们选用运动控制卡来实现上述条件，从而完成测量机构所需要的精确动作。 在本系统，计算机与运动控制卡构成了主从式的控制结构。其中计算机负责管理 以及实时监测运动控制卡则完成所有运动其原理如图36 所示 例36 上1 i 控制模块 结台内窥镜、制动主缸的定位控制的实际要求，我们采用北京科瑞兴业公司生产 的k p c i 8 8 2 型运动控制卡。 k p c i 8 8 2 是p c i 总线两轴伺服步进电机运动控制卡它虬高频率脉冲串输出方式 控制伺服步进电机的运动。该卡能精确地控制所发出的脉冲频率( 电机速度) 、脉冲 个数( 电机转角) 及脉冲频率变化率( 电机加速度) 它能满足步进电机的各种复杂的 控制要求。可对电机进行位置控制、插补驱动、加速减速等控制。具有圆弧、直线插 朴功能。它含有丰富的，功能齐全的软件库函数赘源。 k p c i 8 8 2 技术指标及功能特点： 3 2 位p c i 总线半长卡。 步进、数字式伺服电机控制。 驱动脉冲频率为i l u 4 m h z 最大步长为2 6 8 0 0 0 0 0 0 。 脉冲输出方式、方向可选。 实现定长驱动和连续驱动。 运动中可改变驱动速度。 针对制动主缸补偿孔的内轮廓形状尺寸检坝0 ，本文研究了一种适用于深 l 内轮廓 形状尺寸检测的光学内窥成像系统，用于捕捉补偿的孔图像。率子系统由c c d 摄像机、 远心内窥镜以及图像采集卡组成。测量光学系统采用远心内窥光学系统，系统由成像 系统和照明系统组成，内窥镜成像光学系统采用双远心光学系统，9 0 度视向棱镜完成 光线的偏转，采用l e d 直接照明。 光学成像系统的原理框图37 所示： 图37 光学成像系统的原理框图 321 内窥镜光学系统 照明系统 照明系统是光学成像系统中一个非常关键的部分照明光源对成像质量的影响很 大，如果系统选用的光源不合适那将会引起各种各样的问题。由于测量系统的实际 环境不确定因素、干扰很多，对工件图像成像光源的影响比较大1 。在测量系统中 被测量工件能够让c c d 摄像机获得图像信息就是通过光源的照明。光源光强分布的不 同或者光谱成分发生的变化都会对c c o 摄像机获得的图像信息产生很大程度的影响。 因此如果要获取理想的图像信息，最关键的就是选用一个稳定良好的光源。 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。 ( 2 ) 光源的亮度要舍适，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。 ( 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。 l e d 照明经过多年的发展，目前技术已经比较成熟，并且相比传统照明有着环保、 节能、寿命长等明显的特点，从而己经被各个领域广泛的应用。 由于本系统同时要满足内窥镜以及被测主缸缸体内部空间两方面的照明通过以 上分析，系统采用了l e d 贴片光源。 l e d 贴片灯由f p c 电路板、l e d 灯、优质硅胶套管制成。防水性能，使用低压直流 供电安全方便发光颜色多样，色彩鲜艳；户外使用可以抗0 v 老化、变黄、抗高温等 优势”。 成像系统 工业内窥镜是一项新型精密仪器它综合了很多领域的技术，其中包括光学、精 密机械、电子技术以及显微成像技术等它具有容易改变检测视线方向这样的优点”， 目前已经被广泛的应用干一些无法触及到的机械零部件形位尺寸及缺陷的检测。 内窥镜成像系统由两部分组成一部分足用来图像信息采集的物镜另一部分是 为了获得长= ：= 作距的转像系统，系统光源采用贴片l e d 环型光源照明。内窥镜光学系 统由目镜、转像透镜、内窥物镜、投影物镜组成。 图38 内窥镜光路示意图 1 转向系统2 孔径光阐3 成像物键4 补偿孔5a 角棱镜6 制动缸 本系统中使用的是硬性内窥镜，作用是用来传送测量过程中捕获到的补偿j l 图像。 其结构是将窥镜探头物镜安装在一个不锈钢管套内的透镜组，前端还安装有用于照明 的贴片l e d 电路板。通过这样的设计就可以完成羽4 量中对补偿孔的图像采集，然后 通过c c d 以及图像采集卡将图像信息输入至计算机中进行处理。 图39 硬性内窥镜结 句圉 322c c d 摄像机 c c d 是电耦台器件的简称它能将光线变为电荷并能将电荷储存及转移也可将储 存的电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像机元件。以其构成的c c d 摄像机具 有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。 c c d 摄像机的功能是将空间频率信号转换成视频信号。主要由摄像物镜面阵c c d 器件及c c d 驱动电源三部分组成。通过摄像物镜将内窥镜采集的制动主缸补偿孔的图 像成像在面阵c c d 器件的光敏面t 。c c d 驱动电源用于驱动c c o 器件工作，输出图像视 频信号，井通过图像转换使图像最终成像在计算机屏幕上供检测和观察用。 在奉测量系统中，由于图像信息全部由c c d 摄像机进行生成，所以它的性能对最 终采集的图像质量有若非常大的影响。c c d 摄像机的选用需要满足两方面的要求一个 是它的相关技术指标要能够满足系统测量精度的要求另一个是要能与整个成像系统 配合使用。只有满足了这两个要求c c d 摄像机才能在测量系统中产生我们所需要的、 理想的、清晰度高的图像。 c c d 摄像机的相关技术指标对系统测量精度有着比较大的影口向，选用成像系统中的 c c d 摄像机型号就报关键，所以要细致分析c c d 的相关技术参数以及系统测量精度的要 求。 c c d 传感芯片是c c d 摄像机的核心，它对采集到的补偿孔图像信息的质量起到至关 重要的作用。采集的图像要经过c c d 摄像机的镜头感光到其上，然后经过一系列的处 理之后形成视频图像信号的输出i t 5 c c d 摄像机工作原理如图3 1 0 所示c c d 摄像机输 出的视频图像信号通过图像采集卡输入到计算机处理系统，最终就可以得到补偿孔的 形状尺寸、位置信息。 为了保证采集到的图像质量，以及在后期进行图像处理时要考虑的误差范围，在 我们选择c c d 的时候需要考虑c c d 的型号与性能它对视场角的犬小和分辨率的高低 有直接的影响。 设放大倍率为卢，根据物面和c c d 的大小确定放大倍率。 当工作距离确定为5 m m 时，物方线视场为4 胁选定1 6 英寸c c d ，像方线视场为 3 m m 此时放大倍率为07 5 。 计算出视场中每1 硼所占像素数像素数越高，说明分辨效果越好在研究经费 允许下选取最优方案， 由于本系统中c c d 摄像系统随内窥镜系统一同运动进入制动主缸的深腔中，因此 要求其d , z 5 、精便。因此本系统根据参数精度要求选择宁渡明视数字技术有限公司生 产的h x 一0 1 6 一d h 型号的1 6 c c d 摄像小模块。 i 6 c c d 摄像小模块h x 一0 】6 肼属于精密电子器件其图像模块采用特殊工艺焊接， 主要用于医疗、工业电子内窥镜，自动设备视觉控制系统等精密小型系统中的图像采 集t 由图像控制器( c c u ) 、专用电缆( c a b l e ) 、图像传感嚣( i m a g es e n s o r ) 等组成。 主要性能指标如下： 图像传感器：1 6 ”c c d c c d 有效像素：7 5 2 ( 水平) * 5 8 2 ( 垂直) 电视线：6 2 5 线 信噪比：4 9 d b 白平衡：手动 视频输出制式：p a l c c d 信号线长度：35 米 c c d 摄像头尺寸：审55 m m 非接触测量等优点。本系统中光栅位移传媾器用于测量补偿孔与预先设定的基准面 之间的距离，从而获得补偿孔径。当清晰的补偿孔图像信息被光学成像系统捕捉到的 时候，光栅尺记录其相对位置，实现补偿孔形位尺寸的精密测量。 33i 光栅位移传感器的原理 常见光栅进行位移测量的基本原理都是基于莫尔条纹现象。莫尔条纹是这样定义 的；指示光栅上的线纹与标尺光栅的线纹之间存在一个小角度0 的时候，并且两个光 栅尺的刻面是平行放置，然后在光源的照射下，就会在位于几乎垂直的栅纹上形成明 暗相间的条纹8 。这种就是所谓的莫尔条纹。 莫尔条纹的宽度为两条亮纹( 暗纹) 之间的距离，以w 表示。 。陡乡、 柯p 吒， 。擘太：i 。 毕) 户 囤31 2 莫尔条纹 莫尔条纹有如下的变化规律： 当两片光栅相对移动一个栅距的时候莫尔条纹相应移动的距离为一个条纹。并 且在光的干涉与衍射的作用下，莫尔条纹的变化规律近似正( 余) 弦函数，并且变化的 周期数同步于光栅相对位移的栅距数量”。 莫尔条纹具有放大作用： 如果两个光栅之间的栅线的史角很小莫尔条纹宽度w 、栅线角、光栅栅距有如 下关系式： = m 0 ( 33 ) 囡为倾角很小所以s i n o 根小，若m - o o l m m ，6 - 0o l r a d ，则上式可得w = 1 ，即 光栅放大了1 0 0 倍。 融 上i 生l 一 图3i3 莫尔条纹计算 莫尔条纹具有均化误差作用： 由于莫尔条纹由很多个光栅条纹共用形成，所以平均化了栅距之间的相邻误 差。这样就消除了由于栅距不均匀而造成的误差。 332 光栅位移检测控制 为了提高光栅测量位移的分辨率，就需要细分莫尔条纹。电子细分方法是目前采 用最多的一种方法。所谓细分，就是使位移信号每变化一个周期不是计一个数而是计 几个数。 在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4 个光电器件就能实现电子细分与判 向功能。例如栅线为5 0 线对m m 的光栅尺，其光栅栅距为0 0 2 础，若采用四细分后 便可得到分辨率为5u m 的计数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。由于位 移是一个矢量，即要检测其大小，叉要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光 电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波通常采用由低漂移运放构成的差 分放大器。由4 个光敏器件获得的4 路光电信号分别送到2 只差分放大器输入端从 差分放大器输出的两路信号其相位差为2 ，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信 号进行整形首先把它们整形为占空比为l ：1 的方波。然后通过对方波的相位进行 判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅 尺的位移和速度。 栅，光 j 前细 整 旧h ：hi 叫；h ；h i 信 件大i 路路 s- _ 目314 光栅信号的数字化 光栅位移传感器的数字化过程如图3 1 4 所示。由于其可以直接与计算机进行信息 传递，而不需要进行a 0 转换，所以在静态( 动态) 情况f 的实时测量特b 适台使用， 并且测量精度也比较理想。 在本系统中我们选用了德国海德汉公司生产的l c 4 9 3 f 型绝对式直线光栅尺。具体 参数如下： 精确度等级为j m ，测量步距为0 】帅，分辨率为0 o o j l i i i l ，允许最火速度为 2 0 0 m m s 测量的最大长度为3 2 4 0 册。 经过试验以及实际应用选用的光栅尺可以满足系统测量精度的要求。 动 屑 量 数据采集及处理系统负责收集补偿孔的图像以及从光栅尺上读取的数据，并进行 处理得出补偿孔的行为尺寸信息。其中数据采集系统通过接收光栅位移传感器读取的 位移信息，并结台光栅尺信息从而得到制动主缸补偿孔形位、尺寸数据倍息；咀及计 算机接收通过图像采集卡实时传递的光学成像系统的视频信号，然后运用相关图像处 理算法对补偿孔图像进行分析。 341 补偿孔图像信息采集 图像采集卡的功能是将光学成像系统获取的模拟电信号进行采样和量化处理转 换为计算机可以处理的数字图像信号。| 。囡为采集到的补偿孔图像质量的优劣直接关 系到之后计算机图像处理算法是否能够实现，所以图像采集卡在本测量系统中的作用 非常关键。在本测量系统中，我们采用图像采集卡来连接光学成像系统与计算机，用 来采集补偿孔的图像信息并进行图像信息的实时传递以及处理。 图像采集原理如图3 1 6 所示。 图 图 像模采 像 信数集 信 号转控 号 输 换 1 卜 制 处 入模模理 模 块块模 块 块 广甚臻孺1 了及 堡型丝迭 厂籀及控盯 焦垫 图3 1 6 图像采集原理 我们根据图像采集忙各项技术参数指标并结台本测量系统具体的设计要求，我 们选用了太恒图象有限公司生产的o h c g 4 0 0 图像采集卡。m d hc g 4 0 0 基于高性能的p c i 总线，使其能实时传送数字视频信号到显示存储器或系统存储器。输入的彩色视频信 号经数字解码器、模数转换器、比例缩放、裁剪、色空变换等处理，通过p c i 总线传 到v g a 卡实时显示或传到计算机内存实时存储。数据的传送过程是由图像卡控制的 无需c p u 参与瞬间传输速度可达1 3 2 m b s 。产品具有以下特点： ( 1 ) 标准p a l 、n t s c 彩色黑白视频输入 ( 2 ) 输入方式：软件选择及切换：六路c v b s 输入、三路y c 输入、走选一模拟视 频输出 ( 3 ) 图像采集最大分辨率：7 6 8 5 7 6 2 4b l t ( p a l ) 6 4 0 x4 8 0 x 2 4b i t ( n t s c ) ( 4 ) 灵活采集图像：可按单场( 奇场或偶场) 、单帧、连续场、连续帧、间隔几场或 几帧等多种采集方式 ( 5 ) 硬件完成输入图像的比例缩放( s c a l e ) 、裁剪( c l i p ) ；输入图像的大小、位置 可灵活设置 ( 6 ) 挣色度空问变换( c o l o rs p a c ec o n v e r s i o n ) ：y l v 4 ：2 ：2 r g b 3 2 ，r g b 2 4 ，r g b l 5 ， r g b l 6 和y 8 b i t 等多种图像显示和存储格式 采集卡韧始化 0 设置采集卡显示区采样区、储存卡大小 南南 皇一 设l 置l 采l 1 嚣1i 羹1 粜i 觑i 倒剖 色 参 数 等待系统对采集悟进行数据读取处理 上 释放采集卡资源 图31 7 图像采集卡软件设置 d h c g 4 0 0 图像采集卡完全可以满足测量系统对所采集图像的技术要求，并且性能 比较优越。并且为了使图像采集卡的功能得到更好地应用，我们使用v is u mc + + 编程 软件对其进行二次开发，设计了如图31 7 所示的软件设置操作。 具体的步骤如下： 初始化系统 首先初始化图像采集卡，将光栅尺组件调至系统零点设置图像采集卡类型以及 相关参数t 打开图像采集设备设置所用标校装置参数，安装被测工件启动压紧螺 杆电机适当调整步长等。 获取所测补偿孔孔径图像 伺服电机带动内窥镜上移，观察捕捉视频窗口中的第一个补偿孔，然后分别通过 内窥镜移动电机栏和内窥镜旋转电机栏中的微调钮，获取图像。窥镜继续上移找到第 二个补偿孔获得第二个孔的相关数据。 图像处理 在通过光学成像系统得到清晰的补偿孔图像信息之后，需要利用二值化及c a n n y 边缘检测算子提取孔径”，这样才能进一步的将孔心位置确定。 图象边缘检测有以下几个步骤： ( 】) 滤波 ( 2 ) 增强 ( 3 ) 检测 ( 4 ) 定位 图3 擂边缘检测算往的基本步骤 下面将介绍c a n n y 边缘检测的相关理论。 后得到最优化逼 图31 9 非极太值的抑制 四个扇医的标号为0 到3 ，对应3 * 3 邻域的四种可能组合。 在每一点上，将邻域的中心象素m 的梯度值与沿着梯度线的两个象素的梯 度值进行比较，如果沿梯度线的两个相邻象素梯度值比m 的梯度值大那么m = o 。 即： ( fj 】= n m s ( m i 巾出门) ( 34 ) ( 4 ) 用双阈值算法“检测和连接边缘 减少假边缘段数量目前有一个很普遍的方法：对n i j 1 使用一个阈值。然后将所 有低于闽值的值全部赋零值。这个方法的关键所在就是如何进行阈值的选取。 对于闽值的选取有这样一个解决办法：双闻值算法。 双闽值算法是通过作用两个闽值r 1 和r 2 在非极大值抑制图象上且2 r l = r 2 ，这 样我们就可以得到两个闽值边缘图象 i f 1 和虬卜州。其中【f 卅含有很少的假边 缘，但有间断。然后积闽值法就要在札【t 州中把边缘连接成轮廓。具体实现方法是当 到达轮廓的端点时，该算法就在 i f j 】的8 邻点位置寻找可以连接到轮廓上的边缘， 就这样通过算法不断地在m 【 门中进行边缘收集直至最后将，【f 连接成轮廓为 止。 数据处理 通过计算机将光学成像系统采集到的补偿孔图像信息进行图像处理获得每个孔 离，通过运算确定两个 第四章误差分析与补偿 系统的精度是各种精密测量系统非常重要的技术指标之一。所以，对测量系统进 行整体的误差分析是系统设计必不可少的一项工作。误差分析就是对影响系统测量精 度的误差进行科学分析。一般来说，要分析误差的来源以及性质，研宄误差的传递 以及在传递过程中系统误差和随机误差的相互转化、相消累积的方法“，使系统设计 完成后的总误差降低到最小，从而达到满足测量精度的要求， 在本测量系统中，只有保证了内窥镜直线、旋转运动位置和光栅尺检测位置、采 集图像位置的高精度对应关系才能保证规定的测量精度，因此必须分析清楚产生误 差的原因及误差对精度造成的影响制定妥善的解决误差、提高精度的具体办法。本 章将对各种情况引起的误差进行分析，并通过计算给出修正范围和要求，使系统各种 误差尽可能小，咀便检测结果达到所要求的技术指标。 41 误差的分类 根据误差的性质和产生的原因，一般分为三类： 1 偶然误差 在已消除系统误差观测中，如果所测数据在最后一位或者两位数字上有差别而 且它们的变化没有确定的规律，这类误差就称为偶然误差。