工程硕士学位论文工程硕士学位論文 基于机器视觉的轴类典型轴类零件有哪些测量仪设计 硕 士 研 究 生：张海心 导师：刘国栋教授 申请 学位：工程硕士 学科：仪器仪表工程 所 在单位：电气工程及自动化学院 答 辩日期：2018 年 6 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classified Index:TH741 U.D.C:681.2 Dissertation for the Master Technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 I 摘要 本设计针对精密加工机床、汽车工业等机械装备生产制造业出现率较多的 轴类工件的形状及形位误差测量要求设计一种基于机器视觉测量技术进行高 效率、高精度测量仪器。 本文依据待测轴类典型轴类零件有哪些的特性、待检参数和测量精度要求提出了一种基 于视觉检测原理的高精度軸类检测仪器的设计思路，完成了仪器的总体结构的 设计和优化采用立式结构，采取待测工件回转、数据采集装置竖直扫描的方 案设計了精密回转密珠轴系，优化了轴系的结构参数根据测量指标对仪器 的线性运动机构和图像采集装置进行了选型分析， 选用大像面面阵 CMOS 囷背 光照明方式实现轴类典型轴类零件有哪些几何参数的数据采集最后根据现有实验条件选用精 度相当的部件进行半实物实验，对采集嘚实验数据进行了误差分析实验装置 的测量范围为Φ14mm*200mm，直径测量误差为 0.26μm极差为 2.29μm，标准 差为 0.61μm；圆柱度测量误差为 0.27μm极差为 0.9μm，標准差为 0.36μm； 圆跳动测量误差为 1.0μm极差为 3.9μm，标准差为 1.37μm经半实物实验精 度与设计方案精度进行对比分析，本设计可以达到设定的精喥指标 关键机械参数计算及结构优化22 3.2.1 底座转台参数计算及优化.22 3.2.2 导轨架结构优化28 3.2.3 底座优化31 3.2.4 线性运动部件选择. 31 3.2.5 底座转台驱动选择. 33 哈尔滨工业夶学工程硕士学位论文 II 3.3 底座轴系误差对测量精度的影响35 3.3.1 轴系精度的概念35 3.3.2 影响测量仪轴系误差的因素分析.37 3.4 亚像素细分52 4.2.3 检测效果比较52 4.3 特征提取算法.54 4.4 软件界面设计.56 4.5 本章小结.56 第 5 章 实验系统搭建与误差分析.57 5.1 实验系统搭建.57 5.2 实验数据分析.58 5.3 误差分析.61 5.4 本章小结.64 结论.65 参考文献 66 哈尔滨工业大学学位論文原创性声明和使用权限70 致谢.71 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题来源及研究的背景和意义 1.1.1 课题的来源 本课题来源于校企项目，目的在于应用机器视觉技术实现全自动的轴类零 件的典型轴类零件有哪些尺寸与形位误差的一体化高精度测量需求 1.1.2 课题研究的背景囷意义 轴类零部件在机械工业与装备行业中占有很大比重，可以说轴类零部件的 制造水平直接影响着装备制造业的生产水平近年来我国笁业不断的发展，器 械装备的使用量逐渐增加所以对于轴类典型轴类零件有哪些的需求量也随之增大。在现代装 备制加工生产行业中軸类工件加工工艺和测量检验一向占有着十分重大的位 置，对于轴类零部件的测量主要包括外形和公差的测量而公差的测量又是轴 类零蔀件测量的重中之重，最常用的轴类零部件的公差有圆度圆柱度圆跳动 等。 如果一个工件在加工时质量上产生了问题 那么它会直接降低工作的效率， 因此轴类典型轴类零件有哪些形状及误差的测量技术直接影响着工业生产水平的高低，对轴 类零外形与误差的测量的精喥、效率和范围的要求也越来越高所以，轴类零 件外形与误差的测量技术的重要研究方向是提高测量的精度、效率和范围传 统采用接觸式测量轴类零外形与误差易于留下划痕， 进而会损伤被测轴类典型轴类零件有哪些 并且在很大的程度上，测量的精度会受到影响而非接触式测量方法则可以完 全避免。激光通常是人们在非接触式测量中选择的一种测量介质因为它的精 确度较高，自动化程度高因此對于提高效率也是有利的，同时它还具有抗干 扰等多方面的功能优势[1,2]而随着相机和镜头工艺的提高，越来越多的公司开 始使用机器视觉測量技术来完成高精度的检测需求 随着现代装备制造业的工艺水平的快速发展，对轴类典型轴类零件有哪些的接触式测量方 式如今很难達到工业对其高效率和高精度的测量需求机器视觉检测方法速度 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 快、性价比高、检测范围宽、操作方便、人机交互程度好等优点，广泛应用于 航空航天、军工武器、交通工具和机械设备等领域的加工制造中[3]所以在交 通工具生产、器械的苼产以及科研领域都得到了广泛的使用。研发能满足多方 面要求的轴类典型轴类零件有哪些测量体系在采用机器视觉测量方法的基础上，采用提高驱 动轴系精度与线性运动系统精度来提高测量精度是一个重要的研究方向，从 其他角度来看机器视觉测量技术对于装备制慥业来说同样也有较高的应用价 值，同时它也可能对其他制造业有不同程度的影响。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 在美国North Carolina State 大学设有负責轴类典型轴类零件有哪些几何参数检测研究的 实验室， 大多数实验室的测量装置用于测量轴类典型轴类零件有哪些的形状误差和表面光潔度 测量形状和位置误差的仪器装备依据其测量特性可分为两类，从测量方式来看 有接触测量和非接触测量两种接触式包括 Federal Formsean 3600 圆柱度仪囷 MahrMfu7 圆柱度仪。当前非接触测量方法中，应用较多的是基于激光三角 法的测量技术这种检测技术已经基本成熟，已经有许多产品应用了這种检测 技术[3],[5] 美国 MTI 的 Mirotrak11 产品[6]是采这种技术的较为先进的高速高精度测量 仪器，它的接收器检测器是 CMOS这款产品避免了物体表层材料和色泽嘚约 束，并且对发光光源的提出的约束也降低了测量可以在没有信息处理模块的 情况下单独完成。 德国的 Micro-Epsilon 研发的检测设备使用分辨能力較强的光 电转换元件该检测设备拥有许多优点：线性量程较大、分辨率高、线性度高， 并且多个传感器可以同时测量多各位小部件[7]当湔，我国许多使用的激光测 量仪器都是从日本 Keyence 进口例如 LK-G 系列产品，这种产品可以进行长 距离测量采用 CCD 元件的激光位移传感器，最大测量范围 l000mm测量误 差小于 0.02%，并且重复性为 0.01μm是一种典型的高精度、高速度、长距离 测长设备[8]。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3 KEYENCE 公司主要研发的传感器和测量仪器在产品上不断开发制造更 新，以满足制造业的多元化需求其新产品 LK-G500 应用 CMOS 元件的激光 移位传感芯片，性能目前夶概达到了全球范围内的尖端水平测量速度与精度 超高，其速度可以达到 392kHz、重复性可以达到 5nm、误差小于 0.02%目前 国外某些公司已经出现将計量光栅系统运用到设备当中的情况，如德国 ZEISS （蔡司）公司生产的立式数字测长设备系统分度值有 1μm 和 0.5μm 两种。瑞 士 PREMISURA（普里米苏拉）公司研制的分度尺值为 1μm 和 2μm 两种。 国外某些长度测量仪器的主要技术规格见表 1-1 表 1-1 国外三种不同型号长度测量仪主要技术指标 速测量仪囷意大利伟希（VICI）系列立式轴类工件光学测量仪。 图 1-1 TESA SCAN 50 型轴类零测量仪 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 4 图 1-2 TESA Profile 130 型轴类零测量仪 图 1-1 是瑞士特萨设計的 SCAN 50 型轴类工件测量仪器图 1-2 是其设计 的 Profile 130 型轴类工件测量仪器。特萨 SCAN 系列测量范围较小相比之下 特萨 Profile 系列具有更大的测量视场，这两个產品是瑞士 TESA 研制的应用光 学、机械、微型计算机和数据处理技术于一体的全新测量装备该设备利用光 敏半导体元件在不同光照条件下电導率和电阻值不同的特性，采用大规模集成 的线阵 CCD 光电转换器件；在均匀平行光照明下待测工件的形状尺寸和位 置公差被投影到 CCD 的光敏傳感器上，将光信号转变成电信号后通过采集 和放大电信号的方式，并经过相应 A/D 转换器最终模拟电信号被转换成数字 电信号。其中包含轴类工件的外形信息的图像数据由计算机处理这样就可以 计算出轴类工件的测试数据。 该仪器由机械机构、光学采集系统、电气控制裝置和微机数据处理系统五 部分构成能够测量各种旋转部件的直径，长度和其他外部尺寸和锥度圆柱 度，圆度和其他几何公差如圆柱体，锥体球体，螺纹等同时它的测量速 度快，精确值准确经过数据的分析处理将得到的相关数据信息和外形情况， 并可打印测量結果 图 1-3 所示是意大利 VICI 公司 MTL 1 型立式轴类工件光学测量设备，该 产品为非接触式一键式测量具有可电动升降的顶尖，同时带有大量配套的頂 尖和夹具选项轴类工件光学测量仪使用矩阵式光源，采用面阵 CCD 相机并 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 5 且逐面执行图像捕获进而每秒采集超过一百万个点。而且不必事先校准要待 测量的轴类工件的长度和直径即可以测量轴类工件的长度从极小值到极大值 的所有尺寸；探测器本身配有可自动调节的标准装置；该轴类工件光学测量设 备具有超高精密的旋转轴系，可保证工件行为误差例如圆度同轴度与哃心度 等的测量精度；在确保检测速度的同时，该仪器提高了对小型键槽圆角倒角 以及过渡表面等等一些小型几何特征的测量水平。它鈳以实现对各种轴部件 轴和连接器的高度精确和准确的非接触式测量。只需不到一分钟就可以完成众 多个几何参数的测量伟希 MTL 系列测量仪测量指标如表 1-2。 图 1-3 VICI MTL 1 型立式轴类工件光学测量设备 表 1-2 伟希 MTL 系列测量仪技术指标 机型MTL X5MTL 300 EVOMTL1MTL500ERGON 早期国内专项用于轴类典型轴类零件有哪些测量的精密仪器仪表设备相对缺乏大部分产 生在部分科学研究院所及大学的科研工程中。在早期大连理工大学开发出轴 类典型轴类零件有哪些測量设备并申请了国家科技发明专利。 他们研发的此项测量设备由支架、 导轨、信息采集和处理软件系统以及测量运动机构等部分构成其亮点是仪器 中设置有旋转 A 轴与 B 轴， A 轴和 B 轴在空间中平面内垂直而且相交与此同 时，仪器还设置有 C 轴C 轴与 A 轴相错，与 B 轴垂直相连测量传感器装配 在 B 轴上，测量传感器和待测轴类典型轴类零件有哪些分别围绕 B 轴和 A 轴旋转并且精密 转台以 C 轴为回转中心，如图 1-4 所示主要優点：轮廓的垂直线始终保持与 测量头相同的方向；实现极坐标测量；被测件的内表面与外表面在同次装夹后 就可以一次完成测量；系统組成结构紧凑，价格比相同三坐标机降低了的 2/3 图 1-4 回转体测量仪测量原理图 在学术研究和工程实践成果方面，长春理工大学开发出一种双噭光扫描式 测量设备这套激光扫描检测设备可以用于非接触式测量较大型的轴类工件尺 寸和形状误差的精密测量。该检测仪器采用光学原理超精密机械设计原则， 光电检测技术计算机电控技术等，进而完成较大型轴类工件的高精度实时测 量该仪器有以下功能：完成軸类典型轴类零件有哪些的径向尺寸测量及形位公差测试；系统 误差修正；多次测量平均次数切换；测量模式选择；电脑一体化显示并输絀测 量结果；根据工作需求，可以提供闭环控制信号实现工业作业环节中的闭环 控制和统计质量控制（SQC）。 目前我国自主研发和生产的測量仪器主要有广州威信精密仪器有限公司 生产的 L-3000 系列西安交大思源精密工程有限公司生产的 CYM1200 以及广卓 精密仪器有限公司生产的 TL-3000（如图 1-5 所礻）等[9]机械主机采用被测零 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 7 件立式安装结构形式，整机由数控回转台、垂直和径向数控导轨、测量头系统、 基座、立柱等几部分组成这种测量仪同国外先进仪器采用同样的方式，程序 上进行了大量的误差分离和误差补偿等数据处理解決了安装基准与设计基准 的统一问题，大大降低了系统误差使测量仪精度提高了个数量级，也使典型轴类零件有哪些 检测发生了质的飞躍但上述仪器主要为凸轮轴专业测量仪器，能够同时对不 同轴类典型轴类零件有哪些进行检测的测量仪还很少 图 1-5 TL-3000 测量仪 在轴类典型轴類零件有哪些形位误差的测量领域，特别是用于检测轴工件的外形和形位误 差的领域中高校和研究机构出现了相关的高水平误差评估和測量方法，并已 达到全球前列水准北京机电研究院开发的圆度测量设备采用最小二乘法和最 小区域法作为评定方法，测量圆度和圆柱度誤差[3]该仪器是中国第一个自主 开发电脑控制圆柱度检测设备。 大连理工大学开发出五轴形位误差测量仪 可以测量旋转圆柱体， 圆锥体 球体及其组合体的内外轮廓的形位误差，这种设备的亮点在于可以在同一次夹 装中完成检测东北大学也开发出 “XWY-1”型号形貌与位置公差检测装备， 可媲美全球先列水平并且研制出了专用处理轴类典型轴类零件有哪些几何与位置公差的信息 处理软件功能。 中国科学院合肥机械所已开发出精度高于 0.5％ 线性度为 0.1％ 的长度测量设备，这种测距仪器使用的是非接触式测量方法——激光三角法测 量所以非常符匼测量精度的要求。国内长度测量仪器的主要制造商是上海泰 明光学仪器有限公司通用长度测量仪 JDY-2，数字万用长度测量仪 JDY-3 及 哈尔滨工业夶学工程硕士学位论文 8 JDY-1 立式长度测量设备有较强代表性该仪器的主要技术指标及精度要求见 表 1-3 所示： 表 1-3 数字式万能测长仪主要技术指标 項目名称数据 技 术 数 据 毫米刻度尺长度、分度值长度 100mm，分度值 1mm 测微目镜的最小刻度值0.001mm 测量范围：用绝对测量法100mm 用相对测量法250mm 测量轴中心线與立柱间间隔110mm 测量力（0.75-2.5)N 仪器外形尺寸950*480*240mm 仪器重量约 55kg 精 度 指 标 测量主轴运动方向与工作台垂直度在 100mm 长度上不大于 0.03mm 测量主轴运动的直线度在 100mm 长度仩不大于 3μm 螺旋双刻线回转的同轴度不大于 0.3μm 0.1mm 刻度尺和微米刻度尺的相对位置不大于 1μm 微米刻度尺正反方向对准时的读数差不大于 0.3μm 示值穩定性0.4μm 次测量误差（L-测量长度单位：mm）（1+L/100)μm 1.2.3 研究现状简析 经过国内外现状调研，可以看出在轴类典型轴类零件有哪些的测量方面，峩国与世界先 进水平具有不小的差距国内的接触式测量仪器发展较好，测量精度较高；但 非接触式测量仪仍处在初级阶段测量仪的部汾部件是采用国外已有的成熟产 品。本文根据这一不足自主设计了测量仪驱动工件旋转的精密转台，并对测 量仪整机结构进行了优化设計 1.3 本文的主要研究内容 本课题的主要研究内容是轴类典型轴类零件有哪些的非接触式测量仪技术研究，致力于设 计一套基于机器视觉技術的非接触式轴类零部件的一体化测量仪器实现轴类 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 9 零部件的外形与形位误差的测量。本设计采用机器视觉技术进行典型轴类零件有哪些的测量 通过设计与优化测量仪器的机械机构来提高测量仪器的测量精度，构成可以测 量外形及形位誤差的多功能一体化测量仪器具有通用性强、精度高、非接触 实时测量等特点。 设计技术指标见表 1-4测量工件最大尺寸为Φ35*300mm，测量精度為 （5+l(mm)/100)μm具有直径测量、圆度测量、圆柱度测量与圆跳动测量的功 能。 表 1-4 本测量仪技术指标 技术指标量值 测量参数直径、圆度、圆柱度、圓跳动 测量范围Φ35*300mm 仪器分辨力1μm 测量精度（5+l(mm)/100)μm 最大承重30kg 根据该项目的研究内容需要完成以下部分工作： 1) 系统地总结轴类典型轴类零件有哪些几何机械参数检测设备的国内外发展现状； 2) 确定仪器的检测范围，设计轴类典型轴类零件有哪些几何参数测量仪器的总体方案完 成儀器关键部件精密机械结构设计与优化。 3) 进行传感器的选型与布局对轴系进行模态分析，完成测量仪的测量运 动系统及典型关键部件的結构分析； 4) 对成像系统进行详细分析研究测量系统的图像处理算法。搭建测量仪 软件开发平台设计测量软件的整体架构，设计与实现軸类典型轴类零件有哪些测量仪测量软 件； 5) 对轴部件的几何和机械参数进行测量实验并收集、分析和处理实验结 果。对测量仪器的误差源采取了相应的理论分析为了提高设备的精确度，而 做出的一系列理论依据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 10 第 2 章 轴类典型轴类零件囿哪些测量仪的总体方案设计 2.1 引言 本文所设计的轴类典型轴类零件有哪些测量仪主要测量的参数为轴类工件的直径大小和 典型轴类零件有哪些的形位误差，包括圆柱度误差与圆跳动误差本章重点阐述测量指标中提 到的误差，以及本设计所用的测量方法和总体设计方案 2.2 圆柱度与径向跳动的定义与测量方法 2.2.1 圆柱度与测量方法 1 圆柱度 我们使用待测工件的理想几何柱表面作为基准，实际测量的工件表面相对 于其變化叫做圆柱度圆柱度的公差带为：实际圆柱形表面元素的最外侧和最 内侧直径数值的测量确定了最小包含空间，即该空间与理想几何柱面之间的空 间图 2 -1 所示为圆柱度误差表示与示意图。 图 2-1 圆柱度的公差示意图和误差表示方法 2 圆柱度测量方法 1）三点法 根据图 2-2 所示的方式测量每个给定测量截面的旋转一圈过程中检测表 的给出的最大指示值和最小指示值的差值的 1/2 就是圆柱度公差值。 φ 哈尔滨工业大学工程碩士学位论文 11 图 2-2 测量圆柱度的三点法 2）三坐标测量法 一般在三坐标测量仪器上根据需要检测轴类工件横断面边缘检测点的空 间坐标值然後用相关的电脑程序可以计算圆柱度公差值。用圆度仪进行圆柱 度检测时待测轴类典型轴类零件有哪些在旋转工作台上沿铅直轴线分成若干个等距离段，底 座回转平台带动轴类典型轴类零件有哪些一同旋转；如图 2-3 所示三个信息采集器放置在导 轨支架上，可以沿导轨线性迻动以逐个测量等距部分获取每个等距部分的原 始信号。检测传感元件所采集的原始信号不仅包含正在测试的轴类典型轴类零件有哪些嘚每个 部分的圆度公差母线的直线度公差而且还包括与导轨机构混合的线性运动误 差和旋转工作台的旋转运动误差。将以上误差用计算機处理远近进行处理并去 除并根据最小二乘法中心重建实际的工件外表面形貌，然后利用国家标准规 定的误差评定方法得到待测轴类笁件的圆柱度误差[10,11,12]。 图 2-3 三坐标法测量圆柱度 2.2.2 径向跳动与测量方法 1.径向跳动 径向跳动是一种位置误差径向跳动是指在旋转 360 度或围绕参考轴連续 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 12 旋转期间，被测试部件满足要求的最大抖动量径向跳动分为两种，包括径向 圆跳动和径向全跳动 1）轴线基准的选择 径向圆跳动与圆度及圆柱度两种误差不同，两者之间的不同在于跳动公差 一定要有一个回转轴线参考它的误差是针對回转轴线而存在的。因此有必 要首先考虑如何在测量方法中模拟轴参考。实际应用中有两种常见的方式其 中一种是使用双顶尖夹装嘚方式，产生误差的最主要的原因来自于两端最上方 的同轴度针对超精密级的检测必须对双顶尖使用配研等特殊工艺来确保高精 度与同軸度。第二种方法是用 V 型块使用轴类典型轴类零件有哪些外表面本身来模拟轴参考 这将不可避免地将外圆误差带入参考，从而影响径向圓跳动的测量精度两种 方法分别如图 2-4（a）、（b)所示。 （a）两顶尖法（b）v 型座法 图 2-4 轴线模拟方式 2 径向跳动测量方法 径向圆跳动是指当测量嘚轴类典型轴类零件有哪些围绕参考轴旋转并且没有轴向运动时 选定部分的径向圆跳动公差是指测量仪表上极大值和极小值读数之间的差。测 得的径向跳动部分垂直于参考轴检测平面与测量参考轴相互垂直，其公差带 是由两个同心圆环成的区域图 2-5 为径向圆跳动的误差表示和公差图。 图 2-5 径向圆跳动的公差图与误差表示方法 l 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 13 径向圆跳动公差的检测方法主要包括传统的径向跳动检测方法测量方法 测量过程为： 第一步，将轴类工件定位在两个顶尖内或放置在 V 形座上以保证轴类工 件在围绕参考轴旋转时不会產生轴向跳动； 第二步，调节微小位移检测器使其与待测工件表面向接触式待测轴类零 件开始回转运动并开始检测； 第三步，在待测轴類典型轴类零件有哪些旋转一周过程中监视并实时记录检测仪器的示 值； 第四步，获取记录中的极大值与极小值并计算获得待测轴类笁件的径向 跳动值； 第五步，根据上述步骤对被测轴类典型轴类零件有哪些的不同位置进行检测； 第六步对全部测量部分的检测数值进荇处理，分析是否符合条件 2）径向全跳动是指待测的轴类典型轴类零件有哪些围绕参考轴回转并且没有轴向位移， 而探头沿着待测轴类典型轴类零件有哪些轴向移动时径向全跳动所产生的误差是在这个测量 过程中，检测仪器产生的最大和最小读数之间的差异图 2-6 所示是铨跳动的 公差图与误差表示。 图 2-6 全跳动公差图与误差表示 传统的径向跳动误差测量是通过对接触式探头这些方式进行测量的采用 的都是┅些顶尖的定位与装夹，我们用参考轴线作为标准它所旋转的一周当 中，可以看出工件的跳动误差是在检测仪表上所显示出的最大值囷最小值的 差的数值。 上面所说的接触式的检测方式操作并没有难度在成本投资方面也是非常 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 14 的小，這种接触式检测的方式仍存在许多不足，如被测工件的磨损以及探头 容易磨损而且这种方法不能测量某些材质特殊的工件。径向全跳動和径向圆 跳动这两者的检验测试方法基本是一致的它们不同的地方，就是在径向全跳 动测量时待测轴类工件测量探针做轴向运动同时嘟具有旋转运动 2.3 系统总体方案设计 非接触测量的好处有很多，可以避免接触测量的缺点数据采集可以对不 同类别的测量对象进行相应嘚研究。在接触式检测方法比较之下非接触式测 量提升了一定的灵敏度和准确性，甚至在测量的效率上也有了明显的提高最 显著的特征是它在检测过程中不接触待测工件的测量表面，所以以完全没有划 伤或损坏测量表面风险因此，非接触式检测方法对测量对象的几何形状和材 质并没有限制由于在测量过程中测量仪器不与待测轮廓向接触，因此能够在 加工同时进行测量即生产检验一体化。通过这种方式可以检测并控制解决 处理过程中发现的问题。生产效率得到提高目前使用率最高的非接触式检测 方法包含激光扫描法，激光三角測量法和图像视觉法 图像视觉测量方法指的是在操作视觉方法的同时得到待测工件的图像，并 且将它与预定的一些标准采取一系列的对仳更加明确的确定出待测典型轴类零件有哪些的生 产质量的一系列过程。它的本质是由一组给定的标准要求确定被测物体的偏差 过程[13]檢查通常涉及指定典型轴类零件有哪些的特征，例如配件完整性测量、表面缺陷和机 械的测量当前机器视觉测量设备通常使用 CCD（Charge Coupled Device）或 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）相机来捕获测试图像并将 其转换为数字信号。然后通过计算机软硬件技术的结合去有效的处理数字图像 所产生的信号通过这种方式去獲得所需要的目标图像特征量。传统视觉检测 装置的测量过程是将待检测的工件尽可能置于均匀平行光的可控光学环境中 通过工业相机囷图像采集卡获得待测工件的数字图像并将其存储在电脑中。测 量仪器的一些软件部分最先开始需要对收集到的数字图像进行预先处理並且 进行相应的分析和有效的识别， 最后检测和图像 这种方法具有非接触式测量， 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 15 精度高速度快，信噪比高等优点不受待测工件材质的限制，因此得到了较 为普遍的应用在非接触式检测方法中，激光扫描方法和激光三角测量方法对 儀器机械结构复杂程度有较高的要求所以，本设计采用图像视觉法进行轴类 典型轴类零件有哪些的实时、非接触式检测 普通轴类测量儀整体结构有悬臂式、桥框式、龙门式、立柱式等等[14]。本 测量仪用于对轴类典型轴类零件有哪些的几何尺寸进行测量分析采取待测工件囙转，测量探 头沿母线方向运动的方案进行测量这种方案的特点是： 1.检测装置运动简单，只需沿工件母线移动通过旋转被测工件就可獲得 被测工件的尺寸。 2.有利于提高测量效率传感装置移动到某一高度位置，工件旋转一周 在此期间可以测量有关该高度外形及形位误差的相关参数。在完成该高度的测 量后测量探头移动到下一个高度，并且测量此时的相关参数以完成测量工件 的测量该方案比不旋转笁件并完全依靠测量装置的移动以完成测量的方法更 有效率。 图 2-7 测量仪整机结构 1、竖直导轨；2、背光光源；3、精密转台；4、大理石底座；5、成像系统； 6、显示器；7、电气柜数据处理器。 本仪器采用立式结构如图 2-7 所示。主要由电控柜、大理石底座、精密 主轴转台、竖直导軌（Z 方向）、光源、相机、镜头、数据处理器和显示器组 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 16 成待测工件由上下顶尖夹装，竖直放置在精密转台上做回转运动图像采集 装置沿立柱上下移动进行图像采集。这种结构强度好结构紧凑，工作平稳 更适用于轴类典型轴类零件囿哪些检测。为了确保测量仪的测量精度在确定测量原理之后， 必须尽可能地从结构上消除误差在结构设计中，应首先满足最短测量鏈的原 则尽可能简化结构以减少误差来源。其次增加结构的刚性和固定性，减少 变形误差和振动的影响；尽可能多地采用运动学或半動力学类型的结构 2.3.1 底座转台方案 底座驱动转台部分拟采用密珠轴系方案。密珠轴系是高精度仪器中常用的 轴系结构是一种非标准的滚動摩擦支承，座圈上均无滚动体的滚道具有使 用方便、 成本较低、 寿命长等众多优点， 主要适用于低速、 轻载的小型仪器中[15] 该装置中設计的滚珠轴承轴系的基本结构由转轴轴颈，轴套和径向轴向之间密 集的具有过盈配合的滚珠组成滚珠采用多头螺旋线的排列方式，这樣的滚到 结构可以使得每个滚珠公转时互不重复 每个滚珠在设定的自己的滚道上滚动， 这样的排列方式有利于均化和减小滚道表面的磨損 保证轴承的精度。 事实上 滚珠的过盈配合的作用相当于对其预加载荷， 由此所产生的弹性形变十分微小 而滚珠的密集排布与其过盈配合的共同作用的效果，对它们之间的形状误差和 尺寸误差起到了均化作用进一步提高了轴系的回转精度。 2.3.2 直线运动机构方案 丝杠传動装置精度高、分辨率高、回程差小同时可以自锁，当丝杠停止 运动时运动副就会进行自锁，运动部件不会由于重力或惯性的作用而歭续运 动而且对滚珠丝杠进行轴向预紧后，能够提高运动副的刚度并保证直线运 动机构的定位精度。 直线滚珠导轨刚度较高承载能仂较强，导轨与滑块之间填充有滚珠滚 珠在导轨与滑块之间的 4 条滚道中运行，通过滑块两端设计的反向装置滚珠 合一在运动副中循环運行。同时滚珠的不同配置可以实现不同的预载荷安装 与调试方便。直线滚动导轨结构如图 2-8 所示 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 17 图 2-8 矗线滚动导轨副结构 本方案要求直线运动