長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGEI摘要為了解決汽車制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔傳統(tǒng)檢測(cè)手段效率低、精度差等諸多缺點(diǎn)，本文提出了基于CCD成像技術(shù)、光柵位移檢測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，研制了汽車制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔(中0.31.2mm)的光電測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了缸體補(bǔ)償孔的尺寸位置、邊緣倒角大小以及缸體主孔內(nèi)表面加工質(zhì)量的非接觸檢測(cè)。然后在計(jì)算機(jī)上對(duì)補(bǔ)償孔圖像進(jìn)行分析，并可以對(duì)缸體內(nèi)表面加工質(zhì)量進(jìn)行觀測(cè)從而大大提高了檢測(cè)的精度效率和可靠性。本文首先敘述了制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量?jī)x的基本功能和技術(shù)指標(biāo)，接著介紹了儀器的總體結(jié)構(gòu)、檢測(cè)原理與方法，系統(tǒng)采用人機(jī)交互式測(cè)量，在螺旋桿下降的狀態(tài)下將被試件安裝在定位夾具上，螺旋桿上升并壓緊在被試件上以使被試件的定位面與定位夾具靠緊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)內(nèi)窺鏡移動(dòng)，并記錄光柵尺的位置信息，同時(shí)將主缸內(nèi)孔表面質(zhì)量信息也保存起來(lái)作為數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分內(nèi)容。最后分析了系統(tǒng)的主要誤差來(lái)源及其對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)精度的影響，并給出誤差分析結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)的孔徑檢測(cè)達(dá)到精度0.03%FS，分辨率0.005mm，重復(fù)性0.01mm的要求。關(guān)鍵詞：制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔CCD成像系統(tǒng)滾珠絲杠ABSTRACTInordertosolvethebrakemastercylindercompensationholetraditionaldetectionmeanstheefficiencyislow,thepoorprecisiondisadvantages,thispaperputforwardbasedonCCDimagingtechnology,gratingdisplacementdetectiontechnology,precisionmachinerytechnologyandcomputerreal-timecontrolanddataprocessingtechnology,developedthebrakemastercylindercompensationhole(0.3-1.2mm)photoelectricmeasuringsystem.Inthissystem,thesizeofthecylinderblockcompensationholeposition,edgechamferingsizeandthecylinderblocksurfaceprocessingqualityholenon-contactdetection.Andthenonthecomputertocompensatefortheholeimageanalysis,andtothecylindersurfaceprocessingqualityobservationwhichgreatlyimprovetheaccuracycheckingefficiencyandreliability.Thispaperfirstlydescribesthebrakemastercylindercompensationholeofmeasuringapparatusbasicfunctionsandtechnologyindex,thenintroducethegeneralstructureoftheinstrument,detectionprincipleandmethod,thesystemadoptstheman-machineinteractivemeasurements,thespiralpoleofthedeclineofthestatewillbeinstalledinthepositioningjigspecimens,spiralbarupandpressureinbespecimenstobepositioningsurfaceandthepositionofthespecimensoffixtureclose,steppingmotordrivetheballscrewrotation,thuspromoteendoscopemobile,andrecordthefeetofthegratingpositioninformation,andatthesametimewillbemaincylinderholesurfacequalityinformationalsosaveupaspartofthedatabasecontent.Atlast,analyzedthesystem'smainerrorsourcesandtheinfluenceoftheprecisionofthesystemisgiven,andtheerroranalysisconclusion.Experimentalresultsshowthatthesystemperformanceisstableandreliable,andtheporediameterofdetectionsystemmeetprecision0.03%FS,resolution0.005mm,repeatability0.01mmrequirements.TOC\o"1-3"\h\u3043摘要 I23286ABSTRACT II31345第1章緒論 1325981.1引言 1272231.2本課題研究的目的和意義 244041.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 397771.3.1制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量的發(fā)展現(xiàn)狀 4181581.3.2高精度高效率檢測(cè) 441741.3.3數(shù)字化非接觸檢測(cè) 544411.4系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及要求 55865第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 7193482.1精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng) 8325562.2精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 9190782.3光柵位檢測(cè)系統(tǒng) 10259232.4計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng) 1020766第3章精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 115183.1機(jī)密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)方案 11224843.2精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1228253.2.1內(nèi)窺鏡直線傳動(dòng)設(shè)計(jì) 13186873.2.2制動(dòng)主缸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 14266403.2.3定標(biāo)裝置設(shè)計(jì) 1584353.3控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 1644073.3.1上位控制模塊 1761583.3.2伺服電機(jī) 17172363.3.3MSMD012G1V伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 1828178第4章光學(xué)成像系統(tǒng) 19256854.1光源設(shè)計(jì) 19270174.2內(nèi)窺鏡的選用分析 20326824.2.1內(nèi)窺鏡的技術(shù)分析 20294394.2.2內(nèi)窺鏡的應(yīng)用設(shè)計(jì) 20171554.3CCD攝像機(jī)的選用分析 21131454.3.1CCD攝像機(jī)的技術(shù)分析 21260844.3.2CCD攝像機(jī)的應(yīng)用選擇 215520第5章光柵位移檢測(cè)技術(shù)研究 23314465.1光柵位移測(cè)量的基本原理 23203755.1光柵位移測(cè)量控制 23243935.2光柵位移傳感器與整機(jī)的連接原理 2429505第6章數(shù)據(jù)采集與圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25264666.1本章引論 25203046.2補(bǔ)償孔圖像信息采集 2533976.3補(bǔ)償孔圖像處理 26271666.3.1圖像處理軟件開發(fā)分析 26265206.3.2圖像的灰度處理 27272696.3.3圖像的中值濾波處理 2723986.3.4圖像的銳化處理 28104686.3.5圖像的邊緣檢測(cè) 2815699第7章誤差分析 29126627.1機(jī)械檢測(cè)裝置的誤差 29249387.1.1工具誤差 2926597.1.2裝配誤差 2928617.1.3工作臺(tái)的幾何誤差 30253777.1.4傳動(dòng)絲杠導(dǎo)程誤差的影響 3092157.2粗大誤差 30164227.2.1粗大誤差的產(chǎn)生 30257517.2.2粗大誤防止 313333結(jié)論 324396致謝 334182參考文獻(xiàn) 34長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)緒論1.1引言現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)是通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)、被測(cè)系統(tǒng)和環(huán)境之間的相互作用，得到描述被測(cè)系統(tǒng)參數(shù)信息的過(guò)程。測(cè)量作為一門應(yīng)用技術(shù)，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，成為一門重要的研究學(xué)科。伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)和信息處理技術(shù)得到了不斷的提高，光電信號(hào)變換與檢測(cè)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)使得綜合性的自動(dòng)化及智能化的光電系統(tǒng)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。高精度與微型化是當(dāng)前科技與工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。除了“精密工程”以外，國(guó)際上還出現(xiàn)了微型工程與納米技術(shù)的研究領(lǐng)域。微型工程包括微電子學(xué)、微型光學(xué)與微型機(jī)械等，這就對(duì)微小尺寸的測(cè)量提出了越來(lái)越高的要求。無(wú)論是尖端科學(xué)的熱核反應(yīng)，還是日常生活中的化學(xué)纖維，都有微小尺寸的測(cè)量問(wèn)題。微小尺寸的測(cè)量涉及到機(jī)械工業(yè)部門、電子工業(yè)部門、制藥部門、醫(yī)學(xué)部門及環(huán)保部門，涉及面很廣，而要求進(jìn)行微小尺寸測(cè)量的物體，從尺寸、幾何形狀和作用來(lái)劃分，又各種各樣。例如，球狀物體包括制導(dǎo)系統(tǒng)中毫米大小的軸承，激光核聚變中10um的玻璃小球，化學(xué)處理中1um左右的小滴，涂層和血液分析中微米級(jí)的聚合物。平面形物體包括微米大小的集成電路，電子束刻劃的亞微米級(jí)電子器件中的元件以及用電子束、激光或其他方法加工的直徑小到1um的小孔等。這些研究的進(jìn)展迫切需要微小尺寸的精密測(cè)量取得長(zhǎng)足的發(fā)展。在一些缸體及深孔的內(nèi)壁上經(jīng)常會(huì)有補(bǔ)償孔和功能小孔，這些小孔的位置、尺寸和形狀直接影響缸體或深孔的功能，因此對(duì)這些功能小孔的測(cè)量就很有意義。并且，缸體主孔內(nèi)表面的加工質(zhì)量、鑄造質(zhì)量也是人們所關(guān)心的，在檢測(cè)小孔的同時(shí)，對(duì)主孔的加工質(zhì)量也要能以圖像的形式提供給計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理。因此，本課題基于汽車工業(yè)孔類零件內(nèi)膛難以檢測(cè)的問(wèn)題，提出了一種精密測(cè)量?jī)?nèi)膛小孔直徑的系統(tǒng)，即制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量?jī)x。制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量?jī)x是一種涉及光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等多學(xué)科領(lǐng)域的高性能精密儀器，主要用于測(cè)量汽車液壓制動(dòng)主缸缸體補(bǔ)償孔位置、尺寸和形狀，同時(shí)對(duì)主缸缸體主孔內(nèi)表面加工質(zhì)量、鑄造質(zhì)量進(jìn)行圖像檢測(cè)。該儀器采用高分辨率CCD成像技術(shù)，利用高精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)完成上述測(cè)量任務(wù)。與傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x相比，具有操作簡(jiǎn)單、精度高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，減少了主觀因素的影響。本課題利用CCD成像技術(shù)、光柵位移檢測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，研制了制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔的光電測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車制動(dòng)主缸的補(bǔ)償孔(中0.3mm一中1.2mm)尺寸、位置以及邊緣倒角大小的非接觸檢測(cè)，同時(shí)還可以進(jìn)行孔表面質(zhì)量的觀測(cè)。1.2本課題研究的目的和意義汽車是重要的交通工具，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的標(biāo)志，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)缀鯚o(wú)一例外地把汽車工業(yè)作為本國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。從1886年第一輛汽車問(wèn)世至今的一百余年里，汽車工業(yè)從無(wú)到有，迅猛發(fā)展，產(chǎn)量大幅度增加，技術(shù)日新月異。汽車的制動(dòng)性是汽車的主要性能之指標(biāo)之一，它直接關(guān)系到交通安全。重大交通事故往往與制動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)、緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)生側(cè)滑等情況有關(guān)。故汽車的制動(dòng)性能是汽車行駛的重要安全保障。改善汽車的制動(dòng)性能即改進(jìn)作為制動(dòng)系統(tǒng)最主要部分的制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)性能，始終是汽車設(shè)計(jì)制造和使用部門的重要任務(wù)。汽車制動(dòng)系統(tǒng)在車輛行駛安全方面擔(dān)負(fù)著非常重要的作用，隨著技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，汽車的制動(dòng)方式也演變成很多種形式，但是考慮到其基本制動(dòng)功能量和綜合效率，壓制動(dòng)系統(tǒng)依舊是最可靠、最經(jīng)濟(jì)的方法，應(yīng)用也最為廣泛，而其中的制動(dòng)主缸便是其核心的部件，所以液壓制動(dòng)主缸的補(bǔ)償孔及其主缸內(nèi)表面的加工質(zhì)量就顯的尤為重要，汽車制動(dòng)主缸對(duì)其壽命和工作效率都要求較高，而常規(guī)的補(bǔ)償孔檢測(cè)方法比如接觸式測(cè)量、簡(jiǎn)單光學(xué)式測(cè)量、投影儀式測(cè)量、人工測(cè)量等在檢測(cè)性能精度都上不能滿足實(shí)際的技術(shù)要求，再加上工件的形狀特點(diǎn)、生產(chǎn)環(huán)境、人的因素等，所以對(duì)制動(dòng)主缸的檢測(cè)帶來(lái)了很大的難度和不確定因素，一方面是對(duì)汽車安全性能的重視，對(duì)制動(dòng)主缸加工精度的要求越來(lái)越高，另一方面是制動(dòng)主缸檢測(cè)手段的低精度、低效率，已經(jīng)完全不能適應(yīng)制動(dòng)主缸工業(yè)化檢測(cè)的需要。因此研究出一種非接觸、高效率、高精度的汽車制動(dòng)主補(bǔ)償孔及其主缸內(nèi)表面的檢測(cè)設(shè)備就顯得迫在眉睫，非常的必要。由于制動(dòng)主缸的重要性，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZBT/T24008一90《汽車液壓制動(dòng)主缸》規(guī)定:產(chǎn)品出廠前應(yīng)進(jìn)行“殘留閥性能、輸出功能、液壓密封性”等項(xiàng)目的測(cè)試，其檢測(cè)結(jié)果符合要求方可出廠。但其試驗(yàn)方法規(guī)定:(l)殘留閥性能—用壓縮空氣來(lái)檢測(cè);(2)輸出功能和密封性—用制動(dòng)液來(lái)檢測(cè)。這一方法在大批量生產(chǎn)中明顯存在著下列缺點(diǎn):(1)使用的介質(zhì)是兩種介質(zhì)，試驗(yàn)中存在變換介質(zhì)的問(wèn)題;(2)試驗(yàn)中，需給主缸內(nèi)腔充滿制動(dòng)液，這意味著在試驗(yàn)時(shí)存在排氣問(wèn)題，導(dǎo)致檢驗(yàn)的輔助時(shí)間太長(zhǎng);(3)在更換制動(dòng)主缸時(shí)，充滿在主缸及管路中的制動(dòng)液要釋放溢出，造成對(duì)制動(dòng)液的浪費(fèi)及環(huán)境污染;(4)由于近來(lái)為了改善制動(dòng)性能，大量的制動(dòng)主缸在出廠檢測(cè)后，殘留于缸體內(nèi)部的制動(dòng)液對(duì)鑄鐵缸體內(nèi)壁有嚴(yán)重的腐蝕作用，致使產(chǎn)品存放一段時(shí)間后，主缸內(nèi)壁銹蝕，主缸出現(xiàn)卡死或皮碗拉傷而不能使用;(5)在檢測(cè)時(shí)，使用的液壓達(dá)9MPa，難以實(shí)現(xiàn)效率較高的快速密封結(jié)構(gòu)。綜上所述，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZBT/T24008一89《汽車液壓制動(dòng)主缸》中規(guī)定的出廠檢測(cè)項(xiàng)目，已明顯不適應(yīng)大批量的生產(chǎn)，本文提出了一種全新的方法可達(dá)到“方便簡(jiǎn)捷”的效果。補(bǔ)償孔式液壓制動(dòng)主缸的壽命必須有嚴(yán)格的使用規(guī)定，即常溫下工作50萬(wàn)次，70℃時(shí)不少于12萬(wàn)次。為保證這一技術(shù)要求，主缸的補(bǔ)償孔與主孔相貫部應(yīng)盡可能平滑，因此，制動(dòng)液補(bǔ)償孔的加工是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。如果補(bǔ)償孔與主孔相貫周邊毛刺去不干凈，勢(shì)必造成主缸工作中的主皮碗過(guò)早破損，遠(yuǎn)達(dá)不到使用要求，甚至造成行車事故。因此，汽車液壓制動(dòng)主缸缸體補(bǔ)償孔位置、尺寸、形狀的檢測(cè)，以及對(duì)主缸缸體主孔內(nèi)表面的加工質(zhì)量和鑄造質(zhì)量進(jìn)行圖像檢測(cè)尤為重要。制動(dòng)主缸的主體由制動(dòng)腔和補(bǔ)償孔組成。制動(dòng)腔是指通過(guò)殘留閥或排液孔與制動(dòng)回路相通的腔。在制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)腔內(nèi)建立起的液壓與同其相連接的回路內(nèi)的液壓相同。補(bǔ)償孔是指缸體上制動(dòng)腔與儲(chǔ)液室連通的孔，在制動(dòng)解除狀態(tài)下向制動(dòng)腔補(bǔ)償制動(dòng)液或把多余的制動(dòng)液返回儲(chǔ)液室。本文針對(duì)目前我國(guó)汽車制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量技術(shù)落后這一現(xiàn)狀，提出了一種集光、機(jī)、電、算于一體的高性能精密測(cè)量的新方法，該儀器采用高精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)配合，利用高分辨CCD攝像技術(shù)獲取補(bǔ)償孔圖像通過(guò)圖像處理技術(shù)于精密光柵檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔檢測(cè)的目的，該儀器消除了主觀因素的影響，具有無(wú)接觸、簡(jiǎn)單操作、精度高、自動(dòng)化程度高、可靠性高的特點(diǎn)，適合于生產(chǎn)企業(yè)和計(jì)量部門對(duì)主缸補(bǔ)償孔進(jìn)行抽樣或100%檢測(cè)，以保證制動(dòng)主缸的加工質(zhì)量。該產(chǎn)品一旦研制成功，必將在汽車制動(dòng)主缸質(zhì)量檢測(cè)中獲得廣泛的應(yīng)用，因此有著廣闊的發(fā)展前景。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀伴隨著制造業(yè)特別是汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)械零部件產(chǎn)品的效率和質(zhì)量日漸受到人們的重視，精密檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也使零部件制造業(yè)向高、精、尖的技術(shù)方向發(fā)展，零部件的制造和檢測(cè)彼此依存，互為基礎(chǔ)，近年來(lái)，深孔類零件精密檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)投入和產(chǎn)出均有較大的增長(zhǎng)。物體幾何尺寸的精密檢測(cè)在檢測(cè)技術(shù)中是一個(gè)應(yīng)用十分普遍且具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的問(wèn)題。在外形尺寸和平面尺寸測(cè)量方面，已達(dá)到1nm，甚至0.1nm的分辨力。相對(duì)而言，內(nèi)尺寸的測(cè)量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。對(duì)于盲孔和小孔的測(cè)量，特別是要測(cè)量出小孔任意截面處的尺寸及形狀誤差，目前還沒(méi)有十分完美的測(cè)量手段。英國(guó)在20世紀(jì)70年代曾經(jīng)生產(chǎn)過(guò)一種用微小玻璃球作為探針，接觸測(cè)量小孔形貌的小孔測(cè)量?jī)x。但是由于操作繁瑣，特別是探針極易損壞，這種儀器很快就停止了生產(chǎn)。目前，小孔測(cè)量方法基本上可分為接觸式和非接觸式測(cè)量?jī)煞N。1.3.1制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量的發(fā)展現(xiàn)狀制動(dòng)器是生產(chǎn)阻礙機(jī)器的運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的一種裝置，是保證機(jī)器安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的重要部件。隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和高速公路的迅速延伸，汽車的行駛速度越來(lái)越快，對(duì)汽車行駛的安全性要求也越來(lái)越高。汽車行業(yè)是對(duì)制動(dòng)器技術(shù)性能要求最高的部門之一，制動(dòng)器是影響現(xiàn)代汽車行駛安全的重要制約因素之一。補(bǔ)償孔式液壓制動(dòng)主缸是汽車行駛安全的重要裝置，是汽車制動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。汽車在運(yùn)行過(guò)程中，制動(dòng)主缸使用頻繁，因而它的壽命必須有嚴(yán)格的使用規(guī)定，即常溫下工作50萬(wàn)次，70度時(shí)不少于12萬(wàn)次。為保證這一技術(shù)要求，主缸的補(bǔ)償孔與主孔相貫部應(yīng)盡可能平滑，因此，制動(dòng)液補(bǔ)償孔的加工是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。如果補(bǔ)償孔與主孔相貫周邊毛刺去不干凈，勢(shì)必造成主缸工作中的主皮碗過(guò)早破損，遠(yuǎn)達(dá)不到使用要求，甚至造成行車事故。因此，汽車液壓制動(dòng)主缸缸體補(bǔ)償孔位置、尺寸、形狀的檢測(cè)，以及對(duì)主缸缸體主孔內(nèi)表面的加工質(zhì)量和鑄造質(zhì)量經(jīng)行圖像檢測(cè)尤為重要。制動(dòng)主缸的主體由制動(dòng)腔和補(bǔ)償孔組成。制動(dòng)腔是指通過(guò)殘留閥或排液孔與制動(dòng)回路相通的腔。在制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)腔內(nèi)建立起的液壓與同其相連接的回路內(nèi)的液壓相同。補(bǔ)償孔是指缸體上制動(dòng)腔與儲(chǔ)液室連通的孔，在制動(dòng)解除狀態(tài)下向制動(dòng)腔補(bǔ)償制動(dòng)液或把多余的制動(dòng)液返回儲(chǔ)液室。目前，汽車液壓制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔的測(cè)量方法有很多種，如由上海汽車制動(dòng)器公司和上海光學(xué)儀器廠合作研制的主缸中0.7補(bǔ)償孔孔位測(cè)量?jī)x和氣動(dòng)測(cè)量法等。但限于檢驗(yàn)條件及實(shí)際工況，本文提出一種集光、機(jī)、電、算于一體的高性能的精密測(cè)量方法，以此彌補(bǔ)各種檢測(cè)方法的不足。1.3.2高精度高效率檢測(cè)深孔類零件的精密測(cè)量技術(shù)是集光學(xué)、機(jī)械、電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合性交叉學(xué)科，其檢測(cè)設(shè)備具有精密化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，世界各國(guó)在測(cè)量技術(shù)的微/納米級(jí)別上展開了廣泛的應(yīng)用研究。制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)深孔類零件精密檢測(cè)設(shè)備的技術(shù)要求如下:(l)高檢測(cè)精度、高可靠性。(2)高檢測(cè)效率，適應(yīng)大批量檢測(cè)的要求。(3)能夠適應(yīng)各種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。(4)容易操作，性價(jià)比高。有專家預(yù)測(cè)，為了進(jìn)一步提高檢測(cè)精度和效率，21世紀(jì)的深孔類零件檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)該是:由位置測(cè)量過(guò)渡到綜合的形狀檢測(cè)階段，提高整體檢測(cè)精度由微米級(jí)向納米級(jí)發(fā)展。隨著深孔類零件檢測(cè)需求的增加，各公司也爭(zhēng)相的開發(fā)新產(chǎn)品來(lái)滿足不斷提高的高精度高效率檢測(cè)。如三豐公司的CS一5000CNC能一次將表面粗糙度和位置信息檢測(cè)出來(lái)。東京精密公司的SURFCOMZoo0DX測(cè)量?jī)x可實(shí)現(xiàn)低振動(dòng)精確定位，檢測(cè)精度和效率有了很大的改善。美國(guó)OGP公司利用直接錄像顯微鏡(VDM)來(lái)顯示大深度小孔和不可視的檢測(cè)區(qū)域，延長(zhǎng)了人的視覺(jué)，更加的穩(wěn)定可靠。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在機(jī)械零件的檢測(cè)中亦有使用，但其對(duì)環(huán)境的要求較高。目前外國(guó)公司掌握著該檢測(cè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，三豐公司、德國(guó)卡爾蔡司、東京精密及海克斯康集團(tuán)等都具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)和資金優(yōu)勢(shì)，使國(guó)內(nèi)企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)上面臨很大的壓力，所以我們必須要開發(fā)出適應(yīng)自己市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。1.3.3數(shù)字化非接觸檢測(cè)隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)需求不僅對(duì)深孔類零件的形位、表面質(zhì)量、圓度等的檢測(cè)提出了更高精度要求，還要求能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、在線檢測(cè)。在現(xiàn)代化的生產(chǎn)環(huán)境下，對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)的同時(shí)還要將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳遞給各個(gè)工序流程，也可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)端控制和管理，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，深孔類零件檢測(cè)領(lǐng)域也不斷的開發(fā)出可以適應(yīng)數(shù)字化特點(diǎn)的檢測(cè)設(shè)備，自動(dòng)化水平也有很大的提高。雖然接觸式測(cè)量可以適應(yīng)不同的零件尺寸，但它對(duì)零件表面和檢測(cè)環(huán)境要求較高，如果在頻繁變更零件類型的情況下，很難保證檢測(cè)的高精度。目前，業(yè)界開始利用光學(xué)技術(shù)開發(fā)非接觸深孔類零件的檢測(cè)設(shè)備，意大利MARPOSS公司的Mid瓦Laser測(cè)量系統(tǒng)就是利用激光測(cè)頭來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)全數(shù)化非接觸式檢測(cè)，日本索尼精密工程公司的YP20121是采用半導(dǎo)體激光傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)的，日本YKT公司的非接觸三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)乙p250也可以實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字化檢測(cè)。隨著光機(jī)電一體化技術(shù)更為成熟的發(fā)展，在高精度的生產(chǎn)和質(zhì)量管理體系中，可以利用光學(xué)系統(tǒng)采集被測(cè)零件的圖像，利用計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)其中感興趣的信息進(jìn)行提取和處理，通過(guò)這些技術(shù)手段，零件的檢測(cè)精度和效率都獲得大大的提高，而且可以與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連接便于管理和更加的人性化操作，因此，深孔類零件的數(shù)字化非接觸檢測(cè)也就必然成為未來(lái)精密檢測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)，是我們所必須關(guān)注的重要技術(shù)領(lǐng)域。1.4系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及要求本課題針對(duì)目前我國(guó)汽車制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量技術(shù)落后這一現(xiàn)狀，提出了設(shè)計(jì)制造制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量?jī)x這一新思路。該儀器采用高分辨率CCD成像技術(shù)完成測(cè)量任務(wù)，具有操作簡(jiǎn)單、精度高、自動(dòng)化程度高、可靠性高等特點(diǎn)，消除了主觀因素的影響，是一種集光、機(jī)、電、算于一體的高性能精密測(cè)量?jī)x器。本課題主要研究以下幾方面內(nèi)容:1.完成汽車液壓制動(dòng)主缸缸體補(bǔ)償孔位置、形狀的精密檢測(cè)。(1)補(bǔ)償孔位置檢測(cè):補(bǔ)償孔中心到缸體法蘭面軸向絕對(duì)距離的測(cè)量;(2)補(bǔ)償孔倒角檢測(cè):補(bǔ)償孔(主缸主孔端)邊緣倒角大小和倒角與補(bǔ)償孔同心度的檢測(cè)。2.要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo):(1)測(cè)量范圍:主缸缸體主孔直徑:。15~中45Inln;補(bǔ)償孔位置范圍:一30~150二;補(bǔ)償孔直徑范圍:0.3~1.Zlnln。(2)尺寸測(cè)量:精度:0.O3%FS;分辨率:0.o05Inln;重復(fù)性:0.ollnln。(3)測(cè)量時(shí)間:每件主缸從裝夾到生成報(bào)告所用時(shí)間不得超過(guò)2分鐘(不包括報(bào)表名頭和參數(shù)輸入時(shí)間)。本課題的研究目的和意義是:設(shè)計(jì)實(shí)用合理的制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量?jī)x，并通過(guò)試驗(yàn)研究，得出影響補(bǔ)償孔測(cè)量精度的主要因素，從而為早日開發(fā)出能投入實(shí)際應(yīng)用的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異的制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量?jī)x提供有價(jià)值的理論分析和試驗(yàn)依據(jù)。第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本課題研制的制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量?jī)x主要由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、CCD成像系統(tǒng)、光柵位移傳感器和精密機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成。制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量?jī)x的工作原理是:系統(tǒng)采用人機(jī)交互式測(cè)量，在螺旋桿下降的狀態(tài)下將被試件安裝在定位夾具上，螺旋桿上升并壓緊在被試件上以使被試件的定位面與定位夾具靠緊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)內(nèi)窺鏡移動(dòng)，同時(shí)蝸輪蝸桿帶動(dòng)剛性導(dǎo)光臂旋轉(zhuǎn)，根據(jù)CCD所成圖像的處理結(jié)果用鼠標(biāo)確定采樣點(diǎn)位置，并記錄光柵尺的位置信息，同時(shí)將主缸內(nèi)孔表面質(zhì)量信息也保存起來(lái)作為數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分內(nèi)容。制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量?jī)x采用光、機(jī)、電、算技術(shù)完成制動(dòng)主缸缸體補(bǔ)償孔位置和形狀的精密檢測(cè)，計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程。在方案的設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮了儀器的可擴(kuò)展性、高可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)也考慮了先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，使得儀器功能在同行業(yè)中處于較高的水平。根據(jù)實(shí)際工況，提出了兩套整體設(shè)計(jì)方案，即主缸上置和主缸下置。制動(dòng)主缸上置總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1所示:圖2-1制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔測(cè)量?jī)x總體結(jié)構(gòu)見圖如圖2-1所示，系統(tǒng)由精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)、光柵位移傳感檢測(cè)系統(tǒng)、光學(xué)成像系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。其中：機(jī)密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括內(nèi)窺鏡直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和被測(cè)制動(dòng)主缸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、被測(cè)制動(dòng)主缸夾緊機(jī)構(gòu)；光柵位移傳感檢測(cè)系統(tǒng)采用絕對(duì)式封閉光柵傳感器；光學(xué)成像系統(tǒng)采用遠(yuǎn)心內(nèi)窺光路，由小型CCD成像模塊和照明系統(tǒng)組成。整個(gè)系統(tǒng)采用人機(jī)交互式測(cè)量，被測(cè)件安裝在定位夾具上，并使被測(cè)件的定位面與定位夾具靠緊，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)內(nèi)窺鏡移動(dòng)，同時(shí)同步齒形帶帶動(dòng)剛性導(dǎo)光臂旋轉(zhuǎn)，根據(jù)CCD所成圖像的處理結(jié)果確定采樣位置，同時(shí)記錄光柵尺的位置信息，并將主缸內(nèi)表面質(zhì)量信息保存。具體工作時(shí)，首先將標(biāo)校裝置固定在特制夾具上，而被測(cè)制動(dòng)主缸缸體套入標(biāo)校裝置中，夾緊機(jī)構(gòu)將工件卡緊在標(biāo)校裝置中，使主缸法蘭面與標(biāo)校裝置距基準(zhǔn)面重合以保證工件的平行度；檢測(cè)前，旋轉(zhuǎn)用伺服電機(jī)帶動(dòng)主缸旋轉(zhuǎn)一合適角度，使主缸上的補(bǔ)償孔對(duì)準(zhǔn)CCD攝像機(jī)以保證在成像系統(tǒng)中出現(xiàn)孔的清晰圖像；檢測(cè)時(shí)，直線傳動(dòng)用伺服電機(jī)帶動(dòng)光學(xué)窺鏡及光柵位移傳感器從系統(tǒng)零點(diǎn)沿主缸軸線線性移動(dòng)至主缸內(nèi)腔中尋找補(bǔ)償孔。當(dāng)在CCD攝像機(jī)中看到清晰的補(bǔ)償孔圖像時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)圖像采集卡將CCD攝像機(jī)的視頻信號(hào)實(shí)時(shí)顯示成圖像，通過(guò)圖像處理技術(shù)，得到補(bǔ)償孔內(nèi)孔表面質(zhì)量及補(bǔ)償孔在圖像中的孔心位置；同時(shí)光柵位移傳感器以標(biāo)校裝置中的基準(zhǔn)孔心為零位測(cè)得補(bǔ)償孔相對(duì)于基準(zhǔn)孔心零位的位移數(shù)據(jù)一并送入計(jì)算機(jī)中處理以獲得補(bǔ)償孔形位尺寸。2.1精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主缸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、直線軸承機(jī)構(gòu)和標(biāo)校裝置等組成。其中，滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主缸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均采用伺服電機(jī)帶動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)位置信號(hào)由絕對(duì)式光柵尺測(cè)量，并通過(guò)其驅(qū)動(dòng)器送入工控機(jī)種處理。工作室，滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)內(nèi)窺鏡安裝板沿剛性導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)線性移動(dòng)，制動(dòng)主缸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)同步齒形帶帶動(dòng)制動(dòng)主缸完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。兩者運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)觀察內(nèi)孔表面的質(zhì)量并檢測(cè)補(bǔ)償孔的中心位置。在測(cè)試技術(shù)中，傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，它擔(dān)負(fù)著感受和傳輸信號(hào)的首要任務(wù)。傳感器質(zhì)量的好壞直接影響著被測(cè)信號(hào)的精度。因此，通常要求傳感器工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好。.由于課題需要較高的系統(tǒng)定位精度，故我們選擇光柵位移檢測(cè)系統(tǒng)。光柵檢測(cè)具有高速、高精度、非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，而光柵位移檢測(cè)有較大的放大率以及誤差平均效應(yīng)，位移精度高。本課題中，光柵位移傳感器主要是測(cè)量補(bǔ)償孔相對(duì)于基準(zhǔn)面的距離。如圖2-2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖圖2-2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)原理圖2.2精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)窺鏡光學(xué)成像系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)組成。光學(xué)成像系統(tǒng)用于捕捉補(bǔ)償孔視頻圖像并使其輪廓清晰。其中，內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)由成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)組成。如圖所示圖2-3為內(nèi)窺鏡外形圖。圖2-3內(nèi)窺鏡外形圖內(nèi)窺鏡光學(xué)成像系統(tǒng)采用物鏡加轉(zhuǎn)像系統(tǒng)組成，物鏡采集圖像信息，轉(zhuǎn)像系統(tǒng)獲得長(zhǎng)工作距，90度視向棱鏡完成光線的折轉(zhuǎn)。系統(tǒng)光源采用貼片LED環(huán)形光源照明。為保證光線均勻，不影響成像效果，在制動(dòng)主缸外用鹵素?zé)粽彰?，并置于積分球內(nèi)以保證孔外光線分布均勻。具體實(shí)現(xiàn)如下：貼片式LED光源環(huán)形貼于環(huán)形小電路板上，將電路板貼于內(nèi)窺架側(cè)面所開孔處安裝的五棱鏡鏡面上。在旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下使光線剛好垂直投影到被測(cè)內(nèi)孔表面上，被測(cè)孔圖像通過(guò)五棱鏡鏡面90度反射到內(nèi)窺鏡物象遠(yuǎn)心光路上獲取光截輪廓。光截輪廓中包含被測(cè)參數(shù)信息，再將光截輪廓經(jīng)CCD攝像系統(tǒng)成像到光敏面上，由圖像卡采集到計(jì)算機(jī)，通過(guò)圖像處理提取特征輪廓。物鏡的成像質(zhì)量對(duì)內(nèi)窺鏡成像影響極大，本系統(tǒng)要求物鏡校正軸上點(diǎn)的各種像差，同時(shí)還要求校正軸外點(diǎn)像差以便獲得清晰逼真的圖像。私服系統(tǒng)私服系統(tǒng)CCD計(jì)算機(jī)顯微物鏡物體內(nèi)窺鏡CCD計(jì)算機(jī)顯微物鏡物體內(nèi)窺鏡顯示器光導(dǎo)纖維顯示器光導(dǎo)纖維光源光源圖2-4光學(xué)成像及顯示原理框圖2.3光柵位檢測(cè)系統(tǒng)光柵位移傳感器用于測(cè)量補(bǔ)償孔相對(duì)于預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)面的距離以獲得補(bǔ)償孔徑。在獲得清晰的補(bǔ)償孔光截輪廓的圖像信息是，光柵尺記錄其相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔位置和形狀的精密檢測(cè)。2.4計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖像采集處理系統(tǒng)通過(guò)圖像采集卡將CCD攝像機(jī)的視頻信號(hào)實(shí)時(shí)顯示成圖像，通過(guò)亞像素圖像處理技術(shù)獲取精確位置，并根據(jù)要求控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，接受光柵位移傳感器讀取的位置信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理最終得到補(bǔ)償孔形位尺寸數(shù)據(jù)信息。 第3章精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)主要硬件包括:滾珠絲杠、直線軸承。滾動(dòng)絲杠副是由螺桿、螺母、滾珠、密封件等零件組成的高精度機(jī)械傳動(dòng)部件，由于滾珠絲桿的螺桿與螺母之間有滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以能得到較高的運(yùn)運(yùn)效率。因此，不僅能把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，也能容易地將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠副由于滾珠運(yùn)動(dòng)，起動(dòng)扭矩極小，不會(huì)產(chǎn)生如滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)中易出現(xiàn)的爬行、蠕動(dòng)現(xiàn)象，所以能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。另一方面，由于滾珠絲桿副效率高、摩擦小、發(fā)熱低，從而又能進(jìn)行高速進(jìn)給。直線軸承是一種以最低成本生產(chǎn)的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，用于無(wú)限行程與圓柱軸配合使用。由于承載球與軸承點(diǎn)接觸，故許用載荷小。鋼球以最小的摩擦阻力旋轉(zhuǎn)，因此能獲得高精度的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。3.1機(jī)密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)方案汽車制動(dòng)主缸內(nèi)表面質(zhì)量光電檢測(cè)系統(tǒng)精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)電控部分是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的終端動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它與光學(xué)成像系統(tǒng)一起配合負(fù)責(zé)補(bǔ)償孔圖像和被測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集，所以精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)果的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的作用。精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)只要包括兩個(gè)傳動(dòng)鏈路及其控制，即負(fù)責(zé)內(nèi)窺鏡的上下直線運(yùn)動(dòng)和被測(cè)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以便找到制動(dòng)主缸不同補(bǔ)償孔的中心位置，兩者要緊密的配合，只有這樣，制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔的形位、尺寸信息以及主缸缸體的內(nèi)表面質(zhì)量信息才能真實(shí)客觀、高精度的得到檢測(cè)和觀察。在本章中，根據(jù)機(jī)構(gòu)的控制精度，傳動(dòng)效率，工件條件，檢測(cè)精度等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)中采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，內(nèi)窺鏡的直線傳動(dòng)采用滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，被測(cè)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。如圖3-1所示為機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)立體示意圖：圖3-1機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)立體示意圖3.2精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3-2所示為機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括內(nèi)窺鏡直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和被測(cè)制動(dòng)主缸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、被測(cè)制動(dòng)主缸夾緊定位機(jī)構(gòu)。其中，內(nèi)窺鏡直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由直線傳動(dòng)用伺服電機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，唄測(cè)制動(dòng)主缸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)用伺服電機(jī)、同步齒形帶、被測(cè)主缸等組成，被測(cè)制動(dòng)主缸夾緊定位機(jī)構(gòu)由夾緊塊、夾緊彈簧、和標(biāo)校裝置（定位機(jī)構(gòu)）組成。系統(tǒng)通過(guò)上述過(guò)程的處理，可實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)主缸缸體補(bǔ)償孔內(nèi)表面加工質(zhì)量及位置、形狀的精密檢測(cè)。由于制動(dòng)缸型號(hào)多樣，為適應(yīng)不同制動(dòng)缸的測(cè)量要求，對(duì)不同孔徑的制動(dòng)缸均配有相應(yīng)的標(biāo)校裝置。系統(tǒng)測(cè)量范圍如下：主缸缸體主孔直徑范圍為Φ15~Φ45mm、補(bǔ)償孔位置范圍為5mm~150mm、補(bǔ)償孔直徑范圍為0.3mm~1.2mm。系統(tǒng)要求尺寸測(cè)量精度5um，重復(fù)性0.01mm。圖3-2機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖3.2.1內(nèi)窺鏡直線傳動(dòng)設(shè)計(jì)被測(cè)制動(dòng)主缸的補(bǔ)償孔可能不止一個(gè)，系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)是以輔助孔為起始點(diǎn)，內(nèi)窺鏡在輔助孔和第一補(bǔ)償孔，第一補(bǔ)償孔和第二補(bǔ)償孔之間的垂直移動(dòng)都需要精確的進(jìn)行定位，這就對(duì)內(nèi)窺鏡的直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了較高的要求。系統(tǒng)中內(nèi)窺鏡的直線傳動(dòng)采用滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成，可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠在機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)上均較簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、精度高、摩擦阻力小、易于維護(hù)。由于啟動(dòng)力矩極小，不會(huì)出現(xiàn)類似滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象，從而保證了高精度的定位。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算尺寸大小和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。圖3-3為滾珠絲杠的安裝結(jié)構(gòu)圖：圖3-3滾珠絲杠副尺寸圖3.2.2制動(dòng)主缸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由于被測(cè)制動(dòng)主缸的兩個(gè)補(bǔ)償孔可能不在同一條母線上或是內(nèi)窺鏡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與補(bǔ)償孔位置有偏差，這時(shí)候就需要適當(dāng)調(diào)整工件的位置，以便更好的捕捉到補(bǔ)償孔圖像。本設(shè)計(jì)中被測(cè)制動(dòng)主缸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。同步齒形帶傳動(dòng)常用來(lái)傳遞兩平行軸之間的運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。本設(shè)計(jì)的功率不大，且是間歇性工作狀態(tài)，所以采用同步齒形帶傳動(dòng)非常合適。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)被測(cè)制動(dòng)主缸的旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整主缸的位置，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中并不強(qiáng)調(diào)運(yùn)行的參數(shù)，因此系統(tǒng)直接取同步帶動(dòng)的傳動(dòng)比為1。圖3-4為轉(zhuǎn)軸尺寸結(jié)構(gòu)。圖3-4轉(zhuǎn)軸尺寸結(jié)構(gòu)3.2.3定標(biāo)裝置設(shè)計(jì)為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使測(cè)量滿足技術(shù)指標(biāo)要求，系統(tǒng)需求考慮定標(biāo)問(wèn)題，即：主缸法蘭端面基準(zhǔn)的確定，采用標(biāo)校裝置解決該定位基準(zhǔn)問(wèn)題。如圖3-5所示為特制的定位夾緊于一體的標(biāo)校裝置示意圖，圖中定位基準(zhǔn)面為與制動(dòng)主缸缸體法蘭端面重合面，ΦD孔心為光柵位移傳感器測(cè)量補(bǔ)償孔時(shí)的基準(zhǔn)。由于被測(cè)制動(dòng)缸試件型號(hào)多樣，標(biāo)校裝置上的尺寸L與ΦD直徑根據(jù)不同型號(hào)的補(bǔ)償孔所不同，需要特制不同的標(biāo)校裝置。標(biāo)定時(shí)利用光柵尺測(cè)得的ΦD孔心位置及定位尺寸L確定標(biāo)裝置的定位基準(zhǔn)面位置，經(jīng)行確定主缸法蘭端面位置。由于缸體補(bǔ)償孔尺寸均相對(duì)于缸體法蘭端面給出，因此，確定出端面位置便可通過(guò)光柵尺檢測(cè)出各個(gè)補(bǔ)償孔的位置。需要注意的是，在測(cè)量不同的制動(dòng)主缸被測(cè)件時(shí)要更換不同的標(biāo)校裝置，每次測(cè)量時(shí)均應(yīng)對(duì)基準(zhǔn)面標(biāo)定。圖3-5定位夾具組成結(jié)構(gòu)見圖3.3控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)汽車制動(dòng)主缸內(nèi)表面質(zhì)量光電檢測(cè)系統(tǒng)中，由于制動(dòng)主缸的補(bǔ)償孔位置的變化i測(cè)量初始狀態(tài)事內(nèi)窺鏡的探頭可能與補(bǔ)償孔不在同一條母線上，因此為了配合光學(xué)成像系統(tǒng)得到高質(zhì)量的補(bǔ)償孔圖像，控制系統(tǒng)要完成對(duì)內(nèi)窺鏡和被測(cè)工件（制動(dòng)主缸）的高精度定位控制，它接受主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令對(duì)被控制對(duì)象執(zhí)行控制功能。它的執(zhí)行性能和控制精度直接影響到系統(tǒng)檢測(cè)的最終結(jié)果。在本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中我們采用運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服電機(jī)（伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）的設(shè)計(jì)思想保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和快速響應(yīng)，以便達(dá)到精度高，高效率的控制效果。3.3.1上位控制模塊運(yùn)動(dòng)控制卡在我們的設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)控制卡與管理計(jì)算機(jī)構(gòu)成了主從式的控制結(jié)構(gòu)，管理計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的管理和對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方面的工作，運(yùn)動(dòng)控制卡則完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)，其原理如圖3-6所示，這樣使系統(tǒng)管理和控制功能各自執(zhí)行，發(fā)揮運(yùn)動(dòng)控制卡和計(jì)算機(jī)的各個(gè)優(yōu)勢(shì)，提高了工作效率和控制精度。運(yùn)動(dòng)控制卡系統(tǒng)狀態(tài)顯示管系統(tǒng)狀態(tài)顯示管理計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方向信號(hào)輸出原點(diǎn)和限位信號(hào)自動(dòng)升降速處理脈沖型號(hào)輸出方向信號(hào)輸出原點(diǎn)和限位信號(hào)自動(dòng)升降速處理脈沖型號(hào)輸出發(fā)送控制指令發(fā)送控制指令外部信號(hào)監(jiān)控外部信號(hào)監(jiān)控圖3-6上位控制模塊結(jié)合內(nèi)窺鏡、制動(dòng)主缸的定位控制精度要求，和實(shí)際的應(yīng)用條件，運(yùn)動(dòng)控制卡采用北京科瑞興業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的KPCI-882兩軸伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡。3.3.2伺服電機(jī)在控制系統(tǒng)中我們采用伺服電機(jī)來(lái)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)單元。本設(shè)計(jì)中對(duì)伺服電機(jī)的基本技術(shù)要求如下：精度高。無(wú)論在靜、動(dòng)態(tài)的情況，伺服電機(jī)的輸出量要能夠高精度的復(fù)現(xiàn)輸出量。穩(wěn)定性好。電機(jī)在受到外部干擾的情況下，要能夠穩(wěn)定的恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)，電機(jī)只有具有很強(qiáng)的抗干擾能力，才能夠適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。快速響應(yīng)。由于對(duì)制動(dòng)主缸的檢測(cè)是實(shí)時(shí)在線的，所以要求電機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)快，過(guò)渡時(shí)間短。綜合考慮實(shí)際需要和電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)，本設(shè)計(jì)中伺服電機(jī)選用日本panasonic公司生產(chǎn)的A5系列伺服電機(jī)：MSMD012G1V伺服電機(jī)，以保證其速度、位置的精度控制。3.3.3MSMD012G1V伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器本設(shè)計(jì)中我們利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要完成以下兩種功能：（1）控制電機(jī)的換相；（2）控制電機(jī)的速度。與MSMD012G1V伺服電機(jī)配套的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器位MADHT1505。其功率原件最大額定電流為10A，電源電壓為三相200V，電流檢測(cè)器的額定電流為5A。第4章光學(xué)成像系統(tǒng)針對(duì)深孔類零件的內(nèi)輪廓形狀尺寸檢測(cè)精度要求較高、難度大，而目前所采用的測(cè)量方法不是精度低就是檢測(cè)效率不能滿足要求的問(wèn)題，本課題研究了一種適用于零件深孔內(nèi)輪廓形狀尺寸檢測(cè)的系統(tǒng)一汽車制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔光電檢測(cè)系統(tǒng)，其中，其光學(xué)成像系統(tǒng)是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的眼睛，起到視覺(jué)延伸的作用，它是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的前端，是后續(xù)各個(gè)子系統(tǒng)完成功能、滿足精度的基礎(chǔ)和保證，它主要由光源、內(nèi)窺鏡和CCD攝像機(jī)組成。基于CCD的圖像成像系統(tǒng)性能非常優(yōu)越，如:通過(guò)提高攝像機(jī)的分辨率，或調(diào)整光學(xué)鏡頭的放大倍數(shù)，就可以使獲得的圖像信息豐富、精確，從而滿足系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)精度和穩(wěn)定性的要求。4.1光源設(shè)計(jì)我們對(duì)光源的選擇設(shè)計(jì)包括選擇光源的種類，設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)電路和光源擺放位置，從而使所采集的補(bǔ)償孔圖像具有較高的清晰度，使需要計(jì)算機(jī)圖像處理分析的檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域更加突出。此外，還應(yīng)了解制動(dòng)主缸是如何被照明以及光源的反射、散射特性，再進(jìn)一步根據(jù)制動(dòng)主缸的具體特點(diǎn)和具體的檢測(cè)環(huán)境選擇合適的光源。針對(duì)補(bǔ)償孔圖像成像系統(tǒng)光源的技術(shù)要求，可以挑選氙燈或鹵素?zé)魜?lái)作為內(nèi)窺鏡冷光源的光源。氙燈屬于氣體放電燈，它通過(guò)惰性氣體電離發(fā)光，優(yōu)點(diǎn)是色溫接近可見光，發(fā)光非常穩(wěn)定，壽命較長(zhǎng)一般可以超過(guò)500個(gè)小時(shí)，而鹵素?zé)魧儆诎卓棢簦峭ㄟ^(guò)鎢絲加熱發(fā)光，價(jià)格雖然相對(duì)便宜，但鹵素?zé)羯l(fā)的光線有些淡黃，色彩還原性沒(méi)有氙燈好，并且使用壽命也較短。盡管氙燈的發(fā)光電弧與鹵素?zé)舻逆u絲長(zhǎng)度直徑相同，但氙燈的發(fā)光效率和亮度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鹵素?zé)簦捎陔療舨挥脽艚z，沒(méi)有了傳統(tǒng)光源易脆斷的缺點(diǎn)，穩(wěn)定性更高。所以作為侯選光源無(wú)論在亮度、節(jié)能、壽命、安全性等方面，氙燈比鹵素?zé)舳几邇?yōu)勢(shì)。所以，綜合考慮實(shí)際的檢測(cè)環(huán)境、光源的自身特性和系統(tǒng)對(duì)圖像質(zhì)量的要求，在本設(shè)計(jì)中采用氙燈作為成像系統(tǒng)光源，并采用導(dǎo)光光纖照明光導(dǎo)入被測(cè)主缸的內(nèi)表面，從而補(bǔ)償孔的反射像通過(guò)內(nèi)窺鏡成像在CCD攝像機(jī)的光敏面上，經(jīng)過(guò)圖像采集卡輸入管理計(jì)算機(jī)。此外，我們對(duì)制動(dòng)主缸缸體內(nèi)的補(bǔ)償照明采用環(huán)型無(wú)影LED光源進(jìn)行照明，從而使采集的圖像達(dá)到更加理想的效果。在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)安裝完畢之后，還要對(duì)成像系統(tǒng)光源的照度、位置等進(jìn)行調(diào)試，并且比較分析在不同的光照條件下所采集的補(bǔ)償孔圖像質(zhì)量，從而選擇出最佳的成像系統(tǒng)照明方案。4.2內(nèi)窺鏡的選用分析4.2.1內(nèi)窺鏡的技術(shù)分析本檢測(cè)系統(tǒng)是基于圖像進(jìn)行測(cè)量的，為了解決制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔的成像問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中我們采用工業(yè)內(nèi)窺鏡來(lái)延長(zhǎng)成像系統(tǒng)的視距，它的后端與CCD攝像機(jī)相連接，并通過(guò)內(nèi)窺鏡的前后移動(dòng)來(lái)捕捉補(bǔ)償孔的圖像信息。工業(yè)內(nèi)窺鏡是集光學(xué)、精密機(jī)械、電子技術(shù)和顯微成像技術(shù)于一體的新型精密儀器，它可以很容易的改變檢測(cè)視線方向，廣泛的應(yīng)用于機(jī)械零部件的無(wú)法觸及到、非可視部分形位及缺陷的檢測(cè)。因?yàn)閮?nèi)窺鏡物鏡的成像質(zhì)量對(duì)最終的圖像采集質(zhì)量有著直接的影響，所以本設(shè)計(jì)要求內(nèi)窺鏡物鏡校正軸上點(diǎn)的各種像差，并且還要求它的校正軸外點(diǎn)的像差，從而使之能夠獲得滿足成像質(zhì)量要求的圖像。本設(shè)計(jì)中，由于制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔位置的特點(diǎn)和檢測(cè)精度的需求，要求采用一種遠(yuǎn)心內(nèi)窺成像光學(xué)系統(tǒng)，將內(nèi)窺鏡的成像光路設(shè)計(jì)成一個(gè)像方遠(yuǎn)心光路與物方遠(yuǎn)心光路合一的光路，這樣的設(shè)計(jì)方案就會(huì)非常好的解決制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔圖像因?yàn)樘摻苟斐傻臋z測(cè)誤差問(wèn)題，從而大大提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度。4.2.2內(nèi)窺鏡的應(yīng)用設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中用到的硬性內(nèi)窺鏡主要是利用窺鏡探頭物鏡配合安裝在一個(gè)直的不銹鋼管套內(nèi)的透鏡組來(lái)傳送檢測(cè)過(guò)程中捕獲到的補(bǔ)償孔圖像(即:轉(zhuǎn)像透鏡+物鏡組合)，不銹鋼管中還安裝有用來(lái)將光線從光源引導(dǎo)至目標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)的光纖束，為了方便擴(kuò)大或改變檢測(cè)視角，硬性內(nèi)窺鏡的檢測(cè)鏡頭可以根據(jù)需要進(jìn)行更換改進(jìn)。這樣利用內(nèi)窺鏡就可以很好的對(duì)制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔進(jìn)行圖像檢測(cè)，本設(shè)計(jì)中采用光纖傳輸照明光，物鏡進(jìn)行顯微攝像，捕獲的補(bǔ)償孔圖像信號(hào)經(jīng)過(guò)CCD攝像機(jī)、圖像采集卡的實(shí)時(shí)處理，最后輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和處理，這樣，檢測(cè)人員就可以通過(guò)所得到的補(bǔ)償孔圖像對(duì)工件的加工質(zhì)量進(jìn)行分析和觀測(cè)。本系統(tǒng)中的內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的性能和效果曾在某型號(hào)槍械槍膛檢測(cè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用和證明，它穩(wěn)定性高、成像效果好、使用較為方便，完全可以滿足系統(tǒng)對(duì)補(bǔ)償孔圖像成像質(zhì)量的要求。圖4-1為內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖：圖4-1內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4.3CCD攝像機(jī)的選用分析4.3.1CCD攝像機(jī)的技術(shù)分析在制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔檢測(cè)系統(tǒng)中，圖像信息的生成就是來(lái)自CCD攝像機(jī)，CCD像機(jī)是補(bǔ)償孔圖像成像系統(tǒng)的核心器件，它對(duì)最終采集的圖像質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用，因此，CCD攝像機(jī)的選用非常的重要，不僅它的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要滿足系統(tǒng)的檢測(cè)精度要求，而且還要和整個(gè)成像系統(tǒng)配合使用，以便產(chǎn)生理想的圖像效果。CCD是電荷禍合器件(chargecouPleddeiee)的簡(jiǎn)稱，它能夠?qū)⑵涔饷裘嫔系墓鈴?qiáng)轉(zhuǎn)換為電荷量，然后進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移，可以非常方便的進(jìn)行后續(xù)處理。用它來(lái)構(gòu)成的CCD攝像機(jī)集成度高、受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響小、圖像質(zhì)量穩(wěn)定清晰，所以非常適合應(yīng)用于在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下的制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔檢測(cè)系統(tǒng)。4.3.2CCD攝像機(jī)的應(yīng)用選擇前端采集的補(bǔ)償孔圖像信息經(jīng)過(guò)CCD攝像機(jī)的鏡頭感光到其CCD傳感芯片上，這個(gè)芯片是CCD攝像機(jī)的核心，CCD芯片根據(jù)感受的光強(qiáng)存儲(chǔ)起一定比例的電荷量，各個(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，最終形成補(bǔ)償孔視頻圖像信號(hào)的輸出，CCD攝像機(jī)工作原理如圖4-2所示，這個(gè)補(bǔ)償孔視頻圖像信號(hào)通過(guò)圖像采集卡輸入計(jì)算機(jī)，我們就可以通過(guò)所采集的圖像對(duì)制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔的形狀尺寸、位置進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)也觀測(cè)、判別了制動(dòng)主缸缸體內(nèi)表面的加工質(zhì)量。圖4-2CCD攝像機(jī)的工作原理在補(bǔ)償孔圖像成像系統(tǒng)中，相對(duì)于黑白攝像機(jī)，彩色攝像機(jī)更適用于補(bǔ)償孔圖像的細(xì)部辨別，且在補(bǔ)償孔的檢測(cè)界面中更便于進(jìn)行人機(jī)交互，結(jié)合CCD攝像機(jī)的工作原理、技術(shù)性能和本設(shè)計(jì)中的實(shí)際檢測(cè)精度要求，我們采用了維視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司的MV-VS078FM/FC型彩色面陣CCD攝像機(jī)做為我們成像系統(tǒng)的核心器件，它的傳感器光學(xué)尺寸為113”英寸，最高分辨率1024(H)x768(v)，水平/垂直掃描頻率為15.734Hz/59.94Hz，照度ILUX左右，信噪比大于54dB，快門速度1/10000到10s，無(wú)論是靜態(tài)采集還是動(dòng)態(tài)采集，均可以得到無(wú)變形的、顏色還原性好的高質(zhì)圖像，并且輸出信號(hào)穩(wěn)定，對(duì)CPU資源的占用少。經(jīng)過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)測(cè)試，我們選用的CCD攝像機(jī)性能技術(shù)指標(biāo)完全滿足補(bǔ)償孔圖像的成像質(zhì)量要求，并適用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境。第5章光柵位移檢測(cè)技術(shù)研究5.1光柵位移測(cè)量的基本原理傳感器的種類多種多樣，其優(yōu)缺點(diǎn)也各有側(cè)重。例如，電感式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、分辨率達(dá)、精度高、線性度良好、重復(fù)性好，但存在著交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量等；電容式傳感器具有測(cè)量范圍大、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、機(jī)械損失小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但寄生電容影響大，非線性輸出帶載能力差。由于本課題需要較高的系統(tǒng)定位精度，故我們選擇了光柵位移檢測(cè)系統(tǒng)。光柵檢測(cè)具有高速、高精度、非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，而光柵位移檢測(cè)有較大的放大率以及誤差平均效應(yīng)，位移精度高。本設(shè)計(jì)中的光柵位移傳感器是一種高精密的位移傳感器，它是基于莫爾條紋現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行位移測(cè)量的，應(yīng)用的關(guān)鍵在于其細(xì)分及判向。本設(shè)計(jì)是將光柵位移傳感器用于測(cè)量制動(dòng)主缸的不同補(bǔ)償孔相對(duì)于設(shè)定的測(cè)量基準(zhǔn)面的距離，以此來(lái)獲得補(bǔ)償孔的位置信息。這樣，在獲得清晰的補(bǔ)償孔圖像信息的同時(shí)，用光柵尺記錄其相對(duì)位置，從而完成了制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔位置和形狀的精密檢測(cè)。5.1光柵位移測(cè)量控制按照要求檢測(cè)中光柵尺的分辨率達(dá)nm級(jí)，如果僅靠減小柵距來(lái)滿足常常要收到工藝的限制。這就要用到細(xì)分技術(shù)。所謂細(xì)分，就是使位移信號(hào)每變化一個(gè)周期不是計(jì)一個(gè)數(shù)而是計(jì)幾個(gè)數(shù)，如圖5-1，這樣就獲得，細(xì)分，相應(yīng)的分辨率就提高到w/n。圖5-1每節(jié)距產(chǎn)生n個(gè)脈沖一．莫爾條紋細(xì)分原理莫爾條紋細(xì)分的方法有光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子學(xué)細(xì)分。用光學(xué)細(xì)分和機(jī)械細(xì)分處理問(wèn)題時(shí)，觀察者利用事先在分劃板或鼓輪上的標(biāo)尺對(duì)莫爾條紋進(jìn)行度量，從而取得細(xì)分信息。這種方法是把問(wèn)題放在空間加以考慮，而電子細(xì)分則把問(wèn)題引導(dǎo)到時(shí)間域和頻率域加以解決。電子學(xué)細(xì)分方法讀數(shù)迅速，它不僅可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，而且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使觀察者從主觀的影響中擺脫出來(lái)，輸出量又能和數(shù)據(jù)處理機(jī)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。二.位移檢測(cè)電路光柵位移檢測(cè)電路方框圖如圖5-2所示。圖5-2位移檢測(cè)電路方框圖光柵莫爾條紋信號(hào)通過(guò)光電變換傳感器就可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。此后，還要經(jīng)過(guò)一系列電子學(xué)系統(tǒng)，如放大、細(xì)分、整形、微分、整流和計(jì)數(shù)等，就可以得到含有位移信息的數(shù)字量，再送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可以得到位移測(cè)量結(jié)果。5.2光柵位移傳感器與整機(jī)的連接原理光柵尺在移動(dòng)過(guò)程中發(fā)出脈沖，每mm發(fā)出脈沖數(shù)量越多，則精度越高。計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡把接收的脈沖轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，從而可測(cè)量出補(bǔ)償孔的位置。本課題采用長(zhǎng)春光機(jī)所生產(chǎn)的產(chǎn)品，精度上滿足使用要求，性能穩(wěn)定，使用和維護(hù)方便。第6章數(shù)據(jù)采集與圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1本章引論數(shù)據(jù)采集與圖像處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息(補(bǔ)償孔位置和圖像信息)的獲取、處理、顯示及存貯，本設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)圖像采集卡將光學(xué)成像系統(tǒng)的視頻信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞給管理計(jì)算機(jī)，同時(shí)接收光柵位移傳感器讀取的位移信息，然后我們運(yùn)用相關(guān)圖像處理算法對(duì)補(bǔ)償孔圖像進(jìn)行分析，并結(jié)合光柵尺信息從而得到制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔形位、尺寸數(shù)據(jù)信息以及主缸缸體內(nèi)表面的加工質(zhì)量信息，本章將重點(diǎn)對(duì)補(bǔ)償孔圖像處理算法的軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析研究，由于其圖像處理的數(shù)據(jù)量較大，算法較復(fù)雜，并且系統(tǒng)對(duì)圖像處理軟件的實(shí)時(shí)性要求較高，所以我們采用了功能強(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言VisualC++來(lái)編程實(shí)現(xiàn)。6.2補(bǔ)償孔圖像信息采集我們采用圖像采集卡作為光學(xué)成像系統(tǒng)和管理計(jì)算機(jī)的接口，來(lái)采集制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔的圖像信息，圖像采集卡將光學(xué)成像系統(tǒng)獲取的模擬電信號(hào)進(jìn)行采樣和量化處理，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字圖像信號(hào)，并提供與計(jì)算機(jī)的高速接口，這樣我們將圖像采集卡插入管理計(jì)算機(jī)中，就可以在不占用原有計(jì)算機(jī)資源的情況下，構(gòu)成具有圖像采集功能的計(jì)算機(jī)。在本檢測(cè)系統(tǒng)中要進(jìn)行高速、實(shí)時(shí)的圖像信號(hào)的傳遞和處理，圖像采集質(zhì)量的好壞關(guān)系到圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)，圖像采集卡是本檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，其圖像采集原理如下圖6-1所示。圖6-1圖像采集原理我們根據(jù)圖像采集卡的硬件功能，軟件功能，性價(jià)比以及技術(shù)支持等方面的要求，并結(jié)合本檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體需要來(lái)選擇產(chǎn)品，在本設(shè)計(jì)中的圖像采集卡我們選用維視數(shù)字圖象處理有限公司的MV-8002實(shí)時(shí)圖像采集卡，MV-8002兩路實(shí)時(shí)圖像采集卡采用10bitA/D轉(zhuǎn)換、采用多層濾波，畫面分辨率較高，圖像采集的實(shí)時(shí)性能強(qiáng)，采樣頻率較高，圖像質(zhì)量得到最大增強(qiáng)，性能也比較穩(wěn)定。MV-1002實(shí)時(shí)圖像采集卡的性能優(yōu)越，完全可以滿足制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)所采集圖像的技術(shù)要求，在設(shè)計(jì)中我們對(duì)其進(jìn)行的軟件設(shè)置操作如上圖所示，這樣可以使圖像采集卡的功能參數(shù)得到優(yōu)化調(diào)整，以便于后續(xù)使用管理計(jì)算機(jī)在VisualC++開發(fā)環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行更好的二次開發(fā)。6.3補(bǔ)償孔圖像處理汽車制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔光電檢測(cè)系統(tǒng)的圖像檢測(cè)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，它接受前端采集得到的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行分析處理，發(fā)出相應(yīng)的指令，從而得到補(bǔ)償孔的檢測(cè)數(shù)據(jù)以及高質(zhì)量的主缸缸體內(nèi)表面的圖像信息，圖像檢測(cè)軟件在達(dá)到系統(tǒng)檢測(cè)精度要求的前提下，還要具有良好的人機(jī)交互性能，以便于檢測(cè)人員的管理和維護(hù)，系統(tǒng)的圖像檢測(cè)軟件可以分為幾個(gè)部分(如圖6-1所示)，包括界面模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算模塊，其中圖像處理部分是核心也是基礎(chǔ)，圖像處理軟件設(shè)計(jì)的算法要在保證精度的前提下盡量簡(jiǎn)單計(jì)算量小、處理運(yùn)行速度快、便于擴(kuò)展和維護(hù)，只有這樣才能更好的滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求，本章節(jié)對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析。圖6-2軟件系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)6.3.1圖像處理軟件開發(fā)分析制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔的圖像處理就是用一系列的軟件算法來(lái)改變圖像的像素，使圖像更清晰，以便于從圖像中提取某些特定的信息，圖像處理軟件的編寫我們采用的是VisualC++集成開發(fā)環(huán)境，VisualC++是Microsoft公司推出的開發(fā)Win32環(huán)境程序、面向?qū)ο蟮目梢暬删幊唐脚_(tái)，它不但具有程序框架自動(dòng)生成，靈活方便的類管理、代碼編寫和界面設(shè)計(jì)集成交互操作等優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置就可以使其生成的程序框架支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)接口，Winsock網(wǎng)絡(luò)，3D控件界面等更豐富的開發(fā)應(yīng)用。所以利用VisualC++可以很好的完成汽車制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔光電檢測(cè)系統(tǒng)的圖像處理應(yīng)用程序開發(fā)，它強(qiáng)大的調(diào)試功能也為圖像處理軟件開發(fā)提供了必要有效的排錯(cuò)手段。VisualC++是通過(guò)圖形設(shè)備接口和位圖對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行編程處理的，圖形設(shè)備接口提供了各種繪圖顯示函數(shù)，它是連接輸出設(shè)備和處理程序之間的橋梁，使得在屏幕上輸出圖像變的容易。位圖是映射到顯示像素的陣列，它是柵格結(jié)構(gòu)的畫面存儲(chǔ)形式，通過(guò)VisualC++對(duì)位圖進(jìn)行操作是導(dǎo)入并處理圖像的基礎(chǔ)。制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔光電檢測(cè)系統(tǒng)是基于圖像的檢測(cè)系統(tǒng)，把工件圖像信息作為檢測(cè)的載體加以分析，即處理被測(cè)工件圖像的邊緣而獲得工件的幾何參數(shù)數(shù)據(jù)，因此圖像處理技術(shù)成為檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，圖像處理的算法直接影響系統(tǒng)檢測(cè)的精度，本文中的圖像處理技術(shù)主要涉及圖像像質(zhì)改善(灰度化，去噪，銳化)和圖像分析(邊緣檢測(cè))兩大部分。在實(shí)際應(yīng)用中，采集系統(tǒng)獲取的原始圖像由于噪聲、光照等原因，使圖像的質(zhì)量不理想，所以要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，本設(shè)計(jì)中的圖像預(yù)處理包括圖像的灰度化、濾波、銳化等內(nèi)容，從而為最終的邊緣檢測(cè)提供滿足精度要求的數(shù)字圖像本設(shè)計(jì)中的圖像處理過(guò)程。6.3.2圖像的灰度處理在制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔圖像處理的預(yù)處理階段，要把前端采集來(lái)的彩色圖像進(jìn)行灰度化處理，因?yàn)閷?duì)灰度圖像進(jìn)行圖像處理，算法計(jì)算量少，處理速度快，并且可以提高系統(tǒng)綜合應(yīng)用實(shí)效，達(dá)到更為理想的檢測(cè)精度要求。計(jì)算機(jī)中顯示的任何一種顏色都可以用三原色根據(jù)不同的比例融合來(lái)得到，這就是三原色理論。6.3.3圖像的中值濾波處理在基于圖像的檢測(cè)系統(tǒng)中，成像系統(tǒng)光源的不穩(wěn)定、CCD攝像機(jī)的光學(xué)畸變及圖像采集卡的量化過(guò)程等都會(huì)對(duì)所采集的圖像造成干擾，這些干擾和噪聲如果不能很好的去除，就會(huì)影響圖像檢測(cè)的精度。圖像增強(qiáng)的主要目的就是要提高補(bǔ)償孔圖像的可讀性，除去或削弱某些不需要的信息，因?yàn)榧匆肼曈忠３謭D像中的細(xì)節(jié)，所以設(shè)計(jì)使用中值濾波是非常必要的，中值濾波器屬于非線性平滑濾波器，克服了以往線性平滑濾波器使圖像細(xì)節(jié)模糊的缺點(diǎn)，對(duì)濾除原始圖像中的脈沖干擾及圖像掃描類噪聲特別有效，中值濾波器算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快。補(bǔ)償孔圖像中的噪聲信號(hào)都很細(xì)小，其信號(hào)尺寸與目標(biāo)圖像尺寸相差較大，所以采用中值濾波是一種快速有效的去噪方法，本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)中值濾波器的主要工作步驟如下:讓模板在補(bǔ)償孔圖像中漫游，將模板中心對(duì)準(zhǔn)圖像的某個(gè)像素。識(shí)別模板下相應(yīng)像素的灰度值，并將其灰度值按小到大排序。找出排序灰度值里的中間值，將其值賦給與模板中心位置對(duì)應(yīng)的像素。6.3.4圖像的銳化處理制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔圖像質(zhì)量的模糊，一些細(xì)節(jié)被覆蓋，或是因?yàn)閳D像采集元件的分辨率，或是因?yàn)橄嚓P(guān)圖像處理算法的固有影響，所以本設(shè)計(jì)中使用了圖像的銳化技術(shù)來(lái)對(duì)補(bǔ)償孔圖像進(jìn)行處理?？梢赃M(jìn)行銳化處理的圖像必須要有較高的信噪比，因?yàn)殇J化將使圖像噪聲得到同等程度的增強(qiáng)，所以銳化處理要放在補(bǔ)償孔圖像減輕干擾噪聲之后。本文利用梯度銳化濾波的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是以對(duì)圖像灰度函數(shù)的微分運(yùn)算為基礎(chǔ)的，通過(guò)微分運(yùn)算可以求得圖像像素灰度值的變化率，而其細(xì)節(jié)、邊緣處像素的灰度值變化通常會(huì)比較明顯，這樣加強(qiáng)圖像的高頻分量，就能夠使圖像輪廓變得更加清晰，因此，運(yùn)用此類的微分運(yùn)算完全可以起到細(xì)節(jié)、邊緣增強(qiáng)的作用。加權(quán)平均法或鄰域平均法可以用來(lái)平滑圖像，反過(guò)來(lái)運(yùn)用對(duì)應(yīng)的微分方法便可以銳化圖像，梯度是一階導(dǎo)數(shù)的二維等效式，所以在對(duì)圖像的處理算法中，一階微分可以通過(guò)梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)。6.3.5圖像的邊緣檢測(cè)在本文基于圖像的檢測(cè)系統(tǒng)中，圖像的邊緣是其最基本的特征，也是我們最關(guān)心的補(bǔ)償孔圖像測(cè)量要素，這個(gè)邊緣是指在補(bǔ)償孔圖像中鄰域像素灰度值有比較劇烈變化的像素的集合體，我們進(jìn)行圖像測(cè)量的基本方法就是通過(guò)處理補(bǔ)償孔圖像的邊緣而獲得其直徑和邊緣倒角的尺寸信息，由此可見，圖像邊緣檢測(cè)是圖像測(cè)量的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。隨著檢測(cè)系統(tǒng)精度要求和圖像處理技術(shù)的提高，各種邊緣檢測(cè)算法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這些算法能夠突破光學(xué)成像系統(tǒng)的物理分辨率限制，使圖像的邊緣定位精度接近或者達(dá)到像素級(jí)，從而提高了整個(gè)圖像測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)精度。進(jìn)行邊緣檢測(cè)首先要檢測(cè)出補(bǔ)償孔圖像灰度分布的局部不連續(xù)性，之后將這些灰度分布不連續(xù)的像素連成完整的圖像邊緣，邊緣最顯著的特征是與其走向相同的像素灰度變化平緩，而與其走向垂直方向上的像素灰度變化則比較劇烈，因此，邊緣檢測(cè)的算法就是檢測(cè)出與邊緣灰度特性一致的像素的數(shù)學(xué)算子，常用的方法是對(duì)鄰域像素的灰度值求導(dǎo)數(shù)及梯度，經(jīng)過(guò)處理算法處理后的制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔和主缸缸體內(nèi)表面的圖像質(zhì)量滿足后續(xù)計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量的精度要求，為圖像理解和分析打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這樣獲取制動(dòng)主缸補(bǔ)償孔圖像的主要特征信息后，后續(xù)工作通過(guò)對(duì)特征信息的進(jìn)一步處理計(jì)算分析出相關(guān)的特征檢測(cè)數(shù)據(jù)。第7章誤差分析在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量設(shè)備、儀表、測(cè)量對(duì)象、測(cè)量方法、測(cè)量者本身都不同程度地受到本身和周圍各種因素的影響，且這些影響因素也不斷地變化;其次，被測(cè)量對(duì)測(cè)量系統(tǒng)施加作用之后，才能使測(cè)量系統(tǒng)給出測(cè)量結(jié)果，也就是說(shuō)，測(cè)量過(guò)程一般都會(huì)改變被測(cè)量對(duì)象原有的狀態(tài)。因此，測(cè)量結(jié)果反映的并不是對(duì)象的本來(lái)面貌，只是一種近似，故測(cè)量不可避免地存在測(cè)量誤差。儀器的精度是精密加工設(shè)備、精密測(cè)量?jī)x器和其他精密裝備最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。因此，對(duì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行整機(jī)的總體誤差分析是儀器設(shè)計(jì)的一項(xiàng)不可缺少的工作?？傮w誤差分析就是對(duì)決定設(shè)備總精度的誤差整體進(jìn)行科學(xué)的定性分析或定量分析。一般來(lái)說(shuō)，要分析誤差來(lái)源和誤差的性質(zhì)，研究誤差的傳遞以及在傳遞過(guò)程中，系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的相互轉(zhuǎn)化、誤差的相消和累積、誤差的減小以至消除的途徑，使得整機(jī)裝配后的總誤差為最小，從而達(dá)到滿足儀器精度要求的目的。所謂系統(tǒng)誤差，一般是指在確定的測(cè)試條件下，采用某一種測(cè)試方法和某一種測(cè)試裝置所固有的誤差。通常，引起這一類誤差的原因，在測(cè)試之前就已經(jīng)存在，所以系統(tǒng)誤差在測(cè)試過(guò)程中，始終呈現(xiàn)確定的規(guī)律性。例如，千分尺零位不對(duì)的誤差，被測(cè)件安裝偏斜所引起的誤差等。鑒于此，為了更好的消除或減小系統(tǒng)誤差我們從以下幾方面來(lái)闡述和分析系統(tǒng)誤差。7.1機(jī)械檢測(cè)裝置的誤差由于檢測(cè)裝置是由許多零部件組成的，所以它們?cè)谥圃旌桶惭b中均不可避免地存在誤差。從整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)來(lái)看，影響其測(cè)量結(jié)果的因素不外乎是伺服電機(jī)的精度誤差、滾珠絲杠的傳動(dòng)誤差、直線導(dǎo)軌的偏轉(zhuǎn)偏差、工件和傳感器的定位誤差等。7.1.1工具誤差由于所使用的量具或儀器結(jié)構(gòu)上的不完善，或零部件制造質(zhì)量上的不夠理想，以及使用過(guò)程中的失調(diào)所造成的誤差。如定位模具的偏心誤差，物鏡的旋轉(zhuǎn)誤差，儀器標(biāo)尺(光柵尺)刻度間隔的不均勻(或偏心)，標(biāo)準(zhǔn)件的偏差等，都屬于工具誤差。在本實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)主缸缸體的主孔直徑，加工制造了用來(lái)夾緊主缸的夾具，夾具材料為鑄鐵，其內(nèi)孔直徑誤差控制在0.0lmm之內(nèi)。7.1.2裝配誤差由于儀器或被測(cè)件的安置不當(dāng)所引起的誤差，如工件的軸心線和窺鏡的軸心線不重合，未校準(zhǔn)零位的光柵尺測(cè)量工件，被測(cè)件的定位面與測(cè)量方向線互不平行或互不垂直等所造成的誤差，都屬于裝配誤差。本測(cè)量?jī)x器的裝配誤差經(jīng)多次校驗(yàn)，可控制在0.0巧mm之內(nèi)。7.1.3工作臺(tái)的幾何誤差工作臺(tái)在制造和安裝的過(guò)程中必然存在著誤差。例如，工作臺(tái)在制造過(guò)程中的尺寸誤差，安裝過(guò)程中造成的臺(tái)身的扭曲，都會(huì)給工件造成一定的誤差。同時(shí)，在工件卡緊的過(guò)程中，由于頂尖和卡盤的不對(duì)中，也會(huì)造成工件的加工誤差。此處誤差可控制在0.01um以內(nèi)。7.1.4傳動(dòng)絲