基于线阵CCD的阶梯轴自动测量装置的控制系统研究

基于线阵CCD的阶梯轴自动测量装置的控制系统研究
    分析研究测量装置在测量包括长度、直径、跳动量和圆柱度等参数所采用的测量
原理，设计出基于CPU224XP和STM32为主控单元的双路控制系统，并重点对工件运
动控制系统和数据采集与处理系统进行详细的软硬件设计。
    工件运动控制系统是由CPU224XP和EM23 5模块与电机驱动芯片YK2404MA和
电磁阀组成，主要用于控制带动工件运动的电机和液压缸，并以I/O口通讯方式与上
位机进行数据通讯，完成工件测量过程中的运动控制。工件数据采集与处理系统是以
STM32为主控单元，并由长度测量控制单元、直径测量控制单元、跳动(径跳、端跳)
测量控制单元、数据存储和打印单元等共同组成的，以串口通信的方式与上位机进行
数据通讯。
    最后对所测量的主要参数(直径、长度、跳动)进行了详细的误差与精度分析，
并通过实验对测量系统的精度进行验证。测试结果表明，该自动检测装置能够实现长
度测量重复测量精度，1O}m，直径测量重复测量精度，1O}m，跳动量重复测量精度
+30}m，圆柱度重复测量精度，15}m等主要性能指标，满足所提出的阶梯轴自动测
量的技术要求。

    轴类零件是很多仪器设备的基本构件，是运动类设备的核心部件之一。同时随着
现代精密机械中大型、高性能设备的出现，对一些常见的轴类零件的需求，包括加工
质量和检测数量都有了新的变化，这就为提高轴类零件参数测量速度和精度测量技术
提供了新的研究动力。
    当前己知的常规轴类零件检测技术相对比较成熟，但是具有高精度、快速、多参
数实时测量的技术仍然存在空白，尤其是具有多个直径和不同长度的阶梯型轴类零件，
在多个参数需要实时测量方面仍旧存在技术缺陷。
    近些年来，随着多方面技术领域水平的快速发展，包括光电检测、图像处理，激
光扫描以及计算机技术等，都为零件尺寸的测量方法打开了新的设计思路。非接触式
测量所表现出的被测零件不受接触变形等客观因素的影响，且不会划伤己加工好的被
测表面的优点，让研究者们都积极的投入到这些新的技术研究之中，去尝试设计出具
有测量速度更快、精度更高的测量手段。尤其是以光学成像技术为代表的非接触实时
在线测量方法的探讨和研究越来越成为研究者的主攻课题，这也使得非接触零件测量
技术水平正快速提升。

    电荷藕合器件图像传感器(Charge Coupled Device)简称CCD，分为线阵和面阵
两种。CCD器件的应用非常广泛，目前国外己经借助CCD技术在零件外形检测技术
领域发展了较长时间，并己形成了一套相对成熟的测量技术。尤其是现代工业比较发
达的几个国家，从CCD测量的基础研究到实际应用都己经远远领先国内相应的领域。
在国外的研究中，基于线阵CCD的外形测量技术重点应用于军事、微加工和电子元件
开发等领域，并且目前来看其技术水平相对国内来说己经远远领先，例如，在太空卫
星控制与姿态调整，以及运动物体监控与高精度定位测量等方面的应用。CCD传感器
在测量技术中的应用也从开始单纯的摄像开始，从一维尺寸测量发展到现在的三维物
体测量。

    Ishikawa等设计出了电子元件覆层厚度的在线检测系统，其由激光器和线阵CCD
配合完成，测量精度较高。Alvarez Israel等人创新性的引入双路线阵CCD到以DSP
为辅助的微尺寸检测系统，可对细丝状物体进行高精度的检测。
    由于CCD传感器的工艺水平提高和测量技术相关领域的同步发展，高精度动态测
量己经成为当前最热课题。尺寸测量与光学工程的高度结合也是当前比较令人关注的
工业领域，从汽车、船舶、卫星到小型家电产品都正与非接触式高精度测量技术联系
起来。例如，光学三维扫描仪和摄影测量系统，全自动高精度影像测量系统等高科技
技术都将CCD图像传感技术推到了一个新的高度。

    轴类零件在机械零件的加工和应用领域都占有很高的比重，是设备机构中最常见
的零件，也是零件精度要求相对较高的零件，所以关于如何提高轴类零件的测量技术
和方法，一直是所有研究者比较看重的课题。国外由于工业发展较早，所以在轴类零
件的测量技术研究和相关设备研发方面，较国内比发展水平较高。目前关于轴类零件
的高精度、自动检测设备，国际上有几个性能相对比较突出的「。
    瑞士TESA公司目前推出了一款称作ESA Scan非接触轴类零件检测仪，该检测仪
可以实现回转体的外形尺寸检测，检测最大长度为800mm，直径范围0.3mm-130mm o
    意大利马波斯公司的Opto QuickSet轴类专用柔性光学检测仪是近些年性能比较突
出的一款具有曲线或曲面测量能力的装置，解决了目前多个机械行业产品中复杂零件
的a}n」量与生产线监测难题。
    日本的三丰公司研制的QV-Pro系列三次元非接触式影像测量系统，则是在大规模
测量环境和接触变形类材质零件(橡胶、塑料等)的实际测量难题上得到了技术突破。
    虽然国内在轴类零件的自动化测量技术研究方面起步较晚，但是随着本领域的不
断积累和投入，一些研究者也取得了一定的研究成果，通过查阅文献资料发现，目前
国内还没有关于基于CCD传感器的轴类零件自动化测量技术的新动态。所以本文的基
于线阵CCD阶梯轴自动测量装置的控制技术研究将重点在这一技术应用环节提出一种
新的思路和方法。

    基于ccD传感器的测量方法中，ccD传感器作为数据采集的源头，必须匹配其
他相关技术，例如光学成像、图像处理等，来对所采集的零件外形参数进行特征提取
和匹配，可以说基于ccD传感器的尺寸测量方法是一种多学科应用的集成技术。实际
应用中，一般都会针对不同的测量对象、测量条件和精度要求，进行局部的技术方案
调整和选择。目前，常见典型的基于ccD传感器的测量方法应用有以下几种:
1.3.1小孔或细丝直径的测量
    针对小孔或细丝类被测对象(一般定义为少mm)来说，一般会采用叫做激光衍射
法的测量方法。这种方法由于在测量小孔或者细丝直径时能够达到快速、高精度以及
数据处理简单等优点，所以常作为非接触测量的基础理论或者相关测量装置的工作原
理，其具体原理如图1.1所示。
    若以狭缝代替小孔，选择准直性较高的激光作为光源，经过扩束系统，放大光源
直径，再投射到待测物体上，所形成的待测物体阴影照射到准直透镜后，将以较高的
准直性被CCD图像传感器接收，最后再将采集到的信号经过放大滤波，模数转换后，
通过上位机的显示系统，得到被测物体的具体尺寸。

    准直光成像法主要分为两部分，一个是准直光学系统，一个是ccD图像采集与数
据处理部分。准直光学系统的功能就是将由准直透镜准直后的平行光投射到被测圆柱
体上，形成被测物阴影，然后由ccD进行图像采集，通过分析阴影图像的像素数值，
来得到被测物的轮廓数据，即可得到被测物的外形尺寸。准直光成像法相比光学衍射
法来说，技术难度相对较低，准直光学系统设计难度不大，同时ccD采集图像相对简
单，而且阴影图像的二值化处理算法的应用也比较容易，因此本方法测量轴类零件的
技术应用较为普及。

    双路ccD传感器的目的主要就是解决以上方法中所说的光学系统口径因被测物直
径太大而无法测量的实际问题。所以在光源和被测物直径设计了光学扩束系统，此系
统一般用扩束分光器来实现，其原理就是采用具有扩束性能的光学透镜组，通过被测
物的阴影图像分别被CCD1和CCD2采集到。由于被测物体尺寸大于CCD传感器的传
感面，所以两个CCD传感器只能分别采集到被测物体的两个边缘，得到边缘数据后，
再根据光学系统性能指标(放大倍数)和CCD的像元尺寸就可以计算出被测物体的尺
寸。这种测量方法就可以直接解决因检测物体尺寸大而造成光学系统和CCD传感器无
法测量的实际问题。
    此方法存在几个必须注意的技术问题，一是两个CCD直接的距离在测量之前必须
精确标定，此值要合计到最终数据处理中;二是CCD传感器在程序时序运行时必须同
步;三是若是双路CCD仍然无法测量更大的尺寸，则可以继续在每个CCD传感器和
光源中设计二次扩束系统，来提高测量尺寸。
    本文在研究基于CCD的阶梯轴自动测量装置时，就是采用了此测量方法进行多种
参数的检测，主要就是为了解决较大测量范围所存在的实际问题。

    光电检测系统包括三部分，第一部分为直径检测子系统，其功能是检测阶梯轴各
段的直径;第二部分为径跳检测子系统，其功能是检测各段轴的径向跳动，第三部分
为端跳检测子系统，其功能是检测阶梯轴的端面跳动误差。光机械系统除包括主体部
分(底座、龙门架、立柱和横梁)外，还有直径圆柱度检测分系统与传动导向机构、
轴长检测分系统与传动导向机构，跳动检测(径跳、端跳)分系统和对应的运动控制
机构等组成。液压与驱动系统由V型座升降液压子系统，测量头架、测量尾座与顶尖
液压子系统组成，其主要功能是将被测工件准确地运送到测量位。
    电子学控制系统由测控中心、工件送进与移出运动控制、直径圆柱度检测单元传
动对准定位控制子系统、轴长检测单元传动对准定位控制子系统、径向跳动检测单元
传动对准定位控制子系统和端面跳动检测单元传动对准定位控制子系统组成，其功能
是从测控中心的上位机下达测量指令，根据测量指令检测工件是否进入测量位，并控
制各光电检测单元进行各段直径、端面跳动和径向跳动测量，并给出测量报告。
    计算机软件系统由工件送进移出检测单元控制软件、直径圆柱度检测单元控制软
件、轴长检测单元控制软件、径向跳动检测单元控制软件和端面跳动检测单元软件组
成。测量系统组成如图2.1所示。

    系统结构按功能分为底座、龙门架、横梁、测量头架与测量尾座等主体部分，以
及直径圆柱度检测控制机构、轴长检测控制机构、径向跳动检测控制机构等系统组成。
要求各结构间布局合理、运行自如、互不干涉，在控制器和驱动器联合作用下完成各
项检测任务。
    在主机底座选取中考虑到阶梯轴各参数精度要求较高，测量环境比较恶劣以及测
量设备所需空间，选择了具有隔震地基、橡胶隔振器、弹簧阻尼隔震器等三级减震功
能的承载平台。主体部分由底座、龙门架、横梁组成。如图2.3所示。

    直径:在本系统中两对ccD检测扫描仪构成一个直径测量头，在轴两端各放置一
个完成直径测量;
    圆柱度:在本系统中用与直径相同的测量头扫描阶梯轴由扫描轨迹的最大内切圆
和最小外切圆差值来表征阶梯轴圆柱度;



    由高精度ccD检测扫描仪为基础组成的检测系统主要由两对两个性能一致的
ccD检测扫描仪、支撑支架、连接板、光栅尺、传动丝杆等组成。每对中的两个检测
仪之间位置恒定通过连接板与光栅尺和丝杆螺母连接在一起。丝杆螺母在伺服电机转
动的情况下起传动作用使测量仪在沿轴方向做往复运动，光栅尺起导程作用并控制直
径测量的位置。考虑阶梯轴直径测量范围跨度较大，而ccD检测扫描仪中的发射激光
束的宽度有lOmm, 20mm,  SOmm,  100mm的四种规格，不同规格的光束宽度可测变
径范围也不同。为满足阶梯轴较大的测量范围以及达到参数测量的检测精度。选用自
行研制开发的发射光束为SOmm的CCD检测扫描测头，单个测量头的测量范围为
0. 5-65mm;精度士0.003mm o

    主动液压顶尖及从动回转顶尖是阶梯轴定位和阶梯轴回转的核心部件。由于端面
跳动检测仪安装在顶尖上随液压顶尖的水平移动而移动，以及阶梯轴跳动测量等需要
在回转状况下进行，所以主动液压顶尖及从动回转顶尖是检测定位的核心部件。当阶
梯轴到达检测位置后，一端的液压顶尖由液压缸驱动伸出后，顶入阶梯轴的中心定位
孔，与车床零件加工时固定原理相同。在直径检测完成后液压顶尖作为主动件带动阶
梯轴和回转顶尖一起转动。
    阶梯轴精密夹具及其旋转系统由伺服旋转电机、驱动油缸、编码器、滑台及顶尖
组成。阶梯轴精密夹具及旋转系统具有元件多，结构复杂，受环境影响大等特点，将
其主要部分放置立体机箱内。如图2.7阶梯轴夹具及旋转系统所示。

    阶梯轴夹具及旋转机构分布在工作台两侧。通过液压作用将阶梯轴固定，为有效
避免阶梯轴产生轴向窜动影响测量精度，两端夹具分别设计为带驱动力和自由转动结
构。具有驱动力的夹具是由步进电机提供被a}n」轴在测量时的转动力，其设计为套装式
活动结构，分为前后两部分，前端用于顶压被测件的中心孔，其锥形顶尖配套设计有
可移动套筒，其在受被测件的顶压时，可沿轴向移动。移动套筒与锥形顶尖间又设计
有压力弹簧，用来提供驱动电机为被a}n」轴旋转所产生的摩擦力;顶尖的后端通过联接
零件与驱动电机轴进行固定。产生顶压力的驱动力是由驱动液压缸产生的，其可保证
被测轴的横向移动和压紧，整体结构如图2.8所示。