基于激光位移传感器的键槽对称度非接触检测方法研究.pdf

基金项目：国家青年科学基金（）；江苏省青年科学基金（）收稿日期：年 月基于激光位移传感器的键槽对称度非接触检测方法研究唐莹，董宝江，位宝垒，李国超，周宏根，管小燕江苏科技大学机械工程学院；河南柴油机重工有限责任公司摘要：对称度是键槽重要的几何公差之一，其数值大小直接决定了传动机构的性能。目前，基于专用量具的接触式测量方法存在容易划伤零件表面、自动化程度低和测量精度低等问题，提出基于激光位移传感器的键槽对称度非接触检测方法，通过传感器采集多个键槽截面轮廓数据，采用空间解析几何原理提取轮廓关键点坐标值，并推导出获得对称度误差的数学表达式。与三坐标测量结果进行试验对比，结果表明，所提出的方法检测误差小于 。关键词：对称度误差；键槽；激光位移传感器中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言轴类零件作为机器的典型零件之一，常用于支承齿轮、凸轮和带轮等传动件，工作转速高，同时需要承受较大的扭矩。键槽通过固定键来传递扭矩，使轴与传动件之间实现同步转动而不发生打滑，因此键槽的精度对传动效率有较大影响，其加工制造往往精度要求高。键槽的对称度误差是反映键槽加工质量的重要指标，该误差较大会引起传动装置受力不均和对中精度降低等问题 。为了保证轴类零件传动的安全性，必须对键槽对称度进行严格的检测。本文以图 所示对称度误差为例，介绍了一种激光位移传感器测量对称度误差的方法。?键槽对称度测量基本原理目前，对轴类零件键槽的对称度检测方法主要包括传统测量法 、坐标测量法 和测量块测量法 。传统测量法使用 形块固定轴，同时用于模拟轴的基准轴线，用定位方块模拟键槽的中心面，调整定位块与平板径向平行，在两端分别测量其距离，反转 后再次测量，最后由公式计算得到对称度误差 。该方法会将定位元件的不对称误差引入测量结果，不适合大批量零件的对称度检测 。坐标测量法通过坐标测量机提取被测圆柱面并拟合确定其导出轴线，拟合两个键槽侧平面并提取导出中心面，在轴线所体现的基准约束下采用最小区域法定位最小区域，得到两拟合平行平面间的距离，即为该键槽的对称度误差 。该测量法测量精度高，但设备成本较大，检测时间较长 ，适合对零件进行综合而非单一形位误差检测，同时还易划伤工件表面 。测量块测量法是将轴固定，以能否放入测量块或标准圆柱作为检验其是否合格的标准。虽然该方法能显示零件是否满足对称度要求，但不能确定具体的对称度误差值。?键槽对称度误差概念分析对称度误差通常表示两个及以上表面相对位置的中点与基准轴或基准中心平面一致的程度。轴类零件键槽对称度是指两个键槽平行内表面的对称面工 具 技 术与过轴线的基准平面一致的程度 。如图 所示，在轴键槽截面上键槽边缘至中心轴线的距离分别为 ，若键槽边缘关于中心线对称，则 。若 或 ，则键槽发生偏移；若键槽不同截面上同时分别存在 和 ，则键槽发生扭曲，键槽截面的对称度误差应为 与 差值绝对值的一半。图 对称度误差分析?检测原理为获得键槽对称度误差数学表达式，需要建立键槽检测绝对坐标系 ，其中点 位于被测轴轴线上，轴与被测轴的轴线重合，坐标平面位于垂直于轴线的轴截面上，轴、轴、轴满足笛卡尔坐标系，如图 所示。为了便于轨迹方程的表达，采用极坐标方程表示轴检测截面轨迹。如图 所示，在坐标平面 上，键槽横截面轮廓线数学模型可表示为（），其他（）式中，为轴半径；为键槽深度；为极角；为极径；为键槽宽度的一半；为该截面实际存在的键槽的对称度误差，若不存在对称度误差，则 。（）（）图 截面轮廓检测坐标系测量过程中，被测轴绕 轴匀速旋转，为轴的旋转角度。以绕 轴正方向逆时针旋转为例，当 时，图 为测量起点；当 时，检测值始终为半径 ；当 时，如图 所示，激光检测到键槽的左边缘，轨迹开始进入键槽段，在下一时刻将检测到键槽底部，检测数值会发生突降，已检测轨迹如粗曲线所示；当 时，检测值不断降低；当 时，键槽底部与 轴平行，检测值到达最低点 ；当 时，检测值不断增大；如图 所示，当 时，激光检测到键槽右边缘，检测值突变为最大值 ，此时键槽段结束；当 ，检测值恒为半径 ；如图 所示，当 时，轴转动满一周。检测数据如图 所示。图 检测数据产生原理在平面直角坐标系 下，轮廓上一点（，）绕原点逆时针旋转角度 后的坐标为（，），其转换公式为 （）则检测轨迹方程可视为旋转的原曲线方程（式（）旋转一周与 轴相交的正值点，模型表达式为 （）（）（）图 中存在的两个数值突变点 和 为键槽左、右边缘点，其旋转角度分别设为 和（）。图中数值最小时刻的旋转角度为，该时刻键槽底部刚好与 轴平行，即无论轴的初始位置如何，只要将其逆时针旋转 角，则可以实现键槽底部沿水平方向，在此位置可计算键槽两端点坐标。此时，和 点分布在 轴两侧，横坐标计算公式分别为 （）（）（）式中，为 点的横坐标；为 点横坐标。由 和 点的横坐标可以计算出键槽中心点的横坐标，其与理想坐标的差值则为对称度误差，计 年第 卷 算公式为 （）式中，为该截面的对称度误差计算值。上述分析为轴截面上的对称度误差计算方法，传感器沿 轴移动，计算 个截面上的对称度误差，其最大值为键槽的对称度误差，表达式为 （），（）式中，为第 个截面上计算的对称度误差值；为轴键槽的对称度误差。?误差分析与补偿激光位移传感器安装时不可避免地会造成沿 方向的定位误差，如图 所示，激光往 轴正方向偏移距离 ，图 表示激光偏移后检测到 点的时刻，图 表示键槽水平时刻，图 表示检测到 点的时刻。在这种情况下，检测模型和检测轨迹均有改变，各个时刻的检测数值发生变化会直接影响对称度误差的计算，因此需要对其进行分析与补偿。图 激光存在偏移后的检测当传感器在 方向产生距离为 的偏移误差时（以右偏为例，此时 ），在截面直角坐标系 中，检测直线将不再是 轴，此时检测直线为 。如图 所示，当检测直线发生偏移，轴截面上键槽段的检测轨迹发生变化，原截面方程式（）不再适用。此时键槽段轨迹将不再由 和 点与圆心的连线分别与 轴的夹角所决定，而是由检测光线检测到 和 点时的旋转角度所决定。由空间几何理论可知，虽然键槽段的轨迹发生变化，但非键槽段的轨迹未发生变化，则将式（）中的检测直线由 变为 ，即可得到 和 点的旋转角度。此时一个周期内的轨迹方程可表示为（），其他（）式中，和 分别是传感器检测到两键槽边缘顶点时的旋转角度（若起始点位于键槽内部，则恰好相反）。联立可得到传感器存在偏移后的检测曲线模型。当轴逆时针旋转时，由于存在 ，传感器检测到的最低点位置不再是键槽底部与 轴的水平位置，而是槽底达到水平前的某个时刻，且此时测量的最小值将小于理论最小值 ，实际水平时刻的角度 在最低点时刻 之后。对检测图像进行取值，取 值为 ，则最低点时刻之后的点为水平时刻点，此时旋转角度为 。分析旋转图像发现，当激光检测到 和 点时，实际是键槽边缘点在直线 的位置，其后继续旋转一个确定角度才能到达 轴。和 点到达 轴时的旋转角度与 的差值即为键槽水平时刻边缘点和原点的连线与 轴的夹角，之后可以计算键槽端点坐标。激光位移传感器沿 轴方向存在偏差时，其测量最大值、最小值都发生变化。设此时检测到的数值最大值为 ，小于截面半径 ，这是由于检测光线偏离中心轴线造成。对 和 点旋转角度偏移进行补偿，补偿公式可表示为 （）式中，为补偿角度。利用补偿角消除传感器水平方向偏移带来的影响，此时的 和 点的横坐标计算公式为 （）（）（）将 和 代入式（），即可得到该截面消除传感器偏移误差后的对称度误差计算值。?试验验证及实例分析?仿真验证用 软件对上述求解过程进行编程，共设计 组实验。在激光位移传感器沿 向偏移误差分别为 ，的情况下，对实际对称度误差分别为 ，的键槽进行检测，实验方案见表 。工 具 技 术表 实例数据序号（）（）检测模型简化为旋转角度 在（，）内，在极角 （，）的约束条件下，旋转后的坐标方程与直线 的正值交于一点。对数据图像水平段和键槽段进行分段拟合，根据上述方法对图像分别取值 ，和 ，应用式（）和式（）计算可得到所求单个截面对称度误差值。为分析模型特性，比较检测模型是否存在对称度误差和激光偏移误差的现象，选取实验序号 ，的图像进行分析。图 为三组实验仿真图像。工件起始角度为负值，表示从任意角度开始旋转，分别为关键节点处的局部放大图。图 实例对比当不存在激光偏移时，段检测图像最大值为截面半径 ；当存在激光偏移时，其最大值减小；在段和段中，激光存在水平偏移（向右）时曲线将更早（旋转角度更小）进入键槽段，轨迹发生整体偏移；当键槽存在对称度误差（右侧）时，与不存在对称度误差相比，点集将更晚进入键槽段，但此时曲线不发生偏移，仍处于原变化趋势轨迹上；在最低点段，存在激光偏移时会较早到达偏移最低点，且此时检测数值小于偏移量为 情况下的数值；在段和段中，激光存在水平偏移（向右）时轨迹键槽将更早离开键槽段，若存在对称度误差（右侧），与不存在对称度误差相比，轨迹将较晚离开键槽段，但仍处于原变化趋势轨迹上；若激光或键槽向左偏移则情况相反。对模型进行仿真验证，计算对称度误差计算值，得到计算值与给定值之差 ，结果如表 所示。结果表明，本方法得到的对称度误差计算值小于给定值的差值，计算值与给定值的误差在 之内，检测原理可行。年第 卷 表 仿真结果序号对称度误差给定值（）对称度误差计算值（）计算值与给定值的误差 （）?检测系统搭建及实例分析采用激光位移传感器进行测量，激光位移传感器能够测得目标的距离，同时需要知道工件转过的角度，因此还需配置角度传感器。工件沿 轴匀速转动，得到激光位移传感器测得的截面高度和角度传感器测得的旋转角度，则可以获得工件截面的轮廓数据。如图 所示，传感器安装于工件的上方，可沿设置于 向水平导轨前后移动。水平导轨两端安装有滚珠丝杠可使导轨左右移动，则传感器可实现相对于工件的 向和 向移动。图 轴检测系统采用的激光位移传感器光源为红色半导体激光，型号为 ，光点直径为 ，精度为 ，测量范围是 。测量仪采用卧式测量，先将工件的一端固定在卡盘上，另一端由顶针固定。伺服电机控制卡盘转动，从而带动测量轴旋转，通过调节转速控制器改变转速大小。激光位移传感器布置在导轨上，沿导轨移动激光位移传感器至非键槽段的轴段上方，通过调节滚珠丝杠使传感器沿测量轴 方向缓慢移动，比较测量数据的大小，调整传感器至数值最大值处，即位于轴线正上方，此时若再向左、右移动都将出现数值的下降。将激光传感器沿导轨移动到键槽上方后再对键槽截面进行检测。对键槽轴端半径为 的轴进行对称度检测，检测原始数据如图 所示。检测 个不同截面的对称度，并对图像进行分段拟合后计算对称度误差，其结果如表 所示。图 检测原始数据表 不同截面的轴检测数据序号（）序号 （）取其最大值作为键槽的对称度误差，则该键槽的对称度误差为 。使用三坐标测量仪对实验轴进行对称度检验，结果为 ，误差为与本实验结果较为相近，误差值为 ，说明本实验设备检测精度较高。?结语针对轴类零件键槽对称度非接触式检测需求，提出了一种基于激光位移传感器的检测方法，推导了对称度误差求解方程，并考虑传感器安装误差对求解方程进行补偿，采用仿真和试验相结合的方法，验证了测量原理及方法的准确性。该方法对于提升轴类零件键槽在线检测具有重要工程指导价值。参考文献 田桂芹 轴类键槽对称度检测及误差分析 煤矿机械，（）：高建，苏伟，颜娟 基于 的内圆键槽对称度检测方法 硬质合金，（）：，：裴德琦，赵白阳，谭智健 轴类零件中键或键槽的对称度检测方法与误差的分析 现代车用动力，（）：路玮琳，李瑞锋，穆雪健，等 精密双面研磨机缸套的长键槽加工工艺改进 精密制造与自动化，（）：黄煜，王建华，卢春霞 矩形花键对称度的坐标测定法 工具技术，（）：工 具 技 术书书书 党威武 基于三坐标的对称度测量评价研究 机械研究与应用，（）：谢小辉 汽车同步器齿毂滑块搭对称度检测装置 汽车实用技术，（）：赵文亮，路超，阮健，等 二维柱塞泵缸体配油口对称度测量机理研究 液压气动与密封，（）：，产品几何技术规范（）几何公差检测与验证 第一作者：唐莹，本科，江苏科技大学机械工程学院，江苏省镇江市 ：，通信作者：李国超，副教授，江苏科技大学机械工程学院，江苏省镇江市 ：，基金项目：山东省自然科学基金（）；山东省重点研发计划（）收稿日期：年 月基于机器视觉的圆形垫圈尺寸测量系统设计张炳星，高军伟，王建冲，刘佳浩青岛大学自动化学院；山东省工业控制技术重点实验室摘要：针对传统工业检测中人工测量工件尺寸存在效率低、精度差等问题，设计了基于机器视觉的圆形垫圈尺寸测量系统。在 软件中对 相机进行尺寸标定，对采集的图像进行灰度处理，使用改进后的 自适应迭代阈值算法对图像进行边缘检测，对边缘坐标进行双线性插值并提取亚像素边缘坐标，根据最小二乘法对亚像素边缘坐标进行圆拟合，得到工件内径与外径尺寸。实验结果表明，本系统的测量精度可达到 ，可应用于圆形工件的视觉测量。关键词：机器视觉；尺寸测量；边缘检测；亚像素边缘；最小二乘法中图分类号：；文献标志码：，：，：；?引言随着工业自动化的飞速发展，工业生产中对零件质量的要求也越来越高，其中包括对工件尺寸进行测量，并将不合格尺寸工件剔除。目前传统的测量方式一般通过游标卡尺或者螺旋测微器实现，但存在精度低、速度慢 等缺点，无法满足生产需求。将机器视觉技术应用到尺寸测量中，可以实现对工件的非接触性测量，可对工件尺寸做出实时检测，具有检测精度高、速度快以及成本低等优点。谢俊等 使用 算子提取图像边缘完成了孔类零件的检测，但并未达到亚像素精度；刘志毅等 利用 算子和改进的多项式插值算法完成了工件亚像素精度测量，平均误差为 ；杨文晖 通过亚像素灰度矩边缘定位算法和张正友标定法开发了可以测量多个几何特征的测量系统；张喜民等 以手机尾插工件尺寸测量为背景，设计了 空间投票权重分配策略抑制伪峰产生，提高了边缘检测的精度，实验表明，测量精度可达到 。赵美丹等 设计了微型光学元件视觉尺寸测量系统，使用基于区域分割的 算法提取 年第 卷