一種用于檢驗力矩器的設備的制作方法

本發明屬于視覺測量技術領域，具體涉及一種用于檢驗力矩器的設備。

背景技術：

撓性陀螺力矩器正交性決定了兩個敏感軸的正交性，是撓性陀螺性能的關鍵參數之一。我國航天領域撓性陀螺力矩器檢驗是人工在顯微鏡下尋找u形口與4個線圈上的參考點，手工檢測u型口中心與4個分別以0°、90°、180°、270°為基準的線圈中心的角度偏差值，然后計算任意兩角度偏差的差值。

目前該檢測均采用人工檢測的方式，人工檢測150個/月/人，操作過程中邊檢測邊記錄、并計算數據，存在工作效率較低，檢測精度不高的情況，目前很多研究所撓性陀螺生產量較大，這一檢測工序成為制約生產的瓶頸之一。

技術實現要素：

為了解決背景技術中的問題，本發明提供了一種自動化程度高，節約人力成本并大大提高工作效率的用于檢驗力矩器的設備。

本發明的原理：

該用于檢驗力矩器的設備在力矩器檢測工藝要求基礎上，深入研究人工檢測具體操作流程及撓性陀螺力矩器工作原理，以視覺實時測量系統為核心，通過視覺系統與機械結構、電氣設備的有效配合，實時采集力矩器圖像，完成力矩器4個線圈與u型口中心角度偏差的自動測量、合格品判定過程。

本發明的具體技術方案是：

本發明提供了一種用于檢驗力矩器的設備，包括控制箱體、視覺系統、旋轉機構以及控制系統；

所述視覺系統用于采集力矩器圖像并處理得到最終的測量數據；所述旋轉機構帶動其上安裝的力矩器旋轉，同時旋轉速度與視覺系統采集力矩器圖像拍照速度相適配；

視覺系統安裝在控制箱體的上表面；旋轉機構的一部分位于控制箱體內，另一部分伸出控制箱體上表面，伸出控制箱體上表面的部分安裝待測量力矩器；

控制系統(3)負責與視覺系統(2)及旋轉機構(4)分別進行通訊，從而促使旋轉機構與視覺系統的有效配合，完成控制旋轉機構(4)帶動力矩器穩定旋轉、控制視覺系統獲取力矩器圖像的時間節拍以及控制光源開關等工作。

上述視覺系統包括相機以及兩個線光源；

相機安裝在控制箱體的上表面，相機的鏡頭正對待測量力矩器；兩個線光源分別安裝在待測量力矩器兩側，相機光軸通過兩個線光源之間的狹縫垂直出射至待測量力矩器上，確保待測量力矩器影像能被相機攝取。

所述相機為8k線掃相機，最大行頻13khz；相機鏡頭采用高分辨率60mm鏡頭，并添加75mm擴展筒，視野范圍縮小在4cm，成像效果接近于1:1；所述線光源是用于提供光照，剔除其它光線的干擾，利于視覺系統得到清晰度較高的圖像。

上述旋轉機構包括旋轉軸、位置傳感器以及減速電機；減速電機位于控制箱體內，減速電機的輸出端穿過箱體上表面與旋轉軸下端連接；旋轉軸的上端用于安裝待測量力矩器；位置傳感器安裝在旋轉軸的側面。

上述控制系統包括plc、通訊板、硬接線系統、觸摸屏、開關電源以及繼電器等；

所述plc為控制系統的核心，用于接收、存儲并處理視覺系統以及旋轉機構發送來的數據，從而控制視覺系統進行線光源開關、相機拍照、圖像處理以及旋轉機構進行旋轉的具體動作；

所述工控機用于控制相機進行圖像采集，并展示整個視覺軟件操作界面，便于操作人員進行操作與數據讀取；

所述通訊板包括兩個通訊接口，一個通訊接口負責與工控機進行通訊，告知工控機何時到拍照位，從而確定相機采集圖像時間，同時接收工控機信號，確定旋轉機構何時開始旋轉；另一個通訊接口負責與觸摸屏進行通訊，從而實現操作者點擊啟動按鈕即整個控制系統開始運行，選擇運行模式則旋轉機構控制模式變換，同時在觸摸屏上顯示當前減速電機運行速度以及角度；

所述硬接線系統包含兩個，一個通過i/o口輸出控制減速電機工作，從而控制旋轉機構的旋轉，并通過輸入獲取電機轉速信息；一個通過i/o口輸入獲取位置傳感器信號，確定旋轉機構旋轉零點；

所述觸摸屏與plc進行通訊，用于提供模式選擇、控制系統的啟動以及對旋轉機構動作的參數調整與測試，測試過程中在屏幕上方實時顯示測試工件的旋轉角度和速度；

所述開關電源用于控制整個控制系統電源的開關動作；

所述繼電器用于與控制程序配合進行視覺系統中兩個線光源的開關，確保圖像采集前光源關閉，采集中光源常亮，采集后光源再次關閉。

為了方便調整相機位置，使相機的光軸能夠準確照射在旋轉軸的力矩器上，該測量設備還包括安裝在相機與控制箱體之間的二維精密滑臺，二維精密滑臺控制相機在平行與箱體上表面的平面內滑動。

為了進一步的確保設備的測量精度，該測量設備還包括安裝在控制箱體上表面的的水平儀。

本發明的有益效果是：

1、本發明的控制系統實現與視覺系統與旋轉機構實時通訊；以plc為核心，實現旋轉機構、線掃相機以及光源工作有效配合，獲取精確度更高的圖像，確保設備的精度與穩定性；與視覺系統通訊，采用繼電器控制光源開關，確保圖像采集前光源關閉，采集中光源常亮，采集后光源關閉，能夠避免操作人員安放力矩器時被強光刺激，更為人性化。

2、本發明采用視覺系統配合減速電機控制的旋轉軸實現了力矩器的自動測量，不僅節約了人力成本，并且大大提高了測量精度。

3、本發明采用了二維精密滑臺以及水平儀，使得操作者能很容易調整相機位置，使相機的光軸能夠準確照射在旋轉軸的力矩器上，確保了測量的精準度。

4、本發明的采用角度模式和定時模式兩種方式對旋轉機構進行控制可兼顧使用者在操作時對穩定性或時間兩方面因素不同側重點所產生的不同需求。

5、本發明視覺系統增加了加嚴放寬與人工選點功能，使設備性能更為人性化。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明配電系統示意圖。

附圖標記如下：

1-控制箱體、2-視覺系統、3-控制系統、4-旋轉系統、5-相機6-線光源、7-旋轉軸、8-位置傳感器、9-減速電機、10-二維精密滑臺、11-水平儀。

具體實施方式

基本方案

針對力矩器環形結構特性及高精度測量指標要求，設備總體方案為：

a)使用高精度線掃相機及鏡頭，輔以合適補光，作為圖像采集裝置；

b)高穩定旋轉結構，固定位置精確安裝線掃相機及力矩器目標；

c)高可靠性控制方法，實現整個設備的有效工作，確保設備測量精度；

d)開發自動控制系統，對采集的力矩器完整一周圖像進行圖像處理，計算力矩器放置位置，必須滿足放置要求，對u型口和4個線圈進行數據計算，自動輸出4個線圈的角度偏差、極差及合格品判定結果；

e)計算數據自動存儲，便于產品質量的可追溯性。

系統組成

用于檢驗力矩器的設備，包括控制箱體1、視覺系統2、控制系統3以及旋轉機構4；

視覺系統2用于采集力矩器圖像并處理得到最終的測量數據；

旋轉機構4帶動其上安裝的力矩器旋轉，同時旋轉速度與視覺系統2采集力矩器圖像拍照速度相適配；

視覺系統2安裝在控制箱體1的上表面；旋轉機構4的一部分位于控制箱體1內，另一部分伸出控制箱體1上表面，伸出控制箱體1上表面的部分安裝待待測量力矩器；

控制系統3負責與視覺系統2及旋轉機構4分別進行通訊，從而控制旋轉機構4旋轉以及視覺系統2獲取力矩器圖像、確定相機圖像采集時間以及對采集的力矩器圖像進行處理，測量軟件對圖像進行處理及角度解算，最終得到力矩器精確測量結果。

控制系統3負責與視覺系統2及旋轉機構4分別進行通訊，從而促使旋轉機構4與視覺系統2的有效配合，完成控制旋轉軸7帶動力矩器穩定旋轉、控制線掃相機5獲取力矩器圖像的時間節拍以及控制光源6開關等工作。

視覺系統

視覺系統包括相機5以及兩個線光源6；相機5安裝在控制箱體1的上表面，相機5的鏡頭正對待測量力矩器；兩個線光源6分別安裝在待檢測力矩器兩側，相機5光軸通過兩個線光源6之間的狹縫垂直出射至待測量力矩器上，確保待測量力矩器影像能被相機攝取。

考慮到力矩器視覺測量系統的測量要求，需將力矩器圓柱表面的圖像呈現出來并進行圖像處理以及計算，因此，系統最終選取線掃相機，操作過程中控制旋轉軸，并將線掃相機安裝在轉臺側面采集一幀一幀的圖像序列，最終形成包含力矩器u形口與線圈的矩形圖像。利用vc軟件在工控機上對圖像進行處理，并進行數據測量最終得到線圈角度偏差值。同時，為了消除線掃相機與旋轉機構配合時產生的圖像畸變，設計采集兩幅圖像，并通過兩幅圖像計算得到角度與像素之間的轉換關系，之后通過圖像處理算法得到u形口與四個線圈的中心點圖像坐標值，做差后轉換為角度值即為數據測量的最終結果。

為保證測量精度，相機為8k線掃相機，最大行頻13khz；鏡頭采用的是高分辨率60mm鏡頭，并添加75mm擴展筒，可以將視野范圍縮小在4cm左右，成像效果接近于1:1放大；兩個線掃相機專用線光源是用于提供光照，剔除其它光線的干擾，利于視覺系統得到清晰度較高的圖像。

特別的，為使設備更為人性化，視覺系統還添加了手動選點檢測功能，該功能為人工在工控機顯示界面顯示的4個線圈上下邊緣窗口，選取一條人眼判斷與4個線圈上下邊緣形成的交點均最好的直線，視覺系統將自動對該直線與線圈邊緣交點進行測量并得到角度值與正交性檢測結果。

特別的，視覺系統在角度測量值得出后，進行正交合格性判斷，分為兩種模式，加嚴模式與放寬模式。加嚴模式為以四個線圈角度偏差值為判定依據，放寬模式以四個線圈角度偏差的極差為判定依據。兩種模式由使用者根據需求自行選擇。

旋轉機構

旋轉機構4包括旋轉軸7、位置傳感器8、減速電機9；減速電機9實際上是通過伺服電機連接減速機來實現，位于控制箱體1內，減速電機9的輸出端穿過控制箱體1上表面與旋轉軸7下端連接；旋轉軸7的上端用于安裝待測量的力矩器；

為了達到測量精度+8′要求，設計在+8′內布置10個像素，即每個像素的精度為：0.013(°)/pix。

現采用8k線掃相機，其最大行頻為13khz，理論上每秒可以完成169°的圖像采集。即需要力矩器旋轉速度為360/169＝2.13r/s，實際上要求旋轉速度低于該值即可完成精度要求。因此我們設計旋轉速度為2r/s。

實際測量中，我們需要采集一副照片涵蓋力矩器的400°圓周，即旋轉平臺以2r/s的速度勻速旋轉2.22秒。

這時有兩個關鍵因素：

旋轉機構的速度穩定性。

拍照時機的準確性。

為了達到以上目標，我們采取了以下措施：

選取伺服電機提供穩定的旋轉速度驅動；同時在結構設計中，力矩器旋轉軸與電機軸采用鍵連接方式，保證電機轉動與力矩器旋轉軸之間固定連接，速度精度完全由伺服電機保證，不引入任何傳動機構的誤差，最大程度的保證了轉動精度。

拍照時機的選用：設計位置傳感器(接近開關)，在力矩器旋轉軸直接設置感應片，感應位置性息。控制系統在啟動伺服電機后，根據伺服電機前期設置的加速參數(2s)，等待3秒后轉速穩定后，第一次感應開關信號的同時發送指令給視覺系統，視覺系統開始采集圖像；控制系統在接到第二次接近開關信號后的0.3秒發出結束采集信號，視覺系統停止采集圖像。即視覺系統采集了2.3秒的圖像(414°)，保證了視覺采集的圖像完整。

考慮測量精度要求，結構采用高精度0.003mm相機位置可調裝置，保證相機在x/y方向(平行與控制箱體上表面的方向)的位置調整，保證視覺系統采集到無畸變的力矩器圖像。

控制系統

控制系統包括plc、工控機、通訊板、硬接線系統、觸摸屏、開關電源以及繼電器；

plc為控制系統的核心，用于接收、存儲并處理視覺系統以及旋轉機構發送來的數據，從而控制視覺系統進行線光源開關、相機拍照、圖像處理以及旋轉機構進行旋轉的具體動作；

所述工控機用于控制相機進行圖像采集，并展示整個視覺軟件操作界面，便于操作人員進行操作與數據讀取；

通訊板存在兩個通訊接口，一個rs485接口負責與工控機進行通訊，可告知工控機何時到拍照位，從而確定線掃相機采集圖像時間，同時接收工控機信號，確定旋轉機構何時開始旋轉，一個rs242接口負責與觸摸屏進行通訊，從而實現操作者點擊啟動按鈕即整個控制系統開始運行，選擇運行模式則旋轉機構控制模式變換，同時在觸摸屏上顯示當前減速點擊運行速度以及角度等信息；

硬接線系統包含兩個，一個通過i/o口輸出控制減速電機工作，從而控制旋轉機構的旋轉，同時輸入口接收電機發送脈沖信號，監控電機旋轉圈數，一個通過i/o口輸入獲取位置傳感器信號，確定旋轉機構旋轉零點；

觸摸屏與plc進行通訊，用于操作者進行整個設備的模式選擇、控制系統啟動以及管理者對旋轉機構動作的參數調整與測試，測試過程中在屏幕上方實時顯示測試工件的旋轉角度和速度；

開關電源用于控制整個控制系統電源的開關動作；

繼電器用于與控制程序配合進行視覺系統中兩個線光源的開關，確保圖像采集前光源關閉，采集中光源常亮，采集后光源再次關閉。

特別的，控制系統對旋轉機構的控制包含兩種控制模式，角度模式(位置模式)和定時模式(速度模式)。

角度模式時減速電機速度可調，通過觸摸屏上的速度框輸入速度調節電機運行速度，同時通過硬接線i/o口監控電機旋轉圈數，與位置傳感器傳遞信號結合以確保電機運行到固定角度位置將到位信號傳遞給工控機。

定時模式時減速電機速度不可調，電機旋轉參數固定，只需計算電機開始旋轉到位置傳感器確定的初始位置之后的延時時間便可確定旋轉機構旋轉位置并將到位信息傳遞給工控機。

兩種模式運行過程中在觸摸屏上均實時顯示測試工件的旋轉角度和速度。

控制系統的控制原理

a)當力矩器安裝在旋轉軸上后，開啟視覺軟件，在觸摸屏上選擇控制模式，之后點擊“啟動”按鈕，此時，通訊板將信號傳遞給plc，plc開始工作；

b)plc將通過繼電器控制光源開啟，并通過硬接線向減速電機發送旋轉命令，旋轉軸開始旋轉；

c)當位置傳感器有信號感應并通過硬接線發送給plc后，旋轉軸已到達初始位置，開始計數或計時；

d)當計數或計時到達第一個拍照位時，通訊板將到達拍照位信號傳遞給工控機，工控機控制相機拍照；

e)當到達第一幅圖像采集完成位置時，通訊板將到達停止拍照位信號傳遞給工控機，工控機控制相機停止拍照并儲存第一幅圖像；

f)旋轉軸一直旋轉到達第二個拍照位，通訊板將到達拍照位信號傳遞給工控機，工控機控制相機拍照；

g)當到達第二幅圖像采集完成位置時，通訊板將到達停止拍照位信號傳遞給工控機，工控機控制相機停止拍照并儲存第二幅圖像；

h)plc控制旋轉軸繼續旋轉直到回到初始位置停止。

控制系統的配電裝配

控制系統電源采用交流220v供給，考慮到系統工作環境和穩定性，將其電路設計成相互隔離的三個回路，見圖2。

動力回路供電由發電機組輸出的220v交流電經斷路器，濾波器和電磁接觸器后直接供給驅動器組。

控制回路和傳感器電路均采用直流供電，其中24v供給plc電路，另一路24v為傳感器、信號燈等供電。

該控制系統具備以下幾點特性：

a)可擴展性：plc最大可擴展dio點為256點，附加模塊均采用插拔方式進行擴展，為以后的系統升級提供了方便快捷的升級接口。

b)易維護性：控制系統拓撲形式簡單。

c)高可靠性：工業級硬件解決方案，其相關部分無兼容性問題，成熟穩定的設備狀態。

為了方便調整相機位置，使相機的光軸能夠準確照射在旋轉軸的力矩器上，該測量設備還包括安裝在相機與箱體之間的二維精密滑臺，二維精密滑臺控制相機5在平行與控制箱體1上表面的平面內滑動。

為了進一步的確保設備的測量精度，該測量設備還包括安裝在控制箱體1上表面的的水平儀11。

基于上述的視覺系統、旋轉機構與控制系統，用于檢驗力矩器的設備的具體實現流程如下：

a)將力矩器安裝在旋轉機構的力矩器工裝上；

b)系統上電，工控機開啟，打開工控機上的視覺測量軟件；

c)在觸摸屏上選擇控制模式，視覺系統軟件選擇加嚴或放寬模式，點擊控制系統中的觸摸屏上“啟動”按鈕；

d)控制系統自動控制兩個線光源開啟，旋轉機構開始工作，同時工控機控制線掃相機開始拍照；

e)旋轉機構到一定位置時，停止拍照，獲取第一幀圖像，到某一特定位置，開始控制相機繼續拍照，直到獲取第二幀圖像；

f)控制系統控制光源關閉，旋轉機構旋轉到初始位置停止旋轉；

g)工控機對獲取的兩幀圖像進行處理得到力矩器角度測量結果與判定結果，輸出在軟件界面上并存儲于數據包中；

h)若操作者對自動測量結果不確定，還可進行人工選點測量，對比兩種測量方式的結果，選取操作者認為更準確的結果為判定結果；

i)測量任務完成后，關閉視覺測量軟件，關閉工控機，關閉總電源。