高精度圆柱直径大量程在线测量系统

　　圆柱体工件被广泛地应用于机械制造行业, 随着精密加工技术的发展, 高性能器件对圆柱体的加工精度要求越来越高。例如: 滚动轴承, 作为各种运动机构的最常用工件, 一般由内圈、外圈、滚动体和支撑架组成, 其中滚动体主要为圆柱体工件, 在轴承内借助支撑架均匀地排列在两个套圈之间作滚动运动, 因此, 它的形状、大小直接影响轴承的负荷能力和耐久性, 另外, 圆柱体加工精度对于减小滚动轴承的内部间隙和提高运转精度, 起到及其重要的作用[ 1] 。成套光滑圆柱量规也是该类工件重要的应用实例, 是高技术、高管理型的量具产品, 被广泛地应用于飞机、汽车、电子、电器以及模具等制造行业, 对其加工精度也有严格要求[ 2] 。

　　由于圆柱体加工精度的逐渐提高, 对其检测技术水平的要求也越来越高。圆柱体工件的直径检测就是非常重要的检测项目。对圆柱体直径的检测可以采用传统的千分尺直接读数, 或者采用三坐标测量机进行拟合测量, 但接触式测量会对工件表面造成不可避免的损伤。随着光学技术的发展, 数字式万能工具显微镜、轮廓投影测量仪、精密光学计等非接触式的测量方法均被用于测量圆柱体直径, 它们虽然精度较高, 但需借助人工操作, 通过和标准量块比较测量, 经常用于质检抽查使用[ 3-4] 。另外, 这些方法还受到平台大小的限制, 不适用于直径过大的圆柱体。随着工业化大生产的进行, 大量生产线急需检测设备快速对生产的圆柱体进行在线自动化测量和质量监控。本文基于高精度视觉测量方法[ 5-7]实现圆柱工件直径的快速在线测量, 并通过V 型槽设计使该系统适应不同直径大小的圆柱体工件测量。文中还对其测量原理和必要的图像处理算法进行分析。

　　1 系统组成

　　测量系统的结构示意图如图1 所示。被测圆柱放置于表面光洁的V 型槽传送带上, 通过计算机控制电机驱动圆柱做匀速运动; 当被测物运动至适当位置, 通过CCD 摄像机和显微镜头组成的成像系统采集圆柱上边缘图像, 经过采集卡等数字设备存入计算机, 等待下一步处理。成像系统放置于具有多个自由度的运动平台上, 可以对成像系统进行方便地位置调整。在成像系统的对面安装背光板, 投射均匀的高亮度光, 可增强圆柱边缘信息, 采用简单图像处理获取圆柱边缘所在CCD 图像传感器的位置。

　　因为采用了V 型槽, 圆柱体上边缘在CCD 摄像机上的成像位置与圆柱的直径有直接关系。系统采用了显微镜头, 采集的图像边缘进行了有效放大, 可以实现圆柱边缘位置的精确定位, 从而提高直径测量精度。经过圆柱直径的精确测量, 计算机按照规格定义对其测量质量进行合理分类, 同时发送分选信号给传送带后方的分选器, 对测量后的圆柱进行分类放置。