CCD扫描法拉丝模孔径测量仪

　　引　言

　　高速拉丝生产线是金属制品行业中一种重要的生产设备,拉丝模是生产线的关键零件,拉丝模孔径又是拉丝模的关键尺寸。拉丝生产中每一道工序的质量取决于该工序中拉丝模的孔径是否合格。拉丝模孔的轴向剖面如图1,由入口区、工作区、定径区和出口区四部分组成。拉丝模孔径是指定径区的直径。由于拉丝模孔是一个锥角变化的孔,直接测量其最小直径有困难,目前在金属制品行业通常是把硅胶注入拉丝模孔待硅胶凝固后再拔出来,通过测量硅胶凸模来获得拉丝模的孔径。这种测量方法效率低,不适于大规模生产的要求,本课题研制的拉丝模孔径测量仪,直接测量拉丝模,速度快、精度高。仪器的测量范围:Φ2～10mm,精度<0.01mm。

　　1　扫描法测量原理

　　1.1　测量原理

　　仪器采用平行光投影法,以高精度线阵CCD作为测量传感器提取拉丝模孔的尺寸信息。如图2所示,光源1经聚光镜2、光栏3、准直透镜4形成平行光,拉丝模孔在平行光的照射下,通过成象物镜6、光栏7成象于CCD的光敏面上,CCD将被测孔径转化为一定周期的视频脉冲,经过电子学处理即可得到孔径值。光学系统采用远心照明和物方远心光路,可减小安装拉丝模时定径带位置偏差引起的测量误差,光源选择6V、25W卤钨灯降压使用,以提高寿命,准直透镜、成象物镜选用标准照相物镜,CCD选用东芝公司的TCD106C,有5000感光象素,相邻象素中心距为7μm,总感光尺寸为35mm。

　　用线阵CCD测量孔径不同于测量外圆直径,测量外径只要使被测棒料轴线和测量系统的光轴垂直,利用投影法即可测得外径。而测量内径,被测孔的轴线必须和光轴平行,孔通过光路成象后,线阵CCD不能直接测量到孔径,CCD截到的是孔的弦,通过成象光路和机械扫描机构的配合运动,从而使CCD测量到孔的一系列离散的弦长,以最大弦长近似代替孔径。只要合理设定CCD的采样频率和机械扫描机构的运动速度,即可把扫描误差控制在不影响精度的范围内。

　　1.2　扫描速度的确定

　　确定CCD的采样周期为t=10ms,测量台的运动速度为v(mm/s),则两次采样的空间间隔为

　　当两次采样的空间位置恰好对称于孔径时，如图3所示，CCD测到的最大弦长与孔径R(mm)的差值最大，即扫描误差δ最大

　　2　信号处理及计算机系统

　　仪器的信号处理原理如图4,CCD视频信号经过低通滤波、二值化后得到对应于孔径尺寸的方波,填入细分脉冲进一步提高分辨力及精度。

　　由于孔径二值化方波对应于光学投影所成的亮象,因此成象物镜上的灰尘使亮象上带有暗斑,影响测量准确度。为使仪器适应工厂环境,要消除这种暗斑干扰。在光路中测量背景是阴影,孔象两边缘在CCD输出信号中和第一个上跳沿及最后一个下跳沿相对应,要消除暗斑干扰,需要找到这两个边缘,把两边缘中间的干扰脉冲屏蔽掉,只对它们之间的间隔填脉冲、计数。但如何确定最后一个下跳沿且不影响计数,要有合适的电路,因为从波形上分析,对应于孔的下跳沿和暗斑干扰的下跳沿是相同的。我们设计的抗暗斑干扰电路成功地解决了这一问题,其原理如图5,波形分析如图6。