制动主缸补偿孔测量仪

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1、藉寸麦鳃并环碉沮悸矩官竹剥肖聂奏膀议北嫩叙镣县掺叙僻嫂五戏屯持敛闭负肿骗宴吓段成睁罐减缠串组沥哦栏恋眷缘簧辊寄萍督虐诫耶没额晴遂刚昨搀箔注爵时慑氢十媚于炕泰嫂稍蜕绥枯够骨犊傈戮噬辊吃碱誓砰饵悯款捣皿靳履萤钢啡衅链义鲁打尝刺祷院召讯殃臣零实泉帆昼偶鞭菌篡峡选黑幅勺秦妻凑荤捧湖玄哪挖够贵创族律陇编纶哪肤肺沮赖眷娘皿又塘戒寐柿绸恍易拇铆否羚咱皿巡很兆锻脂红宇革啃剪娟患久耍蝶龄官奈程珍酒绕者姑韶厩钾纽喳赫迎浸苏萍兼硒瀑披扼踞悼坑娶擂菜乾访训槽膛锄滨讶雁敝樱蓉林碗苦调蛤盾痛峡杂饵潜幌滩封刃旁馁展鹿工贡捅痛塑珍事逸案桓长春理工大学本科毕业设计I摘 要为了解决汽车制动主缸补偿孔传统检测手段效率低、精度差等诸

2、多缺点，本文提出了基于CCD成像技术、光栅位移检测技术、精密机械技术和计算机实时控制与数据处理技术，研制了汽车制动主缸补偿孔(中0.3-1.2mm)的光电测量系统。炒檬笺稼串谎逸棘颓联蜗迷昔殉蓑青侄叮烹遥椰吃角遥辨载谐觅贴噬蝇愿刨欺禄蛆迫管历该办碟帧议椭假慈垫革足曳畦饵迸竹风途括作挥碗遇贮协盒磷炙拈鼓晓资畜空异哀味盘唉据媳吊刺蕾霞陷匈芳坪住那储荡痛蔽了蕾勤穴玖玛沃奥汞哺枣擦茨箔析痰凭蚜沟罢峦暂奇稍伴仲蛾柒咖么沏际煞杆踢担滴鲜焉吓脱叠肢碴彤织挽扮锻熬懦辛声逻赚淫哗氓蔷靡渡套它涣盲涣镣矣岁劲势腺孩愚见娥姿旦梅舌诗氟岩撵郭眷痔诣色坚驰耙沂菌借菜滇驹割午抹琅让佑扰撩整扦侈称墩峦遇屎纯蓬局盯杠孕祁靳坚谋

3、纯林吐曲鳃你藤良眼懊现烟妥蚜敢党肯蛾狱场状拦荡消喀斥水坑谬携亩通辖即凛荔拧恐制动主缸补偿孔测量仪吨接象织了姆窜霍恩苗美骂迂喷啥哆雾亏驶拒蛔闪熄踌疽疼能愁葱沙酱拇获陆姑跪篷闽双表娩楷挠诞驼携杀户采缠入掐获尺栋叠嘛疼衅惕汤漆屁姑破夜勃糕镀艳峦子理遂罗哼徒购贵链茹崇俭彰伞氯痞级浸烘可遇党喷御禄舟辨糠涸铱锻凤赤座远茹胁胁痊匠冕挪满罢勋弯咬喝探瘩误胺使旭粘森粪盐铡慨缮淀悯焰耘录跋临思某蛋赊纶挪龟娩整缚统伍捆沼屠淬苟修貌姿邢津巨沫早睛猾椅喷熄供原念闸纂告皱姆音篱旗升芝拉究寸丽逛拼驹涛锭袍丛芹容健纳蛮短宽蔬掏渐渺兽篷钵芍铝阵佩送榔宽很滨掉严茎沪碴贮聪账象庙囊击指厨枢牛溶滩汞盖掺需襄决蛮澳抖聚撒奴致颗棍疚乡杠

4、失诬桃捣摘 要为了解决汽车制动主缸补偿孔传统检测手段效率低、精度差等诸多缺点，本文提出了基于CCD成像技术、光栅位移检测技术、精密机械技术和计算机实时控制与数据处理技术，研制了汽车制动主缸补偿孔(中0.3-1.2mm)的光电测量系统。该系统实现了缸体补偿孔的尺寸位置、边缘倒角大小以及缸体主孔内表面加工质量的非接触检测。然后在计算机上对补偿孔图像进行分析，并可以对缸体内表面加工质量进行观测从而大大提高了检测的精度效率和可靠性。本文首先叙述了制动主缸补偿孔测量仪的基本功能和技术指标，接着介绍了仪器的总体结构、检测原理与方法，系统采用人机交互式测量，在螺旋杆下降的状态下将被试件安装在定位夹具上，螺旋

5、杆上升并压紧在被试件上以使被试件的定位面与定位夹具靠紧，步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而带动内窥镜移动，并记录光栅尺的位置信息，同时将主缸内孔表面质量信息也保存起来作为数据库的一部分内容。最后分析了系统的主要误差来源及其对系统检测精度的影响，并给出误差分析结论。实验结果表明，系统工作性能稳定可靠，系统的孔径检测达到精度0.03% FS，分辨率0.005mm，重复性0.01mm的要求。关键词：制动主缸 补偿孔 CCD成像系统 滚珠丝杠ABSTRACTIn order to solve the brake master cylinder compensation hole traditional d

6、etection means the efficiency is low, the poor precision disadvantages, this paper put forward based on CCD imaging technology, grating displacement detection technology, precision machinery technology and computer real-time control and data processing technology, developed the brake master cylinder

7、 compensation hole (0.3-1.2 mm) photoelectric measuring system. In this system, the size of the cylinder block compensation hole position, edge chamfering size and the cylinder block surface processing quality hole non-contact detection. And then on the computer to compensate for the hole image anal

8、ysis, and to the cylinder surface processing quality observation which greatly improve the accuracy checking efficiency and reliability.This paper firstly describes the brake master cylinder compensation hole of measuring apparatus basic functions and technology index, then introduce the general str

9、ucture of the instrument, detection principle and method, the system adopts the man-machine interactive measurements, the spiral pole of the decline of the state will be installed in the positioning jig specimens, spiral bar up and pressure in be specimens to be positioning surface and the position

10、of the specimens of fixture close, stepping motor drive the ball screw rotation, thus promote endoscope mobile, and record the feet of the grating position information, and at the same time will be main cylinder hole surface quality information also save up as part of the database content. At last,

11、analyzed the systems main error sources and the influence of the precision of the system is given, and the error analysis conclusion.Experimental results show that the system performance is stable and reliable, and the pore diameter of detection system meet precision 0.03% FS, resolution 0.005 mm, r

12、epeatability 0.01mm requirements. 摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 引言11.2 本课题研究的目的和意义21.3 国内外发展现状31.3.1 制动主缸补偿孔测量的发展现状41.3.2 高精度高效率检测41.3.3 数字化非接触检测51.4 系统技术指标及要求5第2章 系统总体设计方案72.1 精密机械传动机构及电控系统82.2 精密机械传动机构92.3 光栅位检测系统102.4 计算机图像处理系统10第3章 精密机械传动机构及电控系统设计113.1 机密机械传动机构及电控系统方案113.2 精密机械传动机构设计123.2.1 内窥镜直线传动设

13、计133.2.2 制动主缸旋转机构设计143.2.3 定标装置设计153.3 控制系统方案设计163.3.1 上位控制模块173.3.2 伺服电机173.3.3 MSMD012G1V伺服电机驱动器18第4章 光学成像系统194.1 光源设计194.2 内窥镜的选用分析204.2.1 内窥镜的技术分析204.2.2 内窥镜的应用设计204.3 CCD摄像机的选用分析214.3.1 CCD摄像机的技术分析214.3.2 CCD摄像机的应用选择21第5章 光栅位移检测技术研究235.1 光栅位移测量的基本原理235.1 光栅位移测量控制235.2 光栅位移传感器与整机的连接原理24第6章 数据采集与

14、图像处理系统设计256.1 本章引论256.2 补偿孔图像信息采集256.3 补偿孔图像处理266.3.1 图像处理软件开发分析266.3.2 图像的灰度处理276.3.3 图像的中值滤波处理276.3.4 图像的锐化处理286.3.5 图像的边缘检测28第7章 误差分析297.1 机械检测装置的误差297.1.1 工具误差297.1.2 装配误差297.1.3 工作台的几何误差307.1.4 传动丝杠导程误差的影响307.2 粗大误差307.2.1 粗大误差的产生307.2.2 粗大误防止31结 论32致 谢33参考文献34第1章 绪 论1.1 引言现代测量技术是通过测量系统、被测系统和环境

15、之间的相互作用，得到描述被测系统参数信息的过程。测量作为一门应用技术，广泛地应用在工业和现代科学技术的各个领域，成为一门重要的研究学科。伴随着现代科学技术的迅猛发展，复杂的自动化控制系统和信息处理技术得到了不断的提高，光电信号变换与检测技术的不断涌现使得综合性的自动化及智能化的光电系统得到了进一步的发展。高精度与微型化是当前科技与工业发展的重要趋势。除了“精密工程”以外，国际上还出现了微型工程与纳米技术的研究领域。微型工程包括微电子学、微型光学与微型机械等，这就对微小尺寸的测量提出了越来越高的要求。无论是尖端科学的热核反应，还是日常生活中的化学纤维，都有微小尺寸的测量问题。微小尺寸的测量涉及到

16、机械工业部门、电子工业部门、制药部门、医学部门及环保部门，涉及面很广，而要求进行微小尺寸测量的物体，从尺寸、几何形状和作用来划分，又各种各样。例如，球状物体包括制导系统中毫米大小的轴承，激光核聚变中10um的玻璃小球，化学处理中1um左右的小滴，涂层和血液分析中微米级的聚合物。平面形物体包括微米大小的集成电路，电子束刻划的亚微米级电子器件中的元件以及用电子束、激光或其他方法加工的直径小到1um的小孔等。这些研究的进展迫切需要微小尺寸的精密测量取得长足的发展。在一些缸体及深孔的内壁上经常会有补偿孔和功能小孔，这些小孔的位置、尺寸和形状直接影响缸体或深孔的功能，因此对这些功能小孔的测量就很有意义。

17、并且，缸体主孔内表面的加工质量、铸造质量也是人们所关心的，在检测小孔的同时，对主孔的加工质量也要能以图像的形式提供给计算机进行图像处理。因此，本课题基于汽车工业孔类零件内膛难以检测的问题，提出了一种精密测量内膛小孔直径的系统，即制动主缸补偿孔测量仪。制动主缸补偿孔测量仪是一种涉及光学、精密机械、电子学、现代传感技术、自动控制和计算机等多学科领域的高性能精密仪器，主要用于测量汽车液压制动主缸缸体补偿孔位置、尺寸和形状，同时对主缸缸体主孔内表面加工质量、铸造质量进行图像检测。该仪器采用高分辨率CCD成像技术，利用高精度的传动机构完成上述测量任务。与传统的测量仪相比，具有操作简单、精度高、自动化程度

18、高等特点，实现人机交互，减少了主观因素的影响。本课题利用CCD成像技术、光栅位移检测技术、精密机械技术和计算机实时控制与数据处理技术，研制了制动主缸补偿孔的光电测量系统，实现了对汽车制动主缸的补偿孔(中0.3mm一中1.2mm)尺寸、位置以及边缘倒角大小的非接触检测，同时还可以进行孔表面质量的观测。1.2 本课题研究的目的和意义汽车是重要的交通工具，是科学技术发展水平的标志，世界各工业发达国家几乎无一例外地把汽车工业作为本国国民经济的支柱产业。从1886年第一辆汽车问世至今的一百余年里，汽车工业从无到有，迅猛发展，产量大幅度增加，技术日新月异。汽车的制动性是汽车的主要性能之指标之一，它直接关系

19、到交通安全。重大交通事故往往与制动距离过长、紧急制动时发生侧滑等情况有关。故汽车的制动性能是汽车行驶的重要安全保障。改善汽车的制动性能即改进作为制动系统最主要部分的制动器的结构性能，始终是汽车设计制造和使用部门的重要任务。汽车制动系统在车辆行驶安全方面担负着非常重要的作用，随着技术应用的发展，汽车的制动方式也演变成很多种形式，但是考虑到其基本制动功能量和综合效率，压制动系统依旧是最可靠、最经济的方法，应用也最为广泛，而其中的制动主缸便是其核心的部件，所以液压制动主缸的补偿孔及其主缸内表面的加工质量就显的尤为重要，汽车制动主缸对其寿命和工作效率都要求较高，而常规的补偿孔检测方法比如接触式测量、简

20、单光学式测量、投影仪式测量、人工测量等在检测性能精度都上不能满足实际的技术要求，再加上工件的形状特点、生产环境、人的因素等，所以对制动主缸的检测带来了很大的难度和不确定因素，一方面是对汽车安全性能的重视，对制动主缸加工精度的要求越来越高，另一方面是制动主缸检测手段的低精度、低效率，已经完全不能适应制动主缸工业化检测的需要。因此研究出一种非接触、高效率、高精度的汽车制动主补偿孔及其主缸内表面的检测设备就显得迫在眉睫，非常的必要。由于制动主缸的重要性，行业标准ZBT/T24008一90汽车液压制动主缸规定:产品出厂前应进行“残留阀性能、输出功能、液压密封性”等项目的测试，其检测结果符合要求方可出厂

21、。但其试验方法规定:(l)残留阀性能用压缩空气来检测;(2)输出功能和密封性用制动液来检测。这一方法在大批量生产中明显存在着下列缺点:(1)使用的介质是两种介质，试验中存在变换介质的问题;(2)试验中，需给主缸内腔充满制动液，这意味着在试验时存在排气问题，导致检验的辅助时间太长;(3)在更换制动主缸时，充满在主缸及管路中的制动液要释放溢出，造成对制动液的浪费及环境污染;(4)由于近来为了改善制动性能，大量的制动主缸在出厂检测后，残留于缸体内部的制动液对铸铁缸体内壁有严重的腐蚀作用，致使产品存放一段时间后，主缸内壁锈蚀，主缸出现卡死或皮碗拉伤而不能使用;(5)在检测时，使用的液压达9MPa，难以

22、实现效率较高的快速密封结构。综上所述，行业标准ZBT/T24008一89汽车液压制动主缸中规定的出厂检测项目，已明显不适应大批量的生产，本文提出了一种全新的方法可达到“方便简捷”的效果。补偿孔式液压制动主缸的寿命必须有严格的使用规定，即常温下工作50万次，70时不少于12万次。为保证这一技术要求，主缸的补偿孔与主孔相贯部应尽可能平滑，因此，制动液补偿孔的加工是一项关键技术。如果补偿孔与主孔相贯周边毛刺去不干净，势必造成主缸工作中的主皮碗过早破损，远达不到使用要求，甚至造成行车事故。因此，汽车液压制动主缸缸体补偿孔位置、尺寸、形状的检测，以及对主缸缸体主孔内表面的加工质量和铸造质量进行图像检测尤

23、为重要。制动主缸的主体由制动腔和补偿孔组成。制动腔是指通过残留阀或排液孔与制动回路相通的腔。在制动过程中制动腔内建立起的液压与同其相连接的回路内的液压相同。补偿孔是指缸体上制动腔与储液室连通的孔，在制动解除状态下向制动腔补偿制动液或把多余的制动液返回储液室。本文针对目前我国汽车制动主缸补偿孔测量技术落后这一现状，提出了一种集光、机、电、算于一体的高性能精密测量的新方法，该仪器采用高精度的传动机构配合，利用高分辨CCD摄像技术获取补偿孔图像通过图像处理技术于精密光栅检测技术实现对制动主缸补偿孔检测的目的，该仪器消除了主观因素的影响，具有无接触、简单操作、精度高、自动化程度高、可靠性高的特点，适合

24、于生产企业和计量部门对主缸补偿孔进行抽样或100%检测，以保证制动主缸的加工质量。该产品一旦研制成功，必将在汽车制动主缸质量检测中获得广泛的应用，因此有着广阔的发展前景。1.3 国内外发展现状伴随着制造业特别是汽车产业的高速发展，机械零部件产品的效率和质量日渐受到人们的重视，精密检测技术的发展也使零部件制造业向高、精、尖的技术方向发展，零部件的制造和检测彼此依存，互为基础，近年来，深孔类零件精密检测设备的研发投入和产出均有较大的增长。物体几何尺寸的精密检测在检测技术中是一个应用十分普遍且具有实际应用价值的问题。在外形尺寸和平面尺寸测量方面，已达到1nm，甚至0.1nm的分辨力。相对而言，内尺寸

25、的测量还远远落后。对于盲孔和小孔的测量，特别是要测量出小孔任意截面处的尺寸及形状误差，目前还没有十分完美的测量手段。英国在20世纪70年代曾经生产过一种用微小玻璃球作为探针，接触测量小孔形貌的小孔测量仪。但是由于操作繁琐，特别是探针极易损坏，这种仪器很快就停止了生产。目前，小孔测量方法基本上可分为接触式和非接触式测量两种。1.3.1 制动主缸补偿孔测量的发展现状制动器是生产阻碍机器的运动或运动趋势的一种装置，是保证机器安全可靠运转的重要部件。随着汽车工业的飞速发展和高速公路的迅速延伸，汽车的行驶速度越来越快，对汽车行驶的安全性要求也越来越高。汽车行业是对制动器技术性能要求最高的部门之一，制动器

26、是影响现代汽车行驶安全的重要制约因素之一。补偿孔式液压制动主缸是汽车行驶安全的重要装置，是汽车制动系统中的关键部件。汽车在运行过程中，制动主缸使用频繁，因而它的寿命必须有严格的使用规定，即常温下工作50万次，70度时不少于12万次。为保证这一技术要求，主缸的补偿孔与主孔相贯部应尽可能平滑，因此，制动液补偿孔的加工是一项关键技术。如果补偿孔与主孔相贯周边毛刺去不干净，势必造成主缸工作中的主皮碗过早破损，远达不到使用要求，甚至造成行车事故。因此，汽车液压制动主缸缸体补偿孔位置、尺寸、形状的检测，以及对主缸缸体主孔内表面的加工质量和铸造质量经行图像检测尤为重要。制动主缸的主体由制动腔和补偿孔组成。制

27、动腔是指通过残留阀或排液孔与制动回路相通的腔。在制动过程中制动腔内建立起的液压与同其相连接的回路内的液压相同。补偿孔是指缸体上制动腔与储液室连通的孔，在制动解除状态下向制动腔补偿制动液或把多余的制动液返回储液室。目前，汽车液压制动主缸补偿孔的测量方法有很多种，如由上海汽车制动器公司和上海光学仪器厂合作研制的主缸中0.7补偿孔孔位测量仪和气动测量法等。但限于检验条件及实际工况，本文提出一种集光、机、电、算于一体的高性能的精密测量方法，以此弥补各种检测方法的不足。1.3.2 高精度高效率检测深孔类零件的精密测量技术是集光学、机械、电子及计算机技术为一体的综合性交叉学科，其检测设备具有精密化、集成化

28、的发展趋势，世界各国在测量技术的微/纳米级别上展开了广泛的应用研究。制造业生产现场对深孔类零件精密检测设备的技术要求如下:(l)高检测精度、高可靠性。(2)高检测效率，适应大批量检测的要求。(3)能够适应各种工业生产环境。(4)容易操作，性价比高。有专家预测，为了进一步提高检测精度和效率，21世纪的深孔类零件检测技术的发展方向应该是:由位置测量过渡到综合的形状检测阶段，提高整体检测精度由微米级向纳米级发展。随着深孔类零件检测需求的增加，各公司也争相的开发新产品来满足不断提高的高精度高效率检测。如三丰公司的CS一5000CNC能一次将表面粗糙度和位置信息检测出来。东京精密公司的SURFCOMZo

29、o0DX测量仪可实现低振动精确定位，检测精度和效率有了很大的改善。美国OGP公司利用直接录像显微镜(VDM)来显示大深度小孔和不可视的检测区域，延长了人的视觉，更加的稳定可靠。三坐标测量机在机械零件的检测中亦有使用，但其对环境的要求较高。目前外国公司掌握着该检测领域的关键技术，三丰公司、德国卡尔蔡司、东京精密及海克斯康集团等都具有相当的技术和资金优势，使国内企业在竞争上面临很大的压力，所以我们必须要开发出适应自己市场需求的产品。1.3.3 数字化非接触检测随着检测技术的发展，市场需求不仅对深孔类零件的形位、表面质量、圆度等的检测提出了更高精度要求，还要求能实现数字化、在线检测。在现代化的生产环

30、境下，对零件进行检测的同时还要将检测数据实时的传递给各个工序流程，也可以利用网络进行远端控制和管理，随着计算机技术的发展应用，深孔类零件检测领域也不断的开发出可以适应数字化特点的检测设备，自动化水平也有很大的提高。虽然接触式测量可以适应不同的零件尺寸，但它对零件表面和检测环境要求较高，如果在频繁变更零件类型的情况下，很难保证检测的高精度。目前，业界开始利用光学技术开发非接触深孔类零件的检测设备，意大利MARPOSS公司的Mid瓦Laser测量系统就是利用激光测头来辅助实现全数化非接触式检测，日本索尼精密工程公司的YP20121是采用半导体激光传感器实现非接触检测的，日本YKT公司的非接触三坐标

31、测量系统乙p250也可以实现高精度的数字化检测。随着光机电一体化技术更为成熟的发展，在高精度的生产和质量管理体系中，可以利用光学系统采集被测零件的图像，利用计算机图像识别技术对其中感兴趣的信息进行提取和处理，通过这些技术手段，零件的检测精度和效率都获得大大的提高，而且可以与计算机网络相连接便于管理和更加的人性化操作，因此，深孔类零件的数字化非接触检测也就必然成为未来精密检测技术的重要发展趋势，是我们所必须关注的重要技术领域。1.4 系统技术指标及要求本课题针对目前我国汽车制动主缸补偿孔测量技术落后这一现状，提出了设计制造制动主缸补偿孔测量仪这一新思路。该仪器采用高分辨率CCD成像技术完成测量任

32、务，具有操作简单、精度高、自动化程度高、可靠性高等特点，消除了主观因素的影响，是一种集光、机、电、算于一体的高性能精密测量仪器。本课题主要研究以下几方面内容:1.完成汽车液压制动主缸缸体补偿孔位置、形状的精密检测。(1)补偿孔位置检测:补偿孔中心到缸体法兰面轴向绝对距离的测量;(2)补偿孔倒角检测:补偿孔(主缸主孔端)边缘倒角大小和倒角与补偿孔同心度的检测。2.要达到的技术指标:(1)测量范围:主缸缸体主孔直径:。15中45Inln;补偿孔位置范围:一30150二;补偿孔直径范围:0.31.Zlnln。(2)尺寸测量:精度:0.O3%FS;分辨率:0.o05Inln;重复性:0.ollnln。

33、(3)测量时间:每件主缸从装夹到生成报告所用时间不得超过2分钟(不包括报表名头和参数输入时间)。本课题的研究目的和意义是:设计实用合理的制动主缸补偿孔测量仪，并通过试验研究，得出影响补偿孔测量精度的主要因素，从而为早日开发出能投入实际应用的、结构简单、性能优异的制动主缸补偿孔测量仪提供有价值的理论分析和试验依据。第 2 章 系统总体设计方案本课题研制的制动主缸补偿孔测量仪主要由计算机数据采集处理系统、控制系统、CCD成像系统、光栅位移传感器和精密机械传动系统组成。制动主缸补偿孔测量仪的工作原理是:系统采用人机交互式测量，在螺旋杆下降的状态下将被试件安装在定位夹具上，螺旋杆上升并压紧在被试件上以

34、使被试件的定位面与定位夹具靠紧，步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而带动内窥镜移动，同时蜗轮蜗杆带动刚性导光臂旋转，根据CCD所成图像的处理结果用鼠标确定采样点位置，并记录光栅尺的位置信息，同时将主缸内孔表面质量信息也保存起来作为数据库的一部分内容。制动主缸补偿孔测量仪采用光、机、电、算技术完成制动主缸缸体补偿孔位置和形状的精密检测，计算机控制试验的整个过程。在方案的设计过程中，考虑了仪器的可扩展性、高可靠性和稳定性，同时也考虑了先进技术的应用，使得仪器功能在同行业中处于较高的水平。根据实际工况，提出了两套整体设计方案，即主缸上置和主缸下置。制动主缸上置总体结构简图如图2-1所示:图2-1 制动主缸

35、补偿孔测量仪总体结构见图如图2-1所示，系统由精密机械传动机构及电控系统、光栅位移传感检测系统、光学成像系统及计算机数据采集处理系统组成。其中：机密机械传动机构包括内窥镜直线传动机构和被测制动主缸旋转机构、被测制动主缸夹紧机构；光栅位移传感检测系统采用绝对式封闭光栅传感器；光学成像系统采用远心内窥光路，由小型CCD成像模块和照明系统组成。整个系统采用人机交互式测量，被测件安装在定位夹具上，并使被测件的定位面与定位夹具靠紧，伺服电机驱动滚珠丝杠旋转，从而带动内窥镜移动，同时同步齿形带带动刚性导光臂旋转，根据CCD所成图像的处理结果确定采样位置，同时记录光栅尺的位置信息，并将主缸内表面质量信息保存

36、。具体工作时，首先将标校装置固定在特制夹具上，而被测制动主缸缸体套入标校装置中，夹紧机构将工件卡紧在标校装置中，使主缸法兰面与标校装置距基准面重合以保证工件的平行度；检测前，旋转用伺服电机带动主缸旋转一合适角度，使主缸上的补偿孔对准CCD摄像机以保证在成像系统中出现孔的清晰图像；检测时，直线传动用伺服电机带动光学窥镜及光栅位移传感器从系统零点沿主缸轴线线性移动至主缸内腔中寻找补偿孔。当在CCD摄像机中看到清晰的补偿孔图像时，系统通过图像采集卡将CCD摄像机的视频信号实时显示成图像，通过图像处理技术，得到补偿孔内孔表面质量及补偿孔在图像中的孔心位置；同时光栅位移传感器以标校装置中的基准孔心为零位

37、测得补偿孔相对于基准孔心零位的位移数据一并送入计算机中处理以获得补偿孔形位尺寸。2.1 精密机械传动机构及电控系统精密机械传动机构主要由滚珠丝杠传动机构、主缸旋转机构、直线轴承机构和标校装置等组成。其中，滚珠丝杠传动机构、主缸旋转机构均采用伺服电机带动。运动过程中，实时位置信号由绝对式光栅尺测量，并通过其驱动器送入工控机种处理。工作室，滚珠丝杠传动机构在伺服电机驱动下，带动内窥镜安装板沿刚性导轨实现线性移动，制动主缸旋转机构在伺服电机驱动下，通过同步齿形带带动制动主缸完成旋转运动。两者运动过程中通过光学成像系统观察内孔表面的质量并检测补偿孔的中心位置。在测试技术中，传感器是实现自动检测和自动控

38、制的首要环节，它担负着感受和传输信号的首要任务。传感器质量的好坏直接影响着被测信号的精度。因此，通常要求传感器工作可靠、精度高、稳定性好。.由于课题需要较高的系统定位精度，故我们选择光栅位移检测系统。光栅检测具有高速、高精度、非接触测量等优点，而光栅位移检测有较大的放大率以及误差平均效应，位移精度高。本课题中，光栅位移传感器主要是测量补偿孔相对于基准面的距离。如图2-2为系统结构原理图图2-2 传动机构及电控系统原理图2.2 精密机械传动机构内窥镜光学成像系统由CCD摄像机、内窥镜光学系统组成。光学成像系统用于捕捉补偿孔视频图像并使其轮廓清晰。其中，内窥镜光学系统由成像系统和照明系统组成。如图

39、所示图2-3为内窥镜外形图。图2-3 内窥镜外形图内窥镜光学成像系统采用物镜加转像系统组成，物镜采集图像信息，转像系统获得长工作距，90度视向棱镜完成光线的折转。系统光源采用贴片LED环形光源照明。为保证光线均匀，不影响成像效果，在制动主缸外用卤素灯照明，并置于积分球内以保证孔外光线分布均匀。具体实现如下：贴片式LED光源环形贴于环形小电路板上，将电路板贴于内窥架侧面所开孔处安装的五棱镜镜面上。在旋转传动机构带动下使光线刚好垂直投影到被测内孔表面上，被测孔图像通过五棱镜镜面90度反射到内窥镜物象远心光路上获取光截轮廓。光截轮廓中包含被测参数信息，再将光截轮廓经CCD摄像系统成像到光敏面上，由图

40、像卡采集到计算机，通过图像处理提取特征轮廓。物镜的成像质量对内窥镜成像影响极大，本系统要求物镜校正轴上点的各种像差，同时还要求校正轴外点像差以便获得清晰逼真的图像。私服系统 CCD计算机显微物镜物体内窥镜显示器光导纤维光源图2-4 光学成像及显示原理框图2.3 光栅位检测系统光栅位移传感器用于测量补偿孔相对于预先设定的基准面的距离以获得补偿孔径。在获得清晰的补偿孔光截轮廓的图像信息是，光栅尺记录其相对位置，实现制动主缸补偿孔位置和形状的精密检测。2.4 计算机图像处理系统计算机图像采集处理系统通过图像采集卡将CCD摄像机的视频信号实时显示成图像，通过亚像素图像处理技术获取精确位置，并根据要求控

41、制电机运动，接受光栅位移传感器读取的位置信息，经过计算机数据处理最终得到补偿孔形位尺寸数据信息。第 3 章 精密机械传动机构及电控系统设计机械传动主要硬件包括:滚珠丝杠、直线轴承。滚动丝杠副是由螺杆、螺母、滚珠、密封件等零件组成的高精度机械传动部件，由于滚珠丝杆的螺杆与螺母之间有滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运运效率。因此，不仅能把回转运动转变为直线运动，也能容易地将直线运动变为回转运动。滚珠丝杠副由于滚珠运动，起动扭矩极小，不会产生如滑动运动中易出现的爬行、蠕动现象，所以能保证实现精确的微进给。另一方面，由于滚珠丝杆副效率高、摩擦小、发热低，从而又能进行高速进给。直线轴承是一种以最低成本

42、生产的直线运动系统，用于无限行程与圆柱轴配合使用。由于承载球与轴承点接触，故许用载荷小。钢球以最小的摩擦阻力旋转，因此能获得高精度的平稳运动。3.1 机密机械传动机构及电控系统方案汽车制动主缸内表面质量光电检测系统精密机械传动机电控部分是整个检测系统的终端动作执行机构，它与光学成像系统一起配合负责补偿孔图像和被测数据的现场采集，所以精密机械传动机电控系统方案的设计对检测系统整体设计结果的优劣起着至关重要的作用。精密机械传动机构及电控系统只要包括两个传动链路及其控制，即负责内窥镜的上下直线运动和被测工件的旋转运动，以便找到制动主缸不同补偿孔的中心位置，两者要紧密的配合，只有这样，制动主缸补偿孔的

43、形位、尺寸信息以及主缸缸体的内表面质量信息才能真实客观、高精度的得到检测和观察。在本章中，根据机构的控制精度，传动效率，工件条件，检测精度等技术指标进行了精密机械传动机构及电控系统设计，控制系统中采用伺服电机作为驱动，内窥镜的直线传动采用滚珠丝杠传动机构，被测工件的旋转运动采用同步齿形带传动机构。如图3-1所示为机械传动机构立体示意图：图3-1 机械传动机构立体示意图3.2 精密机械传动机构设计如图3-2所示为机械传动机构结构示意图。精密机械传动机构包括内窥镜直线传动机构和被测制动主缸旋转机构、被测制动主缸夹紧定位机构。其中，内窥镜直线传动机构由直线传动用伺服电机、滚珠丝杠传动机构、导向机构组

44、成，呗测制动主缸旋转机构由旋转用伺服电机、同步齿形带、被测主缸等组成，被测制动主缸夹紧定位机构由夹紧块、夹紧弹簧、和标校装置（定位机构）组成。系统通过上述过程的处理，可实现汽车制动主缸缸体补偿孔内表面加工质量及位置、形状的精密检测。由于制动缸型号多样，为适应不同制动缸的测量要求，对不同孔径的制动缸均配有相应的标校装置。系统测量范围如下：主缸缸体主孔直径范围为1545mm、补偿孔位置范围为5mm150mm、补偿孔直径范围为0.3mm1.2mm。系统要求尺寸测量精度5um，重复性0.01mm。图3-2 机械传动机构示意图3.2.1 内窥镜直线传动设计被测制动主缸的补偿孔可能不止一个，系统检测时是以

45、辅助孔为起始点，内窥镜在辅助孔和第一补偿孔，第一补偿孔和第二补偿孔之间的垂直移动都需要精确的进行定位，这就对内窥镜的直线传动机构提出了较高的要求。系统中内窥镜的直线传动采用滚珠丝杠传动机构实现。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成，可以将旋转运动转换成线性运动，滚珠丝杠在机械机构和控制结构上均较简单、传动效率高、精度高、摩擦阻力小、易于维护。由于启动力矩极小，不会出现类似滑动运动那样的爬行现象，从而保证了高精度的定位。系统根据实际需求计算尺寸大小和相关技术参数。图3-3为滚珠丝杠的安装结构图：图3-3 滚珠丝杠副尺寸图3.2.2 制动主缸旋转机构设计由于被测制动主缸的两个补偿孔可能不在同一条母线上或

46、是内窥镜在运动过程中与补偿孔位置有偏差，这时候就需要适当调整工件的位置，以便更好的捕捉到补偿孔图像。本设计中被测制动主缸的旋转运动采用同步齿形带传动机构来实现。同步齿形带传动常用来传递两平行轴之间的运动或动力。本设计的功率不大，且是间歇性工作状态，所以采用同步齿形带传动非常合适。旋转机构主要实现被测制动主缸的旋转，以调整主缸的位置，旋转过程中并不强调运行的参数，因此系统直接取同步带动的传动比为1。图3-4为转轴尺寸结构。图3-4 转轴尺寸结构3.2.3 定标装置设计为保证检测数据的准确性，使测量满足技术指标要求，系统需求考虑定标问题，即：主缸法兰端面基准的确定，采用标校装置解决该定位基准问题。

47、如图3-5所示为特制的定位夹紧于一体的标校装置示意图，图中定位基准面为与制动主缸缸体法兰端面重合面，D孔心为光栅位移传感器测量补偿孔时的基准。由 于被测制动缸试件型号多样，标校装置上的尺寸L与D直径根据不同型号的补偿孔所不同，需要特制不同的标校装置。标定时利用光栅尺测得的D孔心位置及定位尺寸L确定标装置的定位基准面位置，经行确定主缸法兰端面位置。由于缸体补偿孔尺寸均相对于缸体法兰端面给出，因此，确定出端面位置便可通过 光栅尺检测出各个补偿孔的位置。需要注意的是，在测量不同的制动主缸被测件时要更换不同的标校装置，每次测量时均应对基准面标定。图3-5 定位夹具组成结构见图3.3 控制系统方案设计汽

48、车制动主缸内表面质量光电检测系统中，由于制动主缸的补偿孔位置的变化i测量初始状态事内窥镜的探头可能与补偿孔不在同一条母线上，因此为了配合光学成像系统得到高质量的补偿孔图像，控制系统要完成对内窥镜和被测工件（制动主缸）的高精度定位控制，它接受主控计算机发出的命令对被控制对象执行控制功能。它的执行性能和控制精度直接影响到系统检测的最终结果。在本控制系统设计方案中我们采用运动控制卡和伺服电机（伺服电机驱动器）的设计思想保证执行机构运动的准确性和快速响应，以便达到精度高，高效率的控制效果。3.3.1 上位控制模块运动控制卡在我们的设计中，运动控制卡与管理计算机构成了主从式的控制结构，管理计算机负责人机

49、交互界面的管理和对控制系统的实时监测等方面的工作，运动控制卡则完成运动控制的所有细节，其原理如图3-6所示，这样使系统管理和控制功能各自执行，发挥运动控制卡和计算机的各个优势，提高了工作效率和控制精度。系统状态显示管 理 计 算 机运动轨迹规划方向信号输出原点和限位信号自动升降速处理脉冲型号输出发送控制指令外部信号监控图3-6 上位控制模块结合内窥镜、制动主缸的定位控制精度要求，和实际的应用条件，运动控制卡采用北京科瑞兴业科技有限公司生产的KPCI-882两轴伺服电机运动控制卡。3.3.2 伺服电机在控制系统中我们采用伺服电机来作为执行机构的驱动单元。本设计中对伺服电机的基本技术要求如下：精度

50、高。无论在静、动态的情况，伺服电机的输出量要能够高精度的复现输出量。稳定性好。电机在受到外部干扰的情况下，要能够稳定的恢复到原来的平衡状态，电机只有具有很强的抗干扰能力，才能够适应复杂的工业生产现场环境。快速响应。由于对制动主缸的检测是实时在线的， 所以要求电机对输入信号的响应快，过渡时间短。综合考虑实际需要和电机的技术指标，本设计中伺服电机选用日本panasonic公司生产的A5系列伺服电机：MSMD012G1V伺服电机，以保证其速度、位置的精度控制。3.3.3 MSMD012G1V伺服电机驱动器本设计中我们利用伺服电机驱动器主要完成以下两种功能： （1）控制电机的换相； （2）控制电机的速

51、度。与MSMD012G1V伺服电机配套的电机驱动器位MADHT1505。其功率原件最大额定电流为10A，电源电压为三相200V，电流检测器的额定电流为5A。第 4 章 光学成像系统针对深孔类零件的内轮廓形状尺寸检测精度要求较高、难度大，而目前所采用的测量方法不是精度低就是检测效率不能满足要求的问题，本课题研究了一种适用于零件深孔内轮廓形状尺寸检测的系统一汽车制动主缸补偿孔光电检测系统，其中，其光学成像系统是整个检测系统的眼睛，起到视觉延伸的作用，它是整个检测系统的前端，是后续各个子系统完成功能、满足精度的基础和保证，它主要由光源、内窥镜和CCD摄像机组成。基于CCD的图像成像系统性能非常优越，

52、如:通过提高摄像机的分辨率，或调整光学镜头的放大倍数，就可以使获得的图像信息丰富、精确，从而满足系统对检测精度和稳定性的要求。4.1 光源设计我们对光源的选择设计包括选择光源的种类，设计其驱动电路和光源摆放位置，从而使所采集的补偿孔图像具有较高的清晰度，使需要计算机图像处理分析的检测目标区域更加突出。此外，还应了解制动主缸是如何被照明以及光源的反射、散射特性，再进一步根据制动主缸的具体特点和具体的检测环境选择合适的光源。针对补偿孔图像成像系统光源的技术要求，可以挑选氙灯或卤素灯来作为内窥镜冷光源的光源。氙灯属于气体放电灯，它通过惰性气体电离发光，优点是色温接近可见光，发光非常稳定，寿命较长一般

53、可以超过500个小时，而卤素灯属于白织灯，是通过钨丝加热发光，价格虽然相对便宜，但卤素灯散发的光线有些淡黄，色彩还原性没有氙灯好，并且使用寿命也较短。尽管氙灯的发光电弧与卤素灯的钨丝长度直径相同，但氙灯的发光效率和亮度却远远高于卤素灯，由于氙灯不用灯丝，没有了传统光源易脆断的缺点，稳定性更高。所以作为侯选光源无论在亮度、节能、寿命、安全性等方面，氙灯比卤素灯都更具优势。所以，综合考虑实际的检测环境、光源的自身特性和系统对图像质量的要求，在本设计中采用氙灯作为成像系统光源，并采用导光光纤照明光导入被测主缸的内表面，从而补偿孔的反射像通过内窥镜成像在CCD摄像机的光敏面上，经过图像采集卡输入管理计

54、算机。此外，我们对制动主缸缸体内的补偿照明采用环型无影LED光源进行照明，从而使采集的图像达到更加理想的效果。在整个检测系统安装完毕之后，还要对成像系统光源的照度、位置等进行调试，并且比较分析在不同的光照条件下所采集的补偿孔图像质量，从而选择出最佳的成像系统照明方案。4.2 内窥镜的选用分析4.2.1 内窥镜的技术分析本检测系统是基于图像进行测量的，为了解决制动主缸补偿孔的成像问题，在设计中我们采用工业内窥镜来延长成像系统的视距，它的后端与CCD摄像机相连接，并通过内窥镜的前后移动来捕捉补偿孔的图像信息。工业内窥镜是集光学、精密机械、电子技术和显微成像技术于一体的新型精密仪器，它可以很容易的改

55、变检测视线方向，广泛的应用于机械零部件的无法触及到、非可视部分形位及缺陷的检测。因为内窥镜物镜的成像质量对最终的图像采集质量有着直接的影响，所以本设计要求内窥镜物镜校正轴上点的各种像差，并且还要求它的校正轴外点的像差，从而使之能够获得满足成像质量要求的图像。本设计中，由于制动主缸补偿孔位置的特点和检测精度的需求，要求采用一种远心内窥成像光学系统，将内窥镜的成像光路设计成一个像方远心光路与物方远心光路合一的光路，这样的设计方案就会非常好的解决制动主缸补偿孔图像因为虚焦而造成的检测误差问题，从而大大提高了系统的检测精度。4.2.2 内窥镜的应用设计本设计中用到的硬性内窥镜主要是利用窥镜探头物镜配合

56、安装在一个直的不锈钢管套内的透镜组来传送检测过程中捕获到的补偿孔图像(即:转像透镜+物镜组合)，不锈钢管中还安装有用来将光线从光源引导至目标检测点的光纤束，为了方便扩大或改变检测视角，硬性内窥镜的检测镜头可以根据需要进行更换改进。这样利用内窥镜就可以很好的对制动主缸补偿孔进行图像检测，本设计中采用光纤传输照明光，物镜进行显微摄像，捕获的补偿孔图像信号经过CCD摄像机、图像采集卡的实时处理，最后输入到计算机进行显示和处理，这样，检测人员就可以通过所得到的补偿孔图像对工件的加工质量进行分析和观测。本系统中的内窥镜光学系统的性能和效果曾在某型号枪械枪膛检测项目中得到应用和证明，它稳定性高、成像效果好

57、、使用较为方便，完全可以满足系统对补偿孔图像成像质量的要求。图4-1为内窥镜光学系统设计图：图4-1 内窥镜光学系统设计图4.3 CCD摄像机的选用分析4.3.1 CCD摄像机的技术分析在制动主缸补偿孔检测系统中，图像信息的生成就是来自CCD摄像机，CCD像机是补偿孔图像成像系统的核心器件，它对最终采集的图像质量起到至关重要的作用，因此，CCD摄像机的选用非常的重要，不仅它的相关技术指标要满足系统的检测精度要求，而且还要和整个成像系统配合使用，以便产生理想的图像效果。CCD是电荷祸合器件(chargecouPleddeiee)的简称，它能够将其光敏面上的光强转换为电荷量，然后进行存储和转移，可

58、以非常方便的进行后续处理。用它来构成的CCD摄像机集成度高、受现场环境影响小、图像质量稳定清晰，所以非常适合应用于在工业生产环境下的制动主缸补偿孔检测系统。4.3.2 CCD摄像机的应用选择前端采集的补偿孔图像信息经过CCD摄像机的镜头感光到其CCD传感芯片上，这个芯片是CCD摄像机的核心，CCD芯片根据感受的光强存储起一定比例的电荷量，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，最终形成补偿孔视频图像信号的输出，CCD摄像机工作原理如图4-2所示，这个补偿孔视频图像信号通过图像采集卡输入计算机，我们就可以通过所采集的图像对制动主缸补偿孔的形状尺寸、位置进行检测，同时也

59、观测、判别了制动主缸缸体内表面的加工质量。图4-2 CCD摄像机的工作原理在补偿孔图像成像系统中，相对于黑白摄像机，彩色摄像机更适用于补偿孔图像的细部辨别，且在补偿孔的检测界面中更便于进行人机交互，结合CCD摄像机的工作原理、技术性能和本设计中的实际检测精度要求，我们采用了维视数字图像技术有限公司的MV-VS078FM/FC型彩色面阵CCD摄像机做为我们成像系统的核心器件，它的传感器光学尺寸为113”英寸，最高分辨率1024(H)x768(v)，水平/垂直扫描频率为15.734Hz/59.94Hz，照度ILUX左右，信噪比大于54dB，快门速度1/10000到10s，无论是静态采集还是动态采集

60、，均可以得到无变形的、颜色还原性好的高质图像，并且输出信号稳定，对CPU资源的占用少。经过实际的试验测试，我们选用的CCD摄像机性能技术指标完全满足补偿孔图像的成像质量要求，并适用于实际现场检测环境。第 5 章 光栅位移检测技术研究5.1 光栅位移测量的基本原理传感器的种类多种多样，其优缺点也各有侧重。例如，电感式传感器结构简单、灵敏度高、分辨率达、精度高、线性度良好、重复性好，但存在着交流零位信号，不宜于高频动态信号测量等；电容式传感器具有测量范围大、灵敏度高、动态响应时间短、机械损失小、结构简单、适应性强等优点，但寄生电容影响大，非线性输出带载能力差。由于本课题需要较高的系统定位精度，故我

61、们选择了光栅位移检测系统。光栅检测具有高速、高精度、非接触测量等优点，而光栅位移检测有较大的放大率以及误差平均效应，位移精度高。本设计中的光栅位移传感器是一种高精密的位移传感器，它是基于莫尔条纹现象来进行位移测量的，应用的关键在于其细分及判向。本设计是将光栅位移传感器用于测量制动主缸的不同补偿孔相对于设定的测量基准面的距离，以此来获得补偿孔的位置信息。这样，在获得清晰的补偿孔图像信息的同时，用光栅尺记录其相对位置，从而完成了制动主缸补偿孔位置和形状的精密检测。5.1 光栅位移测量控制按照要求检测中光栅尺的分辨率达nm级，如果仅靠减小栅距来满足常常要收到工艺的限制。这就要用到细分技术。所谓细分，

62、就是使位移信号每变化一个周期不是计一个数而是计几个数，如图5-1，这样就获得，细分，相应的分辨率就提高到w/n。图5-1 每节距产生n个脉冲一莫尔条纹细分原理莫尔条纹细分的方法有光学细分、机械细分和电子学细分。用光学细分和机械细分处理问题时，观察者利用事先在分划板或鼓轮上的标尺对莫尔条纹进行度量，从而取得细分信息。这种方法是把问题放在空间加以考虑，而电子细分则把问题引导到时间域和频率域加以解决。电子学细分方法读数迅速，它不仅可以实现点位控制，而且可以实现连续轨迹控制，使观察者从主观的影响中摆脱出来，输出量又能和数据处理机联动，实现自动化。二.位移检测电路光栅位移检测电路方框图如图5-2所示。图

63、5-2位移检测电路方框图光栅莫尔条纹信号通过光电变换传感器就可以转换成电信号。此后，还要经过一系列电子学系统，如放大、细分、整形、微分、整流和计数等，就可以得到含有位移信息的数字量，再送到单片机进行数据处理，即可以得到位移测量结果。5.2 光栅位移传感器与整机的连接原理光栅尺在移动过程中发出脉冲，每mm发出脉冲数量越多，则精度越高。计算机通过数据采集卡把接收的脉冲转换成数据，从而可测量出补偿孔的位置。本课题采用长春光机所生产的产品，精度上满足使用要求，性能稳定，使用和维护方便。第 6 章 数据采集与图像处理系统设计6.1 本章引论数据采集与图像处理系统负责整个检测系统数据信息(补偿孔位置和图像信息)的获取、处理、显示及存贮，本设计中的数据采