CN112729116B - 一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法，所采用的装置包括大理石平台、龙门支架、伺服电机、旋转主轴、减速器、编码盘、直流电机、直线模组、相机支架、工业相机、万向节和待测工装，所述伺服电机的输出端通过减速器连接主轴的一端，主轴的另一端穿过编码盘后连接万向节的一端，万向节的另一端用于连接待测工装，所述龙门支架固定在大理石平台上，直线模组固定在龙门支架上，相机支架固定在直线模组的滑块上，工业相机固定在相机支架上，本发明以光学机构代替传统测量传感机构，尽可能减小在机械加工与安装过程中，因为加工误差和配合误差对最后调零结果产生的影响，其自动化程度高。

Description

一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法

技术领域

本发明涉及航天航空领域，更具体的说，尤其涉及一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法。

背景技术

现有一调零机构，用于对一可旋转机构进行零位调整，调整后的机构用于驱动后续装置旋转，故需保证其机械零位与电气零位之间的偏差在一定精度范围内，所以要对其进行调零。待调零的可旋转机构上有两定位销孔，以这两个销子的水平位置为机械零位，需要调节这两个定位销孔，使其完全水平。该装置有伺服电机和减速机，能够带动待调零工装旋转，设计有编码盘、工业相机采集相关信息，上传至主机并让主机对信息进行分析处理，控制伺服电机启停。设计有气动导轨，使工业相机与环形光源可以沿直线运动，使相机在多位姿下拍摄销钉在发散光源下的阴影成像形状与面积，用于检测待测工装是否旋转到机械零位。

现有的传统的机械调零装置需要在调零装置启动前保证加工平台水平度，若水平度不符合要求，还需对大理石平台进行水平度修正。主流的水平度修正方法为选用水平仪或者激光位移传感器或其他传感测量工具来进行水平度检测，水平仪对操作人员的操作能力有一定要求，而传感测量工具又要在整体装置的设计中产生影响，同时传感测量工具在安装时的安装难度较大，测量精度容易受到配合误差以及加工误差影响，对最后的调零结果产生较大干扰。若平台水平度不符合要求，还需要有专门的平台调整机构来调整平台水平度，增加了整体装置的制造成本已经控制成本，增加了整体调零的操作难度和繁琐度。而利用销钉在发散光源下的阴影成像实现机械零位检测调整的方法，对加工平台的水平度要求较低，无需设计专门的水平仪或传感测量工具来对平台的平行度进行修正，只要在装配时，保证各装置间配合紧密，使工业相机在装配后能够垂直于大理石平台加工面，便不会因为平台水平度不够对最后的调零结果产生影响。简便了调零步骤，降低了整体装置的制造成本。

现有的传统机械零位调整装置在对待测机构零位进行检测时，一般依靠传感器测量出销孔的相对高度，而该种方法在操作上较为繁琐，同时，测量相对高度时，测量误差不可避免，要达到较高精度要求时，需要设计有高精度的传感器。而高精度传感器价格异常昂贵，同时安装步骤繁琐。传感器一般需要安装在整体机构上，而在安装过程中，又容易引入安装误差，对最后的调零结果产生干扰，使机械零位无法调整至足够精确的位置上。往往无法胜任精度较高的机械结构的零位调节工作。

设计有计算机来控制伺服电机与直流电机的启停，整套装置自动化程度高，避免人为操作失误导致的调零失败，保证了调零精度，节省了人力成本。

为了实现对待测装置机械零位的精确调整，尽可能避免机械加工过程中带来的误差，进而提供一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有调零装置机械结构复杂，安装步骤繁杂以及对各零部件精度要求过高的问题，提出了一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法，以光学机构代替传统测量传感机构，尽可能减小在机械加工与安装过程中，因为加工误差和配合误差对最后调零结果产生的影响，其自动化程度高。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法，所采用的装置包括大理石平台、龙门支架、伺服电机、旋转主轴、减速器、编码盘、直流电机、直线模组、相机支架、工业相机、万向节和待测工装，大理石平台的上表面为检测表面，所述伺服电机的输出端通过减速器连接主轴的一端，伺服电机的外壳与减速器的外壳固定连接，减速器通过减速器支架固定在大理石平台上，主轴的另一端穿过编码盘后连接万向节的一端，所述编码盘固定在编码盘支架上，编码盘支架安装在大理石平台上；万向节的另一端用于连接待测工装，所述待测工装安装在大理石平台上，待测工装靠近万向节的侧面上设置有两个销钉，两个销钉关于待测工装的转动轴轴线对称设置；所述伺服电机的输出端、减速器、主轴、编码盘和万向节联机主轴一端的轴线均在同一条直线上；所述龙门支架固定在大理石平台上，龙门支架横跨整个编码盘，直线模组固定在龙门支架上，直流电机连接直线模组的输入端并驱动直线模组上滑块的运动，相机支架固定在直线模组的滑块上，工业相机固定在相机支架上，工业相机的拍摄头竖直朝下设置，工业相机的拍摄头周围设置有一圈环形光源，环形光源为发散光源；所述待测工装的位置保证待测工装上的两个销钉位于工业相机的正下方，所述直线模组的方向与待测工装安装两个销钉的侧面平行；所述调零的方法具体包括如下步骤：

步骤一：将龙门支架、伺服电机、旋转主轴、减速器、编码盘、直流电机、直线模组、相机支架、工业相机和万向节提前安装在大理石平台上，将大理石平台固定在水平地面上，使大理石平台的上表面保持水平；

步骤二：待测工装安装在大理石平台上，将待测工装的动子端连接万向节固定连接；

步骤三：伺服电机启动，伺服电机通过减速器带动旋转主轴转动，旋转主轴通过万向节带动待测工装的动子进行旋转，使待测工装缓慢旋转至接近零位的位置，此时停止伺服电机，使待测工装停止旋转；

步骤四：开启工业相机，同时启动直流电机，直流电机工作时带动直线模组上的滑块运动，进而带动与滑块固定连接的工业相机直线运动；在工业相机运动的同时，工业相机持续拍摄销钉在发散光源下在大理石平台上形成的阴影图像；

步骤五：工业相机拍摄的行程为整个直线模组的行程，当直流电机带动直线模组上的滑块走完整个直线模组的形成后关闭直流电机；

步骤五：将工业相机每个位置下拍摄的图像上传至控制主机进行图像分析，控制主机计算分析接收到的图像中两个销钉在大理石平台上形成的阴影斑面积，计算两个销钉形成的阴影斑面积差，选取阴影斑面积差最小的一张图片，该图片拍摄的位置即为工业相机位于待测工装的正上方，且发散光源的发射点位于待测工装的对称轴正上方，记录下该图片对应的工业相机所在的位置；

步骤六：直流电机驱动直线模组上的滑块往回运动，使工业相机到达步骤五中获得的阴影斑面积差最小时工业相机的位置；

步骤七：伺服电机启动，伺服电机通过减速器驱动旋转主轴旋转，进而带动待测工装的动子旋转，待测工装转动时，工业相机保持拍摄状态，并且利用编码盘记录工业相机每张照片下编码盘旋转的角度，伺服电机的输出轴旋转一整圈后停止运动，同时工业相机拍摄每个角度下两个销钉在大理石平台上形成的阴影斑；

步骤八：将步骤七中工业相机拍摄的图像上传至控制主机进行图像分析，计算两个阴影斑所占像素点多少来估算阴影斑面积，当两个阴影斑面积相等且两阴影斑形状相同时，此时两销钉处于水平状态，找出该图像对应的编码盘旋转角度；

步骤九：伺服电机通过减速器驱动旋转主轴旋转，同时利用编码盘检测旋转角度，当编码盘到达步骤八得出的编码盘旋转角度后停止伺服电机的工作，此时待测工装到达其机械零位；

步骤十：待测工装到达零位后，拆除待测工装，同时直流电机将直线模组的滑块复位到初始位置，以便进行下一个待测工装的调零。

进一步的，所述万向节上带有扭簧。

进一步的，所述大理石平台由大理石材料制成，大理石平台的上表面为光滑的水平面。大理石平台表面具有较大的强度和表面光滑度，能够对整个机构起到制成的作用。

进一步的，所述大理石平台上设置有用于安装待测工装的定位块，待测工装通过定位块在大理石平台上进行定位操作。

进一步的，所述工业相机的拍摄头上设置有一圈环形的点光源。

本发明的检测原理为：工业相机与环形光源在直流电机的带动下随着导轨上的滑块沿导轨运动，环形光源保持发射发散光，照射在待测工装上的销钉，在大理石平板上形成两个黑色的阴影斑。当环形光源刚好处于销钉正上方时，销钉在大理石平板上的两个阴影斑形状、面积都相同。工业相机连续拍摄大理石平台上的阴影斑，通过数字图像处理的办法，计算两个阴影斑所占像素点多少来估算阴影斑面积，当两个阴影斑面积相等、且两阴影斑形状相通时，两销钉处于水平状态，待测工装到达其机械零位。

本发明的有益效果在于：

1、本发明设计了光学元件来进行机械零位的检测，可以通过装配来保证工业相机拍摄方向与大理石平台垂直，检测之前不需进行额外的对加工用的大理石平台进行水平度检测的步骤。不用购买昂贵的水平仪或者其他传感测量装置，同时也节省了整体调零的操作步骤，提高了工作效率，减少了设计成本，同时也避免了避免了传统机械设计方法中，因为加工平台与绝对水平位置之间有偏差而对整体机构调零结果产生的干扰，提高测量精度。

2、本发明设计了工业相机与环形光源，环形光源发射发散光，照射在销钉上，在大理石平台上形成两个阴影斑。随着工业相机与环形光源沿导轨运动，工业相机持续拍摄照片，得到一系列阴影斑图片。主机对这些图片进行分析处理，通过计算每一张图片中，两阴影斑所占像素点多少来判断两阴影斑面积是否一致。当环形光源位于待测工装正上方时，两阴影斑形状相同，面积也相同。故对所有图片都进行处理后，得出一张两阴影斑面积差距最小的图片，将该图视为环形光源在待测工装正上方所拍摄的图片。若此时，该图片中两阴影斑面积差近似为0，说明两阴影斑面积相同，且处于同一水平线上，表明对待测工装的调零成功。

3、本方法运用数字图像处理的形式来对待测工装机械零位进行检测，相比于使用传感器对待测工装机械零位进行检测的方法，能近可能避免测量误差对整体调零产生的影响。同时，利用数字图像处理的方法检测零位，使整体机构的机械结构得到精简，简化了安装与操作步骤，增加了检测效率和检测精度。

4、本发明设计了导轨，让环形光源和工业相机可以沿导轨运动并不停拍摄照片，对这些照片进行处理，选择出环形光源在待测工装正上方，光源发射点位于两销钉对称轴上的那一张图片，当该照片中，左侧阴影斑面积较小时，说明整体待测工装中，左侧销钉所在位置更加靠下，需要控制伺服电机旋转，使左侧销钉的相对位置能够上提，与右侧销钉相对位置一定，此时调零成功，使用该种调零方法，不但能测量出待测工装是否到达机械零位，而且能够知道两销钉相对位置，便于对后续调零进行操作处理，同时，数字图像处理的方法，对各零部件的加工精度要求和配合精度要求较小，能够减小加工与安装难度；同时，数字图像处理的方法相比于机械调零而言，通过像素点来判断销钉阴影面积大小，检测精度更高，能更好符合对高精密机械装置的零位调整作用。

5、本发明总体无复杂机电设备，结构简单，不需要设计安装价格高昂、安装麻烦的传感器，使整体装置的制造安装步骤精简，同时也大大减少装置的制造成本。整体机构能够在计算机的控制下，完成对待测工装机械零位的检测，检测流程简单有效、自动化程度高，检测效率高、精度高，节约人力成本。

附图说明

图1是本发明一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法所采用的装置的整体结构示意图。

图2是本发明待测工装的机构示意图。

图3是本发明所采用装置去除大理石平台和龙门支架后的结构示意图。

图4是本发明销钉阴影成像原理图。

图中，1-大理石平台、2-伺服电机、3-减速器、4-编码盘、5-直流电机、6-直线模组、7- 滑块、8-相机支架、9-工业相机与环形光源、10-万向节、11-待测工装、12-龙门支架、13-第一销钉、14-第二销钉、15-发散光源、16-第一阴影斑、17-第二阴影斑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～4所示，一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法，所采用的装置包括大理石平台1、龙门支架12、伺服电机2、旋转主轴、减速器3、编码盘4、直流电机5、直线模组6、相机支架8、工业相机9、万向节10和待测工装11，大理石平台1的上表面为检测表面，所述伺服电机2的输出端通过减速器3连接主轴的一端，伺服电机2的外壳与减速器3的外壳固定连接，减速器3通过减速器3支架固定在大理石平台1上，主轴的另一端穿过编码盘4后连接万向节10的一端，所述编码盘4固定在编码盘支架上，编码盘支架安装在大理石平台1上；万向节10的另一端用于连接待测工装11，所述待测工装11安装在大理石平台1上，待测工装11靠近万向节10的侧面上设置有两个销钉，两个销钉关于待测工装 11的转动轴轴线对称设置；所述伺服电机2的输出端、减速器3、主轴、编码盘4和万向节 10联机主轴一端的轴线均在同一条直线上；所述龙门支架12固定在大理石平台1上，龙门支架12横跨整个编码盘4，直线模组6固定在龙门支架12上，直流电机5连接直线模组6 的输入端并驱动直线模组6上滑块7的运动，相机支架8固定在直线模组6的滑块7上，工业相机9固定在相机支架8上，工业相机9的拍摄头竖直朝下设置，工业相机9的拍摄头周围设置有一圈环形光源，环形光源为发散光源；所述待测工装11的位置保证待测工装11上的两个销钉位于工业相机9的正下方，所述直线模组6的方向与待测工装11安装两个销钉的侧面平行；所述调零的方法具体包括如下步骤：

步骤一：将龙门支架12、伺服电机2、旋转主轴、减速器3、编码盘4、直流电机5、直线模组6、相机支架8、工业相机9和万向节10提前安装在大理石平台1上，将大理石平台 1固定在水平地面上，使大理石平台1的上表面保持水平；

步骤二：待测工装11安装在大理石平台1上，将待测工装11的动子端连接万向节10固定连接；

步骤三：伺服电机2启动，伺服电机2通过减速器3带动旋转主轴转动，旋转主轴通过万向节10带动待测工装11的动子进行旋转，使待测工装11缓慢旋转至接近零位的位置，此时停止伺服电机2，使待测工装11停止旋转；

步骤四：开启工业相机9，同时启动直流电机5，直流电机5工作时带动直线模组6上的滑块7运动，进而带动与滑块7固定连接的工业相机9直线运动；在工业相机9运动的同时，工业相机9持续拍摄销钉在发散光源下在大理石平台1上形成的阴影图像；假设两个销钉分别为第一销钉13和第二销钉14，发散光源15照射到第一销钉13和第二销钉14上是会分别形成第一阴影斑16和第二阴影斑17；

步骤五：工业相机9拍摄的行程为整个直线模组6的行程，当直流电机5带动直线模组 6上的滑块7走完整个直线模组6的形成后关闭直流电机5；

步骤五：将工业相机9每个位置下拍摄的图像上传至控制主机进行图像分析，控制主机计算分析接收到的图像中两个销钉在大理石平台1上形成的阴影斑面积，即分析各个图像中第一阴影斑16和第二阴影斑17的面积，计算的方法为第一阴影斑16和第二阴影斑17所占像素点的多少来估算第一阴影斑16和第二阴影斑17的面积；计算两个销钉形成的阴影斑面积差，选取阴影斑面积差最小的一张图片，该图片拍摄的位置即为工业相机9位于待测工装 11的正上方，且发散光源的发射点位于待测工装11的对称轴正上方，记录下该图片对应的工业相机9所在的位置；

步骤六：直流电机5驱动直线模组6上的滑块7往回运动，使工业相机9到达步骤五中获得的阴影斑面积差最小时工业相机9的位置；

步骤七：伺服电机2启动，伺服电机2通过减速器3驱动旋转主轴旋转，进而带动待测工装11的动子旋转，待测工装11转动时，工业相机9保持拍摄状态，并且利用编码盘4记录工业相机9每张照片下编码盘4旋转的角度，伺服电机2的输出轴旋转一整圈后停止运动，同时工业相机9拍摄每个角度下两个销钉在大理石平台1上形成的阴影斑；此处也可以不需要旋转一整圈，因为步骤二中调节时待测工装11已经接近零位，该步骤中伺服电机2的输出轴旋转可以各自正反转小角度即可；

步骤八：将步骤七中工业相机9拍摄的图像上传至控制主机进行图像分析，计算两个阴影斑所占像素点多少来估算阴影斑面积，当两个阴影斑面积相等且两阴影斑形状相同时，此时两销钉处于水平状态，找出该图像对应的编码盘4旋转角度；

步骤九：伺服电机2通过减速器3驱动旋转主轴旋转，同时利用编码盘4检测旋转角度，当编码盘4到达步骤八得出的编码盘4旋转角度后停止伺服电机2的工作，此时待测工装11 到达其机械零位；

步骤十：待测工装11到达零位后，拆除待测工装11，同时直流电机5将直线模组6的滑块7复位到初始位置，以便进行下一个待测工装11的调零。

所述万向节10上带有扭簧。扭簧用于消除万向节两端的传动回隙。

所述大理石平台1由大理石材料制成，大理石平台1的上表面为光滑的水平面。所述大理石平台1上设置有用于安装待测工装11的定位块，待测工装11通过定位块在大理石平台 1上进行定位操作。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (4)

1.一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法，其特征在于：所采用的装置包括大理石平台(1)、龙门支架(12)、伺服电机(2)、旋转主轴、减速器(3)、编码盘(4)、直流电机(5)、直线模组(6)、相机支架(8)、工业相机(9)、万向节(10)和待测工装(11)，大理石平台(1)的上表面为检测表面，所述伺服电机(2)的输出端通过减速器(3)连接主轴的一端，伺服电机(2)的外壳与减速器(3)的外壳固定连接，减速器(3)通过减速器(3)支架固定在大理石平台(1)上，主轴的另一端穿过编码盘(4)后连接万向节(10)的一端，所述编码盘(4)固定在编码盘支架上，编码盘支架安装在大理石平台(1)上；万向节(10)的另一端用于连接待测工装(11)，所述待测工装(11)安装在大理石平台(1)上，待测工装(11)靠近万向节(10)的侧面上设置有两个销钉，两个销钉关于待测工装(11)的转动轴轴线对称设置；所述伺服电机(2)的输出端、减速器(3)、主轴、编码盘(4)和万向节(10)联机主轴一端的轴线均在同一条直线上；所述龙门支架(12)固定在大理石平台(1)上，龙门支架(12)横跨整个编码盘(4)，直线模组(6)固定在龙门支架(12)上，直流电机(5)连接直线模组(6)的输入端并驱动直线模组(6)上滑块(7)的运动，相机支架(8)固定在直线模组(6)的滑块(7)上，工业相机(9)固定在相机支架(8)上，工业相机(9)的拍摄头竖直朝下设置，工业相机(9)的拍摄头周围设置有一圈环形光源，环形光源为发散光源；所述待测工装(11)的位置保证待测工装(11)上的两个销钉位于工业相机(9)的正下方，所述直线模组(6)的方向与待测工装(11)安装两个销钉的侧面平行；所述调零的方法具体包括如下步骤：

步骤一：将龙门支架(12)、伺服电机(2)、旋转主轴、减速器(3)、编码盘(4)、直流电机(5)、直线模组(6)、相机支架(8)、工业相机(9)和万向节(10)提前安装在大理石平台(1)上，将大理石平台(1)固定在水平地面上，使大理石平台(1)的上表面保持水平；

步骤二：待测工装(11)安装在大理石平台(1)上，将待测工装(11)的动子端连接万向节(10)固定连接；

步骤三：伺服电机(2)启动，伺服电机(2)通过减速器(3)带动旋转主轴转动，旋转主轴通过万向节(10)带动待测工装(11)的动子进行旋转，使待测工装(11)缓慢旋转至接近零位的位置，此时停止伺服电机(2)，使待测工装(11)停止旋转；

步骤四：开启工业相机(9)，同时启动直流电机(5)，直流电机(5)工作时带动直线模组(6)上的滑块(7)运动，进而带动与滑块(7)固定连接的工业相机(9)直线运动；在工业相机(9)运动的同时，工业相机(9)持续拍摄销钉在发散光源下在大理石平台(1)上形成的阴影图像；

步骤五：工业相机(9)拍摄的行程为整个直线模组(6)的行程，当直流电机(5)带动直线模组(6)上的滑块(7)走完整个直线模组(6)的形成后关闭直流电机(5)；

步骤五：将工业相机(9)每个位置下拍摄的图像上传至控制主机进行图像分析，控制主机计算分析接收到的图像中两个销钉在大理石平台(1)上形成的阴影斑面积，计算两个销钉形成的阴影斑面积差，选取阴影斑面积差最小的一张图片，该图片拍摄的位置即为工业相机(9)位于待测工装(11)的正上方，且发散光源的发射点位于待测工装(11)的对称轴正上方，记录下该图片对应的工业相机(9)所在的位置；

步骤六：直流电机(5)驱动直线模组(6)上的滑块(7)往回运动，使工业相机(9)到达步骤五中获得的阴影斑面积差最小时工业相机(9)的位置；

步骤七：伺服电机(2)启动，伺服电机(2)通过减速器(3)驱动旋转主轴旋转，进而带动待测工装(11)的动子旋转，待测工装(11)转动时，工业相机(9)保持拍摄状态，并且利用编码盘(4)记录工业相机(9)每张照片下编码盘(4)旋转的角度，伺服电机(2)的输出轴旋转一整圈后停止运动，同时工业相机(9)拍摄每个角度下两个销钉在大理石平台(1)上形成的阴影斑；

步骤八：将步骤七中工业相机(9)拍摄的图像上传至控制主机进行图像分析，计算两个阴影斑所占像素点多少来估算阴影斑面积，当两个阴影斑面积相等且两阴影斑形状相同时，此时两销钉处于水平状态，找出该图像对应的编码盘(4)旋转角度；

步骤九：伺服电机(2)通过减速器(3)驱动旋转主轴旋转，同时利用编码盘(4)检测旋转角度，当编码盘(4)到达步骤八得出的编码盘(4)旋转角度后停止伺服电机(2)的工作，此时待测工装(11)到达其机械零位；

步骤十：待测工装(11)到达零位后，拆除待测工装(11)，同时直流电机(5)将直线模组(6)的滑块(7)复位到初始位置，以便进行下一个待测工装(11)的调零。

2.根据权利要求1所述的一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法，其特征在于：所述万向节(10)上带有扭簧。

3.根据权利要求1所述的一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法，其特征在于：所述大理石平台(1)由大理石材料制成，大理石平台(1)的上表面为光滑的水平面。

4.根据权利要求1所述的一种利用销钉在发散光源下的阴影成像实现调零的方法，其特征在于：所述大理石平台(1)上设置有用于安装待测工装(11)的定位块，待测工装(11)通过定位块在大理石平台(1)上进行定位操作。

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