一种平面机构二维运动规律测试装置

摘要

本发明公开了一种平面机构二维运动规律测试装置，采用一字线激光模组扩束形成激光照明光幕覆盖机构行程范围；采用原向反射屏贴合在平面机构的运动平面并随其同步运动，反射激光光点，提高照明效率，保证目标具有足够亮度；采用高速光电图像传感系统快速拾取图像序列，并调理输出；采用工业计算机配合高速图像采集卡实现图像的采集和存储；采用像点位置预判的方法进行大量图像数据的压缩，提高图像处理效率。本发明不但可满足一般要求的平面机构运动规律测试，而且对大量程、高速度、高精度、高可靠性、非接触的平面机构瞬时运动特性的现场测试具有良好的适用性。

说明书

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种平面机构二维运动规律的测试装置。

背景技术

随着科技的发展，工况恶劣的传统设备逐渐向可靠性、长寿命、节能环保等方向发展，机械故障的预判和诊断，机械性能非接触实时监测成为工业生产中重要的研究内容。具国内外统计，关键参数的分析精度每提高1％，试验次数将减少大约20～30％。

平面机构是机械系统常见核心部件，在系统设计、生产、校验和故障分析等阶段，许多重要指标要通过平面机构运动特性的分析而获取的。在民用机械领域，如曲柄滑块机构，因其几何形状简单，得到较高的制造精度相对容易，在包括煤矿机械在内的各类机械中得到了广泛的应用，如自动送料机构、冲床、内燃机空气压缩机等。另外，由转动副与移动副的组合二自由度并联平动机器人，具有输入轴与输出轴平行、传动速度高、动态性能好、定位精度高等特点的平行分度凸轮机构，基于3-UPU并联机构的奇异位形的高刚度平面并联平动机构等其核心机构运动过程均为二维平面运动。再如，兵器国防领域中，自动机是所有自动武器的最重要的关键部件，武器装备故障70％以上是因自动机引起的，而其运动路径大多为平面往复运动。这些机构运动的特点具有运动周期瞬时完成，运动过程为非平稳状态且经常伴随强烈的冲击振动。这些特点成为对其进行测试和分析的技术难题。

目前，图解法、数学建模的方法仍为对平面机构运动规律进行测试的主要分析手段，这些方法均忽略诸多现场因素，更无法表征系统疲劳、老化等内在因素，迫切需要找到现场测试的新方法。

现有的一种运动规律测试系统技术方案采用PSD(PositionSensitiveDetector，光电位置传感器)作为测试系统的核心器件，它是由一个或两个具有均匀阻抗表面组成的PIN光电二极管，对入射到光敏面上的光点或暗斑在光敏面上的能量中心位置敏感，且无死区分辨率高，可以将照射到PSD上连续移动的光信号转换成相应的连续变化的电信号。因此，经过换算它可以用来检测到入射光点的照射位置。PSD器件原理如图1所示。

设有效区域长为L，中心为零点，当光斑照射到如图1所示，距离中心x_A处，可以分别从获得输出光电流信号I₁和I₂，光斑照射位置将可以通过公式：

$>x_A=\frac{I_2-I_1}{I_2+I_1}L---\left(1\right)$>

基于以上，测试系统采用半导体激光器，作为光电测试系统的光源，产生的激光束经准直、扩束后投向平面机构的运动轨迹处，形成条形光斑，调整激光器与被测平面机构的距离使运动行程完全被光斑覆盖，再在平面机构上粘贴有原向反射片，其反射光通过镜头成像于PSD器件上，经过透镜PSD将接收到原向反射片反射回来的光信号，再经电流电压转换放大电路后产生相应的电信号，电信号经数据采集卡采集、计算机分析得出平面机构的运动规律曲线。测试系统示意图如图2所示。该技术方案只能进行平面机构一维方向的运动规律测试；但是PSD器件是非线性的，越接近边缘，其位置检测误差越大，存在测量范围有限的缺点，大行程的平面机构运动规律测试精确度较差，只能对一维平面机构运动规律进行测试。

另一种现有技术方案采用线阵CCD激光位移传感器作为测试系统的核心器件，线性CCD激光位移传感器采用激光三角法测量原理来检测平面机构的运动位移，该传感器发射出激光束，通过光学系统沿平面机构的运动方向投射到其的表面，调整激光传感器的位置，使被测机构的运动行程完全在其测量范围之内，激光束经平面机构表面反射再通过镜头会聚成像于CCD器件上，由传感器内部的数字信号处理器对来自CCD的信号进行高速数字处理，然后通过电缆将采集到的数字信号传输给数据采集控制器，计算机根据采集到的数据得出平面机构的运动规律。测试系统安装示意图如图3所示。该技术方案只能进行平面机构一维方向的运动规律测试；测试过程中，需保证平面机构在整个循环动作中反射回来的激光能够被传感器的接收窗口接收，测试系统安装调试具有一定难度，操作复杂。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种平面机构二维运动规律的测试装置，不但满足一般要求的平面机构运动规律测试，而且对高精度、高可靠性、大量程、非接触的平面机构瞬时运动特性的现场测试具有良好的适用性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：装置包括平面机构、原向反射屏、激光光幕、高速成像系统、光学镜头、一字线激光模组、工业计算机和图像采集卡。光学镜头安装在高速成像系统一端，在光学镜头正上方固定有激光模组，激光模组前安装有柱面透镜，平面机构上贴有一原向反射屏，用于原向反射激光，并随待测机构做同步运动，高速成像系统通过外触发方式控制，并通过数据传输线路与工业计算机相连，工业计算机内安装有处理软件和图像采集卡，所述原先反射屏表面为折射率近似为2的玻璃微珠。

其中，所述一字线激光模组采用均匀光强，发散角为45°半导体激光模组。

其中，所述高速成像系统，包括图像传感和图像处理两部分，图像传感部分采用高速面阵CMOS图像传感器。

其中，所述柱面镜采用柱面平凸透镜，柱面镜置于出光孔的正前方。

其中，原向反射屏采用处于平面机构的运动平面，在自然照明环境下可将原向反射屏看作新的光源，保证相机的灵敏度。

本发明具有以下有益效果：

1)采用高速成像系统作为测试装置的核心部分，其中的高速面阵CMOS传感器作为二维图像传感器，使得测试系统不仅能够满足平面机构一维方向测试要求，还能解决机构二维运动规律的测试问题，适合更多测试对象，能满足恶劣环境和强烈冲击下高速的平面机构运动规律测试要求。

2)根据原向反射屏的特向及光路可逆原理，采用激光光幕和原向反射屏，提高了系统的灵敏度，配合使用光学成像系统，使本装置能够满足大行程、快速度、高精度的运动规律测试要求。

3)采用理论分析该方法预判下一帧图像目标点位置，减少处理区域。最终图像数据压缩比可达10∶1，从而提高数据处理的效率。

附图说明

图1为现有技术一中PSD器件原理示意图。

图2为现有技术一中测试系统示意图.

图3为现有技术二中测试系统安装示意图。

图4为本发明实施例一种平面机构二维运动规律的测试系统的示意图；

图中，1-平面机构、反射屏；2-激光光幕；3-高速成像系统；4-光学镜头；5激光模组；6-图像采集卡；7-柱面透镜；8-工业计算机。

图5为本发明实施例一种平面机构二维运动规律的测试装置中中高速成像系统的成像原理图。

图6为本发明实施例中光源扩束原理图。

图7为本发明实施例中一字线激光模组扩束原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种平面机构二维运动规律测试装置，其特征在于，包括平面机构、原向反射屏1、激光光幕2、高速成像系统3、光学镜头4、一字线激光模组5、图像采集卡6、柱面透镜7和工业计算机8。F口光学镜头4安装在高速成像系统3一端，在光学镜头4正上方固定有激光模组5，激光模组5前安装有柱面透镜7，平面机构上贴有一原向反射屏1，用于原向反射激光，并随待测机构做同步运动，高速成像系统3通过外触发方式控制，并通过数据传输线路与工业计算机8相连，工业计算机8内安装有处理软件和图像采集卡6，所述激光模组5采用均匀一字线形半导体激光器。

如图5所示，高速成像系统3包括图像传感和图像控制两部分，图像传感部分采用高速面阵CMOS图像传感器。图像传感部分为CMOS图像传感器。设拍摄图像A的实际长度为S，在CMOS图像传感器平面成像为A′，由于CMOS图像传感器是以像素为基本单位保存图像的，实际所拍摄图像A′的长度可用所占的像素个数n₁表示，n₁与图像中物体A的长度S′以及A的实际长度S均近似成线性关系。因此，可通过一个标定系数k来确定n₁与S的关系：

S＝n₁×k(2)

平面机构运动图像采集完成后，在后期的数据处理时利用标定系数k和光斑的重心坐标便可获得平面机构在各个时刻的运动位移，横坐标可用于处理平面机构水平方向的运动规律，纵坐标可用于处理平面机构垂直方向的运动规律，再通过微分处理便可得到平面机构运动的二维速度信息。设平面机构在t时刻的水平运动位移是S(t)，水平运动速度为v(t)，图像中反射光斑在水平方向运动的像素个数为n₁，标定系数为k₁，相机的采集频率为f，则水平运动位移S(t)和水平运动速度v(t)通过以下算式计算：

$>S\left(t\right)=k_1\times n_1;v\left(t\right)=\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{dS}}{d(1/f)}---\left(3\right)$>

所述柱面透镜7采用柱面平凸透镜，采用柱面平凸透镜进行激光器的一维扩束，使得激光模组5的出射光覆盖平面机构的整个运动行程，保证了待测平面机构在平面内的二维运动规律测试的需要，其光源扩束系统原理图如图6所示。

所述一字线激光模组5的发散角为45°，柱面透镜7置于一字线激光模组5出光孔的正前方，设一字线激光模组5与平面机构运动平面的垂直距离为S，一字线激光模组5经柱面平凸透镜扩束后投射到平面机构运动平面的光幕横截面的水平方向的长度为S_x，垂直方向的长度为S_y。如图7所示，一字线激光模组5发射激光的线宽为w，经焦距为f的柱面透镜7的扩束后宽度为S_y，其各个参数的几何关系式为：

S_y/w＝(S-f)/f(4)

原向反射屏1处于平面机构的运动平面，高速成像的光照度环境可将原向反射屏1作为新的光源。本方案的平面机构运动规律测试系统属于带协作目标的主动光电装置，原向反射屏充当协作目标，可以将获得的辐射功率中的绝大部分光按照原路径返回，提高了恶劣环境和强烈冲击下平面机构运动规律测试的可靠性。

采用高速采集图像的原理，存取数据量较大，直接测量位移必须在高频噪声的背景下由位移微-时间曲线微分处理得到速度-时间曲线。由工作原理可知，每帧图像中只包含一个与位移对应的光斑，考虑机构运动不存在突变现象，在100×100的像素空间预判下一帧图像目标点位置，减少处理区域，最终图像数据压缩比可达10∶1。

本具体实施发出的一字线激光模组经过安装在镜头正上方通过柱面凸透镜扩束产生测试光幕，投射到待测的运动平面上；平面机构上贴有一小块原向反射屏用于原向反射激光，并随待测机构做同步运动；平面机构运动时，通过外触发方式控制高速成像系统跟踪原向反射屏反射光斑的运动行程，最终通过数据传输线路传给工业计算机，利用图像软件处理得出平面机构的二维运动规律。

本具体实施采用高速成像技术，非接触地拾取目标点切割光幕的运动信号，从而克服了目前系统频率响应低、精度差的不足。采用主动激光光幕照明结合原向反射技术，系统可在低照度环境下使用，同时在振动环境下可靠使用；基于目标运动规律，对海量的光斑运动图像数据，采取了运动范围预测，快速读取、存储的方法，显著地提高了数据处理的执行速度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。