加速器阴极-磁体套筒同轴度的测量方法及装置

摘要

本发明涉及加速器阴极‑磁体套筒同轴度的测量方法及装置，旨在解决传统方法在对中时无法给出同轴度偏差的大小和方向的弊端。该方法包括步骤：(1)将图像采集单元置于磁体套筒中的初始角度下；(2)采集阴极图像；(3)通过边缘提取算法得到阴极外圆轮廓线；(4)将所得到的外圆轮廓线经圆测量算法处理得到其圆心坐标O

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种加速器与磁体装配过 程中阴极-磁体套筒同轴度的测量方法及装置。

背景技术

微波器件由于工作频率高，其产生效率对阴极(电子枪)的尺寸和位置 精度的敏感性特别高，因此对加工和装配的工艺提出了严苛的要求。其中驱 动微波产生器件的加速器二极管阴极与磁体内套筒的装配同轴度是影响微波 产生效率的重要因素之一。目前微波产生系统加速器与磁体装配过程中主要 采用对心滑块检验同轴度是否符合要求，该方法存在以下几个缺点：

(1)该方法属于检验方法而不属于测量方法，只能检验同轴度是否达到 要求，无法给出同轴度偏差的大小及方向，并且用这种方法进行装配调心耗 时较长；

(2)采用该方法进行对心存在较大的随机误差和系统误差：其中，随机 误差来自于对心滑块外圆柱面与套筒内圆柱面的间隙、对心滑块内圆柱面与 阴极外圆柱面的间隙以及对心滑块本身由于加工带来的同轴度偏差；系统误 差来自于当系统水平放置进行测量时，由于重力作用，将对心滑块外圆柱面 与套筒内圆柱面的间隙大部分集中在上部，使得“对中”后的阴极位置偏下；

(3)对心滑块具有一定的导向作用，检验装配时由于间隙的存在使得阴 极发生弹性变形以适应对心滑块，对中后取走对心滑块，阴极便又恢复到原 先具有偏差的位置上；

(4)该方法属于接触法，检验的过程中会对阴极造成磕碰和磨损。

发明内容

基于以上背景，本发明提出了一种基于旋转相机法与机器视觉技术的加 速器阴极-磁体套筒同轴度的测量方法及装置，旨在解决传统方法在对中时无 法给出同轴度偏差的大小及方向、对中精度差以及对被测目标物有损伤等问 题。

本发明的技术方案是：

加速器阴极-磁体套筒同轴度的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将带有刚性定位支撑的图像采集单元定位于磁体套筒中的初始标准 角度下；

(2)利用图像采集单元采集阴极的图像；

(3)通过边缘提取算法处理，得到阴极外圆轮廓线；

(4)将步骤(3)中得到的阴极外圆轮廓线经过圆测量算法处理得到阴 极外圆轮廓线的圆心坐标，记为O₁；

(5)将带有刚性定位支撑的图像采集单元旋转到任意不同的角度并重新 定位于磁体套筒中；

(6)重复步骤(2)～步骤(5)，共进行N次测量，分别获取相应的阴 极外圆轮廓线的圆心坐标，依次记为O₂、O₃，……，O_N；

(7)采用圆测量算法将步骤(4)和(6)中的O₁、O₂、O₃，……，O_N坐标 拟合为一个圆，得到该圆的直径和圆心坐标，则该圆的直径即为阴极端面与 磁体套筒的同轴度，O₁相对于该圆圆心的角度即为初始标准角度时阴极的偏移 方向。

上述步骤(6)中N≥3，可以通过拟合减小单次测量误差，提高测量精度。

本发明还提供了一种采用上述测量方法对加速器阴极-磁体套筒同轴度 进行测量的装置，其特殊之处在于：包括图像采集单元、刚性定位支撑以及 图像处理与输出单元；图像采集单元用于采集阴极的图像，并通过数据线或 者无线网络与外部的图像处理与输出单元通信；刚性定位支撑为多点接触式 支撑结构，用于将图像采集单元固定在磁体套筒中任意角度下；刚性定位支 撑的接触点所在圆半径是可调的，并且定位后能够锁死；图像处理与输出单 元将图像采集单元采集的图像处理后得到阴极-磁体套筒的同轴度和阴极的 偏移方向，并将所得结果输出。

基于上述基本方案，本发明还作出如下优化：

上述测量装置还包括照明系统，用于对阴极进行照明，以便图像采集单 元更好的采集阴极图像。

上述刚性定位支撑的接触点有6个。

上述图像采集单元的光学系统由透镜组和面阵CCD组成。

上述面阵CCD的光敏面与磁体套筒的轴线垂直，面阵CCD的面阵中心在 磁体套筒的轴线附近。

本发明具有以下有益效果：

1.相比传统使用对心滑块检验同轴度的方法，本发明可以给出同轴度的 大小以及偏差方向，为装配对心提供依据；

2、本发明采用旋转图像采集单元的方法最大可将偏差放大至原先的2倍， 并且通过将多角度测量结果拟合的方法可以大大提高测量精度；

3.本发明通过旋转图像采集单元的方法测量同轴度，图像采集单元的光 学系统的轴线与磁体套筒轴线的偏差不反映在最终的测量结果上，因此对光 学系统的装配不必提出很高的要求，在测量同轴度时也不需要预先调整光学 系统的轴线，简化了操作程序；

4、本发明属于非接触测量方法，不破坏阴极本身的状态，且无重力影响， 消除了传统测量方法的系统误差。

说明书附图

图1是传统同轴度检验工装-对心滑块的结构示意图；图中标号：1-磁体， 2-磁体套筒，3-阴极，4-图像采集单元，41-透镜组，42-面阵CCD，5-刚性 定位支撑，6-图像处理与输出单元，7-照明系统；

图2是本发明所提供的同轴度测量装置的结构示意图；

图3是本发明所提供的同轴度的测量方法测量过程示意图；图中：A-CCD 面阵中心；B-磁体套筒的轴线位置；C₁-初始标准角度下经图像处理得到的阴 极外轮廓线；C_N‐不同角度下经图像处理得到的阴极外轮廓线；O₁-初始标准角 度下经图像处理得到的阴极外轮廓线圆心；C-不同角度下经图像处理得到的 阴极外轮廓线圆心轨迹拟合圆；θ_error-偏移方向；D_error-同轴度；

图4是本发明的刚性定位支撑的其中一种形式的结构示意图；图中：51- 支撑块；52-内支撑筒；53-螺母；54-外滑动筒；55-窗口。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

结合图1和图3所示，本发明所提供的加速器阴极-磁体套筒同轴度的测 量方法包括以下步骤：

(1)将带有刚性定位支撑5的图像采集单元4定位于磁体套筒2中的初 始标准角度下；

(2)利用图像采集单元4采集阴极3的图像；

(3)通过边缘提取算法处理，得到阴极外圆轮廓线；

(4)将步骤(3)中得到的阴极3外圆轮廓线经过圆测量算法处理得到 阴极外圆轮廓线的圆心坐标，记为O₁；

(5)将带有刚性定位支撑5的图像采集单元4旋转到任意不同的角度并 重新定位于磁体套筒2中；

(6)重复步骤(2)～步骤(5)，共进行N次测量，分别获取相应的阴 极外圆轮廓线C_N的圆心坐标，依次记为O₂、O₃，……，O_N，N≥3时可通过拟 合减小单次测量误差，提高测量精度；

(7)采用圆测量算法将步骤(4)和(6)中的O₁、O₂、O₃，……，O_N坐标 拟合为一个圆C，得到圆C的直径D_error和圆心坐标，则圆C的直径D_error即为 阴极3端面与磁体套筒2的同轴度，O₁相对于圆C圆心的角度θ_error即为初始 标准角度时阴极3的偏移方向。

本发明还提供了采用上述测量方法对加速器阴极-磁体套筒同轴度进行 测量的装置，包括图像采集单元4、刚性定位支撑5以及图像处理与输出单元 6。图像采集单元4用于采集阴极3的图像，并通过数据线或者无线网络与外 部的图像处理与输出单元6通信；刚性定位支撑5用于将图像采集单元4固 定在磁体套筒2中，刚性定位支撑5为多点接触式支撑结构，接触点有6个， 并且接触点所在圆半径是可调的(可先将接触点所在圆半径调小便于将刚性 定位支撑放入磁体套筒2中，放入后再将接触点所在圆半径调大至定位锁死， 防止滑移)；图像处理与输出单元6将图像采集单元4(其光学系统由透镜组 41和面阵CCD42组成，测量时，使面阵CCD42的光敏面与磁体套筒2的轴线 垂直，面阵CCD42的面阵中心A在磁体套筒2的轴线B附近)采集的图像处 理后得到阴极-磁体套筒的同轴度D_error和阴极的偏移方向θ_error，并将所得结果 输出；还可以增加照明系统7，对阴极3进行照明，便于在光线不好的环境中 更好的采集阴极3的图像。

实施例：

阴极3材料为石墨，外径22mm；磁体套筒2材料为不锈钢，内径50mm； 阴极3端面到磁体套筒2孔口距离约为300mm。

照明系统7采用安装在图像采集单元4前端的环形光源；图像采集单元4 的光学系统由透镜组41和面阵CCD42组成，图像处理与输出单元6采用便携 式计算机并通过数据线同图像采集单元4相连；

刚性定位支撑5采用6点支撑的结构形式，如图4所示，包括6个支撑 块51、内支撑筒52、外滑动筒54；图像采集单元4固定于内支撑筒52内；6 个支撑块51分为两组沿内支撑筒52轴向分布，每组的3个支撑块51沿内支 撑筒52的周向均布在内支撑筒52的外壁上；内支撑筒52的一端装配有螺母 53；外滑动筒54套装在内支撑筒52上，且外滑动筒54的一端紧靠螺母53。 外滑动筒54上开有6个窗口55，当外滑筒54套装在内支撑筒52上时，6个 支撑块51分别嵌入6个窗口55；窗口55和支撑块51的接触面均为斜面。

测量时，将带有刚性定位支撑5的图像采集单元4放入磁体套筒2中， 旋转螺母53，由螺母53推动外滑动筒54沿内支撑筒52的轴向滑动，通过窗 口55的斜面与支撑块51的斜面配合，将支撑块51同步顶起(支撑块51产 生微小弹性形变)，从而支撑块51所在圆半径增大，完成定位支撑。

按照本发明所提供的方法进行测量，取N＝7，测量过程示意图如图3所示； 得到7个不同角度下测得的阴极外圆轮廓线的圆心坐标O₁～O₇，通过最小二乘 法拟合得到O₁～O₇所在圆C的圆心坐标、直径D_error及O₁相对于圆C圆心的角 度θ_error；根据同轴度的定义，阴极3端面外圆圆心被限定在以磁体套筒2的 轴线为中心线的直径为D_error的圆柱面内，故D_error和θ_error分别为阴极3端面与 磁体内套筒2的同轴度和初始标准角度时阴极3的偏移方向。从图3可以看 出圆心O相对于CCD面阵中心A的坐标不参与测量，因此对光学系统的装配 不必提出很高的要求，在测量同轴度时也不需要预先调整轴线，简化了操作 程序。

本发明不仅用于加速器阴极-磁体套筒同轴度的测量，还适用于其他孔内 轴类零件装配同轴度的测量。