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1、1 前言1.1 课题研究背景全球的加工行业中，中国应是制造业大国，被称为“世界加工工厂”。随着经济全球化，企业之间的竞争也在不断加剧，我国的制造业取得巨大的发展。严格的质量要求、复杂的工艺、精美的设计，使得企业的生产非常艰难。减少废品生成，提高零件的质量控制水平，成为企业需要迫切解决的一个重要难题。在零件检测方面，零件尺寸是影响零件质量的一个重要的指标，并且客户对零件的尺寸要求越来越高，导致了企业对零件的尺寸检测也越来越严格。在尺寸测量方面，传统的测量方法不能满足机械加工行业测量要求，相反它已成为提高零件加工精度和生产效率制约因素；传统测量是静态测量，它无法满足现代机械加工中的被动测量要求，并
2、且也无法及时的控制零件的生产过程，所以加工中无法及时检测出废品，对企业产品的质量造成严重影响，最终使企业的效益下降1-2。在零件几何尺寸检测技术方面，国内普遍使用量具检测，量具有：卡尺、直角尺、千分尺和游标卡尺。这类通用量具检测效率低，时间久了精度减低并且测量精度无法保证，很大程度依赖工人技术水平，因此工厂经常使用“轴孔”配作的方法3。然而这样就会使生产小批量件时，花费比较大，给量具管理带来麻烦。若零件形位尺寸精度要求比较高，目前企业采用的方法是激光双频干涉仪。激光双频干涉仪是用激光波长作为已知的长度，用迈克尔逊干涉系统的长度测量工具测量位移，这种方法也通常仅用于抽检或标定。如何在电网施工现场
3、按照合同要求快速高效的抽检生产厂家的塔材，一直是电力部门难以解决的问题。目前他们检测生产厂家的塔材，只是在铁塔的安装现场进行人工抽检，并且检测方法极不规范，许多技术要求的检测都是采用工人观看的方式，零件检测精度很难保证，检测误差不稳定，因此在塔材的安装时，塔材连接时出现问题也很频繁。人工抽检方法的缺点：(1)许多没有被抽检到零件也可能有缺陷，人工抽检法无法保证所有缺陷的零件被发现。(2)此种人工检测方法的检测速度比较慢，塔材安装时，给予检测时间并不多，人工检测多时间内无法完成如此多塔材标准件的尺寸检测。(3)每位检验员对被检零件的尺寸基准可能存在差异，检测的标准不一样，所以产品的质量很难保证。
4、(4)检测精度比较低，受工人主观因素影响大。为了实现施工现场快速高效的检测塔材，针对塔材连接处几何尺寸进行了非接触测量的开发研究，根据国内外检测技术的最新发展，结合本课题，选择适合塔材施工现场检测的测量方案。当今伴随着图像测距与计算机技术迅速发展，图像测距技术在全球得到迅速发展，企业也对此种检测方法产生了浓厚兴趣。我们通过了解塔材的结构件知道，一座中型铁塔的结构件约有800个零件，通过铰连接而成。并且如此多的零件的结构各异，形位尺寸也各不相同。1.2 国内外铁塔型材尺寸检测的研究现状对于塔材等大型零件形位尺寸的检测，在国外通常使用装有激光传感器全自动测量设备，并且定期检查加工设备的精度来给予保
5、证的4。然而在国内这种零件的检测在要求精度不高时大部分是采用通用量具，或者有经验的工作人员用眼观看，这些检测的机械方法检测精度非常有限，它只能测量7、8级精度的零件。在要求精度较高时，通常用经纬仪等检测方法，这些检测方式虽然检测精度高，但他们的缺点也是很明显的，例如仪器的价格比较昂贵、需要比较大的测量空间、只能用于实验室等操作环境，在施工现场使用的机会小，仅仅适用于计量室定标和抽检，并且也无法做到快速高效的检测。若以测量范围对长度测量进行分类，我们可以分为以下三类：(1) 3米之内的测量，发展已经相当成熟，种类多，且测量精度也比较高；(2) 大于200米的测量被称为距离测量，随着激光检测的问世
6、，200米以外尺寸的测量精度已经到；(3) 大尺寸零件的测量指的是3m-200m范围的距离实施高精度的测量5。在国际上，自20世纪70年代来，工业的发展非常迅速，尤其是机械、航空航天、机床、电子和汽车的发展，出现了各种各样的复杂零件，为此迫使检测技术不得不提高，测量机因此应运而生，主要有三坐标测量机，它采用三维测量技术。测量机是最近出现的一种高效新型测量仪器，它在机械制造、航空航天、电子和汽车等工业中应用比较广泛。三坐标测量机可以测量各种各样的尺寸，如零件与部件尺寸、形状位置检测，还有箱体、涡轮、凸轮、形体、齿轮和导轨等空间型面的测量。测量机得特点是测量范围大、测量效率高、精度高、性能好、通用
7、性强、可以与柔性制造系统连接。1.3 课题研究意义及主要内容1.3.1 课题的研究意义进入21世纪后，随着国民经济的不断快速增长和人们生活水平的不断提高，生产和生活用电需求大副增长，电源和电网建设和改造进行如火如荼，对铁塔产品需求加大。铁塔产品对质量的要求比较高，形位尺寸要求准确无误，以保证组塔时现场施工的就位率达到100%，如果施工现场的铁塔产品形位尺寸出现错误，会严重影响施工进度。快速检测设备的研制既对铁塔制造企业提出了更高要求，也会提高电力设施的施工进度。为解决铁塔组装前检测的难题，本文研制了一种用于电力部门检测铁塔标准件的装置，实现了铁塔组装前的快速测量，使铁塔的安装快速而且质量得到保
8、证。1.3.2 课题的主要内容塔材产品种类繁多，且铁塔构件都是采用直角角钢和板料加工的构件。论文针对山东电力部门铁塔的验收技术要求，研制并设计了针对铁塔型材(如图1.1)的形位尺寸进行验收检测的检测设备。针对塔材型材尺寸的特点，分为组孔内的尺寸包括孔间距、孔径和准距，过线尺寸。组孔内的尺寸通常比较小，而组孔间的尺寸比较大。心线和过线是铁塔行业的术语。图1.2所示，孔间距即两孔之间的距离，孔径及孔的直径，过线表示塔件的基线A到第一个孔心的距离空心的距离；心线表示铁塔标准构件的基线B到孔心的距离6。 图1.1 铁塔型材图1.2 过线、心线、孔心距的定义如何在电网施工现场按照合同要求快速高效的抽检生
9、产厂家的塔材，一直是电力部门难以解决的问题。为了实现施工现场快速高效的检测塔材，针对塔材连接处几何尺寸进行非接触测量的开发研究，根据国内外检测技术的最新发展，结合本课题，选择适合塔材施工现场检测的测量方案，主要应用图像采集技术和计算机技术，把被测工件得图像当作检测和传递信息的载体，通过数据采集系统获得图像的尺寸信息。具体研究内容如下：(1) 适于铁塔装配现场的塔材连接处几何尺寸高效检测方法研究；为了保证正确可靠的测量，对什么样的工件选择适于的测量方法。人们在测量实践中总结出了基本原则和特性，即阿贝原则、封闭特性、最小变形原则和最短测量链原则，这些基本原则在选择测量方法时，应根据具体情况侧重选择
10、。(2)分析非接触式塔材几何尺寸检测的基本原理；组成机器视觉技术的功能模块，以及各个功能模块的作用，CCD相机工作原理和用CCD进行实际铁塔塔材尺寸测量的实现。(3)塔材连接处几何尺寸数据处理及软件设计并编写相应程序；用ACCESS数据库及VBA编程，编制出窗体，进行数据显示，并最终实现零件的尺寸是否合格。(4)对测量系统进行案例分析。1.4 本章小结本章首先分析了课题的研究背景，即目前检测以人工检测为主，同时介绍了人工检测的缺点，最后阐明了本课题的研究意义及研究的主要内容。2 测量方法的优化选择2.1 铁塔型材尺寸测量技术要求本课题研究的内容是针对孔距最大测量长度为1200mm的型材尺寸检测
11、，而且要保证测量精度。制孔技术要求，除文件或图纸注明孔的制作方法外，不同材质允许孔的最大厚度应选择合适的加工方法，保证孔的允许偏差。根据输电线路的铁塔通用技术规范，各测量元素的加工允许偏差，表2.1。根据此技术要求和现场测量环境，选择适合的测量方法。序号项目允许偏差图例 1孔直径非镀锌件直径D+0.8 0镀锌件D+0.5-0.23过线0.74心线a多排孔和接头处0.75同组内两孔距离0.7表2.1 制孔允许偏差2.2 测量的相关概念及方法测量是指为了确定被测对象(工件)的数量值，进行实验的过程。也就是说，将被测量的量值和测量单位同类标准量进行对比，所得结果将明确被测量单位的几分之几和几倍地实验
12、过程。基本测量方程为 (2.1)表示测量单位，表示被测量对象的量值，比值表示被测量对象的数值，它和你所选择了的测量单位成反比。被测量值为有名数测量结果。测量单位是用游标卡尺、光学计等，相应的测量器具得出的，即以物质的形式体现。被测对象 我们研究的被测对象是几何量，即以长度、角度、形状、位置、表面粗糙度以及螺纹、齿轮等零件的几何参数。测量单位 我国采用的法定计量单位为是:长度的计量单位为米(m)，角度单位为弧度(rad)和度、分、秒。在机械零件制造中，常用的长度计量单位是毫米(mm)，在几何量精密测量中，常用的长度计量单位是微米()，在超精密测量中，常用的长度计量单位是纳米(nm)。常用的角度计
13、量单位是弧度、微弧度和度、分、秒。测量方法 它是在测量尺寸过程中涉及到测量器具、测量环境条件、测量器具等几项的环节总和，另种说法是标准量和被测量进行比较测量环境条件的总和及各个组成因素的总和。测量精度 即测量结果的准确度也称测量结果的精确度，常以测量误差的表征参数“不确定度”来说明。它能评价测量方法的优劣，在实际测量中，不能片面地追求测量结果的准确度，因为盲目地提高准确度要付出很大的代价，因此应根据被测量准确度的要求，拟定相适应的测量方法，达到经济型与准确度相互一致7。测量方法是指获得测量结果的具体方式，按下面的几种情况进行分类：1. 按实测的量是否为被测几何量进行分类(1)直接测量它是指被测
14、几何量得量值直接可以由计算器具来显示。例如，用千分尺、游标卡尺测量轴颈、孔径的大小。(2)间接测量间接测量是指欲测量的几何量得量值由实现几何量得量值按一定的函数关系运算之后获得的。例如采用“弓高弦长法”间接测量圆弧样板的半径R，只要测得弓高h和弦长b的量值，然后按公式进行计算即可得到R的量值。直接测量比较简单，它的测量精度只和直接测量的测量过程有关，然而间接测量的测量精度不仅和实测几何量的测量精度有关，还和它所依据的计算公式和计算精度有关。我们测量一般采用直接测量，直接测量的精度一般比间接测量的精度高。2. 按示值是否为被测几何量量值进行分类(1)绝对测量绝对测量即是计量器材的示值，也就是被测
15、几何量得量值。例如，用游标卡尺、千分尺测量轴颈的大小。(2)相对测量相对测量即比较测量，是被测几何量相对已知的标准量的偏差，是计量器具的示值，已知标准量与该偏差示值的代数和就等于被测几何量量值。例如，我们用光学比较仪测量轴径，测量时我们先用量块来调整示值零点，该仪器所显示的示值是被测轴颈相对量块的偏差值。并且一般说来，相对测量精度比绝对测量的精度高。3. 按测量时被测表面与计量器具的测头是否接触分类(1) 接触测量测量工件过程中，计量器具的测头与被测表面接触，即测头与工件有测量力的存在。(2) 非接触测量测量工件过程中，计量器具测头和工件的被测表面不接触，即测头与零件没有测量力的存在。对于接触测量，计量器具测头与被测表面的接触会引起弹性变形，即产生测量误差；而非接触测量不会有此误差，易变性的软质表面或薄壁工件多多使用非接触测量。2.3 三坐标测量2.3.1 三坐标测量机的基本组成测量机一般是由主机(包括光栅尺)、电气系统、软件系统及测头所组成，下图2.2所示：控制系统在坐标测量机中也是重要部分，它包括驱动器、电机、控制器、测头、光栅和细分器，主要功能是读取空间坐标值，对测头信号进行实时响应与处理，控制机械系统实现在测量过程中所需要
