阅读说明：本技术 一种异构体径向静平衡调整方法和装置 (isomer radial static balance adjusting method and device ) 是由 惠宏超 李子豪 杨文超 司高潞 于 2019-08-15 设计创作，主要内容包括：一种异构体径向静平衡调整方法和装置,装置由机械部分、图像采集部分和图像处理部分,共三部分组成。机械部分包括待测异构体、两个气浮轴承及其支架、三个大理石台、两个滑动导轨、气爪、中空转台以及被测特征板组成。采集部分由相机、远心镜头和环形光源组成。图像处理部分由计算机、控制程序和图像处理算法组成。本发明基于机器视觉的方法,使用环形光源对特征板进行照明,特征板的图像被相机采集后,通过图像处理算法进行相机标定和图像处理,得到待测异构体的位置,再计算其旋转角度、角速度和角加速度。根据力矩与角加速度的关系,得到待测异构体最大角加速度对应的力矩大小,最后在其配重点处增重,使待测异构体达到径向静平衡。该装置具有非接触、高效、高精度和自动化测量的特点。(A method and a device for adjusting radial static balance of isomers are disclosed, wherein the device comprises a mechanical part, an image acquisition part and an image processing part. The mechanical part comprises an isomer to be measured, two air-floating bearings and a bracket thereof, three marble tables, two sliding guide rails, an air claw, a hollow rotary table and a characteristic plate to be measured. The collecting part consists of a camera, a telecentric lens and an annular light source. The image processing part consists of a computer, a control program and an image processing algorithm. The invention is based on a machine vision method, an annular light source is used for illuminating a characteristic plate, after an image of the characteristic plate is collected by a camera, camera calibration and image processing are carried out through an image processing algorithm, the position of an isomer to be measured is obtained, and then the rotation angle, the angular velocity and the angular acceleration of the isomer to be measured are calculated. And obtaining the torque corresponding to the maximum angular acceleration of the isomer to be measured according to the relationship between the torque and the angular acceleration, and finally increasing the weight at the counterweight point of the isomer to be measured to ensure that the isomer to be measured achieves radial static balance. The device has the characteristics of non-contact, high efficiency, high precision and automatic measurement.)

一种异构体径向静平衡调整方法和装置

技术领域

本发明属于使精密零组件实现径向静平衡调整的方法和装置，特别是一种异构体径向静平衡调整的方法和装置。

背景技术

航空航天惯性导航领域有很多类型的精密组件对其径向平衡有很高的要求，例如平台台体、本体等。由于加工误差、装配及材料特性等因素的影响，导致精密组件在径向的质心与其几何中心不重合，造成组件径向不平衡，严重影响惯性产品的精度和性能。为了减小或抑制这种现象，需要对精密组件径向的不同位置加重，使其达到径向静平衡。本发明的目的旨在通过机器视觉技术检测精密组件每秒内的旋转角度，并多次测量得到其角加速度，通过力矩计算公式计算出配重点的位置和配重质量，最终使得组件达到径向静平衡。

目前，检测异构体的旋转角度仍处于人工肉眼检测，并通过观察其角速度，凭借直觉给配重点加重，效率低，精确程度差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种异构体径向静平衡方法和装置，首先调整两个气浮轴承的同轴度，并将待测异构体与两个气浮轴承连接，在左侧气浮轴承的左端固定被测特征板，特征板随待测异构体一起旋转，通过采集每秒特征板的图像，计算待测异构体的旋转角加速度；通过力矩与角加速度的计算公式，计算出角速度最大时待测异构体的力矩大小；由力矩大小和配重点到几何中心的距离计算得到需要加重的力的大小，最终得到需要加重的质量。该测量方法和装置，在计算待测异构体角加速度的同时，还对相机和镜头进行了标定，实现了待测异构体旋转角加速度的精确测量。该方法可应用于测量任何待测异构体的旋转角度、角速度和角加速度，也可用于使任何待测异构体达到静平衡，具有很高的测量效率、精度和自动化程度。

本发明的技术方案如下：一种异构体径向静平衡调整装置，包括机械单元、图像采集单元和图像处理单元，所述图像采集单元用于对被测物体进行拍摄和图像采集，所述图像处理单元用于对图像采集单元采集到的图像进行图像处理；所述机械单元包括第一气浮轴承、第二气浮轴承、第一大理石台、第二大理石台、大体积大理石台、气爪、中空转台、第一导轨、第二导轨；所述第一气浮轴承、第二气浮轴承分别连接于待测异构体的两端，随待测异构体一起旋转；所述第一大理石台、第二大理石台作为两个底座，分别用于支撑第一气浮轴承、第二气浮轴承；所述第一大理石台、第二大理石台通过下方通过滑台与第一导轨、第二导轨连接，能够在第一导轨、第二导轨上自由滑动，从而水平调整第一气浮轴承、第二气浮轴承的距离；所述气爪用于夹住气浮轴承的右端；所述中空转台用于控制气爪旋转，进而带动气浮轴承一起运动；所述大体积大理石台作为整个装置的底座，保证系统的整体稳定性。

所述的图像采集单元包括相机、远心镜头、被测特征板和环形光源；所述相机、远心镜头和环形光源均固定在支架上，支架通过滑台与第一导轨和第二导轨连接，能够水平调整相机与被测特征板之间的距离；所述的相机与远心镜头连接在一起，所述环形光源置于该连接体和被测特征板的中间，用于对被测特征板进行打光；在实验开始前调整支架与被测特征板之间的相对距离至最佳拍摄位置后，支架和被测特征板之间的相对距离保持不变；所述镜头满足图像边缘畸变最小；所述相机分辨率在千万像素以上，用于采集被测特征板旋转至不同角度的图像。

所述的图像处理单元通过控制器对第一气浮轴承、第二气浮轴承的气路、气爪、中空转台、相机、光源和滑台进行控制，并对相机采集到的图像进行处理。

图像处理流程包括：对图像进行预处理、相机标定、角点检测、亚像素处理以及特征信息计算五个步骤；其中，预处理包括灰度化、高斯滤波和直方图均衡化；相机标定包括采集不同旋转角度的特征板图像，获取相机矩阵和畸变系数、校正图像；角点检测是对被测特征板中的棋盘格角点进行检测；亚像素处理是对检测出的角点做进一步的精确，获取图片中被测特征板棋盘格各个点的精确坐标；特征信息计算是对多张图像中各个角点的亚像素级坐标进行对比计算，获取被测特征板的信息，包括旋转角度、角速度和角加速度。

所述第一气浮轴承、第二气浮轴承的涡流力矩均小于0.005N·m，第一气浮轴承、第二气浮轴承的同轴度均小于5μm；所述第一导轨、第二导轨的平行度均小于2μm；在安装待测异构体前，将第一气浮轴承、第二气浮轴承通过滑轨滑动，紧贴在一起并调节两轴承同轴度达到要求。

所述环形光源采用荧光灯、卤素灯、LED光源或激光光源；光源的亮度通过图像处理单元进行调节，亮度的范围在50至150之间；所述相机为CMOS或CCD相机，像素数大于1千万。

所述被测特征板采用轻薄陶瓷材料，质量小于0.2g；被测特征板上印有黑白相间的棋盘格，每个小格均为正方形，整个被测特征板上棋盘格的行数量在4-19之间，列数量在3-15之间，且行数量大于列数量；棋盘格中小格子的边长在0.5mm到10mm之间。

所述待测异构体左右两侧分别与第一气浮轴承、第二气浮轴承相连，第一气浮轴承左侧固定被测特征板，构成一个连通体；当待测异构体旋转时，第一气浮轴承、第二气浮轴承以及被测特征板随待测异构体共同旋转；当气爪抓取第二气浮轴承时，第二气浮轴承右侧与气爪和中空转台相连，通过控制气爪夹紧第二气浮轴承并控制中空转台，给第二气浮轴承施加一个力矩，使得左侧的连通体旋转至任意位置。

所述待测异构体为任何需要调平的精密零组件结构体；被测特征板固定于第一气浮轴承的左侧端面上，随待测异构体一起旋转；待测异构体和被测特征板的旋转角度和角加速度相等；通过对被测特征板的特征检测，计算待测异构体的角加速度与相应位置的力矩大小，并给相应配重点增重，达到径向静平衡；待测异构体有四个配重点，通过力矩公式，得到配重点的位置和所需加重的质量。

计算待测异构体的角加速度与相应位置的力矩大小，并给相应配重点增重的具体过程如下：

1)获取每秒被测特征板上的角点坐标(x_0t,y_0t)(x_1t,y_1t)(x_2t,y_2t)(x_3t,y_3t)(x_4t,y_4t)(x_5t,y_5t)；

2)计算得到每秒特征板的旋转角度β_t；

3)计算得到每秒内特征板的平均旋转角速度w_t；

4)计算得到每秒内特征板的平均旋转角加速度；

5)找到速度最大的时刻以及此时刻对应的位置，将其反方向旋转90度，用同样的方法测量此时的旋转角加速度，已知待测异构体的转动惯量J，计算得到要想让待测异构体平衡施加给待测异构体的旋转力矩大小M；

6)加重的位置，即加速度最大位置最近的加重点，计算该加重点与待测异构体重心距离L，加重量大小即为m＝F/g，g为重力加速度，F＝MLcosθ，θ为加速度最大位置对应位置和与其最近加重点间的夹角。

一种异构体径向静平衡调整方法，步骤如下：

1)调整第一气浮轴承和第二气浮轴承同轴度小于5微米；

2)搭建好装置，初始化参数；

3)对相机、镜头进行标定，使用标定得到的参数校正图像；

4)每隔t秒，采集一次被测特征板的图像；

5)计算出每5t秒内的平均角加速度；

6)找到角加速度最大的位置；

7)计算出力矩大小和相应加重点的加重量；

8)给配重点加重；

9)循环步骤4)到步骤8)的步骤直到待测异构体达到平衡，即静止或匀速转动。

本发明的优点在于：

目前，检测待测异构体的旋转角度仍处于人工肉眼检测，通过观察其旋转角速度，凭借直觉给配重点加重，效率低，精确程度差。本发明采用机器视觉的方法，首先使用大口径环形光源对特征板进行打光，再通过相机对特征板图像进行实时采集，然后将图像传输给计算机进行图像处理和计算得到加重的位置和质量大小。采用此方法代替了人工直觉增加配重量，具有非接触、高效、高精度和自动化测量等特点。此方法将数字图像处理的方法应用到工业检测中，具有很强的泛化能力，不仅可以应用于使异构体达到径向静平衡，还可以应用于检测任何异构体的位置、角度、角速度和角加速度。

附图说明

图1是本发明的异构体径向静平衡装置结构示意图。

图2是被测特征板示意图。

图3是总体流程图。

图4是标定流程图。

图5是图像处理流程图。

图6是计算对应配重点位置和配重量流程图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。请参阅图1，图1是本发明一种异构体径向静平衡调整装置结构示意图，从图1可以看出，本发明异构体径向静平衡调整装置的构成包括机械单元、图像采集单元和图像处理单元12。

所述的机械单元包括：第一气浮轴承2、第二气浮轴承3、第一大理石台4、第二大理石台5、大体积大理石台15、气爪6、中空转台7、第一导轨16、第二导轨17；所述待测异构体1为待平衡的被测物体；所述第一气浮轴承2、第二气浮轴承3分别连接于待测异构体1的两端，随待测异构体1一起旋转；所述第一大理石台4、第二大理石台5作为两个底座，分别用于支撑第一气浮轴承2、第二气浮轴承3；所述的第一大理石台4、第二大理石台5通过下方通过滑台与第一导轨16、第二导轨17连接，可以在第一导轨16、第二导轨17上自由滑动，从而水平调整第一气浮轴承2、第二气浮轴承3的距离；所述气爪6用于夹住气浮轴承3的右端；所述中空转台7用于控制气爪6旋转，带动气浮轴承3一起运动；所述大体积大理石台15作为整个装置的底座，保证系统的整体稳定性；

所述的图像采集单元包括相机8、远心镜头9、被测特征板10和环形光源11；所述相机8、远心镜头9和环形光源11均固定在支架上，支架通过滑台与第一导轨16和第二导轨17连接，可以水平调整相机8与被测特征板10之间的距离。所述的相机8与远心镜头9连接在一起，所述环形光源11置于该连接体和被测特征板10的中间，用于对被测特征板10进行打光。在实验开始前调整支架与被测特征板10之间的相对距离至最佳拍摄位置后，支架和被测特征板10之间的相对距离保持不变。所述镜头9的放置位置满足图像边缘畸变最小；所述的相机10具有高分辨率(1千万像素以上)，用于采集被测特征板10旋转至不同角度的图像；

所述的图像处理单元12通过控制器(简化为2个控制器13和14，实际中有更多控制器)对第一气浮轴承2、第二气浮轴承3的气路、气爪6、中空转台7、相机8、光源11和滑台进行控制，并对相机8采集到的图像进行处理；

图像处理流程包括：对图像进行预处理、相机标定、角点检测、亚像素处理以及特征信息计算五个步骤；其中，预处理包括灰度化、高斯滤波和直方图均衡化；相机标定包括采集不同旋转角度的特征板图像，获取相机矩阵和畸变系数、校正图像；角点检测是对被测特征板10中的棋盘格角点进行检测；亚像素处理是对检测出的角点做进一步的精确，获取图片中被测特征板10棋盘格各个点的精确坐标；特征信息计算是对多张图像中各个角点的亚像素级坐标进行对比计算，获取被测特征板的信息(旋转角度、角速度和角加速度)。

所述第一气浮轴承2、第二气浮轴承3的涡流力矩均小于0.005N·m，第一气浮轴承2、第二气浮轴承3的同轴度均小于5μm；所述第一导轨16、第二导轨17的平行度均小于2μm。在安装待测异构体1前，将第一气浮轴承2、第二气浮轴承3通过滑轨滑动，紧贴在一起并调节两轴承同轴度达到要求。

所述环形光源11采用环形LED光源；光源的亮度通过图像处理单元12进行调节，亮度的设置为100；所述相机8为CMOS相机，相机分辨率为4096×3000。

所述被测特征板10采用轻薄陶瓷材料，陶瓷材料制作的特征板不反光，精度可达到0.001mm；被测特征板10质量小于0.2g，不会给待测异构体带来有害力矩。被测特征板10上印有黑白相间的棋盘格，每个小格均为正方形，整个被测特征板10上棋盘格的行数量在4-19之间，列数量在3-15之间，且行数量与列数量不相等；棋盘格中小格子的边长在0.5mm到10mm之间。

黑白棋盘格有两个作用：

1)用于标定整个相机系统；

2)通过棋盘格不同时刻的角点位置变化，计算得到被测标定板的旋转角度。

当采用行和列数量较多小格组成的特征板时，计算量大，精度更高。小格子的边长由实际相机视野大小决定。

所述待测异构体1左右两侧分别与第一气浮轴承2、第二气浮轴承3相连，第一气浮轴承2左侧固定被测特征板10，构成一个连通体。当待测异构体1旋转时，第一气浮轴承2、第二气浮轴承3以及被测特征板10随待测异构体1共同旋转；当气爪6抓取第二气浮轴承3时，第二气浮轴承3右侧与气爪6和中空转台7相连，通过控制气爪6夹紧第二气浮轴承3，并控制中空转台7，给第二气浮轴承3施加一个力矩，使得左侧的连通体旋转至任意位置。

所述待测异构体1可以是任何需要调平的精密零组件结构体。被测特征板10固定于第一气浮轴承2的左侧端面上，随待测异构体1一起旋转。待测异构体1的转动角加速度无法直接测量，在待测异构体上也不可以加入任何标记，气浮轴承可以保证其轴和待测异构体一起转动，从而保证待测异构体1和被测特征板10的旋转角度、角速度和角加速度相等，因此在不影响待测异构体转动角速度的同时，还可以在被测特征板10上加入一些标记来测量待测异构体的角度并进一步计算其角加速度。通过对被测特征板10的特征检测，计算待测异构体1的角加速度与相应位置的力矩大小，并给相应配重点增重，达到径向静平衡；待测异构体1有四个配重点，通过力矩平衡，得到配重点的位置和所需加重的质量。

计算待测异构体1的角加速度与相应位置的力矩大小，并给相应配重点增重的具体过程如下：

1)获取每秒被测特征板上的角点坐标(x_0t,y_0t)(x_1t,y_1t)(x_2t,y_2t)(x_3t,y_3t)(x_4t,y_4t)(x_5t,y_5t)；

2)计算得到每秒特征板的旋转角度β_t；

3)计算得到每秒内特征板的平均旋转角速度w_t；

4)计算得到每秒内特征板的平均旋转角加速度α₀₁,α₁₂…；

5)找到速度最大的时刻以及此时刻对应的位置，将其反方向旋转90度，用同样的方法测量此时的旋转角加速度，已知待测异构体的转动惯量J，通过公式M＝Jα计算得到要想让待测异构体平衡施加给待测异构体的旋转力矩大小M；

6)加重的位置即以上加速度最大位置相对位置最近的加重点，计算该加重点与待测异构体重心距离L，通过公式F＝MLcosθ，θ为加速度最大位置对应位置和与其最近加重点间的夹角。加重量大小即为m＝F/g(g为重力加速度)。

一种异构体径向静平衡调整方法，步骤如下：

1)根据权利要求书6所述，调整气浮轴承同轴度小于5微米；

2)搭建好装置，初始化参数；

3)对相机、镜头进行标定；

4)每隔t秒，采集一次被测特征板的图像；

5)计算出每5t秒内的平均角加速度；

6)找到角加速度最大的位置；

7)计算出力矩大小和相应加重点的加重量；

8)给配重点加重；

9)循环4)到8)的步骤直到待测异构体达到平衡(静止或匀速转动)

实例部分：

如图3总流程图所示，在测量开始前，要调整两个气浮轴承的同轴度，使用滑动导轨16和17将两个气浮轴承靠近，保证两个气浮轴承的同轴度＜5微米；同轴度调整完后，将两个气浮轴承分离，并分别与待测异构体1两端连接；在计算机12中启动测量程序软件，初始化参数后，控制中空转台7和气爪6，将待测异构体1转动到15个不同的随机位置，相机8获取特征板的15张图像后进行处理，得到相机矩阵和畸变系数，以此对相机8和镜头9的组合进行标定，标定方法采用单/双目视觉系统中的张氏标定法。

如图2特征板图所示，图2为被测特征板10上印的图案特征。图案特征为一个4×3的黑白棋盘格。黑白棋盘格的尺寸必须是长宽不等的数值，其值越大，精度越高。这里只以简单的情况进行举例。通过角点检测算法可以找到其两黑两白之间的6个间隙点。图中的角点检测和亚像素处理后的精确结果记录为(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6)。

如图4标定流程图所示，对所述相机8和镜头9进行标定，标定的目的是矫正由于相机内外因引起的图像畸变，由于可以将三维的空间坐标系坐标转换到相机坐标系下，因此，即使相机中心轴与特征板平面不垂直(实际很难做到完全垂直)，并不影响标定和实际测量结果。对采集的图像分别进行图像增强、高斯滤波、灰度化、角点检测、亚像素级处理，获取其相机矩阵、畸变系数、旋转向量和平移向量。使用这些参数对之后的图像进行校正。

标定结束后，将所述的待测异构体调整到初始位置，使用计算机12控制相机8采集特征板图像，以此图像为初始图像。

由于所述待测异构体1重心与几何重心不重合，不能达到平衡，待测异构体会出现自动向重的一侧缓慢旋转的特性。为计算其实际角加速度，需获取从初始位置开始每一秒的位置。总时间长度可以视情况而定。这里以计算1分钟之内每五秒的待测异构体1的旋转角加速度为例进行说明。

如图5图像处理流程图所示，要获取每一秒的角点坐标，首先采集当前时刻的特征板图像，进行图像增强、滤波处理和灰度处理，然后进行角点检测和亚像素处理从而获得每个角点的坐标。待测异构体1初始位置(t＝0)特征板的角点坐标记录为(x10,y10),(x20,y20),(x30,y30),(x40,y40),(x50,y50),(x60,y60)。当t＝1s时，角点坐标记录为(x11,y11),(x21,y21),(x31,y31),(x41,y41),(x51,y51),(x61,y61)。当t＝2s时，角点坐标记录为(x12,y12),(x22,y22),(x32,y32),(x42,y42),(x52,y52),(x62,y62)。当t＝3s时，角点坐标记录为(x13,y13),(x23,y23),(x33,y33),(x43,y43),(x53,y53),(x63,y63)。当t＝4s时，角点坐标记录为(x14,y14),(x24,y24),(x34,y34),(x44,y44),(x54,y54),(x64,y64)。当t＝5s时，角点坐标记录为(x15,y15),(x25,y25),(x35,y35),(x45,y45),(x55,y55),(x65,y65)。

如图6计算对应配重点位置和配重量流程图所示，通过计算机12和每秒的角点坐标，得到每秒的旋转角度。初始的角度即为β0。当t＝1s时，角度记录为β1。当t＝2s时，角度记录为β2。当t＝3s时，角度记录为β3。当t＝4s时，角度记录为β4。当t＝5s时，角度记录为β5。某位置的角度计算方法有很多，本例中通过计算六个点所在矩形的两条长边每两个点连接所得直线与中心点水平方向所成角度求和取平均得到。

通过计算机12和每秒间的旋转角度位置差计算得到每秒的平均角速度。当t＝0-1s时，角速度记录为w0。当t＝1-2s时，角速度记录为w1。当t＝2-3s时，角速度记录为w2。当t＝3-4s时，角速度记录为w3。

通过计算机12和每秒的平均旋转角速度，计算可得到每秒的平均旋转角加速度α0,α1,α2。

通过取角加速度的平均值，得到前五秒内的待测异构体的角加速度，记为α_0-5。

通过计算机12和计算出的角加速度，每五秒记录一次五秒内的平均角加速度。

在这里可以计算任意时间内的平均角加速度，可以将相机8设置为摄像模式实时计算每一帧的位置、角度、角速度和几帧内的平均角加速度。这种方法可以更精确地测量待测异构体的旋转角加速度。

所述的计算机12通过计算出的五秒内平均角加速度α_0-5，α_5-10，α_10-15等，找到角加速度最大的时刻以及此时刻对应的位置，将其反方向旋转90度，用同样的方法测量此时的旋转角加速度，已知待测异构体的转动惯量J，通过公式M＝Jα计算得到要想让待测异构体平衡施加给待测异构体的旋转力矩大小M。需要加重的位置即以上加速度最大位置相对位置最近的加重点，计算该加重点与待测异构体重心距离L，通过公式F＝MLcosθ，θ为加速度最大位置对应位置和与其最近加重点间的夹角。需要加的重量大小即为m＝F/g(g为重力加速度)。

所述的中空转台7和气爪6通过接口与计算机12相连，通过计算机12中的相关软件控制中空转台施加给待测异构体相应力矩，使待测异构体可以转到任何位置，以上步骤中的反方向旋转90度是通过计算机12控制中空转台完成的。

所述的待测异构体1有四个配重点，用于加重来使得待测异构体达到静平衡状态。通过以上步骤可以找到配重的位置，从而找到距离该位置最近的配重点进行加重。

重复以上步骤，最终使得待测异构体达到静平衡步骤，即静止或匀速旋转。

综上所述，本发明装置根据对被测特征板的特征提取，能够对待测异构体的位置、角度、角速度以及角加速度进行精确测量，并最终计算出使待测异构体平衡所要加重的配重点和配重量大小。具有测量精度高、自动化、方面快捷等优点。测量角度精度优于0.01°，应用该方法和装置，能够实现各种待测异构体的角加速度精确测量，并通过给配重点增重使得待测异构体达到静平衡状态。