CN109682703A - 一种真空导电环磨屑成像监控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空导电环磨屑成像监控装置，包括真空腔和底座，真空腔固定在底座上，真空腔内部的底座上安装有带有齿轮的步进电机以及传动齿轮，真空腔的顶部以及内侧面上成环状分布有相机，真空腔的上盖中心处安装LED灯；步进电机的齿轮与传动齿轮相啮合带动传动齿轮旋转，传动齿轮上安装导电环，在试验开始后，首先提取亮度标准块位置的图像亮度，然后对图像亮度进行校正，这时真空腔内部没有磨屑，将这两幅图像作为参考图像使用，在步进电机开始旋转后，相机成像，每次成像得到的图像根据标准块的亮度校正，差图像用于检测磨屑在图像中的位置，得到两台相机的空间位姿关系和视场重叠区域，将磨屑数量投影到导电环表面得到磨屑的分布。
Description
技术领域
本发明涉及到一种磨屑成像装置，特别涉及一种真空导电环磨屑成像监控装置。
背景技术
导电环广泛用于产业部门，多数是在各种苛刻条件下运行的。由于导电环传输功率产生的电场以及电刷与环片摩擦等因素，有可能导致导电环磨屑带电。因此对导电环磨屑情况进行监控对于深入识别产品特性、保证导电环的安全可靠工作有重要的意义。
研究表明，滑环电刷与导电环相对滑动产生的磨屑，其成因复杂，影响因素较多，材料成分、接触压力、粗糙度、转速、电流和接触形式等因素的改变，均可能导致不同的磨损特征。因此，要获得某滑环的真实磨屑特征，最可信的方法还是针对产品实物，模拟其实际工况来开展相关试验，并基于实验结果开展可靠性评估和改进工作。为了全面分析磨屑的形态、分布和运动，较好较灵活的方式就是视觉。
视觉成像设备是真空导电环磨屑成像监控的关键装置。在真空导电环正常工作或者发生电火花放电现象的放工工作模式中，使用相机视觉成像对花环内部的磨屑的产生、运动和分布进行监控。
由于真空导电环磨屑成像监控装置工作在微重力、电磁场以及真空环境中，且***需要长时间运行，需要使用真空腔对整个监控***进行试验，保证***在真空、较高温度环境下稳定长时间运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种真空导电环磨屑成像监控装置，具有可以监视磨屑的生成、运动和分布过程的优点，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种真空导电环磨屑成像监控装置，包括真空腔和底座，真空腔固定在底座上，真空腔内部的底座上安装有带有齿轮的步进电机以及传动齿轮，真空腔的顶部以及内侧面上成环状分布有相机，真空腔的上盖中心处安装LED灯；步进电机的齿轮与传动齿轮相啮合带动传动齿轮旋转，传动齿轮上安装导电环，导电环与安装在真空腔内壁上的电刷相对滑动。
进一步地，电刷坐标的建立，以电刷的基座中心高35mm处为原点，电刷横杆的方向为x轴，垂直横杆为y轴，垂直向上为z轴，建立电刷坐标系Ed，坐标系Ed中xoy平面作为成像基准面，景深正负10mm。
进一步地，Ed坐标系中顶部和侧壁的相机，四个为一组分为两组主份和备份相机，1组主份相机或1组备份相机视场拼接就能够完整覆盖整个目标区域，同一平面的主份和备份相机呈45度夹角，侧壁的相机用于监测顶端相机观测不到的真空腔上部空间。
进一步地，底座上的电路板上锡焊有主控及数据处理模块、监控模块、电源模块、短路保护模块、恒流源模块、控制器模块、步进电机驱动器模块和LED光源驱动器模块；
所述的主控及数据处理模块采用1553B接口，通过以太网与外部通讯，将图像数据和传感器数据输出到外部，接受外部参数、设定，通过USB端口接收来自相机图像数据、状态监控数据，与控制器模块通讯，设定、配置电机及光源状态；
所述的监控模块用于监测主控及数据处理模块的运行状态，当出现异常时，重启主控模块，确保***连续工作；
所述的电源模块用于向主控及数据处理模块、控制器模块和导电环供电，导电环供电采用两个独立工作的电流源，模拟大电流状态，两电流源间存在96V以上电压，模拟高压状态；
所述的短路保护模块分别检测放电导致的真空腔内电磁场变化和导电环保护电路的状态；
所述的恒流源模块使用N通道恒流源控制器LM3249构成恒流源，每个导电环用一个恒流源供电，在导电环上接上导电环电压，96V或0V，因为导电环电压和恒流源的输入电压是隔离的，可以在两个导电环之间形成96V的电压差，并且不影响导电环上通过4A电流，LM3249用RT和CT形成开关模式，在A点和B点之间形成很小的电压差，用电阻RSNS两端的电压构成反馈，使导电环的平均电流为4A；
所述的控制器模块由FPGA和接口电路组成，用于接收主控及数据处理模块通过串口发来的数据，经过解析后产生步进电机的控制信号，经过步进电机驱动器模块调整步进电机的旋转方向和转速，另外经过解析相机和光源控制指令，控制相机和LED灯之间的同步；
所述的步进电机驱动器模块和LED光源驱动器模块用于驱动步进电机运动和点亮LED灯光源。
进一步地，真空腔靠近步进电机位置上板面安装有温度传感器、电磁场传感器、真空度传感器，利用图像进行导电环转速测量，在导电环上喷涂标记，在一段时间内连续拍摄图像，根据图像分析，测量标记旋转速度，从而得到导电环转速，用于在轨监测导电环旋转运动状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本真空导电环磨屑成像监控装置，在试验开始后，首先提取亮度标准块位置的图像亮度，然后对图像亮度进行校正，这时真空腔内部没有磨屑，将这两幅图像作为参考图像使用，在步进电机开始旋转后，控制相机成像，每次成像得到的图像根据标准块的亮度校正，将差图像用于检测磨屑在图像中的位置，在相机安装后，标定相机，得到两台相机的空间位姿关系和视场重叠区域，根据这些信息消除图像中重复的磨屑，将磨屑数量投影到导电环表面得到磨屑的分布。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2是本发明的***电气结构图；
图3是本发明的顶端相机安装正视示意图；
图4为本发明的顶端相机安装俯视示意图；
图5为本发明的相机安装侧视示意图；
图6为本发明的LED灯控制电路示意图；
图7为本发明的相机成像***连接示意图；
图8为本发明的电气***的供电图；
图9为本发明的恒流源原理图；
图10为本发明的步进电机驱动器模块和LED光源驱动器模块结构图；
图11为本发明的磨屑成像及压缩实验图。
图中：1、真空腔；11、步进电机；12、传动齿轮；121、导电环；13、相机；14、LED灯；15、电刷；2、底座；21、主控及数据处理模块；22、监控模块；23、电源模块；24、短路保护模块；25、恒流源模块；26、控制器模块；27、步进电机驱动器模块；28、LED光源驱动器模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚；完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、6、7和8，一种真空导电环磨屑成像监控装置，包括真空腔1和底座2，真空腔1固定在底座2上，真空腔1内部的底座2上安装有带有齿轮的步进电机11以及传动齿轮12，真空腔1的顶部以及内侧面上成环状分布有相机13，真空腔1的上盖中心处安装LED灯14，使用两个LED灯14放置在真空腔1内部，紧贴上盖安装，接触面填充导热硅脂，两个LED灯14光源独立驱动，冗余备份，光源亮度可调，确保在2um曝光时间内可对目标清晰成像，光源电路中，包含两个独立回路光源，外扣散射透光罩，构成整体散射光源，实现对罐内空间的均匀照明；步进电机11的齿轮与传动齿轮12相啮合带动传动齿轮12旋转，传动齿轮12上安装导电环121，导电环121与安装在真空腔1内壁上的电刷15相对滑动。
真空腔1靠近步进电机11位置上板面安装有温度传感器、电磁场传感器、真空度传感器，利用图像进行导电环121转速测量，在导电环121上喷涂标记，在一段时间内连续拍摄图像，根据图像分析，测量标记旋转速度，从而得到导电环121转速，用于在轨监测导电环121旋转运动状态，4个图像采集进程对应4个相机13，同时进行图像采集，采集速度15Hz，其他传感器采集速度设定为图像采集速度的2倍即30Hz，并行采集，集到的数据信息分为“单帧数据”及“数据序列”两种基本格式，“单帧数据”定义为4个图像传感器一次采集到的4张图像以及对应的传感器的数据，“数据序列”以1秒为基本单位，定义为1秒钟内连续采集的15个单帧数据，根据带宽，可选用有压缩及无压缩两种形式。
请参阅图2，底座2上的电路板上锡焊有主控及数据处理模块21、监控模块22、电源模块23、短路保护模块24、恒流源模块25、控制器模块26、步进电机驱动器模块27和LED光源驱动器模块28。
主控及数据处理模块21采用1553B接口，通过以太网与外部通讯，将图像数据和传感器数据输出到外部，接受外部参数、设定，通过USB端口接收来自相机13图像数据、状态监控数据，与控制器模块26通讯，设定、配置电机及光源状态；
监控模块22用于监测主控及数据处理模块21的运行状态，当出现异常时，重启主控模块，确保***连续工作；
电源模块23用于向主控及数据处理模块21、控制器模块26和导电环121供电，导电环121供电采用两个独立工作的电流源，模拟大电流状态，两电流源间存在96V以上电压，模拟高压状态；
短路保护模块24分别检测放电导致的真空腔1内电磁场变化和导电环保护电路的状态。
请参阅图9，恒流源模块25使用N通道恒流源控制器LM3249构成恒流源，每个导电环121用一个恒流源供电，在导电环121上接上导电环电压，96V或0V，因为导电环电压和恒流源的输入电压是隔离的，可以在两个导电环121之间形成96V的电压差，并且不影响导电环121上通过4A电流，LM3249用RT和CT形成开关模式，在A点和B点之间形成很小的电压差，用电阻RSNS两端的电压构成反馈，使导电环121的平均电流为4A
请参阅图10，控制器模块26由FPGA和接口电路组成，用于接收主控及数据处理模块21通过串口发来的数据，经过解析后产生步进电机11的控制信号，经过步进电机驱动器模块27调整步进电机11的旋转方向和转速，另外经过解析相机13和光源控制指令，控制相机13和LED灯14之间的同步；步进电机驱动器模块27和LED光源驱动器模块28用于驱动步进电机11运动和点亮LED灯14光源。
电刷15坐标的建立，以电刷15的基座中心高35mm处为原点，电刷15横杆的方向为x轴，垂直横杆为y轴，垂直向上为z轴，建立电刷坐标系Ed，坐标系Ed中xoy平面作为成像基准面，景深正负10mm。
请参阅图3，Ed坐标系中顶部和侧壁的相机13，四个为一组分为两组主份和备份相机13，1组主份相机13或1组备份相机13视场拼接就能够完整覆盖整个目标区域，同一平面的主份和备份相机13呈45度夹角，侧壁的相机13用于监测顶端相机13观测不到的真空腔1上部空间，相机13向导电环中心旋转45度，成像锥形视野，其中虚线表示壁上相机13视野，两者融合可完整覆盖整个空间，每个锥形有三条底边，依次代表30，40，50um/pix的分辨率，目标区域中，分辨率均超过50um/pix，近端电刷15分辨率接近30um/pix，满足场景监测及电刷高分辨观测的需要。
请参阅图4，120mm物距上相机实际景深接近90-160，可覆盖真空腔1内高度在45mm以下的区域，可有效覆盖电刷15区域内正负10mm的空间。
请参阅图5，每个锥形有三条底边，依次代表30，40，50um/pix的分辨率，目标区域中，分辨率均超过50um/pix，近端电刷15分辨率接近30um/pix。满足场景监测及电刷高分辨观测的需要，通过倾斜安装，既能够清晰观测电刷15侧面，也使得实际物距从80mm延长到120mm左右，有效景深加大到50mm以上，提高了对焦的冗余量，能一定程度上弥补发射震动可能导致的对焦偏移。
工作过程：在试验开始后，首先提取亮度标准块位置的图像亮度，然后对图像亮度进行校正，这时真空腔1内部没有磨屑，将这两幅图像作为参考图像使用，在步进电机11开始旋转后，控制相机13成像，每次成像得到的图像根据标准块的亮度校正，将差图像用于检测磨屑在图像中的位置，在相机13安装后，标定相机13，得到两台相机13的空间位姿关系和视场重叠区域，根据这些信息消除图像中重复的磨屑，将磨屑数量投影到导电环121表面得到磨屑的分布。
正常工作模式：步进电机11带动导电环121转动，控制照明、成像等试验装置对导电环121内部的磨屑的产生、运动和分布进行监控，同时读取相关的传感器信息；
放电工作模式：导电环121机构内部如发生电火花放电现象，导电环121可能形成短路，并产生较大的电流冲击；
放电后导电环121正常工作模式：在放电后，如导电环121未出现短路，整个试验装置恢复到正常工作模式；
放电后导电环121短路工作模式：在放电后，如导电环121短路，保证在导电环121无电流情况下高电平环仍保持高电平，低电平环仍保持低电平，传感器继续工作。
请参阅图11，在主控及数据处理模块21加载参数完成后，将***的工作模式设置为“正常工作模式”，该模式用于监视磨屑的生成、运动和分布过程，通过指令控制导电环121、步进电机11以某个方向和转速旋转，由于磨屑产生是从无到有，逐渐增加的过程，而且磨屑的尺寸较小，只有50um—100um，使用相机13对真空腔1内部空间拍摄，经过图像处理检测磨屑的数量及其在真空腔1内部的分布。相机13拍摄的图像经过压缩后保存在的主控及数据处理模块21固态硬盘中，压缩算法在经地面测试，确保能可靠辨识50um图像细节，随着试验时间的增加，相机13的成像时间间隔组逐步减小，在图像采集、处理和分析过程中，使用模拟量传感器以较低频率采集真空腔1内部的电磁信号，在正常工作模式下，导电环121未发生短路，没有放电现象，电磁传感器采集的信号是噪声信号，经过滑动平均滤波后保存到固态硬盘中，同时计算噪声信号的统计特征。
实施例一：
表1为主控模块与控制器之间的通信协议
综上所述，本真空导电环磨屑成像监控装置，在试验开始后，首先提取亮度标准块位置的图像亮度，然后对图像亮度进行校正，这时真空腔1内部没有磨屑，将这两幅图像作为参考图像使用，在步进电机11开始旋转后，控制相机13成像，每次成像得到的图像根据标准块的亮度校正，将差图像用于检测磨屑在图像中的位置，在相机13安装后，标定相机13，得到两台相机13的空间位姿关系和视场重叠区域，根据这些信息消除图像中重复的磨屑，将磨屑数量投影到导电环121表面得到磨屑的分布。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种真空导电环磨屑成像监控装置，包括真空腔(1)和底座(2)，其特征在于，真空腔(1)固定在底座(2)上，真空腔(1)内部的底座(2)上安装有带有齿轮的步进电机(11)以及传动齿轮(12)，真空腔(1)的顶部以及内侧面上成环状分布有相机(13)，真空腔(1)的上盖中心处安装LED灯(14)；步进电机(11)的齿轮与传动齿轮(12)相啮合带动传动齿轮(12)旋转，传动齿轮(12)上安装导电环(121)，导电环(121)与安装在真空腔(1)内壁上的电刷(15)相对滑动。
2.根据权利要求1所述的一种真空导电环磨屑成像监控装置，其特征在于：电刷(15)坐标的建立，以电刷(15)的基座中心高35mm处为原点，电刷(15)横杆的方向为x轴，垂直横杆为y轴，垂直向上为z轴，建立电刷坐标系Ed，坐标系Ed中xoy平面作为成像基准面，景深正负10mm。
3.根据权利要求1所述的一种真空导电环磨屑成像监控装置，其特征在于：Ed坐标系中顶部和侧壁的相机(13)，四个为一组分为两组主份和备份相机(13)，1组主份相机(13)或1组备份相机(13)视场拼接就能够完整覆盖整个目标区域，同一平面的主份和备份相机(13)呈45度夹角，侧壁的相机(13)用于监测顶端相机(13)观测不到的真空腔(1)上部空间。
4.根据权利要求1所述的一种真空导电环磨屑成像监控装置，其特征在于：底座(2)上的电路板上锡焊有主控及数据处理模块(21)、监控模块(22)、电源模块(23)、短路保护模块(24)、恒流源模块(25)、控制器模块(26)、步进电机驱动器模块(27)和LED光源驱动器模块(28)；
所述的主控及数据处理模块(21)采用1553B接口，通过以太网与外部通讯，将图像数据和传感器数据输出到外部，接受外部参数、设定，通过USB端口接收来自相机(13)图像数据、状态监控数据，与控制器模块(26)通讯，设定、配置电机及光源状态；
所述的监控模块(22)用于监测主控及数据处理模块(21)的运行状态，当出现异常时，重启主控模块，确保***连续工作；
所述的电源模块(23)用于向主控及数据处理模块(21)、控制器模块(26)和导电环(121)供电，导电环(121)供电采用两个独立工作的电流源，模拟大电流状态，两电流源间存在96V以上电压，模拟高压状态；
所述的短路保护模块(24)分别检测放电导致的真空腔(1)内电磁场变化和导电环保护电路的状态；
所述的恒流源模块(25)使用N通道恒流源控制器LM3249构成恒流源，每个导电环(121)用一个恒流源供电，在导电环(121)上接上导电环电压，96V或0V，因为导电环电压和恒流源的输入电压是隔离的，可以在两个导电环(121)之间形成96V的电压差，并且不影响导电环(121)上通过4A电流，LM3249用RT和CT形成开关模式，在A点和B点之间形成很小的电压差，用电阻RSNS两端的电压构成反馈，使导电环(121)的平均电流为4A；
所述的控制器模块(26)由FPGA和接口电路组成，用于接收主控及数据处理模块(21)通过串口发来的数据，经过解析后产生步进电机(11)的控制信号，经过步进电机驱动器模块(27)调整步进电机(11)的旋转方向和转速，另外经过解析相机(13)和光源控制指令，控制相机(13)和LED灯(14)之间的同步；
所述的步进电机驱动器模块(27)和LED光源驱动器模块(28)用于驱动步进电机(11)运动和点亮LED灯(14)光源。
5.根据权利要求1所述的一种真空导电环磨屑成像监控装置，其特征在于：真空腔(1)靠近步进电机(11)位置上板面安装有温度传感器、电磁场传感器、真空度传感器，利用图像进行导电环(121)转速测量，在导电环(121)上喷涂标记，在一段时间内连续拍摄图像，根据图像分析，测量标记旋转速度，从而得到导电环(121)转速，用于在轨监测导电环(121)旋转运动状态。
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