摘 要：随着重型工业的不断发展，为了保证产品质量，精密计量与测试技术在大、中型工件形位误差检测领域的应用已经成为迫切需要解决的问题。本文针对轧钢机辊轴平行度检测课题展开讨论。论文以轧钢机工作辊平行度检测为模型，进行辊轴平行度检测系统的整体设计与研究。
关键词：平行度；检测；CCD
1辊轴平行度检测系统简介
随着重型工业的不断发展，为了保证产品质量，使得精密计量与测试技术在大、中型工件形位误差的检测领域的应用已经成为迫切需要解决的问题。诸如大型盘类零件、轴类零件（如轧钢设备中的轧辊）的加工过程中，都要涉及车刀与工件的接触点距离圆心的长度变化情况。对于轴类零件其圆柱面上沿一直线距离轴线的长度变化称为平行度。以往此类测量工作由工人用游标卡尺和大型卡钳进行动态测量。对于像轧钢机轧辊，因其直径较大，长度较长，阶梯变化多，用原来的方法测量其平行度尤为不易。
图像传感器用于尺寸测量的技术是非常有效的非接触测量检测技术，被广泛地应用于各种加工件的在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。由于线阵CCD图像传感器具有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其自扫描等特性，因而，由线阵CCD、光学成像系统、计算机数据采集和处理系统构成的一维尺寸测量仪器，具有测量精度高、速度快、应用方便灵活等特点，是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器所无法比拟的。这种测量方法往往无需配置复杂的机械运动机构，从而减少了产生误差的来源，使测量更准确、更方便。
步进电动机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移。近十几年来，数字技术和电子计算机的迅速发展为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。目前，我国已较多地将步进电动机用于机械加工的数字程序控制机床中（即数控机床）；在绘图机、轧钢机的自动控制，自动记录仪表和数模变换等方面也得到很多应用。
EDA技术是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合(布局布线)，以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。用HDL对数字电子系统进行抽象的行为与功能描述到具体的内部线路结构描述，从而可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证，保证设计过程的正确性。可以大大降低设计成本，缩短设计周期。
2 国内外研究现状
自CCD于1970年在贝尔实验室诞生以来，CCD技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展，CCD传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄，并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。
随着半导体材料与技术的发展，特别是超大规模集成电路技术的不断进步，CCD图像传感器的性能也在迅速提高，将CCD技术、计算机图像处理技术与传统测量方法相结合，能获取被测对象的更多信息，实现快速、准确的无接触测量，显著提高测量技术水平和智能化水平，因此，CCD技术必将以其突出的优点而在工业测控、机器视觉、多媒体技术、虚拟现实技术及其他许多领域得到越来越广泛的应用。
目前市面上的绝大多数消费型机种及高端数码相机都使用CCD作为图像传感器，而CMOS传感器以往都是作为低端产品应用于摄像头和简易电脑相机上，是否采用CCD传感器一度成为人们判断数码相机档次的标准之一．目前有能力生产CCD的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fujisu、SANYO和Sharp。图像传感器用于尺寸测量的技术是非常有效的非接触检测技术，被广泛地应用于各种加工件的在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。由于线阵CCD图像传感器具有高分辨率、高灵敏度、像素位置信息强、结构紧凑及其自扫描等特性，这种测量方法往往无需配置复杂的机械运动机构，从而减少了产生误差的来源，使测量更准确、更方便。
CCD检测技术作为一种能有效实现动态跟踪的非接触检测技术，被广泛应用于尺寸、位移、表面形状检测和温度检测等领域。由CCD传感器、光学成像系统、数据采集和处理系统构成的尺寸测量装置，具有测量精度高、速度快、应用方便灵活等特点，是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器所无法比拟的。在尺寸测量中，通常采用合适的照明系统使被测物体通过物镜成像在CCD靶面上，通过对CCD输出的信号进行适当处理，提取测量对象的几何信息，结合光学系统的变换特性，可计算出被测尺寸。
图像测量技术的出现仅仅20余年，但在国内外发展很快，已经广泛应用到几何量的测量、航空遥感测量、精密复杂零件的微尺寸测量和外观检测、医学图像观测辅助诊断以及光波干涉图，应力应变场状态图等许多方面。目前，国外许多大学、科研机构都把CCD和光学仪器相结合，研制了许多应用CCD来实现光电转换的新型光电测量仪器。
近年来，国内图像测量技术在工业生产尤其是在机械工业中的应用研究也在迅速发展。其应用主要集中于对小尺寸零件几何量的快速测量（如对细丝、小孔直径等微小集合尺寸的测量）；精密复杂零件（如微电子器件、微型齿轮）的微尺寸测量；软质、易碎物体的测量（如绒毛丝直径、液滴尺寸的测量）；大型工件尺寸的测量（如在轧钢生产线上在线测量钢板的长、宽或线材的直径，在线检测判断钢板头尾的最优剪切位置等）；以及零件表面缺陷的判断、零件表面平整度、粗糙度的检测、圆轴类零件的圆度检测等方面。
综上所述，CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，并被广泛应用于现代光学和光电测试技术领域。
3 系统主要指标要
求
本系统以轧钢机辊轴检测为模型，进行辊轴平行度检测系统的设计与研究，系统主要技术指标：
(一) 轧钢机工作辊外形轮廓尺寸：
辊面尺寸：1850mm；
轧辊全长：3720mm；
最大直径：546mm；
最小直径：495mm；
(二) 轧钢机工作辊加工面平行度检测：
检测方式：单向或双向；
检测精度：±3μm；
检测范围：0.05~数米；
采样频率：200次/秒~2000次/秒；
显示方式：实时显示。
4 检测系统的组成
该轧辊平行度检测系统由平行光产生单元、CCD及驱动电路单元、CCD 视频信号前置放大单元、信号采集及处理单元、步进电机及驱动电路单元、系统总控制单元等部分组成。平行光产生单元由半导体激光器及棱镜组构成。CCD及驱动电路单元由两相线阵CCD及产生CCD所需的驱动脉冲的电路组成。CCD视频信号前置放大器的作用是把CCD 输出和补偿信号输出进行差分放大，去除共模干扰及温度变化的影响，放大器输出的信号经电平转换电路后送至信号采集及处理单元。信号采集及处理单元的功能是将信号数字化并存储在存储器中；然后由系统总控制单元采用适当的算法对其进行处理得到被测物体的尺寸。系统总控制单元除完成数据处理工作以外，还担负着模拟误差信号输出、数据存储、PC数据传输和控制、步进电机控制信号输出等工作。
5 检测系统工作原理
系统采用了光学放大成像（实像）和前面光照射方式。轧辊在平行光照射下，轧辊的外形轮廓通过放在CCD和轧辊之间的棱镜组放大成像在CCD光敏面上。受到光照的光敏元的视频输出为高电平；而没受到光照的光敏元的视频输出为低电平。于是CCD输出信号端可得到与辊轴平行度成比例的光电脉冲信号，通过计算脉冲的个数就可得出测量结果。
先在该系统中测量标准轧辊，得出结果D作为基准，然后用公式
式（1）
通过微处理器计算就可以得出待测轴辊的平行度D，加工人员可以通过屏幕随时掌握加工情况。其中
N：系统没有放轧辊时CCD输出的脉冲个数；
N：放入待测轧辊后CCD输出的脉冲个数；
α ：CCD的脉冲当量（CCD的空间分辨率即一个像元的长度）；
β ：放大率。
6 检测系统方案论证
系统中光电转换器件使用当前在工业在线检测领域使用十分广泛的线阵CCD光电传感器，其独特的结构特性和自扫描特性，能够将光学图像变换成按空间域分布的离散电压信号，继而通过微处理器(单片机)对其进行采集和处理。而数据采集与处理核心器件采用STC公司生产的STC89LE52RC单片机，它是一款性价比非常高的工业单片机，性能稳定、完全兼容ATMEL公司的5l单片机。由于步进电机速度人为可控，所以本装置对处理速度要求不是很高，而单片机具有系统简单、开发容易、功能易扩展、测控能力强、可靠性高的优点，所以采用单片机无疑是经济适用的选择。
对于信号采集部分，现有的信号采集结构按其是否与信号处理部分分离可分为以下几类：第一种是模拟输入专用信号采集系统，该类系统将采集卡放置在计算机内部，采集卡的作用是进行A／D转换并通过计算机总线将数据送入计算机内存，用软件实现处理；第二种是模拟输入采集处理一体化结构，此种结构是将采集、量化集成到一块板卡上，一般由输入输出接口、A／D转换数字化单元、高速缓冲区和微处理单元构成，这种结构设计大大减轻了计算机的处理负荷，但增加了电路设计实现的难度；第三种是数字输入，是采集和处理部分分离的采集系统，这类系统的前端是数字输出的CCD器件，输出的数字化信号直接接入处理器，这种采集结构传输距离长、受外部干扰小、开发简单。经过对上述几种采集结构的分析，了解到第一种耗费计算机资源，实时性不高，不适合大量数据的实时处理；第二种是基于母板的二次开发，仍然受到一定的限制；第三种处理结构是为线阵CCD器件专门设计的处理系统，用户接口考虑到与相机积分时间同步，采用LVDS格式的数据串行传输，开发相对简单、成本低，因此，我们采用第三种数据采集结构。
单片机采集到的信号含有复杂的噪声，首先需要对信号进行滤波和平滑处理，剔除噪声和斜置判别等处理。这些算法在单片机上均可以实现，最后将计算得到的尺寸参数通过RS232协议送上位机进行显示，达到在线检测的目的。
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