CN101456159B - 火花识别对刀方法及磨削加工自动化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开火花识别对刀方法及磨削加工自动化系统，实现磨削加工全过程智能化自动控制，准确、可靠的解决自动对刀问题、由砂轮磨损导致的尺寸补偿问题、磨削过程的在线尺寸测量和运动伺服控制问题。将视觉技术、PLC技术和运动控制技术有机的结合，提出了利用视觉技术解决对刀问题；在线尺寸测量和砂轮磨损补偿问题；用PLC技术、运动控制技术解决运动伺服控制问题的解决方案。利用视觉技术自动识别与工件接触的工况，并瞬间自动转换至磨削加工状态，解决自动对刀问题，就可以将许多成熟的相关技术有机的结合，构建一个集检测与运动控制与一体的自动化系统。实现准确的自动对刀，解决了砂轮磨损测量及补偿问题，为磨削过程全自动智能化控制开辟了新路。

Description

火花识别对刀方法及磨削加工自动化系统

(一)技术领域

本发明属于金属磨削加工技术的智能自动化装置 

(二)背景技术

现代的制造技术正朝着柔性制造(FMS)、计算机集成制造(CIM)和智能制造(IM)等方向发展。其中智能制造(IM)更作为先进制造技术的重要内容而日益成为研究的热点。它旨在将智能控制的理论和方法引入制造过程，通过模拟人类专家的思维和推理活动，取代和延伸制造环境中的部分脑力，从而使制造系统能自动检测其运行状态和环境变化，在收到外界和内部激励时，能作出正确的判断和决策，以保证系统获得稳健的加工效果。 

目前，磨削加工正朝自动化、智能化方向发展。但是，众多的影响因素为数学模型的建立造成了极大的困难，致使依赖于数学模型的自动化控制方法无能为力。我国目前磨床品种虽已达400种左右，但对于数控生产型及自动化生产型的产品还感不足， 

磨削加工的精度控制包括尺寸精度、形状与位置精度、表面质量等多方面。同其他的机械加工相比，磨削加工工艺具有独特的特点，磨削机理更为复杂，要求的精度更高，尤其表现在表面质量上。在磨削加工中，砂轮的磨损状态是砂轮磨削性能好坏的重要指标之一，它影响着磨削加工效率和加工质量。然而，影响磨削过程的因素较多，如磨削过程中砂轮的磨损、对刀精度等，仅靠操作者来获得较好的磨削效果难度较大，迫切需要找到一种对磨削加工进行在线监测的方法。在磨削过程中影响工作表面质量的因素非常多而且各个因素之间相互影响，表面质量完整性指标的在线测量也非常难，这就为数学模型的建立造成了极大的困难。工件表面质量完整性的评价又是靠人为经验来判定的，主观因素占很大的比重，为加工结果的评价造成了很大的困难。 

在磨削过程中由于砂轮的不断磨损会造成磨削精度和效率的下降，传统的磨削系统只是对砂轮尺寸的变化进行补偿，却并不修正磨削参数。目前，大多数研究都是采取一定的手段对砂轮的磨损量进行检测和补偿，在砂轮修磨完成后，砂轮将又回到初始状态开始新的一轮循环。借以修正磨削参数减低磨削结果误差。针对传统磨削加工过程精度控制遇到的种种困难，在控制加工工艺参数方面出现了将传统的专家推理机构同模糊神经网络相结合的智能型磨削参数决策系统。在系统中利用专 家系统对磨削参数初步决策，并在加工间隙及加工结束时对加工参数进行调节以及对知识库进行修正，使系统具有了很强的自适应能力和自学习能力，提高了磨削的精度和磨削效率并减小了磨削加工的误差。当机床和环境发生改变时能保证始终获得理想的加工效果。也有人将声发射技术、变频调速装置的微力矩测量技术等应用于这一领域。 

上述许多控制方法都必须解决砂轮磨损量的测量问题，而砂轮磨损量的准确在线测量是不容易实现的，一般都要在非加工状态完成这些工作，至今尚未见在动态加工中测量和修正砂轮磨损量的方法。这也就制约了真正意义上的全自动智能化磨削加工。有些技术则在抗环境及供电系统部稳定因素的干扰方面存在一定的问题。 

(三)发明内容

本发明目的是公开火花识别对刀方法及磨削加工自动化系统，实现磨削加工全过程智能化自动控制，重点是准确、可靠的解决自动对刀问题、由砂轮磨损导致的尺寸补偿问题、磨削过程的在线尺寸测量和运动伺服控制问题。将视觉技术、PLC技术和运动控制技术有机的结合，提出了利用视觉技术解决对刀问题；在线尺寸测量和砂轮磨损补偿问题；用PLC技术、运动控制技术解决运动伺服控制问题的解决方案。利用视觉技术在砂轮向磨削表面进给的动态下自动识别与工件接近的工况，并瞬间自动转换至磨削加工状态，解决自动对刀问题。在后续的加工过程中，同样利用视觉技术解决工件尺寸的在线自动测量问题，并结合多轴控制系统自动完成整个磨削加工过程。 

本发明方法是：利用火花识别法实现自动对刀，利用视觉技术完善磨削加工的自动控制。火花对刀的技术关键是实时捕捉砂轮与加工表面接触时瞬间的磨擦火花信息：首先用摄像方法实时采集检测工件表面状态，图像处理软件对信息进行实时阈值甄别，一旦检测到砂轮接触工件表面产生的摩擦火花，图象最高阈值瞬间跃升至设定的门槛阈值，控制软件便发出信号，同时停止砂轮运动和启动相应的程序和伺服执行机构开始正常磨削过程。 

本发明系统主要包括：照明系统、CCD摄像机、图像采集卡及相关联的处理设备。所述的照明系统光源选择多个LED发光二极管组合而成的组合光源。被测部分的特征清楚地与周围的背景区分开，使两者的灰度值的差别尽可能地大，尽量增强被测部分或特征边缘的对比度，采用小角度轴向光照明的方式。所述的CCD摄像机装有与光源装调装置摄像头处在一个密封的装置中，可作相机方位的微量调节。 

图像采集卡接收从CCD摄像头中输入的模拟电信号，由A/D转换为离散的数字信号，将离散的信号存储在图像的一个或者多个存储单元中，当计算机发出传送指令时，经过PCI总线将图像信息传到计算机内存以便于计算机的运算处理，或者直接送到显示卡上进行显示。输出四路模拟信号，还具有外部触发功能，并且可以通过RTSI(实时系统总线)与运动控制卡连在一起相互触发，从而完成视觉系统与运动控制系统的相互的数据信号交换功能。 

图像采集卡输入的视频信号经数字解码器，模数转换器，比例缩放，裁减，色空变换等处理，通过PCI总线传到VGA卡，实时显示或传到计算机内存实时存储。它由三个Scatter-gather DMA控制器，可以不经过CPU直接由PCI总线将视频数据输入到连续的或者分开内存中。其采集图像深度为8Bit，可支持的分辨率为2048Pixel(H)×1024 Pixel(V)，支持的视频输入的制式PAL，NTSC，具有消色滤波功能，可实现RTSI同步采集。计算机配置满足图像处理的速度和画面质量的要求，包含大量通用指令，增强了PC的处理能力，完全兼容于现存的各类操作系统与应用软件。对大多数图像采集视觉函数，如滤波、阈值处理、运算、逻辑和形态学都有显著的性能增益。 

本发明系统的流程为：系统启动后，机械手启动等待执行信息，受到信息后，自动自原料库抓取工件并向工作台递送，送料到位后释放工件，同时电磁吸盘启动吸住工件，工作台运动，磨头启动砂轮开始下行，同时启动视觉检测系统，CCD摄像机实时采集工件表面环境图像，通过图像采集卡把原始图像转化为数字图像信息并传入计算机，用图像处理软件对数字图像进行处理并得到环境图像变化的阈值信号，并随时与设定的阈值门槛值进行比较，如阈值低于门槛值则砂轮继续下行，一旦阈值达到门槛值，则砂轮立即停止下行，对刀程序结束，向磨削加工运控系统发出信息开始加工过程。进入加工程序后，工作台启动、开始第一次磨削，磨削结束给出完成信息，启动视觉检测，检测结果与预设的尺寸指标比对，如果未达标则砂轮根据加工余量与标准值的差值仅给，进行下次磨削加工过程，检测和加工循环进行，一旦尺寸达标则停止加工过程，电磁吸盘释放，磨头提起，工作台复位，给出磨削结束信息，进入下一批工件加工的准备状态。， 

本发明的集成控制系统为：将Labview软件平台、视觉技术、图像处理技术、运动控制技术及PLC技术有机的结合，按照检测与控制的不同要求设计了协调统一的继承系统，其中摄像头、图像采集卡与图像处理软件完成火花识别，结合运动控制系统完成自动对刀工作。伺服控制系统负责走刀、工作台进给和机械手运转得的精密控制。采取多线程方式实现运动控制与火花检测的并行运行，程序启动后，一方面，由move模块前9个相关模块组成的运动控制程序控制砂轮下行，同时，由图像灰度值获取模块前的8个模块组成的视觉检测程序完成对工件表面环境图像的监测和处理，给出工件表面的动态环境状态，并与预设的火花灰度门槛值进行比对，一旦出现火花，且火花阈值达到设定的检测门槛值，便产生一个信号，传至stop模块，停止砂轮下行运动，结束自动对刀过程。 

(四)附图说明

图1为本发明视觉对刀及平面磨削控制系统结构示意图； 

图2为本发明自动对刀磨削加工工艺流程及控制关系图； 

图3为本发明集成控制系统结构图； 

图4为本发明自动对刀及磨削加工图形化程序图。 

(五)具体实施方式

视觉对刀及磨削控制系统的总体结构如图.1所示。在对刀时，运动控制系统以适当的运动程序驱动砂轮向磨削面靠近，视觉火花监视系统适时启动，当砂轮与加工面接触并产生微小的火花，敏感的视觉系统会立即发现这一信息，向运控系统发出停止进给的指令，结束对刀过程。由于判断对刀情况的信息是磨擦火花，整个对刀过程与砂轮的实际尺寸和进给的行程无关，因而完全避免了砂轮磨损补偿的难题。对刀结束既确定了磨削运动控制基点(零点)，运控系统立即机进入磨削加工程序，利用确定的初始加工量完成第一次磨削。然后，视觉尺寸检测程序启动，测量工件的尺寸，将尺寸测量结果与目标尺寸进行比较，得出两者的差值，作为下次加工的进给量。总体控制程序按照预先设计的加工方案确定加工程序，自动完成整个加工过程。视觉检测系统的硬件由光源、CCD摄像机、图像采集卡、计算机组成；运动控制硬件由运动控制卡、PLC可编程控制器及伺服执行系统组成。软件由图形化编程语言LabVIEW及图像工具软件包IMAQ Vision、NI-Motion运动函数库及MotionAssistant组成。系统的工作时首先由CCD摄像机摄取图像信息，图像采集卡把CCD摄像机上的光信号转换成电信号，即把原始图像转化为数字图像，然后对数字图像进行处理，继而显示出测量结果与判断信息，并通过接口将信息与运控交换，运动控制系统根据判断信息进行运动控制。 

系统控制及流程如图.2所示：照明系统的光源选择，光源设备的选择必须符合所需的几何形状、照明亮度、均匀度、发光的光谱特性，同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。常见的可见光源有白炽灯、日光灯、水银灯和钠光灯、LED等。相对来说，LED光源的寿命更长，光源稳定工作寿命达到6000h~10000h；LED光源 是由许多单个LED发光二极管组合而成的，因而比其他光源更加容易做成更多的形状，更容易针对实际应用需要来设计光源的形状和尺寸，而且LED光源具有多种颜色可供选择，具有功耗小、响应快等优点，因此，本视觉系统中采用LED光源。照明方案照明系统的设计一般遵循以下原则： 

(1)确定被测部分或特征，使被测部分或特征清楚地与周围的背景区分开来。例如，使两者的灰度值的差别尽可能地大，尽量增强被测部分或特征边缘的对比度等。视觉检测系统必须使用预先定义好的程序，例如滤波、图像减运算、边缘增强等技术从图像中找到所需的信息，如果可以把待检测的物体和背景清楚地分开，那么就可以大大减少图像处理算法的复杂性，从而减少图像处理的运算时间，也可以减少软件开发的时间和难度。 

(2)减少反射，这样可以减少由于光照而给图像带来的额外的噪声，使客观景物尽量以不失真的面貌成像，减少图像处理算法的步骤。尽量屏蔽环境光线的影响：在实验室中周围环境光线是基本恒定的，而在工业现场则是一个时变的噪声，白天和晚上环境光线就会发生很大的变化。采用封闭的照明方案或者增强光照强度就可以屏蔽周围环境光线的影响。 

本发明四种照明的方案，分别为：小角度轴向光照明、前向光照明、低角度照明和背光照明。前向光对零件表面的划痕有突出作用；低角度照明虽然能突出边缘，但是对比度不明显，且对竖直划痕有明显的放大作用；背景光照明存在明显的衍射光，容易错判试样的边缘，而且当背景光照明时，需要把光源安置在待检测冲击试样的背面，该处正是刀具活动的区域，所以不能采用背景光照明方案；轴向小角度照明能使被测部分的特征与周围的背景区分开来，且能够突出冲击式样的边缘特征，所以本发明采用的是小角度轴向光照明的方式。可见采用小角度轴向光照明比较适合试样的尺寸检测，对比度明显且能够突出冲击试样的边缘，能够提高检测精度。CCD原理及选择CCD是电荷耦合器(Charge Coupled Device)的简称，是一种利用光电效应原理来实现图像摄取的专门用途芯片。CCD器件的结构就是将许多基本独立的光电转换单元排列在一个平面上，这些纵横排列的单元集成有几十万、几百万甚至几千万个光电二极管及译码寻址电路。这些基本微小单元称之为像素，像素的数目越多则成像的清晰度越高，成像的质量就越好。 

为了避免摄像头污染，应该保证摄像头处在一个密封的装置中，当运动控制系统给出采集图像的信号时，摄像头前方的保护屏打开，进行图像的采集。同时将光源也放置在此装置中。为使每次检测焦距相同，装置中设计了可保持焦距为定值的 机构，该装置也可作相机方位的微量调节。 

图像采集卡接收从CCD摄像头中输入的模拟电信号，由A/D转换为离散的数字信号，将离散的信号存储在图像的一个或者多个存储单元中，当计算机发出传送指令时，经过PCI总线将图像信息传到计算机内存以便于计算机的运算处理，或者直接送到显示卡上进行显示。 

考虑到兼容性和系统的要求，本发明使用NI公司的IMAQ-PCI-1409图像采集卡。此采集卡支持多种视频制式：PAL，NTSC等。它不但能够输出四路模拟信号，还具有外部触发功能，并且可以通过RTSI(实时系统总线)与运动控制卡连在一起相互触发，从而完成视觉系统与运动控制系统的相互的数据信号交换功能。 

IMAQ-PCI-1409图像采集卡输入的视频信号经数字解码器，模数转换器，比例缩放，裁减，色空变换等处理，通过PCI总线传到VGA卡，实时显示或传到计算机内存实时存储。它由三个Scatter-gather DMA控制器，可以不经过CPU直接由PCI总线将视频数据输入到连续的或者分开内存中。其采集图像深度为8Bit，可支持的分辨率为2048Pixel(H)×1024Pixel(V)，支持的视频输入的制式PAL，NTSC，具有消色滤波功能，可实现RTSI同步采集。 

另外系统还用到了NI公司的IMAQ-A6804，它作为扩展的视频输入线，可以连接多个摄像头。它可以连接到图像采集卡IMAQ-PCI-1409的多路视频输入通道68针的连接口上。采用两个摄像头，检测尺寸的摄像头C1，与检测V槽参数的摄像头C2，这两个摄像头与采集卡的连接形式为：IMAQ-A6804，它有四个外接端口，分别为V1，V2，V3，T0，选择通道V2，V3分别连接两个摄像头。 

为了满足图像处理的速度和画面质量的要求，计算机系统的配置为选用CPU为PIII1.8G以上，内存256MB以上的兼容机或品牌机，硬盘在20G以上，32M以上的VGA显卡，选择奔腾系列，因为在奔腾系列的PC机采用了最新的MMX技术，它不仅包含大量通用指令，增强了PC的处理能力，而且MMX技术也完全兼容于现存的各类操作系统与应用软件。利用MMX技术对于大多数图像采集视觉函数，如滤波、阈值处理、运算、逻辑和形态学都有显著的性能增益。 

图像采集的参数设置 

NI系统配置采用了简单易用的MAX(Measurement and Automation)进行底部通道及采集参数的相关设置。首先打开MAX，在安装好1409卡之后，会在其中出现PCI-1409的选项，新建之后会在IMAQ data文件夹中产生一个.icd文件，相关设置在会保存此文件之下。新建.icd文件并给以合适的命名之后，可以在Properties 中进行采集设置。在其中配置查找表(Look-Up Table，缩写为LUT)，设置LUT为常规模式(即线性模式)。选择采集的通道及相应的采集模式为Standard，启动采集(grab)，调整其中的参数，包括上下左右边界的尺寸，合适的白平衡电压及合适的快门速度，使采集的图像达到良好的图像效果。 

本发明对图像卡的统一参数设置如下： 

(1)设置输入信号模式为：PAL制式 

(2)设置采集窗口的最大范围：768×576 

(3)设置图像显示方式：按帧显示 

(4)设置图像保存格式：BMP格式 

(5)缩放的比例为：1：1 

(6)图像深度为：8Bit 

采集尺寸时对图像采集卡的设置如下： 

(1)输入信号源为：Channel???2 

(2)设置输入信道触发模式为：外部触发 

(3)参考电压为：白0.68，黑0.10 

(4)设置采集图像的偏移位置：(150，30) 

图像预处理 

获取和传输图像的过程往往会发生图像失真，所得到图像和原始图像有某种程度的差别。这些都是因为有外界的噪声加入到图像中，因此在对采集到的图像进行处理前，需要先对图像进行预处理，就是要对噪声图像进行滤波，平滑噪声图像。根据不同的要求，滤波的方法有很多种，每一种都有各自的优点和不足之处。采用适合的滤波方法去除噪声是本检测系统不可忽视的重要因素。有两种对空间域内模板操进行滤波的方法——均值滤波和中值滤波。中值滤波的输出与输入噪声的密度分布有关。而均值滤波的输出与输入分布无关。对随机噪声的抑制能力方面来看，中值滤波性能要比均值滤波差一些。而对脉冲干扰来讲，中值滤波是很有效的。在去噪滤波方法中，中值滤波和均值滤波各有特点，都是常用的滤波算法。其中均值平滑法很好实现，而中值滤波法需要较长的运算时间。若中值滤波采用方型窗口，在传统的中值滤波算法中，需要对窗口中的所有像素进行排序操作。经过比较采用3×3，5×5，7×7模板时的均值滤波和中值滤波的平均耗时如表1所示。可见随着模板的增大，滤波时间会明显地增加，特别是在中值滤波中，会随着模板成几何技术增长。

图像分割 

图像分割是将一幅图像分成互不交叠的区域，通过分割把目标从背景中提取出来。图像分割是由图像处理进到图像分析的关键步骤，也是一种基本的计算机视觉技术。它利用了图像中要提取的目标物与其背景在灰度特性上的差异，把图像视为具有不同灰度级的两类区域(目标和背景)的组合，选取一个合适的阈值，以确定图像中每一个象素点应该属于目标还是背景区域，从而分割成相应的二值图像。阈值分割不仅可以大量压缩数据，减少存储容量，而且大大简化在其后的分析和处理步骤。 

对于对刀和尺寸检测都要求从复杂的背景中分辨出信号或目标，因此，阈值的选择是关键，阈值选择的过高，过多的背景被当作目标，如果阈值选择的过低，过多的目标被当作是背景。 

二值化 

阈值选取方法很多，利用直方图进行阈值分割一种简便的图像分割方法。在图像内容不太复杂、灰度分布较集中的情况下，利用这种方法可获得很好的分割效果。图.7(a)所示为采集的零件原图经过中值滤波后的灰度直方图，其中横坐标为灰度级别，纵坐标表示某一灰度级对应的像素点个数。可以看出，物体和背景的灰度差别较大，灰度直方图呈现明显的双峰。 

上述阈值选取方法只有在事先确定了灰度直方图的情况下才能应用，而在线的检测系统中，随着外界条件的变化，阈值确定不可能靠手动选择，本发明对常用的两种阈值选取方法——直方图波谷法和最大类间方差法，进行比较最终选择了比较适合于本发明的最大类间方差法。 

本发明软件采用先进的图形化编程软件LabVIEW7.0编制，在Windows系统下运行，Windows具有清晰、直观的图形界面特点、设备无关性和多任务性等优点，而LabVIEW是一个32位的编译环境，其数据流的编程机制为人们提供了一种全新的能更自然、更直接、更充分表达显示世界的方法。采用Windows编程机制，使系统具有Windows功能特点，完全脱离传统顺序执行程序的设计思想，通过消息驱动的方式控制系统的动作，使程序再运行期间充分接受用户的控制，具有良好的人机交互功能。软件设计采用模块式设计思路，各功能模块都以主程序界面为初始启动界面，并通过主程序界面相联系。 

系统软件的设计思想及流程 

软件系统为两个串行的程序流，它们分别是火花识别和测量零件尺寸的程序。 程序运行后，等待运动控制系统给图像采集卡的触发信号，如果没有触发信号，则执行等待检测模块，系统提示处于等待检测状态并回到初始等待信号状态。如果收到了触发信号，系统开始采集信号，并且将信号数字化后，进行处理、分析、最后显示出测量值，根据测量值与要求值进行判断，显示出判断结果，此结果将传递给运动控制系统进行刀具进给，这样就完成了一个工作循环，重新回到了等待运动控制系统触发信号的状态。 

本发明充分利用了LabVIEW模块化的先进的设计思想，化整为零，将各个流程用相应的模块来设计。整个系统由多个功能模块集成在一起而成:聚焦子模块，标定子模块，检测显示子模块(自动与手动检测)，传输通讯子模块，由一个主界面来实现各个模块的协调与调用。每个子模块又由更小的模块构成，将每个子模块都做成子VI。每一级的模块都可以图表的形式放置在程序流程图中，这样不但增加了程序的可读性，也增加了程序的可维护性，使流程图更加清晰明了，同时避免了大量的重复编程工作。 

系统的各个功能模块 

(1)图像采集模块 

系统中首先对图像采集卡初始化，配置Buffer菜单，然后是抽出一小块内存，并且为Buffer命名相应的不重复的名称，因为系统检测时需要用到相应的触发(Trigger)信号，接收到触发信号时，才开始采集图像到相应的寄存器地址，所以要为图像采集配置相应动作的触发信号。比如当每一帧图像采集且信号来临，才能将此帧图像采集到内存中，并对图像进行下一步的动作。配置Buffer是很有技巧的，本发明为每个通道配置的5个Buffer为循环的Ring Buffer，当分别命名为0、1、2、3、4，只要抽走其中的一个Buffer，就会有相应的位置的Buffer来填满，如图所示：当采集图像的命令开始后，图像就会源源不断地送到指定的寄存器，只有当程序发出Copy或者Extract命令时，图像才能送到指定的内存段并显示。 

图像聚焦模块 

为了提高测量精度，系统应准确调焦。考虑到调焦误差相对于系统的要求精度较小，我们提出一种用图像清晰度评价函数—灰度差分函数，判定调焦位置的手动调焦方法，经过粗调和微调的过程完成。 

(a)粗调过程首先将摄像机盒在导轨上移动到固定的视野位置，然后前后拉动镜头，使图像经历模糊—清晰—模糊，即调焦不足—齐焦—调焦过度的过程。对评价函数值F(i)经历由大到小，再由小到大的过程，粗调只能保证聚焦在合适的范 围内。 

(b)微调过程采取微调方法，即转动镜头的微调机构，采集连续图像，比较图像清晰度评价函数值F(i)，逐渐找到评价函数最大值所对应的位置。此时的位置即为系统齐焦位置。然后用锁紧螺母将镜头的锁紧。 

本发明编写了完整的聚焦程序，分别采用了两个评价函数来确定调焦的正确位置：边缘梯度函数法，FFT函数法。聚焦模块的程序框图见附录。 

(3)检测显示模块 

检测显示模块是本发明的重点模块，它是由区域定位模块图像处理模块、图像测量模块、数据存储模块、误差修正模块等一系列的子模块组成。同时检测显示模块可以分为自动检测和离线检测互不干扰的两部分。一般零件的检测是靠自动检测来完成的，通过自动检测部分可以完成自动化的在线检测。离线检测说明本检测系统也可以采用人工手动的检测，拓展了检测系统的功能。同时离线检测的参数设定的改变可以通过动态节点的方式传到自动检测过程，不会影响到再次启动自动检测时的参数设置。 

本发明针对模板匹配和坐标变换分别编写了程序并定位区域参考点的坐标值进行测量，比较了他们的定位误差，并进行了时间比较。 

通过验证可以看出，在定位精度方面，坐标变换和模式匹配的定位精度差不多，但是在耗时方面，坐标变换所需的时间远远比模板匹配少。坐标变换的区域定位方法达到了较高的定位精度，且节省了图像定位的时间。 

(4)图像处理与测量子模块图像处理测量包括下列功能子模块：中值滤波，阈值分割，二值图像的闭运算，边界提取，边缘检侧，尺寸测量。 

为了进行边缘检测，首先在图像中设定出搜索区域，可以根据要检测的边缘形状来选择搜索区域。用一定数量的搜索线组成的区域来覆盖待检测的区域，然后设置搜索线的距离(Distance)，搜索线强度对比值(Contrast)，平均值(Smoothing)，陡峭度(Steepness)。设定这些值之后可以检测出希望得到的边缘。 

数据存储模块和误差修正模块当需要对检测到的数据进行人工查看和分析的时候，可以调用已经存储检测数据，这种数据的存储方式为文本格式，并且带有纪录的时间。为防止存储的数据量过大导致文件打开困难，设定了按照存储时间保存数据的方法。程序框图见附录。 

通过对误差事先检定，用多项式插值法得出误差公式，在测量时调出误差结果，代入公式进行补偿。

火花识别及磨削控制程序 

火花识别流程是：系统启动后视觉装置同时进入等待状态，实时检测检测区域，火花识别程序启动，当砂轮与工件表面接触并产生摩擦火花后，图像区域内的亮度突然增高，直方图出现突发高峰，瞬间就会达到设定的对刀判定阈值，程序会立即发出对刀完结的信号，该信号立即停止砂轮的继续下行，并进入正常磨削程序。 

对刀转至磨削加工以及伺服控制的流程：对刀结束后，系统自动进入磨削加工阶段。砂轮主轴精确快速地运行到设定的位置，到位后，工作台按正常磨削参数运动，开始磨削工作。一个磨削过程结束后，视觉系统进入尺寸测量程序，对磨削后的工件进行检测并与设定的标准指标比较，程序会自动判别工件是否达到了预设指标，是则系统恢复初始状态，完成加工程序，否则自动计算出实际尺寸与预设指标的差值，并送给运动控制系统，运动控制系统根据差值进行刀具进给，斯福机构按预定的进给量完成砂轮的一次进给，继续磨削加工。以上过程会自己动循环进行，直至加工达标。加工结束信号传给运控系统，启动机械手移走工件。 

自动对刀系统的集成控制系统包括运动控制系统和视觉检测系统：运动控制系统需要对加工过程中的各个动作进行控制，而视觉检测系统则负责对试样尺寸及形状进行检测，它们之间需要同步协调工作。 

运动控制系统要对包括各种电机、电磁阀、液压泵在内的多种控制对象进行控制，负责的控制任务如下主要为试样的输送、夹紧机构的控制、机械手动作控制、刀具精确进给控制、冷却液控制、工作台变速控制等。运动控制系统的大部分控制环节是顺序控制，运动精度要求不高，通过常规的手段就可以实现，比如工件输送和翻转等，只要利用PLC控制普通直流电机的正反转就能实现；但是试样的尺寸有较高的精度要求，刀具进给精度必须达到要求，故采用高精度的伺服系统来控制。因此，可将运动控制系统分为两个部分：一部分为PLC控制系统，实现工件输送、装夹定位等加工流程的顺序控制；另一部分为伺服控制系统，负责砂轮进给精度的控制以及工作台的变速控制。在磨削加工过程中，运动控制系统在某个动作结束时实时触发视觉检测系统；视觉检测系统也要及时发觉对刀状态，实时检测试样尺寸及形状，并及时把信息反馈给运动控制系统，它们之间必须能实时通讯、协调工作。因此，采用NI虚拟仪器技术来无缝地集成运动控制系统和视觉检测系统。 

可编程控制器(Programmable Logic Controller)是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它的定义如下：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装 置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。 

PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备间的通信。PLC与计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换。在本发明中，松下FPOPLC利用专用电缆通过RS-232串口连接计算机，根据松下电工的通信协议(MEWTOCOL)在FPWIN GR的通信模板上配置串口通信参数，基于LabVIEW软件及VISA函数库开发PLC的通信程序。 

在图形化编程语言LabVIEW环境下，利用高效的测试控制直观性图形开发功能辅以NI-Motion运动函数库及Motion Assistant，极大的简化了伺服系统软件的编写，缩短了系统开发周期。 

(1)NI-Motion函数库简介NI-Motion是NI公司733x、734x、735x系列运动控制器的驱动软件包，它支持多种开发工具，对NI运动控制产品提供了近乎完美的软件支持。NI-Motion模块中封装了大量子VI，包含了所有针对运动控制卡的诸如数据传输、运动控制等基本控制功能，以及用于与NI运动控制器通信的高级软件命令集，能方便实现轨迹生成、样条插值、位置/速度PID控制等。利用NI-Motion自带的子VI，配合LabVIEW软件环境，我们可以很容易地设计出伺服电机的控制程序。 

(2)Motion Assistant Motion Assistant(运动助手)是解决运动控制应用难题的一个交互式原型化环境。它是一个灵活的、简单易用的开发工具，可用来建立和构造控制应用，具有快速解决运动控制应用的重要特性，包括LabVIEW代码生成和预览窗口，该预览窗口可以在实际运行之前帮助您理解运动是如何进行的。在Motion Assistant工作环境下，根据控制需要一步一步添加运动过程，再设置相应的运动参数，就可以在预览窗口看到运行效果；要生成LabVIEW程序代码，只要通过以下几个简单步骤：Motion Assistant/Tools/Generate Code/LabVIEW Diagram。伺服系统软件伺服系统主要负责工作台的变速控制与砂轮直线进给位置精度的控制，伺服程序只是作为控制集成系统的子程序而存在。故伺服程序可分为以下几个主要子模块：控制卡初始化程序、平面磨削程序(包括砂轮对刀子程序、砂轮Z向与Y向进给子程序)、伺服系统运动参数设置程序、砂轮修磨程序、控制状态显示程序、伺服系统报警程序等。 

系统集成是整个系统的功能结构分为几个功能子模块，先采用具体的物理模块 来实现集成系统中的功能子模块要求，然后在信息层面上由应用软件来实现子模块间的相互通信，从而达到系统的有机集成。 

对刀及运动集成控制系统由运动控制系统(包括PLC子系统与伺服子系统)及视觉检测系统构成。要实现高效率、高精度的实时控制，就必须把运动控制系统与视觉检测系统有机集成，它们之间必须能够实时通讯、同步协调运行，故利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW及RTSI技术来无缝地集成系统。 

作为一个集送料、加工、检测为一体的全自动化多工序加工设备，它的控制软件必须能够满足实时采集外部信号、控制指令实时输出、系统报警、加工过程监视等要求。本发明根据Windows系统及LabVIEW软件的多线程机制，建立磨削加工中心集成系统控制软件的多线程模型，将系统中管理、控制功能实现分作若干个模块，分别置于独立的线程中。根据实际生产的要求，将系统控制软件分成以下模块：硬件初始化模块、参数设置模块、外部信号采集模块、系统控制模块、故障诊断模块、数据保存模块、系统动态显示模块。 

系统控制模块是软件系统的调度核心，该模块每循环一次就对外部输入数据进行处理，根据处理结果调用对应的子任务；而不受它控制的任务则作为并行的子任务运行。系统工作过程中的许多子任务都不是简单的顺序控制，而是多任务并行的控制过程，故必须在软件系统中进行多任务调度研究、设计合理的多任务调度策略，保证系统的实时性、可靠性。 

如果需要，尺寸测量可在加工过程的任意环节进行在线测量并反馈给运控系统。 

整个监测、控制系统都建立在Labview虚拟仪器软件平台上，在PC机上以人机对话方式。进行控制操作，需要操作者要完成的仅是在图形化的界面上设定和调整必要的参数。 

技术效果 

本发明的新特在于首次提出了火花识别对刀方法并开发了适于实际应用的软硬件系统。正确的确定一种能够准确表征磨削砂轮与工件表面接触状态的可靠鉴别信息、对该信息的识别方法，得到理想的结果，就可以将许多成熟的相关技术有机的结合，构建一个集检测与运动控制与一体的自动化系统。 

本发明采用多线程信息传递模式，使加工过程中任意时刻的火花信息和运控系统得到了良好的同步运行和无缝连接，从而提高了测量系统的稳定性和可靠性。 

本发明突破了以往的研究思路，采取了一种全新的方法。回避了砂轮磨损量的测量，砂轮的瞬时尺寸不再作为对刀过程的控制参数，无论砂轮有多大的磨损，都 可实现准确的自动对刀，彻底解决了砂轮磨损测量及补偿问题，为磨削过程的全自动智能化控制开辟了新路。发明实现了对刀过程和后续磨削加工过程的平稳过渡。在线非接触测量为全过程自动加工创造了条件。机械手的应用使磨削加工全程自动化成为可能。

Claims (2)

1.火花识别对刀及磨削加工自动化系统，其特征在于：利用基于视觉技术的火花识别法实现自动对刀和磨削加工的自动化，对刀部分的关键是实时捕捉砂轮与加工表面接触时瞬间的磨擦火花信息，并将其作为对刀信息：首先用摄像方法实时采集检测工件表面环境状态，图像处理软件对信息进行实时阈值甄别，一旦检测到砂轮接触工件表面产生的摩擦火花，图象最高阈值瞬间跃升至设定的门槛阈值，控制软件便发出信号，同时停止砂轮运动和启动相应的程序和伺服执行机构开始正常磨削过程；所述的自动化系统包括：照明系统、CCD摄像机、图像采集卡、多轴运动控制卡及相关的处理设备，所述的照明系统用于尺寸测量，光源选择由多个LED发光二极管组合而成的组合光源；被测部分或特征清楚地与周围的背景区分开，使两者的灰度值的差别尽可能地大，增强被测部分或特征边缘的对比度，采用小角度轴向光照明的方式；所述的CCD摄像机装有与光源装调装置摄像头处在一个密封的装置中，可作相机方位的微量调节；图像采集卡接收从CCD摄像头中输入的模拟电信号，由A/D转换为离散的数字信号，将离散的信号存储在图像的一个或者多个存储单元中，当计算机发出传送指令时，经过PCI总线将图像信息传到计算机内存以便于计算机的运算处理，或者直接送到显示卡上进行显示；输出四路模拟信号，还具有外部触发功能，并且可以通过RTSI(实时系统总线)与运动控制卡连在一起相互触发，完成视觉系统与运动控制系统的相互的数据信号交换；图像采集卡输入的视频信号经数字解码器，模数转换器，比例缩放，裁减，色空变换处理，通过PCI总线传到VGA卡，实时显示或传到计算机内存实时存储；它由三个Scatter-gatherDMA控制器，可以不经过CPU直接由PCI总线将视频数据输入到连续的或者分开内存中；其采集图像深度为8Bit，可支持的分辨率为2048Pixel(H)×1024Pixel(V)，支持的视频输入的制式PAL，NTSC，具有消色滤波功能，可实现RTSI同步采集；计算机配置满足图像处理的速度和画面质量的要求，包含大量通用指令，增强了PC的处理能力，完全兼容于现存的各类操作系统与应用软件；对滤波、阈值处理、运算、逻辑和形态学的图像采集视觉函数都有显著的性能增益。

2.如权利要求1所述的火花识别对刀及磨削加工自动化系统，其特征在于：所述的自动化系统流程为：启动系统后，机械手启动等待执行信息，收到信息后，自动自原料库抓取工件并向工作台递送，送料到位后释放工件，同时电磁吸盘启动吸住工件，工作台运动，磨头启动砂轮开始下行，同时启动视觉检测系统，CCD摄像机实时采集工件表面环境图像，通过图像采集卡把原始图像转化为数字图像信息并传入计算机，用图像处理软件对数字图像进行处理并得到环境图像变化的阈值信号，并随时与设定的阈值门槛值进行比较，如阈值低于门槛值则砂轮继续下行，一旦阈值达到门槛值，则砂轮立即停止下行，对刀程序结束，向磨削加工运控系统发出信息开始加工过程；进入加工程序后，工作台启动、开始第一次磨削，磨削结束给出完成信息，启动视觉检测，检测结果与预设的尺寸指标比对，如果未达标则砂轮根据加工余量与标准值的差值进给，进行下次磨削加工过程，检测和加工循环进行，一旦尺寸达标则停止加工过程，电磁吸盘释放，磨头提起，工作台复位，给出磨削结束信息，进入下一批工件加工的准备状态。

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