CN104325405B - 一种超细丝磨具定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超细丝磨具定位系统和方法，用于在磨削超细丝之前，将磨具自动移动到与超细丝接触，以便精确地控制磨具加工进给量。本发明涉及超细丝与磨具的接触检测和磨具移动控制，即：磨具在超细丝上方处于缓慢来回运动状态，以较小的移动量下降逐渐靠近超细丝；磨具每下降一步，采用图像处理的方式检测超细丝是否振动，当超细丝处于振动时，便可判断二者已经接触，磨具完成定位。本发明是自动检测，接触检测过程由上位机自动控制和处理，不需要人工干预，检测速度快；通过减小磨具每次的步进移动量和提高所用的电动三轴位移台的定位精度，检测精度可达到10um，且重复精度高；信号的采集方便可靠，具有很大的使用范围。

Description

一种超细丝磨具定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种超细丝磨具定位系统及方法，具体涉及一种超细丝加工过程中磨具定位的系统及方法。

背景技术

公知，超细丝与磨具之间不导电；此外超细丝直径很小而磨具尺寸较大，在加工超细丝时，需要判断磨具与超细丝是否接触，而操作者的视觉系统无法从任何角度直接看到细丝与磨具是否接触；以上两点增加了判断细丝与磨具是否接触的难度。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种超细丝磨具定位系统及方法，通过检测超细丝是否在磨具的带动下振动来进行接触判断，不但克服上述难点，且信号的采集方便可靠，对超细丝和磨具的材料以及物理性能没有特殊要求，具有很大的使用范围。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种超细丝磨具定位系统，包括四轴工作台机械装置、图像采集装置、上位机及其控制系统、下位机及其控制系统；上位机分别与下位机、图像采集装置连接，下位机、图像采集装置分别与四轴工作台机械装置连接；四轴工作台机械装置用于固定和支撑超细丝；图像采集装置接收上位机控制系统的采集命令，对超细丝加工部位进行图像采集，并将图像反馈给上位机；上位机控制系统控制图像的采集并负责对采集到的图像进行处理，根据处理结果控制四轴工作台机械装置进行运动；下位机控制系统接收上位机控制系统的命令，控制四轴工作台机械装置按预定的方式移动。

所述四轴工作台机械装置包括电动三轴位移台1、磨具夹头2、旋转电机3、磨具5、夹头固定座6、超细丝夹头7、工作台11；所述图像采集装置包括CCD摄像头9、CCD摄像头固定座10；超细丝4两端被超细丝夹头7夹住，超细丝夹头7固定在夹头固定座6上，夹头固定座6固定在工作台11上；磨具5被磨具夹头2夹持，磨具夹头2固定在旋转电机3上，磨具5在旋转电机3的带动下转动；旋转电机3固定在电动三轴位移台1上，电动三轴位移台1通过数据线与下位机控制系统相连，在下位机系统的直接控制下磨具5随着电动三轴位移台1运动；CCD摄像头9固定在CCD摄像头固定座10上，CCD摄像头9通过数据线与上位机及其控制系统相连，CCD摄像头对准超细丝4，对超细丝加工部位进行图像采集。

所述四轴工作台机械装置还包括超细丝支撑块8，超细丝支撑块8位于超细丝4下方，且位于两个夹头固定座6之间。

所述图像采集装置采用体视显微镜配合300百万像素以上的显微CCD摄像头，在30-45倍显微镜头的放大下，再进行图像采样，使得图像处理的精度达到微米级，以检测出超细丝微小的振动，实现高精度地判断超细丝与磨具是否接触。

一种超细丝磨具定位方法，磨具在超细丝上方处于缓慢来回运动状态，以较小的移动量下降逐渐靠近超细丝；磨具每下降一步，采用图像处理方法检测超细丝是否振动，当超细丝处于振动时，即判断二者已经接触，磨具完成定位。

定义磨具5相对于工作台11向上运动为Z轴正方向；定义磨具5沿着自身轴线向着CCD摄像头9运动为Y轴正方向；定义磨具5垂直于自身轴线向着纸面里边运动为X轴正方向；将磨具移动至恰好与超细丝接触，具体过程如下：

1)上位机控制系统发送命令给下位机控制系统，由下位机控制着磨具5沿着Y轴缓慢地来回运动；

2)上位机控制系统通过下位机，控制磨具5往负Z轴方向移动10um；

3)上位机控制系统向图像采集装置发出图像采集命令，以0.1s的时间间隔采集5张图像；

4)通过图像处理方法，对比采集到的多幅图像，判断超细丝是否处于振动状态；如果超细丝已处于振动状态，则说明磨具与超细丝已经接触，停止运动；否则二者没有接触，继续2)—4)。

所述图像处理方法包括以下步骤：

步骤1、在检测过程中上位机通过图像采集装置以0.1s的时间间隔采集5张图像；

步骤2、对于每张采集到的图像，将其由彩色图像转化为灰度图像；

步骤3、对于每张灰度图像，进行水平或垂直方向投影积分，得到一个表征此图像信息的灰度投影积分向量；

步骤4、计算这5个灰度投影积分向量之间的协方差，每两个向量之间的协方差值位于0-1之间，作为二者的相似度；找出这些协方差的最小值作为这5张图像之间的最小相似度；

如果最小相似度值小于0.85，则认为这5张图像差异很大，即超细丝产生了振动；否则认为这5张图像没有差异，超细丝没有振动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明通过检测超细丝是否在磨具的带动下振动来进行接触判断，不但克服现有技术难点，且信号的采集方便可靠，对超细丝和磨具的材料以及物理性能没有特殊要求，具有很大的使用范围。

2、本发明通过减小磨具每次的步进移动量和提高所用的电动三轴位移台的定位精度，本方法的检测精度可达到10um，且重复精度高。

3、本发明是自动检测的，其接触检测过程由上位机自动控制和处理，不需要人工干预，检测速度快。

4、本发明中，图像采集装置的主要作用是进行视觉测量，从而对超细丝进行磨削加工，因此本方法充分利用了现有尺寸测量设备，不需要设置其它特定的传感器进行检测，实现起来简单方便且成本低。

附图说明

图1为本发明的系统整体示意图；

图2为本发明中四轴工作台机械装置结构图；

图3为本发明的方法流程图。

其中，1—电动三轴位移台；2—磨具夹头；3—旋转电机；4—超细丝；5—磨具；6—夹头固定座；7—超细丝夹头；8—超细丝支撑块；9—CCD摄像头；10—CCD摄像头固定座；11—工作台。

具体实施方式

本发明提出一种超细丝加工过程中磨具定位的系统及方法，用于在磨削超细丝之前，将磨具自动移动到与超细丝接触，以便精确地控制磨具加工进给量。本方法涉及超细丝与磨具的接触检测和磨具移动控制，即：磨具在超细丝上方处于缓慢来回运动状态，以较小的移动量下降逐渐靠近超细丝；磨具每下降一步，采用图像处理的方式检测超细丝是否振动，当超细丝处于振动时，便可判断二者已经接触，磨具完成定位。

如图1所示，本方法由以下几个功能模块实现：四轴工作台机械装置、图像采集装置、上位机控制系统、下位机控制系统。四轴工作台机械装置用于固定和支撑超细丝；图像采集装置接受上位机控制系统的采集命令，对超细丝加工部位进行图像采集，并将图像反馈给上位机；上位机控制系统控制图像的采集并负责对采集到的图像进行处理，根据处理结果控制磨具进行相应的运动；下位机控制系统接受上位机控制系统的命令，控制磨具按预定的方式移动。

如图2所示，为四轴工作台机械装置三维示意图。超细丝两端被超细丝夹头7夹住，超细丝夹头7自身固定在夹头固定座6上，夹头固定座6固定在工作台11上；磨具5被磨具夹头2夹持，磨具夹头2固定在旋转电机3上，磨具5可以在旋转电机3的带动下转动；旋转电机3固定在电动三轴位移台1上，在电动三轴位移台1通过数据线与下位机控制系统相连，在下位机系统的直接控制下磨具5便可以随着电动三轴位移台1运动；CCD摄像头9固定在CCD摄像头固定座10上，CCD摄像头9通过数据线与上位机相连，这两个装置构成了图1中的图像采集系统。

如图2所示，为叙述方便，定义磨具5相对于工作台11向上运动为Z轴正方向；定义磨具5沿着自身轴线向着CCD摄像头9运动为Y轴正方向；定义磨具5垂直于自身轴线向着纸面里边运动为X轴正方向。将磨具移动至恰好与超细丝接触，控制流程图如图3所示，具体移动过程叙述如下：

1)上位机控制系统发送命令给下位机控制系统，由下位机控制着磨具5沿着Y轴缓慢地来回运动；

2)上位机控制系统通过下位机，控制磨具5往负Z方向移动10um；

3)上位机控制系统向图像采集装置发出图像采集命令，以0.1s的时间间隔采集5张图像；

4)通过图像处理算法，对比采集到的多幅图像，判断超细丝是否处于振动状态；如果超细丝已处于振动状态，则说明磨具与超细丝已经接触，否则二者没有接触。

采用图像处理的方式检测超细丝是否在磨具带动下振动，现将此图像处理算法叙述如下：

步骤1、在检测过程中上位机通过图像采集装置以0.1s的时间间隔采集5张图像；

步骤2、对于每张采集到的图像，将其由彩色图像转化为灰度图像；

步骤3、对于每张灰度图像，进行水平或垂直方向(具体方向根据超细丝在摄像头视场中的摆放情况而定)投影积分，得到一个表征此图像信息的灰度投影积分向量；

步骤4、计算这5个灰度投影积分向量之间的协方差，每两个向量之间的协方差值位于0-1之间，作为二者的相似度。找出这些协方差的最小值作为这5张图像之间的最小相似度；

如果最小相似度值小于0.85，则认为这5张图像差异很大，即超细丝产生了振动；否则认为这5张图像没有差异，超细丝没有振动。

超细丝与磨具之间不导电；此外超细丝直径很小而磨具尺寸较大，视觉系统无法从任何角度直接看到细丝与磨具是否接触。以上两点增加了判断细丝与磨具是否接触的难度。而本发明提出的检测方法，通过检测超细丝是否在磨具的带动下振动来进行接触判断，不但克服上述难点，且信号的采集方便可靠，对超细丝和磨具的材料以及物理性能没有特殊要求，具有很大的使用范围。

图像采集装置采用体视显微镜配合300百万像素以上的显微CCD摄像头。在30-45倍显微镜头的放大下，再进行图像采样，使得图像处理的精度达到微米级，可以检测出超细丝微小的振动，实现高精度地判断超细丝与磨具是否接触。此外，图像采集装置的主要作用是进行视觉测量，从而对超细丝进行磨削加工，因此本方法充分利用了现有尺寸测量设备，不需要设置其它特定的传感器进行检测，实现起来简单方便且成本低。

本发明提出的超细丝与磨具接触检测方法，是系统自动检测的，其接触检测过程由上位机自动控制和处理，不需要人工干预，检测速度快。

通过减小磨具每次的步进移动量和提高所用的电动三轴位移台的定位精度，本方法的检测精度可达到10um，且重复精度高。

Claims (5)

1.一种超细丝磨具定位系统，其特征在于：包括四轴工作台机械装置、图像采集装置、上位机及其控制系统、下位机及其控制系统；上位机分别与下位机、图像采集装置连接，下位机、图像采集装置分别与四轴工作台机械装置连接；四轴工作台机械装置用于固定和支撑超细丝；图像采集装置接收上位机控制系统的采集命令，对超细丝加工部位进行图像采集，并将图像反馈给上位机；上位机控制系统控制图像的采集并负责对采集到的图像进行处理，根据处理结果控制四轴工作台机械装置进行运动；下位机控制系统接收上位机控制系统的命令，控制四轴工作台机械装置按预定的方式移动；

所述四轴工作台机械装置包括电动三轴位移台(1)、磨具夹头(2)、旋转电机(3)、磨具(5)、夹头固定座(6)、超细丝夹头(7)、工作台(11)；所述图像采集装置包括CCD摄像头(9)、CCD摄像头固定座(10)；超细丝(4)两端被超细丝夹头(7)夹住，超细丝夹头(7)固定在夹头固定座(6)上，夹头固定座(6)固定在工作台(11)上；磨具(5)被磨具夹头(2)夹持，磨具夹头(2)固定在旋转电机(3)上，磨具(5)在旋转电机(3)的带动下转动；旋转电机(3)固定在电动三轴位移台(1)上，电动三轴位移台(1)通过数据线与下位机控制系统相连，在下位机系统的直接控制下磨具(5)随着电动三轴位移台(1)运动；CCD摄像头(9)固定在CCD摄像头固定座(10)上，CCD摄像头(9)通过数据线与上位机及其控制系统相连，CCD摄像头对准超细丝(4)，对超细丝加工部位进行图像采集。

2.根据权利要求1所述的一种超细丝磨具定位系统，其特征在于：所述四轴工作台机械装置还包括超细丝支撑块(8)，超细丝支撑块(8)位于超细丝(4)下方，且位于两个夹头固定座(6)之间。

3.根据权利要求1所述的一种超细丝磨具定位系统，其特征在于：所述图像采集装置采用体视显微镜配合300百万像素以上的显微CCD摄像头，在30-45倍显微镜头的放大下，再进行图像采样，使得图像处理的精度达到微米级，以检测出超细丝微小的振动，实现高精度地判断超细丝与磨具是否接触。

4.一种超细丝磨具定位方法，其特征在于：磨具在超细丝上方处于缓慢来回运动状态，以较小的移动量下降逐渐靠近超细丝；磨具每下降一步，采用图像处理方法检测超细丝是否振动，当超细丝处于振动时，即判断二者已经接触，磨具完成定位；

定义磨具(5)相对于工作台(11)向上运动为Z轴正方向；定义磨具(5)沿着自身轴线向着CCD摄像头(9)运动为Y轴正方向；定义磨具(5)垂直于自身轴线向着纸面里边运动为X轴正方向；将磨具移动至恰好与超细丝接触，具体过程如下：

1)上位机控制系统发送命令给下位机控制系统，由下位机控制着磨具(5)沿着Y轴缓慢地来回运动；

2)上位机控制系统通过下位机，控制磨具(5)往负Z轴方向移动10um；

3)上位机控制系统向图像采集装置发出图像采集命令，以0.1s的时间间隔采集5张图像；

4)通过图像处理方法，对比采集到的多幅图像，判断超细丝是否处于振动状态；如果超细丝已处于振动状态，则说明磨具与超细丝已经接触，停止运动；否则二者没有接触，继续2)—4)。

5.根据权利要求4所述的一种超细丝磨具定位方法，其特征在于：所述图像处理方法包括以下步骤：

步骤1、在检测过程中上位机通过图像采集装置以0.1s的时间间隔采集5张图像；

步骤2、对于每张采集到的图像，将其由彩色图像转化为灰度图像；

步骤3、对于每张灰度图像，进行水平或垂直方向投影积分，得到一个表征此图像信息的灰度投影积分向量；

步骤4、计算这5个灰度投影积分向量之间的协方差，每两个向量之间的协方差值位于0-1之间，作为二者的相似度；找出这些协方差的最小值作为这5张图像之间的最小相似度；

如果最小相似度值小于0.85，则认为这5张图像差异很大，即超细丝产生了振动；否则认为这5张图像没有差异，超细丝没有振动。