CN106382886B - 一种用于可转位刀片加工在线检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于可转位刀片加工在线检测装置及方法，涉及磨床。所述用于可转位刀片加工在线检测装置设有上下摄像头，上下摄像头安装于磨床夹具系统中的驱动头所在的机架端面，上下摄像头的安装位置对称于B轴轴线，上下摄像头中心连线垂直于磨床A轴，在机架位置安装吹气装置，在磨床顶尖夹具驱动头与可转位刀片接触的端面上建立装夹坐标系，以端面中心为原点，以磨床A轴作为X轴，以竖直向上作为Y轴，装夹坐标系的原点是可转位刀片的理论装夹中心点。利用摄像机对刀片周边轮廓进行拍照，通过图像处理可测得刀片端面轮廓的直线、圆、椭圆等元素的几何尺寸和在顶尖夹具上的装夹位置偏心距，并能将完整的刀片轮廓及几何参数、位置参数呈现于计算机上。

Description

一种用于可转位刀片加工在线检测装置及方法

技术领域

本发明涉及磨床，尤其是涉及一种用于可转位刀片加工在线检测装置及方法。

背景技术

可转位刀片是一种结构先进、高硬度、高精度、具有良好互换性的切削元件，其制造精度直接决定了刀具的加工精度。在磨削加工可转位刀片的过程中，为实现产品高效、高精度在线质量监控，开发了在线检测模块。该模块使得刀片加工与检测均在刃磨机床上完成，避免刀片多次装夹、重复精度差及辅助时间长等问题。

目前，可转位刀片周边磨床在线监测模块采用传统接触式测量方式，朱健等([1]朱健,姚斌，林祖文，等.五轴数控可转位刀片磨床在线检测系统开发[J].机械,2014,41(4):62-65)提出在夹具系统中安装可伸缩测量头，按顺序依次对刀片周边进行测量。测量第一边时，首先控制被测量刀片旋转至测量位置，然后伸出测头直至与刀片周刃接触并停留数秒，最后收回测头。完成第一边的测量后，重复上述步骤依次完成所有测量动作。将测量数据输入系统进行分析计算，最终转换为可转位刀片的内切圆半径和刀片在顶尖夹具上的装夹位置偏心距。

但这种传统接触式测量方式存在以下缺点：

1.装置机械结构较为复杂，数据采集次数较多，耗时较长。

2.测头为气压控制，存在运动、触发的动态误差，如果操作失误或压力过大，易损坏测头，影响工件表面精度。

3.测头只与刀片局部接触，采样数据不够充分，易产生偶然误差。

4.对于不同种类的刀片需要建立不同的模型、测量程序，计算复杂，只能间接得到刀片的内切圆半径和刀片在顶尖夹具上的装夹位置偏心距，无法直接显示，具有一定的局限性。

5.接触式测头长期与被测对象接触会发生一定程度的磨损，影响测量的精度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有检测方法存在的上述缺点，提供基于图像处理的高精度、高效、检测要素全面的一种用于可转位刀片加工在线检测装置。

本发明的另一目的在于提供一种用于可转位刀片加工在线检测方法。

所述用于可转位刀片加工在线检测装置设有上摄像头和下摄像头，上摄像头和下摄像头安装于磨床夹具系统中的驱动头所在的机架端面，上摄像头和下摄像头的安装位置对称于驱动头回转中心轴(B轴)轴线，上摄像头和下摄像头中心连线垂直于磨床A轴，并保证单个摄像头的视野采集范围至少可达驱动头回转中心轴(B轴)轴线，在机架位置安装吹气装置，在磨床顶尖夹具驱动头与可转位刀片接触的端面上建立装夹坐标系，以端面中心为原点，以磨床A轴作为坐标系的X轴，以竖直向上作为坐标系的Y轴，其中，装夹坐标系的原点是可转位刀片的理论装夹中心点。

所述上摄像头和下摄像头可采用防油污、防雾摄像头。

所述用于可转位刀片加工在线检测方法，包括以下步骤：

1)在驱动头所在的机架端面安装上摄像头和下摄像头，上摄像头和下摄像头的安装位置垂直对称于驱动头回转中心轴(B轴)轴线，上摄像头和下摄像头中心连线垂直于磨床A轴，并保证单个摄像头的视野采集范围至少可达驱动头回转中心轴(B轴)轴线，在驱动头侧面的机架位置安装吹气装置，在测量前去除刀片上附着的杂物；

2)调高对比度，对可转位刀片进行拍摄，通过相机标定，取上摄像头拍摄的装夹坐标系Y值为正的图像，取下摄像头拍摄的Y值为负的图像，沿X轴拼接两部分图像，得到完整的可转位刀片轮廓图像；

3)使用二维小波包分解获取图像文件中的边缘高频轮廓信息，并通过相机标定过程中获取的内外参数获取可转位刀片的边缘轮廓物理坐标，由此可以测量得到刀片轮廓的基本几何特征和刀片在顶尖夹具上的装夹位置偏心距；

4)将经处理过的刀片边缘轮廓和装夹位置直观呈现在计算机上，并将所需要的数据传递至刀片磨削模块中。

本发明为确保可转位刀片检测精度，摄像头必须是可以防止油污进入及附着的，防止起雾的，保证拍摄的刀片图像清晰。摄像头的安装位置必须垂直对称于驱动头回转中心轴(B轴)轴线，保证光轴平行，使得拼接图像可靠完整。单个摄像头的视野采集范围至少可达驱动头回转中心轴(B轴)轴线，采集范围尽可能大，减少相机畸变产生的影响。在驱动头侧面的机架位置安装吹气装置，在刀片进行图像采集之前打开装置，保证可以去除刀片上附着的油膜、切屑等杂物。

本发明利用摄像机对刀片周边轮廓进行拍照，通过图像处理可测得刀片端面轮廓的直线、圆、椭圆等元素的几何尺寸和在顶尖夹具上的装夹位置偏心距，并能够将完整的刀片轮廓及几何参数、位置参数呈现于计算机上。本发明可以应用于加工前毛坯测量、加工循环中测量以及加工后产品测量等多种自动检测，实现高效、高精度的机床产品在线质量监控。

本发明采用基于图像处理的非接触式测量，优点如下：

1.本发明的测量装置结构简单，仅需单次数字图像获取即可完成测量，响应时间短，数据处理快，检测总耗时短。

2.测量过程不接触刀片，不会影响刀片本身的表面精度。

3.在检测有后角或者刀片不规整的情况下，可采集到完整的刀片轮廓图像，减少偶然误差的产生；

4.对于不同种类的刀片，不需要建立不同的刀片模型，几何轮廓能够直接呈现在计算机上，直观方便。

附图说明

图1为本发明所述用于可转位刀片加工在线检测装置的三维图。

图2为本发明所述摄像头视野范围图(正视图)。

图3为本发明所述相机标定涉及的三个坐标系之间的关系。

图4为本发明所述可转位刀片在装夹坐标系中示意图。

具体实施方式

参见图1和2，所述用于可转位刀片加工在线检测装置设有防油污和防雾的上摄像头51和下摄像头52，上摄像头51和下摄像头52安装于夹具驱动头4所在的机架6的端面上，上摄像头51和下摄像头52的安装位置对称于驱动头回转中心轴(B轴)轴线，上摄像头51和下摄像头52中心连线垂直于磨床A轴，并保证单个摄像头的视野采集范围至少可达驱动头回转中心轴(B轴)轴线。在驱动头侧面的机架位置安装吹气装置3，保证吹气范围可达刀片端面。

所述上摄像头51和下摄像头52的安装位置必须保证至少能采集到可转位刀片2在A轴、驱动头回转中心轴(B轴)轴线交面的图像，采集范围尽可能放大，以减少相机畸变的影响。所述吹气装置3安装于在夹具驱动头4侧面的机架6上，必须保证吹气范围和力度可以去除刀片上的油污、切屑等附着物。

在图1和2中，标记1为夹具尾架。

所述用于可转位刀片加工在线检测方法以测量菱形刀片为例，具体步骤如下：

1.在驱动头3所在的机架5端面安装上摄像头51和下摄像头52，安装位置垂直对称于驱动头回转中心轴(B轴)轴线，上摄像头51和下摄像头52中心连线垂直于磨床A轴，并保证单个摄像头的视野采集范围至少可达驱动头回转中心轴(B轴)轴线。在在驱动头侧面的机架上，拍照前需打开吹气装置，去除刀片上的附着物。

2.调高对比度，对刀片进行拍摄，通过相机标定，最终将图像坐标系转换到自定义的装夹坐标系中。取上摄像头拍摄的装夹坐标系Y值为正的图像，取下摄像头拍摄的Y值为负的图像，沿X轴拼接两部分图像，得到完整的可转位刀片轮廓图像。

3.使用二维小波包分解获取图像文件中的边缘高频轮廓信息，并通过相机标定过程中获取的内外参数，获取可转位刀片的边缘轮廓物理坐标。利用轮廓数据拟合成几何基元：直线、圆、椭圆等，使用标尺实现刀片内切圆直径、刀尖圆弧半径、刀尖角等基本几何特征的测量。使用area算子确定刀片几何中心坐标，搜索各边上的所有点到中心点的距离，获得最小距离。该几何中心坐标即为刀片在顶尖夹具上的装夹位置偏心距，搜索获得的该最小距离即为刀片的内切圆半径。

4.将拟合得到的刀片边缘轮廓、几何特征和装夹位置偏心距直观呈现在计算机上，并将所需要的数据传递至刀片磨削模块中。

其中，自定义的坐标系可用世界坐标系来描述，将图像坐标系转换到自定义的装夹坐标系中的原理如下：

相机标定的涉及三种坐标系：图像坐标系、相机坐标系、世界坐标系。坐标转换的目的是通过三个坐标系之间的相互转换，最终将图像坐标系下的描述转换至世界坐标系中，图像坐标系XOY是图像所在二位平面所定义的以mm为单位的直角坐标系，uov是以像素为单位的直角坐标系；相机坐标系O_CX_CY_CZ_C的两条坐标轴X_C、Y_C与图像坐标系的X、Y分别平行，O_C为摄像机光心，Z_C轴为摄像机光轴，OO_C是摄像机焦距f；世界坐标系O_WX_WY_WZ_W的建立是为了描述空间中任意物体的位置，包括摄像机的位置和装夹坐标系的位置。图3中的m点在相机坐标系下描述为M(X_C,Y_C,Z_C)，在世界坐标系下描述为M(X_W,Y_W,Z_W)。

首先推算出两个图像坐标系——像平面坐标系与像平面物理坐标系之间的关系，XOY表示以mm为单位的图像坐标系，O点为摄像机光轴与成像平面的交点，理论上位于图像中心，而实际制造原因导致偏移，那么交点O在uov坐标系下的坐标为(u₀,v₀)，因为每个像素的物理尺寸为d_x、d_y，那么得到像平面坐标系和像平面物理坐标系的关系如式(1)：

根据针孔模型下投影变换原理，得到像平面的物理坐标系与相机坐标系的关系：

联立式(1)和式(2)可得相机坐标系和像平面坐标系的变换矩阵为：

其中，f_x、f_y、u₀、v₀、f为摄像机的内部参数，这些参数组成的矩阵为内参矩阵。通过平移矩阵T和旋转矩阵R实现像坐标系与世界坐标系的变换。其中，平移矩阵T是一个3×1的三维列向量，旋转矩阵R是一个3×3的正交旋转矩阵，为坐标系分别绕X、Y、Z轴旋转一定角度后形成的三个矩阵的乘积：

那么可以计算出旋转矩阵：

则相机坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵为：

至此，已经推导出像平面坐标系与像平面物理坐标系、像平面物理坐标系与相机坐标系、相机坐标系与世界坐标系之间的矩阵变换，联立式(3)、式(5)、式(6)可实现像平面坐标系与世界坐标系的变换关系：

其中，二维小波包分解获取图像文件中的边缘高频轮廓信息的原理如下：

假设图像D具有N×M个像素，即D＝{d_m,n|n,m＝0,1,…,N-1}

(1)在尺度2^j下，计算数字图像D的二维小波变换W¹f(2^j,n,m)，W²f(2^j,n,m)，n,m＝0,1,…,N-1，这里1≤j≤J＝log₂N。分解的尺度数可根据需要而定。

(2)计算每一点的模值和相角Af(2^j,n,m)的正切值。对每个像素点(n,m)，计算

若在(n,m)，小波变换W¹f(2^j,n,m)，W²f(2^j,n,m)都等于零，则该点不是边缘点。

(3)求边界点。确定阈值T_j＞0，对n,m＝0,1,…,N-1，如果Mf(2^j,n,m)≥T_j，且Mf(2^j,n,m)取得局部极大值，那么(n,m)就是一个边界点。

(4)连接2^j尺度边界点。

其中，利用轮廓坐标进行刀片轮廓几何基元拟合的原理如下：

(1)直线拟合

用αx+βy+γ＝0来表示直线，一系列点(x_i,y_i)，其中i＝0,1,2…n，通过计算边缘点到直线的距离，对其进行最小化处理：

加入约束条件α²+β²＝1作为拉格朗日乘子，使得误差最小化：

(2)圆弧拟合

与直线拟合的方法类似，将所有边缘提取的点到拟合圆的平方距离求和，再将其最小化处理，得到：

拟合圆的圆心为(α,β)，半径为ρ。对式(12)的最小化处理是一个非线性最优化问题，需采用非线性最优技术的迭代来解决。

本发明所述可转位刀片在装夹坐标系中示意图参见图4。

本发明提出了基于图像处理的可转位刀片加工在线检测装置及方法。将上摄像头51和下摄像头52安装于磨床夹具系统中的驱动头所在的机架端面，安装位置对称于磨床驱动头回转中心轴(B轴)轴线，上摄像头51和下摄像头52中心连线垂直于A轴。使用摄像头对刀片进行拍照，取上摄像头51和下摄像头52采集的图像拼接得完整刀片轮廓图像，通过图像处理实现对刀尖圆弧半径、刀尖角度等基本几何特征参数和位置参数的测量，并将刀片轮廓、几何参数、位置参数直观地呈现于计算机上。本发明可以应用加工前毛坯测量、加工循环中测量以及加工后产品测量等多种自动检测，实现高效、高精度、检测要素全面的机床产品在线质量监控。

Claims (2)

1.一种用于可转位刀片加工在线检测方法，其特征在于，

所述方法采用用于可转位刀片加工在线检测装置，所述装置设有上摄像头和下摄像头，上摄像头和下摄像头安装于磨床夹具系统中的驱动头所在的机架端面，上摄像头和下摄像头的安装位置对称于驱动头回转中心轴轴线，上摄像头和下摄像头中心连线垂直于磨床A轴，并保证单个摄像头的视野采集范围至少可达驱动头回转中心轴轴线，在机架位置安装吹气装置，在磨床顶尖夹具驱动头与可转位刀片接触的端面上建立装夹坐标系，以端面中心为原点，以磨床A轴作为坐标系的X轴，以竖直向上作为坐标系的Y轴，其中，装夹坐标系的原点是可转位刀片的理论装夹中心点；

所述方法包括以下步骤：

1)在驱动头所在的机架端面安装上摄像头和下摄像头，上摄像头和下摄像头的安装位置垂直对称于驱动头回转中心轴轴线，上摄像头和下摄像头中心连线垂直于磨床A轴，并保证单个摄像头的视野采集范围至少可达驱动头回转中心轴轴线，在驱动头侧面的机架位置安装吹气装置，在测量前去除刀片上附着的杂物；

2)调高对比度，对可转位刀片进行拍摄，通过相机标定，取上摄像头拍摄的装夹坐标系Y值为正的图像，取下摄像头拍摄的Y值为负的图像，沿X轴拼接两部分图像，得到完整的可转位刀片轮廓图像；

3)使用二维小波包分解获取图像文件中的边缘高频轮廓信息，并通过相机标定过程中获取的内外参数获取可转位刀片的边缘轮廓物理坐标，由此测量得到刀片轮廓的基本几何特征和刀片在顶尖夹具上的装夹位置偏心距；

4)将经处理过的刀片边缘轮廓和装夹位置直观呈现在计算机上，并将所需要的数据传递至刀片磨削模块中。

2.如权利要求1所述一种用于可转位刀片加工在线检测方法，其特征在于所述上摄像头和下摄像头采用防油污、防雾摄像头。