CN107782242A - 基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置和方法，属于精密加工机床技术领域。该装置包括白色背景板、黑色标志件、透明薄板、体视显微镜、CCD相机和上位机；黑色标志件贴在主轴前端；白色背景板和透明薄板相对设置于主轴前端两侧；透明薄板上画有黑色线段，黑色线段与主轴轴心共平面；体视显微镜位于透明薄板另一侧，其目镜与CCD相机连接；CCD相机用于采集图像信息并将图像信息传输给上位机；上位机用于对图像信息进行处理。该装置和方法将CCD相机与体视显微镜配合实现了微米级尺寸的测量，利用白色背景板，主轴前端黑色标志件以及透明薄板上黑色线段三者的配合降低了图像处理的难度，其能够以较低的成本实现高速、长时间且微米级的测量。

Description

基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置和方法
技术领域
本发明属于精密加工机床技术领域，具体涉及一种基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置和方法。
背景技术
精密机床在运转的过程中，主轴轴向热伸长会影响机床的加工精度，尤其在航空航天、精密模具等复杂曲面进行加工时主轴热伸长将严重影响加工工件质量，同时会进一步加剧轴承等零部件发热，导致更为严重的热变形，如能对主轴轴向热伸长进行测量，及时调整主轴转速、进给量等参数，便能有效降低废品率，并有效延长机床使用寿命。其中，主轴轴向热伸长测量技术已成为当前研究热点之一。
对主轴轴向热伸长的测量大多采用位移传感器或触发式测头。使用位移传感器时一般在主轴前端插入超精加工后的棒材，然后将位移传感器测头与棒材前端贴近，一方面，棒材加工精度可达纳米级，价格十分昂贵，传感器测头与棒材如若发生碰撞易导致棒材表面缺陷，影响棒材下次使用，甚至造成棒材报废；另一方面，棒材与位移传感器的安装以及校准过程较为繁琐。触发式测头成本较低，但由于是接触式测量，不宜进行高速以及长时间测量。
机器视觉技术不断成熟与发展，在机械工程检测领域可作为一种非接触式测量手段，能够长时间稳定工作，适合于在线工业检测。但是，机器视觉采用CCD相机或CMOS相机采集图像信号，主轴轴向热伸长通常为几个微米，现在市场上的CCD或CMOS相机难以检测如此微小的尺寸改变。
因此，有必要提供一种结构简单且适合长时间在线监测的主轴轴向热伸长测量装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置和方法，其将CCD相机与体视显微镜配合，实现了微米级尺寸检测。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置，包括白色背景板、黑色标志件、透明薄板、体视显微镜、CCD相机和上位机；黑色标志件贴在主轴前端；白色背景板和透明薄板相对设置于主轴前端两侧；透明薄板上画有黑色线段，黑色线段与主轴轴心共平面；体视显微镜位于透明薄板另一侧，其物镜对准黑色线段，其目镜与CCD相机连接；CCD相机用于采集图像信息并将图像信息传输给上位机；上位机用于对图像信息进行处理。
优选地，黑色线段在透明薄板中心，黑色标志件在透明薄板上的投影与黑色线段相交。
优选地，所述黑色标志件为黑色贴纸或黑色胶带。
优选地，白色背景板置于主轴前端下方，透明薄板置于主轴前端的正上方；体视显微镜处于透明薄板的正上方。
优选地，透明薄板与主轴前端圆柱外表面距离不大于8mm。
一种借助所述测量装置测量主轴轴向热伸长量的方法，包括步骤：
1)打开上位机，通过上位机观察主轴前端黑色标志件与透明薄板上黑色线段交错位置所成图像，对体视显微镜进行调焦，直至所成图像清晰可见；
2)启动机床，机床运行5～10min后CCD相机采集第一次图像信息，第一次图像信息传输给上位机；上位机通过图像处理程序计算黑色线段的剩余露出部分的长度作为主轴基准长度A；
其中，黑色线段被黑色标志件的外边缘分成两部分，其中不在主轴一侧的黑色线段部分为黑色线段的剩余露出部分；
3)在目标测量时间，CCD相机采集目标图像信息，目标图像信息传输给上位机；上位机通过图像处理程序计算黑色线段的剩余露出部分的长度作为主轴测量长度B；
4)上位机计算出在目标测量时间时，主轴轴向热伸长量为主轴基准长度A-主轴测量长度B。
优选地，在步骤2)中，在机床运行稳定以后CCD相机再采集第一次图像信息。
优选地，在步骤3)中，设置多个目标测量时间，并分别获得每个目标测量时间对应的主轴测量长度B；在步骤4)中，计算出每个目标测量时间对应的主轴轴向热伸长量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置，其包括白色背景板、黑色标志件、透明薄板、体视显微镜、CCD相机和上位机。其中，CCD相机与体视显微镜配合解决了CCD相机难以辨识微米级尺寸以及普通显微镜景深范围过小的问题，实现了微米级尺寸的测量，利用白色背景板，主轴前端黑色标志件以及透明薄板上黑色线段三者的配合降低了图像处理的难度。该装置结构简单，不需要使用昂贵的高精度棒材，同时克服了触发式测头不宜进行高速以及长时间测量缺陷，且装置调试简单，只需简单调焦获得清晰图像，无需进行繁琐的安装校准等工作。其能够以较低的成本实现高速、长时间且微米级的测量，并且复用性高。
本发明提供的一种基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量方法，其采用本发明提供的测量装置，测量步骤简单，测量精度达到微米级，其能够实现高速、长时间的测量。
附图说明
图1为本发明提供的基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置结构示意图。
图2为本发明中透明薄板、黑色贴纸、黑色线段和主轴的位置关系结构示意图。
1为白色背景板，2为主轴前端，3为透明薄板，4为体视显微镜，5为CCD相机，6为上位机，7为黑色线段，8为黑色贴纸。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1和图2所示，本发明提供的基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置包括白色背景板1、透明薄板3、体视显微镜4、CCD相机5和上位机6。白色背景板1置于主轴前端2下方，为所采集图像提供白色背景，减少噪声信号的干扰。透明薄板3置于主轴前端2的正上方，主轴前端贴有黑色贴纸，透明薄板中心画有黑色线段，如图2所示，透明薄板与主轴前端圆柱外表面距离控制在8mm之内，以保证黑色贴纸8与黑色线段7交错部位成像清晰。体视显微镜4处于透明薄板黑色线段7的正上方，并通过其上端接口与CCD相机5相连，CCD相机采集到的图像信号输送至上位机6中进行处理，通过前后两个时刻黑色线段7剩余露出长度差的计算实现对主轴轴向热伸长的监测，黑色线段7剩余露出长度即指图2中黑色贴纸8下方黑色线段7的剩余长度。
其中，所述的上位机6可以为具有图像处理功能的计算机。
由于CCD相机难以检测微米级尺寸变化，故透明薄板上方布置体视显微镜，体视显微镜工作距离可达50mm以上，景深可达10mm，放大倍数一般为100倍左右，体视显微镜上方接口连接CCD相机，CCD相机所采集的图像每隔一定时间保存在上位机上，通过上位机的图像处理程序在线计算被黑色贴纸8背景“覆盖”了的黑色线段7的剩余露出部分的长度，从而实现主轴轴向热伸长在线监测。
基于上述装置的一种基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量方法，包括以下步骤：
1)打开上位机6，通过上位机6观察主轴2前端黑色贴纸8与透明薄板黑色线段7交错位置所成图像，对体视显微镜进行调焦，直至所成图像清晰可见；
2)启动机床，机床运行5min～10min后进行第一次图像处理，通过上位机图像处理程序计算透明薄板上黑色线段7的剩余露出部分的长度作为主轴基准长度A；启动机床后需要等待机床运行后再进行测量，避免机床启动的震动带来的测量偏差。
3)每隔半小时进行一次图像处理，计算每次图像处理时黑色线段7的剩余露出部分的长度，并与第一次所获长度做差即获得每一时刻主轴轴向热伸长量；
测量结束后停止机床，对数据进行后期整理。
其中，黑色线段7被黑色贴纸8的外边缘分成两部分，其中不在主轴一侧的黑色线段7部分为黑色线段7的剩余露出部分；
其中，在使用本发明提供的基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量方法进行作业时，精密机床的主轴上不安装刀具等工作部件，主轴的最前端贴上黑色贴纸8，如此，可以借助CCD相机与体视显微镜配合解决了CCD相机难以辨识微米级尺寸以及普通显微镜景深范围过小的问题，实现了对主轴热伸长量微米级尺寸的测量。在测量过程中，根据机床的待运行工况和参数，调整主轴的运行时间、转速等，进而测量主轴在不同运行参数下的热伸长量变化情况，为精密机床实际作业时提供参考标准。

Claims (7)

1.一种基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置，其特征在于，包括白色背景板(1)、黑色标志件、透明薄板(3)、体视显微镜(4)、CCD相机(5)和上位机(6)；
黑色标志件可拆卸地固定在主轴前端(2)；白色背景板(1)和透明薄板(3)相对设置于主轴前端(2)两侧；透明薄板(3)上画有黑色线段(7)，黑色线段(7)与主轴轴心共平面；体视显微镜(4)位于透明薄板(3)另一侧，其物镜对准黑色线段(7)，其目镜与CCD相机(5)连接；CCD相机(5)用于采集图像信息并将图像信息传输给上位机(6)；上位机(6)用于对图像信息进行处理。
2.如权利要求1所述的基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置，其特征在于，黑色线段(7)在透明薄板(3)中心，黑色标志件在透明薄板(3)上的投影与黑色线段(7)相交。
3.如权利要求1所述的基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置，其特征在于，白色背景板(1)置于主轴前端(2)下方，透明薄板(3)置于主轴前端(2)的正上方；体视显微镜(4)处于透明薄板(3)的正上方。
4.如权利要求1所述的基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置，其特征在于，透明薄板(3)与主轴前端(2)圆柱外表面距离不大于8mm。
5.基于权利要求1～4任一项所述的测量装置测量主轴轴向热伸长量的方法，其特征在于，包括步骤：
1)打开上位机(6)，通过上位机(6)观察主轴前端(2)黑色标志件与透明薄板(3)上黑色线段(7)交错位置所成图像，对体视显微镜(4)进行调焦，直至所成图像清晰可见；
2)启动机床，机床运行5～10min后CCD相机(5)采集第一次图像信息，第一次图像信息传输给上位机(6)；上位机(6)通过图像处理程序计算黑色线段(7)的剩余露出部分的长度作为主轴基准长度A；
其中，黑色线段(7)被黑色标志件的外边缘分成两部分，其中不在主轴一侧的黑色线段(7)部分为黑色线段(7)的剩余露出部分；
3)在目标测量时间，CCD相机(5)采集目标图像信息，目标图像信息传输给上位机(6)；上位机(6)通过图像处理程序计算黑色线段(7)的剩余露出部分的长度作为主轴测量长度B；
4)上位机(6)计算出在目标测量时间时，主轴轴向热伸长量为主轴基准长度A-主轴测量长度B。
6.如权利要求5所述的测量装置测量主轴轴向热伸长量的方法，其特征在于，在步骤2)中，在机床运行稳定以后CCD相机(5)再采集第一次图像信息。
7.如权利要求5所述的测量装置测量主轴轴向热伸长量的方法，其特征在于，在步骤3)中，设置多个目标测量时间，并分别获得每个目标测量时间对应的主轴测量长度B；在步骤4)中，计算出每个目标测量时间对应的主轴轴向热伸长量。
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