CN108081134A - 砂轮廓形原位检测系统、方法以及砂轮廓形误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种砂轮廓形原位检测系统、方法以及砂轮廓形误差补偿方法，该系统包括：视觉测量组件、砂轮驱动组件、砂轮修整组件、工作台、床身；所述工作台、砂轮驱动组件、视觉测量组件安装在所述床身上，所述砂轮修整组件安装在所述工作台上，且所述砂轮修整组件在砂轮的加工行程以内；其中：所述视觉测量组件，用于获取砂轮的刀尖轮廓图像；所述砂轮驱动组件，用于驱动砂轮在预设的行程内移动，并驱动砂轮转动；所述砂轮修整组件，用于修整磨削之后的砂轮。本发明避免了砂轮重复安装产生定位误差，消除了主轴精度对砂轮不同周向截面廓形的影响，提高了检测的精度和效率，并提供了砂轮廓形误差补偿方法，以提高砂轮的修整精度和加工精度。

Description

砂轮廓形原位检测系统、方法以及砂轮廓形误差补偿方法

技术领域

本发明涉及数控加工技术领域，具体地，涉及砂轮廓形原位检测系统、方法以及砂轮廓形误差补偿方法。

背景技术

随着制造业的发展，各类复杂精密的刀具、模具和其他的轮廓曲线类零件形状越来越复杂，对精度和效率的要求也越来越高。这类零件通常由精密轮廓磨削完成最后的精加工，在磨削方法上，最有代表性的就是连续轨迹控制的数控仿形磨削。该磨削方式通常采用一种薄型双斜边夹圆弧刃的砂轮，通过轨迹控制实现轮廓曲线的点磨削。但是，由于其依赖砂轮的刀尖圆弧完成材料的切除，在加工过程中，砂轮的轮廓修形精度和砂轮磨损都会对零件的轮廓加工精度产生较大影响，而频繁的砂轮修整也会降低加工效率和加剧砂轮的损耗。因此，监测加工过程中砂轮的磨损状态，并对砂轮磨损进行合理的补偿，对提高磨削零件的加工精度和加工效率具有重要的意义。

但是，在磨削加工时，砂轮的修整、加工和砂轮的检测都要分开独立进行，这使得砂轮需要反复拆装，造成重复定位误差。目前，国内外研究中提出了多种测量砂轮廓形、监测砂轮磨损的方法。

经对现有技术的文献检索发现，公告号CN106649930A，名称为“一种砂轮圆弧修整廓形在线测量方法”，公开了利用声发射传感器对砂轮修整过程进行在线检测，通过布置在修整器附近的声发射传感器及相关采集设备，实时获取砂轮修整过程中的声发射信号，对该信号进行处理，得到实际修整切深。这种方法可以对砂轮修整廓形进行在线估计，从而实现砂轮圆弧修整廓形的在线测量。该方法的缺点是对噪声的抗干扰能力差，检测精度较低，且砂轮修整后仍需拆卸，加工会产生重复定位误差。

公告号CN105108649B，名称为“一种非接触式金属基圆弧砂轮的圆弧廓形及半径在位检测方法及实现该方法的装置”公开了采用步进电动机控制电涡流传感器沿平行于金属基圆弧砂轮的旋转轴线方向匀速运动，电涡流传感器在运动过程中测量其测头与金属基圆弧砂轮表面的距离，通过处理得到金属基圆弧砂轮的廓形和半径。这种方法的抗干扰能力强，检测精度较高，但是需要电机控制电涡流传感器移动，会造成定位误差，且检测效率低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种砂轮廓形原位检测系统、方法以及砂轮廓形误差补偿方法。

第一方面，本发明提供一种砂轮廓形原位检测系统，包括：视觉测量组件、砂轮驱动组件、砂轮修整组件、工作台、床身；所述工作台、砂轮驱动组件、视觉测量组件安装在所述床身上，所述砂轮修整组件安装在所述工作台上，且所述砂轮修整组件在砂轮的加工行程以内；其中：

所述视觉测量组件，用于获取砂轮的刀尖轮廓图像；

所述砂轮驱动组件，用于驱动砂轮在预设的行程内移动，并驱动砂轮转动；

所述砂轮修整组件，用于修整磨削之后的砂轮。

可选地，所述视觉测量组件包括：相机、远心镜头、平行光源，所述相机和远心镜头安装在所述工作台的上方，所述平行光源通过支架紧固在床身上并位于所述工作台的下方。

可选地，还包括：镜头安装座、转接板、三维调整滑台；所述镜头安装座用于夹持所述相机和远心镜头，且所述相机位于所述远心镜头的上方并与所述远心镜头同轴设置；所述镜头安装座通过所述转接板安装在所述三维调整滑台上；所述三维调整滑台用于在直角坐标系的X轴、Y轴、Z轴方向上调整所述相机和远心镜头的位置，以使所述相机、远心镜头与所述平行光源同轴。

可选地，所述砂轮驱动组件包括：伺服电机和驱动电机，所述驱动电机通过电主轴与砂轮连接，所述伺服电机驱动砂轮在直角坐标系的X轴、Y轴、Z轴方向上移动。

可选地，所述相机采用电荷耦合器件(charge coupled device，CCD是相机)。

第二方面，本发明提供一种砂轮廓形原位检测方法，应用第一方面中任一项所述的砂轮廓形原位检测系统，所述方法包括：

砂轮完成磨削之后，通过砂轮驱动组件驱动砂轮到达砂轮修整组件所在的工位；

通过所述砂轮修整组件对所述砂轮进行修整；

在所述砂轮修整完成之后，通过砂轮驱动组件将所述砂轮移动至视觉测量组件的检测区域进行砂轮廓形图像采集；

对采集到的砂轮廓形图像进行处理，得到砂轮刀尖轮廓图像。

第三方面，本发明提供一种砂轮廓形误差补偿方法，应用第一方面中任一项所述的砂轮廓形原位检测系统，所述方法包括：

通过视觉测量组件采集砂轮廓形图像；

从所述砂轮廓形图像中提取用于表征砂轮廓形精度的参数，所述参数包括：砂轮刀尖圆弧半径、刀尖圆弧中心、刀尖圆弧对应圆心角以及圆弧圆度误差；

在所述圆弧圆度误差大于预设的第一阈值时，对砂轮刀尖圆弧进行分段表征；

若所述砂轮刀尖圆弧进行分段表征的分段数大于等于预设上限值时，确定所述砂轮的廓形误差过大，提示所述砂轮需要重新修整。

可选地，所述对所述砂轮刀尖圆弧半径进行分段表征，包括：

获取砂轮刀尖圆弧上各点到所述砂轮刀尖圆弧整体最小二乘拟合圆心的距离，分析各点曲率半径的分布规律；

根据所述分布规律和预设分段原则，对所述砂轮刀尖圆弧进行分段。

可选地，所预设分段原则为：分段得到的每段圆弧的圆度误差小于或者等于预设的第二阈值。

第四方面，本发明提供一种砂轮廓形误差补偿方法，应用第一方面中任一项所述的砂轮廓形原位检测系统，所述方法包括：

根据磨削中不同类型轮廓，设置相应的刀补半径，所述刀补半径用于补偿砂轮刀尖圆弧曲率半径变化造成的轮廓误差；其中：

在加工直线段轮廓时，根据直线段的斜率获取砂轮上对应切削的刀尖圆弧，由所述刀尖圆弧的曲率半径设置所述直线段的刀补半径；

在加工圆弧段轮廓时，将所述圆弧段轮廓根据加工点的法线方向分为数段，计算每段轮廓对应的刀尖圆弧段的曲率半径，并将所述刀尖圆弧段的曲率半径作为加工对应段轮廓的刀补半径。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的砂轮廓形原位检测系统，包括觉测量组件、砂轮驱动组件、砂轮修整组件，因此可以将砂轮修整和砂轮检测、砂轮工作采用一次安装方式完成，砂轮修整组件在砂轮的行程以内，使得砂轮廓形在工作位置上进行检测，避免对砂轮进行多次装拆和离线测量，避免了砂轮重复安装产生定位误差，消除了主轴精度对砂轮不同周向截面廓形的影响，保证了不同截面廓形的一致性，砂轮廓形视觉直接检测对任意周向截面均有效，提高了检测的精度和效率。

本发明提供的砂轮廓形原位检测方法，可以在砂轮廓形原位检测系统中直接完成砂轮磨损状态的原位检测，提高了检测的精度和效率。

本发明提供的砂轮廓形误差补偿方法，通过砂轮廓形原位检测系统中的视觉测量组件完成对砂轮廓形图像的采集，并从该砂轮廓形图像中提取用于表征砂轮廓形精度的参数，根据所述参数的分析结果，判断砂轮是否需要重新修整，为砂轮的修整提供判断依据，进一步提高了砂轮廓形的修整精度。

本发明提供的砂轮廓形误差补偿方法，采用了动态的刀补法，在磨削中不同的磨削阶段判断磨削点的位置，设置相应的刀补半径，从而减小轮廓加工误差。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例提供的砂轮廓形原位检测系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的视觉测量组件的安装结构示意图；

图3为本发明一实施例中对曲线轮廓进行加工的过程示意图；

图中：

101-床身；

102-X轴滑台；

103-Y轴滑台；

104-Z轴滑台；

105-CCD相机；

106-远心镜头；

107-电主轴；

108-砂轮；

109-砂轮修整组件；

110-工作台；

111-平行光源；

201-三维调整滑台；

202-转接板；

203-镜头安装座；

301-工件轮廓；

302-双斜边夹圆弧刃砂轮。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例提供的砂轮廓形原位检测系统的结构示意图，如图1所示，本实施例中的系统包括：视觉测量组件、砂轮驱动组件、砂轮修整组件109、工作台110、床身101；其中，所述视觉测量组件包括：CCD相机105、远心镜头106和平行光源111，砂轮驱动组件包括：伺服电机和驱动电机，所述驱动电机通过电主轴107 与砂轮108连接，所述伺服电机驱动砂轮108在直角坐标系的X轴、Y轴、Z轴方向上移动。三维调整滑台201可以包括：X轴滑台102、Y轴滑台103和Z轴滑台104，用于在直角坐标系的X轴、Y轴、Z轴方向上调整所述相机和远心镜头的位置，以使所述相机、远心镜头与所述平行光源同轴。视觉测量组件通过测量架固定在机床的床身101 上，以保证视觉测量组件的刚度。CCD相机105及远心镜头106安装在工作台110的上方，平行光源111安装在工作台110的下方。从而实现了背光的照明方式，平行光源111 直接通过支架固定在机床的床身101上。电主轴107带动砂轮108旋转，可通过伺服电机控制沿X、Y、Z轴运动。砂轮修整组件109安装在工作台110上，工作台110固定在床身101上，且所述砂轮修整组件109处于砂轮108的加工行程内。CCD相机105、远心镜头106和平行光源111的光轴需调整平行，并与工作台110平面保持垂直，远心镜头106与平行光源111的光轴调整为同轴。具体调整方法，参见图2。

图2为本发明一实施例提供的视觉测量组件的安装结构示意图，如图2所示，CCD相机105同轴安装在远心镜头106的上端，且所述远心镜头106通过镜头安装座203夹持，所述镜头安装座203通过转接板202安装在三维调整滑台201上，再通过相机镜头支架安装到床身101上。

进一步地，为了使远心镜头106与平行光源111同轴，所述镜头安装座203通过螺栓紧固连接在所述转接板202的一个面上，该型转接板202的另一个面通过螺栓紧固连接到三维调整滑台201上。其中，通镜头安装座203用于挟持所述远心镜头106的通孔内径略大于远心镜头106的外径，从而使得镜头安装座203与该远心镜头106之间留有一定转动空间。转接板202呈L型，且所述转接板202与镜头安装座203之间也有一定转动空间，从而可微调远心镜头106的姿态，使其与平行光源111同轴。

进一步地，砂轮廓形原位检测的工作原理如下：

砂轮修整时通过伺服电机控制砂轮运动到砂轮修整组件处进行修整，当砂轮修整完成后需要检测砂轮廓形时，通过伺服电机控制砂轮在XOY平面内运动到CCD相机的视野中心，再通过伺服电机调整砂轮的Z向位置，使砂轮的刀尖轮廓处于成像景深范围内，用CCD相机获得清晰的砂轮刀尖轮廓图像。当工件完成一次进给加工后，需要检测砂轮廓形时，通过伺服电机控制砂轮在XOY平面内运动，在不接触到工件的情况下运动到相机的视野中心，再通过伺服调整砂轮的Z向位置，使砂轮的刀尖轮廓处于成像景深范围内，用CCD相机获得清晰的砂轮刀尖轮廓图像。

本实施例的整个检测过程中砂轮无需拆卸和离线，避免了砂轮重复安装产生的定位误差。同时，砂轮修整和砂轮检测、砂轮工作采用一次安装方式的方法，也消除了主轴精度对砂轮不同周向截面廓形的影响，保证了不同截面廓形的一致性，砂轮廓形视觉直接检测对任意周向截面均有效，提高了检测的精度和效率。

进一步地，将本实施例中的视觉测量组件和曲线磨削加工机床一体化时，可以实现加工过程中的砂轮廓形在位测量。对于曲线磨削中通常采用的薄型双斜边夹圆弧刃砂轮，用砂轮刀尖圆弧半径、刀尖圆弧中心、刀尖圆弧对应圆心角以及圆弧圆度误差四个参数，完整表征砂轮的廓形精度，进而实现砂轮廓形修整精度检测和砂轮磨损状态的原位直接检测。采用砂轮轮廓精度的表征方法可以对砂轮廓形误差进行分段量化表征，具体方法为：测得廓形参数后，对圆度误差进行评估，如果大于设定阈值，对刀尖圆弧曲率半径进行分段表征。具体的，首先计算圆弧上各点到整体最小二乘拟合圆心的距离，分析各点曲率半径的分布规律，据此对刀尖圆弧进行分段，最后求出所分各段圆弧的曲率半径。分段原则是每段圆弧的圆度误差应小于设定阈值，并限定分段数，如分段数超过限定值，则判断砂轮轮廓误差过大，需要重新修整。

进一步地，基于上述对砂轮刀尖廓形的分段量化表征，采用一种动态的刀补法，具体方法为：在磨削中，在不同的磨削阶段判断磨削点的位置，采用相应的刀补半径，从而补偿刀尖圆弧曲率半径变化造成的轮廓误差。

图3为本发明一实施例中对曲线轮廓进行加工的过程示意图，如图3所示，加工的曲线轮廓301由五段相切的曲线构成，依次是直线段1，圆弧段a、b、c和直线段 2。加工直线段轮廓1和2时，根据其斜率计算刀尖圆弧上对应的切削点，由刀尖圆弧上该切削点处的曲率半径决定该加工段的刀补半径，然后生成加工程序；加工圆弧段轮廓a或c时，因其圆心角较小，则由该轮廓段的起点和终点的法线方向计算刀尖圆弧上对应的切削点，再计算这两点切削点之间的刀尖圆弧段的曲率半径，并将它作为加工该段轮廓的刀补半径值，然后生成加工程序。加工圆弧段轮廓b时，因其圆心角较大，可将该轮廓段由中间分为两段，对每段分别采取上述算法。这样，通过在开放式数控系统中增加动态刀补功能，使系统能根据加工轨迹的变化，动态调整刀补半径，从而减小轮廓加工误差。

本实施例，采用了动态的刀补法，在磨削中不同的磨削阶段判断磨削点的位置，设置相应的刀补半径，从而减小轮廓加工误差。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种砂轮廓形原位检测系统，其特征在于，包括：视觉测量组件、砂轮驱动组件、砂轮修整组件、工作台、床身；所述工作台、砂轮驱动组件、视觉测量组件安装在所述床身上，所述砂轮修整组件安装在所述工作台上，且所述砂轮修整组件在砂轮的加工行程以内；其中：

所述视觉测量组件，用于获取砂轮的刀尖轮廓图像；

所述砂轮驱动组件，用于驱动砂轮在预设的行程内移动，并驱动砂轮转动；

所述砂轮修整组件，用于修整磨削之后的砂轮。

2.根据权利要求1所述的砂轮廓形原位检测系统，其特征在于，所述视觉测量组件包括：相机、远心镜头、平行光源，所述相机和远心镜头安装在所述工作台的上方，所述平行光源通过支架紧固在床身上并位于所述工作台的下方。

3.根据权利要求2所述的砂轮廓形原位检测系统，其特征在于，还包括：镜头安装座、转接板、三维调整滑台；所述镜头安装座用于夹持所述相机和远心镜头，且所述相机位于所述远心镜头的上方并与所述远心镜头同轴设置；所述镜头安装座通过所述转接板安装在所述三维调整滑台上；所述三维调整滑台用于在直角坐标系的X轴、Y轴、Z轴方向上调整所述相机和远心镜头的位置，以使所述相机、远心镜头与所述平行光源同轴。

4.根据权利要求1-3任一项所述的砂轮廓形原位检测系统，其特征在于，所述砂轮驱动组件包括：伺服电机和驱动电机，所述驱动电机通过电主轴与砂轮连接，所述伺服电机驱动砂轮在直角坐标系的X轴、Y轴、Z轴方向上移动。

5.根据权利要求2或3所述的砂轮廓形原位检测系统，其特征在于，所述相机采用CCD相机。

6.一种砂轮廓形原位检测方法，其特征在于，应用权利要求1-5中任一项所述的砂轮廓形原位检测系统，所述方法包括：

砂轮完成磨削之后，通过砂轮驱动组件驱动砂轮到达砂轮修整组件所在的工位；

通过所述砂轮修整组件对所述砂轮进行修整；

在所述砂轮修整完成之后，通过砂轮驱动组件将所述砂轮移动至视觉测量组件的检测区域进行砂轮廓形图像采集；

对采集到的砂轮廓形图像进行处理，得到砂轮刀尖轮廓图像。

7.一种砂轮廓形误差补偿方法，其特征在于，应用权利要求1-5中任一项所述的砂轮廓形原位检测系统，所述方法包括：

通过视觉测量组件采集砂轮廓形图像；

从所述砂轮廓形图像中提取用于表征砂轮廓形精度的参数，所述参数包括：砂轮刀尖圆弧半径、刀尖圆弧中心、刀尖圆弧对应圆心角以及圆弧圆度误差；

在所述圆弧圆度误差大于预设的第一阈值时，对砂轮刀尖圆弧进行分段表征；

若所述砂轮刀尖圆弧进行分段表征的分段数大于等于预设上限值时，确定所述砂轮的廓形误差过大，提示所述砂轮需要重新修整。

8.根据权利要求7所述的砂轮廓形误差补偿方法，其特征在于，所述对所述砂轮刀尖圆弧半径进行分段表征，包括：

获取砂轮刀尖圆弧上各点到所述砂轮刀尖圆弧整体最小二乘拟合圆心的距离，分析各点曲率半径的分布规律；

根据所述分布规律和预设分段原则，对所述砂轮刀尖圆弧进行分段。

9.根据权利要求8所述的砂轮廓形误差补偿方法，其特征在于，所预设分段原则为：分段得到的每段圆弧的圆度误差小于或者等于预设的第二阈值。

10.一种砂轮廓形误差补偿方法，其特征在于，应用权利要求1-5中任一项所述的砂轮廓形原位检测系统，所述方法包括：

根据磨削中不同类型轮廓，设置相应的刀补半径，所述刀补半径用于补偿砂轮刀尖圆弧曲率半径变化造成的轮廓误差；其中：

在加工直线段轮廓时，根据直线段的斜率获取砂轮上对应切削的刀尖圆弧，由所述刀尖圆弧的曲率半径设置所述直线段的刀补半径；

在加工圆弧段轮廓时，将所述圆弧段轮廓根据加工点的法线方向分为数段，计算每段轮廓对应的刀尖圆弧段的曲率半径，并将所述刀尖圆弧段的曲率半径作为加工对应段轮廓的刀补半径。