CN108714854B - 基于复映法的成形砂轮检测修整装置及砂轮整形方法 - Google Patents

基于复映法的成形砂轮检测修整装置及砂轮整形方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种成形砂轮检测修整装置，其中：待修整平行砂轮(110)安装在数控平面磨床(130)的主轴(120)上；检测机构(210)安装在数控平面磨床的工作台(140)一侧，激光烧蚀头(150)安装在与之对应的另一侧；光纤激光器发出的光束切向修整成形砂轮(110)，激光控制器(170)通过RS232连接到计算机(180)；相机(50)、远心镜头(40)和平行背光源(10)在一条直线上组成成像原件组，成像原件组安装在检测装置(210)内部；平行背光源(10)连接到光源控制器(190)，光源控制器(190)连接到计算机(30)中；石墨板(100)通过工件夹具(90)夹持固定在位移平台(80)，针对激光切向整形，提出磨削复影法间接检测砂轮回转轮廓，避免了直接检测砂轮表面的获取回转轮廓差的缺点，可以提供精确的轮廓形状和尺寸检测。

Description

基于复映法的成形砂轮检测修整装置及砂轮整形方法
技术领域
本发明涉及一种激光整形方法，尤其涉及一种基于复映法的成形砂轮检测激光切向整形方法。
背景技术
现有的成形砂轮检测技术主要物理接触类：触针法或千分表法，三坐标仪等。光学类：线阵PSD和CCD沿径向检测砂轮以用于修整砂轮,以及数字显微镜进行直接观察。物理接触类，直接与砂轮接触存在针头磨损，故检测精度难以长时间保证。砂轮的金刚石磨粒与结合剂的光学物理性质差别极大，凹面砂轮。线阵PSD和CCD沿径向检测砂轮以用于修整砂轮方法的缺点极其明显：首先若其采用实时径向修整，其响应速度和要求十分高，目前无法达到有效的修整效果；若是采用切向修整，需要获取其最高点的值，需要拼接砂轮回转面，拼接需要极大的计算量，拼接后精度下降。基于数字显微镜、单目或双目相机直接检测砂轮法，鉴于直接测量砂轮轮廓存在两个问题：首先是，对于正面打光和背光均有干扰作用，进行尺寸的精密测量，存在大量的异常值干扰，特别是在精度提升至微米级要求时具有较大误差；其次在砂轮是旋转运动才能实现对其整个测量，在测量时属于动态性测量，对于相机采用帧数极具苛求，且拼接后无法精确回转面轮廓。
目前激光成形砂轮整形方法，采用激光束的“刀尖”按设计轮廓成形轨迹进行走刀，选择优化的工艺参数(功率、重复频率、入射角等)，来实现成形砂轮形状的精度控制。因砂轮类似复合材料，其成分空间分布规律较为复杂，这种纯工艺的激光加工方法的工艺参数区间窄，稳定性随着外界因素的变化而难以保持稳定。
发明内容
本发明的目的是采用复映投影检测法，集成硬件设备和软件一体的自动化修整方法及装置。本专利通过检测磨削工件复映出成形砂轮回转轮廓，并结合机器视觉检测提供高精度的成形砂轮检测，设计的专用补偿算法可以快速的完成砂轮的高精度整形。改变了沿着规整轮廓激光走刀路径，将检测引入整形中进行激光自动切向整形，改变目前盲目的仅通过规整轨迹优化工艺参数的反复整形过程才能达到要求精度。
本发明的技术方案是提供一种成形砂轮检测修整装置，包括：数控平面磨床、检测机构、光纤激光器，其特征在于：
待修整平行砂轮安装在数控平面磨床的主轴上；检测机构安装在数控平面磨床的工作台一侧，激光烧蚀头安装在与之对应的另一侧；
光纤激光器发出的光束切向修整成形砂轮，激光控制器通过RS232连接到计算机；
相机、远心镜头和平行背光源在一条直线上组成成像原件组，成像原件组安装在检测装置内部；平行背光源连接到光源控制器，光源控制器连接到计算机中；
石墨板通过工件夹具夹持固定在位移平台，位移平台安装固定在检测装置底部；第一进风口第二进风口设计在检测装置的另一侧并通过管路与空压机相连，空压机通过控制线连接到计算机中，压缩空气由第一进风口和第二进风口进入检测装置，在内部形成保护气流，将粉尘驱赶到集尘槽中收集起来。
进一步地，相机通过网线连接到计算机。
进一步地，还包括密封帘、毛刷和集尘槽，密封帘、毛刷和集尘槽设置在检测装置的进口方向，在石墨板进入检测装置时，毛刷去除石墨板上黏附的粉尘，密封帘防止磨削产生的石墨粉尘进入检测装置内部。
进一步地，磨削复映过程中：石墨板通过位移平台由石墨板检测时的位置移动至石墨板磨削时的位置进行磨削复映，磨削复映是利用砂轮磨削时砂轮的高点组成的回转面轮廓对石墨工件进行加工，砂轮的回转轮廓会按照等比例方式刻印在石墨板上，通过检测石墨板的复映轮廓能够获得砂轮的回转轮廓。
本发明还提供了一种基于复映法的成形砂轮检测激光切向整形方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：进行加工准备，将待修整平行砂轮装夹在数控平面磨床，检测机构安装在数控平面磨床的一侧；激光烧蚀头安装与之对应的另一侧；
步骤2：测量待修整平行砂轮的轮廓，通过磨削复映获得砂轮的轮廓，通过相机拍摄获取轮廓图像，经图像处理分析，获得平行砂轮轮廓；
步骤3：根据平行砂轮轮廓尺寸和成形砂轮设计图纸，通过CAD软件设计，建立标准轮廓图；
步骤4：设计的规整走刀路径，通过数控平面磨床进行粗整形加工，通过磨削复映和图像处理获得粗整形后的轮廓；
步骤5：根据粗整形后的砂轮轮廓图，计算轮廓的偏差值，通过轮廓补偿算法计算出补偿加工的走刀路径并转化为数控补偿程序；
步骤6：将步骤5生成的数控补偿程序，传输到数控平面磨床，执行补偿程序，实现砂轮的高精度补偿整形加工，获得补偿整形后的砂轮轮廓。
步骤7：通过磨削复映过程获得步骤6中补偿整形后砂轮的复映轮廓图片，通过图像处理过程得到精整形后的轮廓和粗整形偏差值；
步骤8：根据步骤7中的检测结果，若偏差值小于设计精度要求，整形过程结束。
进一步地，在步骤2中，具体磨削复映过程中，石墨板由通过位移平台由石墨板检测时的位置移动至石墨板磨削时的位置进行磨削复映，将成形的砂轮的回转轮廓磨削复映到石墨板上，磨削后石墨板通过位移平台由石墨板磨削时的位置移动至石墨板检测时的位置，移动至远心镜头正下方，平行背光源照射石墨板并经过远心镜头，在相机上呈现出稳定黑白对比的复映轮廓，触发相机拍摄采集复映轮廓图片，传入计算机进行图像处理，获得平行砂轮轮廓。
本发明的有益效果在于：
(1)针对激光切向整形，提出磨削复影法间接检测砂轮回转轮廓，避免了直接检测砂轮表面的获取回转轮廓差的缺点，可以提供精确的轮廓形状和尺寸检测。
(2)提出了“粗修整-检测-补偿修整”的数控补偿自动修整方法，改变了沿着规整轮廓激光走刀路径，将检测引入整形中，提出了补偿激光走刀路径(组合曲线)算法进行激光切向整形，改变盲目的仅通过工艺参数的反复整形过程才能达到要求精度。
(3)设计建立了完整的磨削复映法图像处理的检测系统，搭载在磨床上，通过结合数控磨床可以实现在位的高精度砂检测和整形.
附图说明
图1是系统结构图；
图2是系统俯视图；
图3是检测原理示意图；
图4是检测整形流程图；
图5是算法原理图；
其中：10-平行背光源；20-第一进风口；30-第二进风口，40-远心镜头；30-计算机；50-相机；60-密封帘；70-毛刷；80--位移平台；90-石墨板夹具；100-石墨板；110-待修整平行砂轮；120-主轴；130-数控平面磨床；130-保护罩；140-数控平面磨床工作台；150-激光烧蚀头；160-激光烧蚀头固定架,170-激光控制器,180-计算机,190光源控制器,200-空压机，210-检测装置。220-粗整形的走刀路径；230-粗整形后的轮廓；240-设计要求的轮廓；250-补偿整形的走刀路径；260-粗整形的有效光斑半径，270-补偿整形的有效光斑半径；280-补偿整形后的轮廓；A-石墨板磨削时的位置；B-石墨板检测时的位置；E-复映轮廓；F-回转面轮廓。
具体实施方式
下结合实施方案对本发明作进一步说明，其技术方案不局限于以下所列举的具体实施方案，还包括各具体实施参数之间的任意组合。
如图1至2所示，该实施提供了一种成形砂轮检测修整装置，数控平面磨床130作为主体、待修整平行砂轮110安装在数控平面磨床130的主轴120上；检测机构210安装在数控平面磨床的工作台140一侧，激光烧蚀头150安装与之对应的一侧。
光纤激光器发出的光束切向修整成形砂轮110，激光烧蚀头150通过激光烧蚀头固定架160固定安装在磨床工作台140上，激光烧蚀头150连接到光纤激光器，激光控制器170通过RS232连接到计算机180；
相机50、远心镜头40和平行背光源10在一条直线上组成成像原件组安装在检测装置210内部；相机50通过网线连接到计算机30，平行背光源10连接到光源控制器190，光源控制器190连接到计算机30中；石墨板100通过工件夹具90夹持固定在位移平台80，位移平台安装固定在检测装置210底部；密封帘60、毛刷70和集尘槽120设计在检测装置210的进口方向，在石墨板进入检测装置210时，毛刷70去除石墨板上黏附的粉尘，密封帘60防止磨削产生的石墨粉尘进入检测装置210内部；第一进风口20和第二进风口30设计在检测装置210的另一侧并通过管路与空压机200相连，空压机200通过控制线连接到计算机180中，压缩空气由第一进风口20和第二进风口30进入检测装置210，在内部形成保护气流，将粉尘驱赶到集尘槽120中收集起来。
如图3所示为检测的原理图，磨削复映过程：石墨板100通过位移平台80由石墨板检测时的位置B移动至石墨板磨削时的位置A进行磨削复映，磨削实质是砂轮的圆周表面的状态回转线的最高点集约到工件表面，磨削复映是利用砂轮磨削时砂轮的高点组成的回转面轮廓F对石墨工件进行加工，随着磨削深度加深砂轮的回转轮廓F会按照等比例方式刻印在石墨板100上，此刻石墨板100的复映轮廓E与砂轮的回转轮廓F的凹凸形状呈现完美的互补性，砂轮的回转轮廓F完整的复映到了石墨板100上，通过检测石墨板的复映轮廓E可以获得砂轮的回转轮廓F；
检测过程：磨削后石墨板100通过位移平台80由石墨板磨削时的位置A移动至石墨板检测时的位置B，此刻石墨板100在远心镜头40正下方，平行背光源10照射石墨板100并经过远心镜头40，在相机50上呈现出稳定黑白对比的复映轮廓E，经图像处理后提取并数字化测量复映轮廓E，根据砂轮回转截面F和复映轮廓E良好形状互补性，反向推导出砂轮回转面轮廓F的数字化检测结果，从而实现几何形状轮廓与尺寸的定量检测。
如图5示出了该实施例的补偿算法原理：
首先，根据目标形状设计的规则路径Di，进行砂轮的粗修整得到粗整形后轮廓Qi。由Di和Ri的轮廓点估计补偿加工走刀路径Pi：
d1i＝|Qi-Ri|＝[|ui-mi|,|vi-ni|]
Pi＝[si,ti]≈Di±(a×d1i+b)＝[xi±a·|ui-mi|+b,yi±a·|vi-ni|+b]
其中a，b为线性参量。d1i表示有效加工半径集合的街区距离，
Qi＝[ui,vi],i＝1,2,...,n为粗整形后轮廓220点集合；
Ri＝[mi,ni]为粗整形走刀路径230点集合；
Di＝[xi,yi]为设计要求的轮廓240点集合；
Pi＝[si,ti]为补偿整形的走刀路径250点集合。
Bi＝[ei,fi]为补偿整形后的轮廓280点集合。
公式中补偿算法过程中左边的补偿使用加法，右边的使用减法。
该实施例还提供了一种基于复映法的成形砂轮检测激光切向整形方法，具体包括：
步骤1：进行加工准备，将待修整平行砂轮110装夹在数控平面磨床130，检测机构210安装在数控平面磨床的一侧。激光烧蚀头150安装与之对应的一侧，根据其参数调节好激光的焦距。
步骤2：测量待修整平行砂轮110的轮廓，通过磨削复映获得待修整平行砂轮110的轮廓，通过相机拍摄获取轮廓图像，经图像处理分析，获得平行砂轮轮廓。
该步骤中，磨削复映C过程中待修整平形砂轮进行精密磨削复映，磨削时进给量先采用8-12μm/min粗磨，后调整为1-5μm/min精磨，获得平砂轮的复映工件。具体磨削复映过程，石墨板100由通过位移平台80由石墨板磨削时的位置A移动至石墨板检测时的位置B进行磨削复映，可将成形的砂轮的回转轮廓F磨削复映到石墨板100上，磨削后石墨板100通过位移平台80由石墨板检测时的位置B移动至石墨板磨削时的位置A，仅水平方向运动移而不发生其他方向的倾斜，移动至远心镜头40正下方，平行背光源10照射石墨板100并经过远心镜头40，在相机50上呈现出稳定黑白对比的复映轮廓E，触发相机拍摄采集复映轮廓E图片，传入计算机180进行图像处理，获得平行砂轮轮廓。
步骤3：根据平行砂轮轮廓尺寸和成形砂轮设计图纸，通过CAD软件设计，建立标准轮廓图。
该步骤中，图4中的标准轮廓建立,根据待修整砂轮轮廓尺寸和成形砂轮设计图纸，通过CAD软件添加到根据步骤3待修整平行砂轮轮廓上，最终生成DXF格式图纸，经由图像处理技术转化为bitmap格式图片作为标准轮廓图。
步骤4：设计的规整走刀路径，通过数控平面磨床进行粗整形加工，通过磨削复映和图像处理获得粗整形后的轮廓。
该步骤中，粗整形加工过程选取优化过的激光工艺参数，保留一定余量，设计粗整形的规整走刀路径，图5中的Ri所示。根据设计的规整走刀路径，设计粗加工程序，导入数控平面磨床130，由计算机180发出指令通过激光控制器170完成激光参数设定，数控平面磨床130带动激光烧蚀头150进行数控加工，其中二轴轮廓路径控制，第三轴调节激光离焦量，完成当程序设定循环次数后加工结束。
该步骤中，轮廓获取方式同步骤2详述，粗整形后的砂轮进行磨削复映，得到粗修整后砂轮复映的轮廓图和轮廓尺寸。
步骤5：根据粗整形后的砂轮轮廓图，计算轮廓的偏差值，通过轮廓补偿算法计算出补偿加工的走刀路径250并转化为数控补偿程序。
如图4中所示，该步骤中，图像处理过程G需要预先相机标定确定相机的内外参数，在步骤3中建立成形砂轮的标准轮廓。其中图像处理过程G中的轮廓检测D过程是提取粗整形后的砂轮轮廓，根据步骤3中建立标准轮廓图里由双模板匹配确定位置关系，获得校正轮廓，与标准设计轮廓240比对计算偏差值，经内外参数变换后获取到物理尺度下的粗整形后的轮廓220和粗整形偏差值|Qi-Di|。补偿整形的有效光斑半径270与粗整形的有效光斑半径270的关系由补偿算法确定，生成补偿轮廓算法生成补偿整形走刀路径250并转化为数控补偿程序。
步骤6：将步骤5生成的数控补偿程序，传输到数控平面磨床130，执行补偿程序，实现砂轮的高精度补偿整形加工，获得补偿整形后的砂轮轮廓。
步骤7：通过磨削复映C过程获得步骤6中补偿整形后砂轮的复映轮廓E图片，通过图像处理G过程得到补偿整形后的轮廓Bi和粗整形偏差值(|Qi-Di|)。
该步骤中磨削复映C过程，将复映的对象由待修整平行砂轮110替换为步骤6中补偿整形后砂轮，磨削复映的其他具体的过程与步骤2一致。图像处理G过程中的由步骤6中“补偿整形后的砂轮轮廓”替换步骤5中的“粗整形后的砂轮轮廓220”，其他具体处理过程不变。
步骤8：根据步骤7中的检测结果，若补偿整形后的偏差值|Bi-Di|小于设计精度要求，整形过程结束。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种成形砂轮检测修整装置，包括：数控平面磨床(130)、检测机构(210)、光纤激光器，其特征在于：
待修整平行砂轮(110)安装在数控平面磨床(130)的主轴(120)上；检测机构(210)安装在数控平面磨床的工作台(140)一侧，激光烧蚀头(150)安装在与之对应的另一侧；
光纤激光器发出的光束切向修整成形砂轮(110)，激光控制器(170)通过RS232连接到计算机(180)；
相机(50)、远心镜头(40)和平行背光源(10)在一条直线上组成成像原件组，成像原件组安装在检测装置(210)内部；平行背光源(10)连接到光源控制器(190)，光源控制器(190)连接到计算机(30)中；
石墨板(100)通过工件夹具(90)夹持固定在位移平台(80)，位移平台安装固定在检测装置(210)底部；第一进风口(20)和第二进风口(30)设计在检测装置(210)的另一侧并通过管路与空压机(200)相连，空压机(200)通过控制线连接到计算机(180)中，压缩空气由第一进风口(20)和第二进风口(30)进入检测装置(210)，在内部形成保护气流，将粉尘驱赶到集尘槽(120)中收集起来；
磨削复映过程中：石墨板(100)通过位移平台(80)由石墨板检测时的位置(B)移动至石墨板磨削时的位置(A)进行磨削复映，磨削复映是利用砂轮磨削时砂轮的高点组成的回转面轮廓(F)对石墨工件进行加工，砂轮的回转面轮廓(F)会按照等比例方式刻印在石墨板(100)上，通过检测石墨板的复映轮廓(E)能够获得砂轮的回转面轮廓(F)；
检测过程：磨削后石墨板(100)通过位移平台(80)由石墨板磨削时的位置(A)移动至石墨板检测时的位置(B)，此刻石墨板(100)在远心镜头(40)正下方，平行背光源(10)照射石墨板(100)并经过远心镜头(40)，在相机(50)上呈现出稳定黑白对比的复映轮廓(E)，经图像处理后提取并数字化测量复映轮廓(E)，根据砂轮回转面轮廓(F)和复映轮廓(E)良好形状互补性，反向推导出砂轮回转面轮廓(F)的数字化检测结果，从而实现几何形状轮廓与尺寸的定量检测。
2.根据权利要求1所述的一种成形砂轮检测修整装置，其特征在于：相机(50)通过网线连接到计算机(30)。
3.根据权利要求1所述的一种成形砂轮检测修整装置，其特征在于：还包括密封帘(60)、毛刷(70)和集尘槽(120)，密封帘(60)、毛刷(70)和集尘槽(120)设置在检测装置(210)的进口方向，在石墨板进入检测装置(210)时，毛刷(70)去除石墨板上黏附的粉尘，密封帘(60)防止磨削产生的石墨粉尘进入检测装置(210)内部。
4.一种基于复映法的成形砂轮检测激光切向整形方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：进行加工准备，将待修整平行砂轮(110)装夹在数控平面磨床(130)，检测机构(210)安装在数控平面磨床的一侧；激光烧蚀头(150)安装与之对应的另一侧；
步骤2：测量待修整平行砂轮(110)的轮廓，通过磨削复映获得砂轮的轮廓，通过相机拍摄获取轮廓图像，经图像处理分析，获得平行砂轮轮廓；具体磨削复映过程中，石墨板(100)由通过位移平台(80)由石墨板检测时的位置(B)移动至石墨板磨削时的位置(A)进行磨削复映，将成形的砂轮的回转面轮廓(F)磨削复映到石墨板(100)上，磨削后石墨板(100)通过位移平台(80)由石墨板磨削时的位置(A)移动至石墨板检测时的位置(B)，移动至远心镜头(40)正下方，平行背光源(10)照射石墨板(100)并经过远心镜头(40)，在相机(50)上呈现出稳定黑白对比的复映轮廓(E)，触发相机拍摄采集复映轮廓(E)图片，传入计算机(180)进行图像处理，获得平行砂轮轮廓；
步骤3：根据平行砂轮轮廓尺寸和成形砂轮设计图纸，通过CAD软件设计，建立标准轮廓图；该步骤中，标准轮廓建立,根据待修整砂轮轮廓尺寸和成形砂轮设计图纸，通过CAD软件添加到根据步骤3待修整平行砂轮轮廓上，最终生成DXF格式图纸，经由图像处理技术转化为bitmap格式图片作为标准轮廓图；
步骤4：设计的规整走刀路径，通过数控平面磨床进行粗整形加工，通过磨削复映和图像处理获得粗整形后的轮廓；
该步骤中，根据设计的规整走刀路径，设计粗加工程序，导入数控平面磨床(130)，由计算机(180)发出指令通过激光控制器(170)完成激光参数设定，数控平面磨床(130)带动激光烧蚀头(150)进行数控加工，当完成程序设定循环次数后加工结束；粗整形后的砂轮进行磨削复映，得到粗修整后砂轮复映的轮廓图和轮廓尺寸；
步骤5：根据粗整形后的砂轮轮廓图，计算轮廓的偏差值，通过轮廓补偿算法计算出补偿加工的走刀路径(250)并转化为数控补偿程序；
步骤6：将步骤5生成的数控补偿程序，传输到数控平面磨床(130)，执行补偿程序，实现砂轮的高精度补偿整形加工，获得补偿整形后的砂轮轮廓；
步骤7：通过磨削复映(C)过程获得步骤6中补偿整形后砂轮的复映轮廓(E)图片，通过图像处理(G)过程得到补偿整形后的轮廓和粗整形偏差值；
步骤8：根据步骤7中的检测结果，若补偿整形后的偏差值小于设计精度要求，整形过程结束。
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