CN108789155A - 一种摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测系统，包括：机床转台、机床床身、CCD相机、远心镜头、投影机、机床控制系统、上位机，所述机床转台安装在底部机床床身上，工件通过中心定位孔装夹在机床转台上；所述CCD相机和投影仪固定在左侧机床床身上；所述机床控制系统与所述机床转台电路连接，用于控制转台转动，以测量不同位置下的工件轮廓；所述CCD相机与上位机电路相连，用于将拍摄的图像传输到上位机进行处理。本发明还公开了一种摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测方法。本发明的系统与方法具有成本低、效率快、精度高的特点，可广泛运用于各种在机非接触式检测加工的场合，具有很大的潜力。

Description

一种摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测系统与方法

技术领域

本发明涉及工业在线轮廓的检测方法，特别是涉及一种摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测系统与方法。

背景技术

随着近年来科技的发展，零部件的精度要求越来越高，相应的检测方法与系统也提出进一步要求。在实际生产中，加工工件的检测方法分为离机测量和在机测量，而在机测量又分为接触式测量和非接触式测量。离机测量虽然有着通用性高、测量范围大等优点，但是随着零部件形状越来越复杂，加工工艺要求越来越高，一旦离机后发现没有达到生产要求，带来的废品将产生很大的损失。因此，近年来越来越多的生产都在尝试着采用在机测量的检测方法。

接触式测量有着可靠性高、对测量环境要求较低，但是其有着难以克服的缺点：1)其精度受触针直径大小的影响，不能检测出小沟槽、小孔等表面进行测量。2)触针式测量与被测表面接触，两者之间存在一定压力，会产生一定的测量误差，使用一段时间后触针的精度也会下降。3)接触式测量所花费的时间较多。

非接触式测量虽然对测量环境要求有一定要求，但其有着很多优点：1)测量装备不与被测量表面直接接触，因此被测表面不会受到影响，也不会损耗到测量装置。2)避免了由于接触引入的测量误差，其测量误差由设备本身决定。3)测量速度快，一次性测量范围大，可同时获取成像面的所有数据。

以上为离机测量、在机接触式测量与在机非接触式测量的优缺点对比，可以看出非接触测量有着其快速方便检测的优点，在往后的生产中，必然会越来越热门。

实际生产测量中，三维非接触光学测量方法是通过往被测物体表面投射不同类型的光，并拍摄经被测物体表面形状而发生了改变的光图像，这些图像中就包含了被测物体表面的三维轮廓信息。实现非接触光学测量的方法种类有很多，常用的有：激光三角法、相位移法、干涉法、摄影法等等。其中激光三角法运用得最为广泛，激光三角法有着其独特的优点：计算相对简单、成本低、便于安装和维护等等。

现有的大部分磨床还是采用传统的离机测量或者在机接触式测量，因此，在在机结构光非接触式测量的众多优点的基础上，实现一种针对性摆线齿轮磨床的在机轮廓检测系统与方法很有必要。

发明内容

本发明的目的在于克服在机接触式测量速度慢、精度不高的缺点与不足，利用在机非接触式精度高、误差小、测量效率快的优良性能，提出一种在机结构光非接触式工件轮廓检测系统与方法。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测系统，包括：机床转台、机床床身、CCD相机、远心镜头、投影机、机床控制系统、上位机，所述机床转台安装在底部机床床身上，工件通过中心定位孔装夹在机床转台上；所述CCD相机和投影仪固定在左侧机床床身上；所述机床控制系统与所述机床转台电路连接，用于控制转台转动，以测量不同位置下的工件轮廓；所述CCD相机与上位机电路相连，用于将拍摄的图像传输到上位机进行处理。

进一步地，所述工件为回转体类零件，所述工件的中心线与机床转台的旋转中心线重合。

进一步地，所述CCD相机光轴、投影机的光轴和工件的旋转中心线均位于XOZ平面内，且所述投影机的轴线与工件的中心线在XOZ平面内垂直，所述CCD相机的轴线与投影机的轴线在XOZ平面内的夹角为α，夹角α可变。

一种摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测方法，基于所述的在机非接触式轮廓检测系统，包括步骤：

步骤1、工件加工完成后，对在机非接触式轮廓检测系统进行标定；

步骤2、投影条纹至所需测量的工件轮廓表面，拍摄不同位置下的工件轮廓条纹图像并传输至上位机处理得到所有位置下的实际工件轮廓信息；

步骤3、上位机对不同位置下的所有实际工件轮廓信息进行拼接，得到工件的整体轮廓数据；

步骤4、通过整体轮廓数据计算出工件轮廓误差，并与技术要求进行对比。

进一步地，步骤1中，标定包括确定工件、CCD相机和投影机的空间相对位置关系；标定出CCD相机的内外参数，得到像素距离与实际物理距离之间的关系。

进一步地，所述的步骤2具体包括：

步骤21、将条纹投影到当前工件所要检测表面，投影条纹所在的平面位置距工件上表面的高度为h，h的值为齿厚的1/3-1/2；然后进行工件轮廓条纹图像的拍摄，所获得的条纹图像通过串口传至上位机，在上位机进行处理，得到当前位置下的实际工件轮廓信息；

步骤22、测量完当前位置下的数据后，通过机床控制系统控制机床转台转动N为摆线齿轮齿数，重复步骤21，直到获得所有位置下工件的实际工件轮廓信息；

进一步地，步骤2中，拍摄不同位置下的工件轮廓条纹图像时，前后图像存在条纹冗余。

进一步地，所述上位机由工件轮廓条纹图像处理得到工件轮廓信息时，采用相移法或者激光三角法。

进一步地，步骤3中，所述上位机对不同位置下的所有实际工件轮廓信息进行拼接时采用多组条纹数据，并采用最小二乘法减小误差。

进一步地，所述步骤4具体包括：

步骤41、根据工件的CAD图形，得到所加工工件的理论轮廓数据，将所述理论轮廓数据传输到上位机当中；

步骤42、将实际工件的轮廓数据与所述理论轮廓数据进行对比分析，判断实际生产所加工的轮廓数据误差是否达到要求，所述轮廓数据误差根据工件技术要求不同包括齿圈径向圆跳动公差、齿距累积公差、齿廓公差和齿向公差；

步骤43、如果已达要求，则停止加工，将工件拆卸下来；反之，则再对工件进行加工，直到满足工件要求为止。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明基于传统的在机接触式测量摆线齿轮磨床，替换了原来的触针系统，变换成非接触式的视觉系统，节约了成本；

(2)本发明的在机非接触式检测系统与方法具有精度高、寿命长、效率快的优势；

(3)本发明的在机非接触式检测系统与方法可对还未加工完成的工件进行轮廓检测，当摆线齿轮的轮廓公差、齿距累积公差未达到要求时，可以再进一步进行修整。

附图说明

图1是本发明的在机非接触式轮廓检测系统示意图。

图2是本发明的激光三角法测量原理图。

图3是本发明的在线检测原理示意图。

图中：1-工件；2-远心镜头；3-CCD相机；4-投影机；5-上位机；6-机床控制系统；7-机床床身；8-机床转台。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，一种摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测系统，包括：机床转台8、机床床身7、CCD相机3、远心镜头2、投影机4、机床控制系统6、上位机5，所述机床转台8安装在底部机床床身7上，工件1通过中心定位孔装夹在机床转台8上；所述CCD相机3和投影仪4固定在左侧机床床身7上；所述机床控制系统6与所述机床转台8电路连接，用于控制转台转动，以测量不同位置下的工件轮廓；所述CCD相机3与上位机5电路相连，用于将拍摄的图像传输到上位机5进行处理。

所述工件1为回转体类零件，所述工件1的中心线与机床转台8的旋转中心线重合。

所述CCD相机3光轴、投影机4的光轴和工件1的旋转中心线均位于XOZ平面内，且所述投影机4的轴线与工件1的中心线在XOZ平面内垂直，所述CCD相机3的轴线与投影机4的轴线在XOZ平面内的夹角为α，夹角α可变。

如图3所示，在进行检测前，先对工件进行预订的加工，如摆线齿轮的加工过程包括：

步骤301：获取加工工件CAD图形；

步骤302：根据图纸当中的参数要求，其包含各种工艺参数，根据这个目标制定相应的生产工艺，对应的将该生产工艺转化成机床加工代码；

步骤303：运行机床的生产代码，对工件进行磨削加工，直到程序运行完毕，机床停止加工。

在加工完成后，即可对摆线齿轮进行在机非接触式轮廓检测：

一种摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测方法，基于所述的在机非接触式轮廓检测系统，包括步骤：

步骤304：工件加工完成后，对在机非接触式轮廓检测系统进行标定；

步骤305：投影条纹至所需测量的工件轮廓表面，拍摄不同位置下的工件轮廓条纹图像并传输至上位机处理得到所有位置下的实际工件轮廓信息；

步骤306：上位机对不同位置下的所有实际工件轮廓信息进行拼接，得到工件的整体轮廓数据；

步骤307：根据工件的CAD图形，得到所加工工件的理论轮廓数据，将所述理论轮廓数据传输到上位机当中；

步骤308：通过整体轮廓数据计算出工件轮廓误差，并与技术要求进行对比分析。

具体地，步骤304中，标定包括确定工件、CCD相机3和投影机4的空间相对位置关系；标定出CCD相机3的内外参数，得到像素距离与实际物理距离之间的关系。

具体地，所述的步骤305具体包括：

步骤3051、将条纹投影到当前工件所要检测表面，投影条纹所在的平面位置距工件上表面的高度为h，h的值为齿厚的1/2；然后进行工件轮廓条纹图像的拍摄，得到所获得的条纹图像通过串口传至上位机，在上位机进行处理，得到当前位置下单个齿的实际工件轮廓信息；

步骤3052、测量完当前位置下的数据后，通过机床控制系统6控制机床转台8转动N为摆线齿轮齿数，重复步骤21，直到获得所有位置下工件的所有齿的实际工件轮廓信息，该步骤可重复实验，以获取多组轮廓数据来减小误差；

具体地，步骤305中，拍摄不同位置下的工件轮廓条纹图像时，前后图像存在条纹冗余。

具体地，所述上位机由工件轮廓条纹图像处理得到工件轮廓信息时，采用相移法或者激光三角法，实际生产中，相移法和激光三角法使用比较广泛，相移法其原理为：通过采集多帧具有一定相移的条纹图像来计算包含有被测物体表面三维信息的相位初值。假设条纹图像光强是标准正弦分布，则其光强分布函数为：

I_i(x,y)＝I′(x,y)+I″(x,y)*cos[φ(x,y)+δ_i]

其中I′(x,y)为图像的平均灰度，I″(x,y)为图像的灰度调制，δ_i为图像的相位移，φ(x,y)为待计算的相对相位值。目前采用较多的为四步相移算法，四幅光栅图像的δ_i相位移分别为：0、π/2、π、3π/2。

本实施例采用激光三角法，如图2所示。设投影机成像中心O₁，相机光心为O₂，两者之间的距离为B；相机光轴与水平面夹角为α，相机焦距为f，x′表示物体在CCD上相对于原点的偏移量，则根据几何关系可得：

具体地，步骤306中，所述上位机对不同位置下的所有实际工件轮廓信息进行拼接时采用多组条纹数据，并采用最小二乘法减小误差。

具体地，所述步骤308具体包括：

步骤3081、将实际工件的轮廓数据与所述理论轮廓数据进行对比分析，判断实际生产所加工的轮廓数据误差是否达到要求，所述轮廓数据误差根据工件技术要求不同包括齿圈径向圆跳动公差、齿距累积公差、齿廓公差和齿向公差；

步骤3082、如果已达要求，则停止加工，将工件拆卸下来；反之，则再对工件进行加工，直到满足工件要求为止。

本发明以传统摆线齿轮磨床为平台，针对离线检测成本太高，在机接触式测量精度精度不高、效率太低等问题，提出一种摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测系统与方法，具有成本低、效率快、精度高的特点，可广泛运用于各种在机非接触式检测加工的场合，具有很大的潜力。

需要强调的是，上述的实施方式并不用以限制本发明的保护范围，凡是在本发明的精神和原则之内，所做的改进、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测系统，其特征在于，包括：机床转台(8)、机床床身(7)、CCD相机(3)、远心镜头(2)、投影机(4)、机床控制系统(6)、上位机(5)，所述机床转台(8)安装在底部机床床身(7)上，工件(1)通过中心定位孔装夹在机床转台(8)上；所述CCD相机(3)和投影仪(4)固定在左侧机床床身(7)上；所述机床控制系统(6)与所述机床转台(8)电路连接，用于控制转台转动，以测量不同位置下的工件轮廓；所述CCD相机(3)与上位机(5)电路相连，用于将拍摄的图像传输到上位机(5)进行处理。

2.根据权利要求1所述的摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测系统，其特征在于，所述工件(1)为回转体类零件，所述工件(1)的中心线与机床转台(8)的旋转中心线重合。

3.根据权利要求1所述的摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测系统，其特征在于，所述CCD相机(3)光轴、投影机(4)的光轴和工件(1)的旋转中心线均位于XOZ平面内，且所述投影机(4)的轴线与工件(1)的中心线在XOZ平面内垂直，所述CCD相机(3)的轴线与投影机(4)的轴线在XOZ平面内的夹角为α，夹角α可变。

4.一种摆线齿轮磨床在机非接触式工件轮廓检测方法，基于如权利要求1至3中任一项所述的在机非接触式轮廓检测系统，其特征在于，包括步骤：

步骤1、工件加工完成后，对在机非接触式轮廓检测系统进行标定；

步骤2、投影条纹至所需测量的工件轮廓表面，拍摄不同位置下的工件轮廓条纹图像并传输至上位机处理得到所有位置下的实际工件轮廓信息；

步骤3、上位机对不同位置下的所有实际工件轮廓信息进行拼接，得到工件的整体轮廓数据；

步骤4、通过整体轮廓数据计算出工件轮廓误差，并与技术要求进行对比。

5.根据权利要求4所述的在机非接触式轮廓检测方法，其特征在于：步骤1中，标定包括确定工件、CCD相机(3)和投影机(4)的空间相对位置关系；标定出CCD相机(3)的内外参数，得到像素距离与实际物理距离之间的关系。

6.根据权利要求4所述的在机非接触式轮廓检测方法，其特征在于：所述的步骤2具体包括：

步骤21、将条纹投影到当前工件所要检测表面，投影条纹所在的平面位置距工件上表面的高度为h，h的值为齿厚的1/3-1/2；然后进行工件轮廓条纹图像的拍摄，所获得的条纹图像通过串口传至上位机，在上位机进行处理，得到当前位置下的实际工件轮廓信息；

步骤22、测量完当前位置下的数据后，通过机床控制系统(6)控制机床转台(8)转动N为摆线齿轮齿数，重复步骤21，直到获得所有位置下工件的实际工件轮廓信息。

7.根据权利要求4所述的在机非接触式轮廓检测方法，其特征在于：步骤2中，拍摄不同位置下的工件轮廓条纹图像时，前后图像存在条纹冗余。

8.根据权利要求4所述的在机非接触式轮廓检测方法，其特征在于：所述上位机由工件轮廓条纹图像处理得到工件轮廓信息时，采用相移法或者激光三角法。

9.根据权利要求4所述的在机非接触式轮廓检测方法，其特征在于：步骤3中，所述上位机对不同位置下的所有实际工件轮廓信息进行拼接时采用多组条纹数据，并采用最小二乘法减小误差。

10.根据权利要求4所述的在机非接触式轮廓检测方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

步骤41、根据工件的CAD图形，得到所加工工件的理论轮廓数据，将所述理论轮廓数据传输到上位机当中；

步骤42、将实际工件的轮廓数据与所述理论轮廓数据进行对比分析，判断实际生产所加工的轮廓数据误差是否达到要求，所述轮廓数据误差根据工件技术要求不同包括齿圈径向圆跳动公差、齿距累积公差、齿廓公差和齿向公差；

步骤43、如果已达要求，则停止加工，将工件拆卸下来；反之，则再对工件进行加工，直到满足工件要求为止。