CN110340728A - 面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制系统与方法。系统包括测量装置和通讯控制装置，所述测量装置包括孔径在线测量单元、机具状态单元、环境测量单元和数据传输模块，所述孔径在线测量单元主要由工业相机、高精度微调装置和带散射板的环形光源组成，实现在线实时采集孔组图像和分析处理孔组图像，获得孔组图像中的孔径数据；利用孔径在线测量单元的孔径(R)数据、机具状态单元的加工零件数(M)、环境测量单元的环境温度(T)数据处理获得拖拉机传动箱销孔加工的质量进而控制。本发明实现拖拉机制造过程孔组加工的质量控制，能触发加工质量异常定性或定量报警，并反馈信息及时采取措施，取得保障孔组加工质量的有益效果。

Description

面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制系统与方法
技术领域
本发明涉及精密制造孔组加工的质量预警与在线测量领域，特别涉及孔组加工质量的控制系统与方法。
背景技术
孔组的高精密加工制造采用数控机床，在加工制造过程中，加工质量会受到多种因素的影响。孔组加工质量的测量采用三坐标测量仪，测量效率低且测量环境要求高，因此通常采用抽检和首检方式控制加工质量，不能在线实时获取和预测孔组加工质量，当检测孔组加工质量出现问题时只能采取事后补救措施，造成生产成本高，不利于提高生产竞争力。
发明内容
为了克服现有孔组位置度的测量采用三坐标测量仪首检、孔组加工质量测量效率低、不能提前预警加工质量，进而导致生产成本高的问题。
使用基于机器视觉技术的视觉测量装置和系统在线实时采集孔组的孔径加工质量；采用刀具管理系统获取机床机具加工件数的数据；采用温度传感器获取加工现场环境温度。
本发明采用的技术方案是：
一、一种面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制系统：
系统包括测量装置和通讯控制装置，所述测量装置包括孔径在线测量单元、机具状态单元、环境测量单元和数据传输模块，所述孔径在线测量单元主要由工业相机、高精度微调装置和带散射板的环形光源组成，实现在线实时采集孔组图像和分析处理孔组图像，获得孔组图像中的孔径数据。
所述机具状态单元与制造拖拉机传动箱的数控机床实时通信，实时获取机床刀具的加工零件数；所述机具状态单元具体采用数据采集卡，用其边沿计数功能；所述环境测量单元包括温度传感器，采用温度传感器采集记录拖拉机传动箱孔组加工现场的环境温度。
所述数据传输模块的输入端分别与孔径测量单元、机具状态单元、环境测量单元连接，输出端连接到通讯控制装置，将孔径测量单元、机具状态单元、环境测量单元的三个单元获得的采集数据传输到通讯控制装置。
所述通讯控制装置包括无线移动通讯装置和计算机；所述无线移动通讯装置与数据传输模块通信连接，进行数据的远距离传输接收；无线移动通讯装置同时和计算机通信连接，进行数据的发送；所述计算机从无线移动通讯装置接收采集数据，进行分析并通过预警判断方式和建立的质量预警模型进行加工质量控制，具体是实现拖拉机传动箱端面销孔的位置度的质量控制。
所述的水平调节支架安装在两根竖直调节支架之间构成固定支架，拖拉机的传动箱上部和下部均开设有销孔，固定支架的上部和下部均安装有一个孔径在线测量单元，每个孔径在线测量单元包括相机和带散射板的环形光源；相机经高精度微调装置安装于固定支架上，带散射板的环形光源经光源位置调节机构安装于固定支架上，同一孔径在线测量单元中的相机和带散射板的环形光源均同向朝向销孔进行拍摄和光照，在带散射板的环形光源光照销孔条件下，通过相机采集两个销孔的图像，并组成孔组图像。
所述的高精度微调装置采用螺旋千分尺微调结构，调节精度达到0.001mm。
所述的温度传感器采用IRTP-100LS红外温度传感器。
所述的相机为工业相机。
本发明实施实验中分析探索获得了精密制造孔组加工的位置度与加工该孔组的刀具加工件数、环境温度和孔的孔径具有较大相关性，选择刀具加工件数、环境温度和孔径作为精密制造孔组加工的位置度的实时控制调整参数，以进行实时控制分配。
二、一种面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制方法，方法步骤包括：
1)通过孔径在线测量单元的成像测量装置在线采集孔组图像，然后分析处理获得孔径(R)数据后，经过数据传输模块和无线移动通讯装置把孔径数据传输到通讯控制装置；
2)通过机具状态单元实时获取数控机床中刀具加工的加工零件数，经过数据传输模块和无线移动通讯装置把加工零件数(M)数据传输到通讯控制装置；
3)通过环境测量单元实时通过温度传感器采集的环境温度(T)数据，经过数据传输模块和无线移动通讯装置把环境温度(T)数据传输到通讯控制装置；
4)通讯控制装置利用接收到的三种数据按照以下三种预警判断方式进行处理：
(T>a and M>b)or(T>a and R>c)or(M>b and R>c)
其中，a、b、c分别为具体加工零部件孔组位置度超差主要影响因素的环境温度T、加工零件数M、孔径R的临界值；
同时，通讯控制装置将接收到的三种数据归一化后输入到质量预警定量模型中，实时获得下一件加工的孔组位置度预测值；
5)若满足三种预警判断方式之一，或下一件加工的孔组位置度预测值和预设位置度阈值之间出现超差，则触发加工质量异常定性或定量报警，并通过无线移动通讯装置反馈。
所述质量预警定量模型采用最小二乘支持向量机建立，采用k折交叉验证法对输入的数据进行测试和训练，采用粒子群优化算法确定径向基核函数的参数σ＝0.01和惩罚因子C＝113.7015，将获取的环境温度T、加工零件数M、孔径R数据进行归一化处理后输入模型。
所述的传动箱端面销孔位置度为两个销孔之间的横向和纵向间距。
本发明针对拖拉机传动箱的精密制造孔组加工的质量控制，其特殊在拖拉机传动箱销孔的精密制造采用数控机床加工，加工制造过程中的中间数据无法获取，通过选择数控机床机具的加工件数、环境温度和孔径数据建立预警规则和质量预警模型来作为分析影响加工质量的外部因素，进而处理实现精密制造孔组加工质量的提前预警，并克服传统孔组加工质量只能采用三坐标测量仪进行首检的弊端和问题。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明建立精密制造孔组加工质量的预警模型，基于粒子群优化算法和最小二乘支持向量机建立质量预警模型，通过预警孔组加工质量，避免了现有精密制造孔组加工制造的中间数据难以获取，无法建立质量模型的问题，对精密制造孔组加工质量机型在线实时分析和控制，提高生产效率，降低生产成本。
本发明实现孔组孔径的在线实时测量，分析精密制造孔组加工的质量影响因素，能够根据采集的现场数据利用质量预警模型提前预测孔组加工质量，有效降低生产成本，提高生产效率。
本发明实现拖拉机制造过程孔组加工的质量控制方法步骤包括在线测量孔径、实时获取刀具加工件数和加工环境温度，通讯控制装置利用接收到的数据自动匹配预警规则、模型分析，触发加工质量异常定性或定量报警，并反馈信息及时采取措施，取得保障孔组加工质量的有益效果。
附图说明
图1为本发明实施例拖拉机传动箱端面销孔在线测量单元示意图；
图2为本发明实施例拖拉机传动箱端面销孔加工质量要求设计图；
图3为本发明实施例拖拉机传动箱端面销孔位置度的质量控制方法流程图；
图4为本发明实施例拖拉机传动箱端面销孔位置度的预警模型建立的流程图。
图1中：1-水平调节支架；2-竖直调节支架；3-高精度微调装置；4-相机；5-光源位置调节机构；6-带散射板的环形光源；7-销孔；8-传动箱。
具体实施方式
下面结合附图以拖拉机传动箱端面销孔位置度的加工质量为实施例，对本发明的拖拉机制造过程孔组加工的质量控制系统与方法作详细描述。
具体实施的系统包括测量装置和通讯控制装置，测量装置包括孔径在线测量单元、机具状态单元、环境测量单元和数据传输模块，孔径在线测量单元主要由工业相机、高精度微调装置和带散射板的环形光源组成，实现在线实时采集孔组图像和分析处理孔组图像，获得孔组图像中的孔径数据；
孔径在线测量单元中，经过相机标定和畸变矫正、图像滤波降噪、图像增强、感兴趣区域提取、二值化、Canny边缘检测、霍夫圆变换特征提取、Zernike矩亚像素边缘检测和最小二乘拟合圆特征提取的依次处理获得孔径数据。
机具状态单元具体采用数据采集卡，利用其边沿计数功能，与制造拖拉机传动箱的数控机床实时通信，实时获取机床刀具的加工零件数；环境测量单元包括温度传感器，采用IRTP-100LS红外温度传感器采集记录拖拉机传动箱孔组加工现场的环境温度；
数据传输模块的输入端分别与孔径测量单元、机具状态单元、环境测量单元连接，输出端连接到通讯控制装置，将孔径测量单元、机具状态单元、环境测量单元的三个单元获得的采集数据传输到通讯控制装置；
通讯控制装置包括无线移动通讯装置和计算机；无线移动通讯装置与数据传输模块通信连接，进行数据的远距离传输接收；无线移动通讯装置同时和计算机通信连接，进行数据的发送；计算机从无线移动通讯装置接收采集数据，进行分析并通过预警判断方式和建立的质量预警模型进行加工质量控制，具体是实现拖拉机传动箱端面销孔的位置度的质量控制。
计算机中的加工质量控制具体可以通过其内部内置的特定预警和模型处理软件进行分析处理而控制。
如图1所示，本发明具体实施拖拉机传动箱端面销孔的孔径在线测量单元包括水平调节支架1、竖直调节支架2和高精度物距微调装置3。水平调节支架1安装子两根竖直调节支架2之间构成固定支架，拖拉机的传动箱8上部和下部均开设有销孔7，固定支架的上部和下部均安装有一个孔径在线测量单元，两个孔径在线测量单元分别对应测量上下部的两个销孔7，每个孔径在线测量单元包括相机4和带散射板的环形光源6；相机4经高精度微调装置3安装于固定支架上，带散射板的环形光源6经光源位置调节机构5安装于固定支架上，同一孔径在线测量单元中的相机4和带散射板的环形光源6均同向朝向销孔7进行拍摄和光照，在带散射板的环形光源6光照销孔7条件下，通过相机4采集两个销孔7的图像，并组成孔组图像。高精度微调装置3用于精确调整相机4到销孔7之间的物距，带散射板的环形光源6中的散射板使得环形光源6光照均匀且无光斑。
相机4采用中国微图视觉有限公司生产的Mars火星千兆网系列工业面阵相机，型号为Mars5000s-20gm，镜头型号为VT-LEM7028-CBMP5的75mm焦距镜头，在相机与镜头之间安装27.5mm延长管提高成像分辨率；光源6采用型号为VT-LT2-HR12060W的高亮度环形光源，并配有散射板保障光照均匀且无光斑，光源支架5可调节环形光源位置使其获得最优成像质量。
如图2拖拉机传动箱端面销孔加工质量要求设计图所示，拖拉机传动箱端面销孔的位置度跨度较大，在实际生产中受多因素影响易出现超差情况，本发明在线实时采集销孔的图像，输出孔径测量数据，选择环境温度T、加工零件数M、孔径R作为位置度的主要因素，一起共同建立位置度质量预警定量模型，进而对位置度进行预测和判断处理。
如图3所示，本发明的具体实施例及其实施控制过程如下：
1)通过孔径在线测量单元的成像测量装置在线采集孔组图像，然后分析处理获得孔径(R)数据后，经过数据传输模块和无线移动通讯装置把孔径数据传输到拖拉机制造过程孔组加工质量控制系统的通讯控制装置；
2)通过机具状态单元实时获取数控机床中刀具加工的加工零件数，经过数据传输模块和无线移动通讯装置把加工零件数(M)数据传输到拖拉机制造过程孔组加工质量控制系统的通讯控制装置；
3)通过环境测量单元实时通过温度传感器采集的环境温度(T)数据，经过数据传输模块和无线移动通讯装置把环境温度(T)数据传输到拖拉机制造过程孔组加工质量控制系统的通讯控制装置；
4)通讯控制装置利用接收到的三种数据按照以下三种预警判断方式进行处理：
(T>a and M>b)or(T>a and R>c)or(M>b and R>c)
具体实施中，针对拖拉机传动箱端面销孔位置度的预警判断具体设置为：(T>30and M>120)or(T>30and R>14.970)or(M>120and R>14.970)。
5)同时，通讯控制装置将接收到的三种数据归一化后输入到质量预警定量模型中，实时获得下一件加工的孔组位置度预测值，传动箱端面的销孔位置度为两个销孔之间的横向和纵向间距。
如图4所示，具体实施的质量预警定量模型是针对拖拉机传动箱的两个孔之间的相对位置度提出，采用k折交叉验证法对采集的数据进行测试和训练，采用粒子群优化算法确定径向基核函数的参数，其建立过程如下：
第一步：通过数据传输模块或者无线传输模块接收孔径测量单元、机具状态单元、环境测量单元采集的数据，由于数据度量标准不同，采用归一化的方法对数据预处理，其公式如下：
其中，x′i表示归一化后质量影响因素的数值，xi表示一种质量影响因素的原始试验数据，xmin、xmax表示一种质量影响因素的最小值和最大值。
第二步：采用k折交叉验证对采集数据进行测试和训练，能从有限的试验数据中获得尽可能多的信息，同时避免过拟合现象，k折交叉验证如下：
2.1)把归一化后的数据随机分成k份；
2.2)挑选其中的一份为测试集，其余的作为训练集；
2.3)使每一份数据集都有一次作为测试集的机会，计算每一次训练集训练得出的模型，用测试集进行测试，采用测试值与实际值之间的绝对误差平均值作为评价参数。
2.4)训练结束，计算k次测量值的平均值，作为模型的精度参数。
第三步：采用粒子优化算法对采用最小二乘支持向量机建立的质量预警定量模型的模型参数进行优化，使建立的质量预警定量模型的性能最优，获得质量预警模型。
质量预警定量模型采用最小二乘支持向量机建立，采用k折交叉验证法对输入的数据进行测试和训练，采用粒子群优化算法确定径向基核函数的参数σ＝0.01和惩罚因子C＝113.7015，将获取的环境温度T、加工零件数M、孔径R数据进行归一化处理后输入模型。具体实施中利用实际拖拉机加工车间销孔位置度的三坐标测量仪测量数据对比验证预测结果，表明质量预警模型的有效性和实用性。
6)若满足三种预警判断方式之一，或下一件加工的孔组位置度预测值和预设位置度阈值之间出现超差，则触发加工质量异常定性或定量报警，并通过无线移动通讯装置反馈，具体可反馈给加工现场加工人员，以及时采取措施进行调整控制，避免孔组加工质量出现问题。
由此可见，本发明提出的面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制系统与方法，在无法获得数控机床精密制造过程数据的情况下，通过分析外界质量影响因素，建立预警规则和预警模型，定性和定量分析传动箱端面销孔的位置度，控制孔组加工质量，提高生产效率，降低生产成本。

Claims (8)

1.一种面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制系统，其特征在于：系统包括测量装置和通讯控制装置，所述测量装置包括孔径在线测量单元、机具状态单元、环境测量单元和数据传输模块，所述孔径在线测量单元主要由工业相机、高精度微调装置和带散射板的环形光源组成，实现在线实时采集孔组图像和分析处理孔组图像，获得孔组图像中的孔径数据；
所述机具状态单元与制造拖拉机传动箱的数控机床实时通信，实时获取机床刀具的加工零件数；所述环境测量单元包括温度传感器，采用温度传感器采集记录拖拉机传动箱孔组加工现场的环境温度；
所述数据传输模块的输入端分别与孔径测量单元、机具状态单元、环境测量单元连接，输出端连接到通讯控制装置，将孔径测量单元、机具状态单元、环境测量单元的三个单元获得的采集数据传输到通讯控制装置；
所述通讯控制装置包括无线移动通讯装置和计算机；所述无线移动通讯装置与数据传输模块通信连接，进行数据的远距离传输接收；无线移动通讯装置同时和计算机通信连接，进行数据的发送；所述计算机从无线移动通讯装置接收采集数据，进行分析并通过预警判断方式和建立的质量预警模型进行加工质量控制。
2.根据权利要求1所述的一种面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制系统，其特征在于：所述的孔径在线测量单元包括固定支架和安装在固定支架上的相机(4)和环形光源(6)；水平调节支架(1)安装在两根竖直调节支架(2)之间构成固定支架，拖拉机的传动箱(8)上部和下部均开设有销孔(7)，固定支架的上部和下部均安装有一个孔径在线测量单元，每个孔径在线测量单元包括相机(4)和带散射板的环形光源(6)；相机(4)经高精度微调装置(3)安装于固定支架上，带散射板的环形光源(6)经光源位置调节机构(5)安装于固定支架上，同一孔径在线测量单元中的相机(4)和带散射板的环形光源(6)均同向朝向销孔(7)进行拍摄和光照，在带散射板的环形光源(6)光照销孔(7)条件下，通过相机(4)采集两个销孔(7)的图像，并组成孔组图像。
3.根据权利要求2所述的一种面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制系统，其特征在于：所述的高精度微调装置(3)采用螺旋千分尺微调结构。
4.根据权利要求2所述的一种面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制系统，其特征在于：所述的温度传感器采用IRTP-100LS红外温度传感器。
5.根据权利要求2所述的一种面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制系统，其特征在于：所述的相机(4)为工业相机。
6.一种面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制方法，其特征在于：采用上述权利要求1-5任一所述系统，方法步骤包括：
1)通过孔径在线测量单元的成像测量装置在线采集孔组图像，然后分析处理获得孔径(R)数据后，经过数据传输模块和无线移动通讯装置把孔径数据传输到通讯控制装置；
2)通过机具状态单元实时获取数控机床中刀具加工的加工零件数，经过数据传输模块和无线移动通讯装置把加工零件数(M)数据传输到通讯控制装置；
3)通过环境测量单元实时通过温度传感器采集的环境温度(T)数据，经过数据传输模块和无线移动通讯装置把环境温度(T)数据传输到通讯控制装置；
4)通讯控制装置利用接收到的三种数据按照以下三种预警判断方式进行处理：
(T>a and M>b)or(T>a and R>c)or(M>b and R>c)
其中，a、b、c分别为具体加工零部件孔组位置度超差主要影响因素的环境温度T、加工零件数M、孔径R的临界值；
同时，通讯控制装置将接收到的三种数据归一化后输入到质量预警定量模型中，实时获得下一件加工的孔组位置度预测值；
5)若满足三种预警判断方式之一，或下一件加工的孔组位置度预测值和预设位置度阈值之间出现超差，则触发加工质量异常定性或定量报警，并通过无线移动通讯装置反馈。
7.根据权利要求6所述的一种面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制方法，其特征在于：所述质量预警定量模型采用最小二乘支持向量机建立，采用k折交叉验证法对输入的数据进行测试和训练，采用粒子群优化算法确定径向基核函数的参数σ＝0.01和惩罚因子C＝113.7015，将获取的环境温度T、加工零件数M、孔径R数据进行归一化处理后输入模型。
8.根据权利要求6所述的一种面向拖拉机制造过程孔组加工的质量控制方法，其特征在于：所述的传动箱端面销孔位置度为两个销孔之间的横向和纵向间距。
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