CN110587484A - 一种实时预测研抛加工过程去除效果的装置及方法 - Google Patents

一种实时预测研抛加工过程去除效果的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种实时预测研抛加工过程去除效果的装置及方法，该方法包括以下步骤：（1）采用机器视觉方法监测加工区域，获取实时图像特征信息；（2）将所述实时图像特征信息，经过研磨抛光去除模型处理和计算，输出预测去除效果。该装置包括机器视觉系统、主机、预测去除软件模块和辅助支撑机构。该方法自动化智能化程度高，提高了工件的加工精度和加工效率；本发明综合考虑工件在研磨抛光加工过程的实际状况，能够实时预测加工去除效果，对研磨抛光加工具有积极指导意义。

Description

一种实时预测研抛加工过程去除效果的装置及方法
技术领域
本发明属于精密加工技术领域，具体涉及一种实时预测研抛加工过程去除效果的方法以及利用该方法实现实时预测研磨加工效果的装置。
背景技术
目前常见的研磨抛光方式为散粒研磨，但传统的散粒研磨加工效率低、加工成本高、加工精度和加工质量不稳定等缺点。固着磨料研磨加工技术则解决了这些问题，既能保证研磨加工精度和加工质量，又能显著提高研磨效率、降低加工成本。
由于研磨抛光过程大部分是浮动研磨，一般具体表现为磨具运动已知，但工件运动未知。而研磨抛光加工过程中，磨料与工件的相对运动为磨具自身的回转运动与工件自身的回转运动相叠加，因此固着磨料加工工件的去除效果无法预判。
在一些研究中，研究者已用数学公式推导和模拟在特定情况下，单颗研磨微粒相对于工件的运动轨迹。但随着加工过程的进行，由于工件的转动是随动的，在不同加工条件下的转速不同。仅用特定的转速或转速比来推断预测一段时间内工件加工面形的变化，存在较大的误差，不能反映实际加工过程中磨料的实际轨迹。
目前轨迹模拟仅限于二维坐标系中进行，通过二维轨迹线的疏密来模拟去除效果，当轨迹线较为稠密时，无法分辨去除效果，不具有实际应用价值。
发明内容
本发明提供一种实时预测研抛加工过程去除效果的方法及装置，能够实时预测研磨抛光加工过程中对工件的去除效果。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种实时预测研抛加工过程去除效果的方法，包括以下步骤：
(1)采用机器视觉方法监测加工区域，获取实时图像特征信息；
(2)将所述实时图像特征信息，经过研磨抛光去除模型处理和计算，输出预测去除效果。
进一步的，所述实时图像特征信息包括通过机器视觉处理系统所获取的工件转速、时间间隔、研磨盘转速或工件相对于研磨盘的偏心量。
进一步的，在单段加工过程中，图像采集装置的位置不变，研磨盘的转速可以视为恒定。
进一步的，工件转速的算法为：机器视觉处理系统实时识别工件上的特征点以及特征点在图像中对应的位置，根据图像采集的帧率和数据的更新频率，设定一次处理图像的帧数；计算处理图像序列第一帧与最后一帧图像中特征点转动的角度和时间间隔，确定此段时间内工件转动的角度，即为工件的实时转速。
进一步的，构建去除模型的算法为：根据研磨抛光轨迹方程，已知研磨盘转速、工件相对于研磨盘的偏心距，研磨抛光磨粒根据统计规律结合实验分析给出；此时根据参数方程，将二维轨迹线离散化取点，可以实时获取轨迹坐标；通过数字化坐标系，将二维笛卡尔坐标系中平面坐标轴进行数字化，以一定粒度进行划分，比较轨迹点和相应坐标区间，以坐标区间中轨迹点的个数为基准，结合去除系数和去除因子，生成去除量；最后根据二维坐标区间中点所处的平面点、此平面点对应的去除量在三维坐标系中构建离散点，利用相应算法，将三维点集转化为各种预测去除效果图。
进一步的，去除效果的显示方式包括三维点集、等值面、轮廓图或三维曲面图。
进一步的，平面坐标轴划分粒度、去除系数和去除因子的取值，与加工过程中的偏心距、压力、磨料或摩擦力因素有关，并根据实际加工过程进行优化确定，以使去除模型与实际加工过程吻合。
进一步的，该装置包括机器视觉系统、主机、预测去除软件模块和辅助支撑机构；所述机器视觉系统主要包括光源、相机、镜头、输入/输出单元、图像处理软件；所述预测去除软件模块运行在主机上；所述辅助支撑机构包括固定底板、立柱、相机支撑板、光源支撑板，所述机器视觉系统设置在辅助支撑机构上。
进一步的，所述固定底板固定在研磨抛光机上，所述立柱固定在固定底板上，所述相机支撑板和光源支撑板从上到下依次固定在立柱上；所述镜头固定在相机上，所述相机固定在相机支撑板的底面，所述光源固定在光源支撑板的底面。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的实时预测研抛加工过程去除效果的方法及装置，利用机器视觉方法，对转速不恒定的工件进行转速检测，自动化程度高；
(2)本发明可以实时预测研磨抛光过程的去除效果，避免加工者的重复调整加工参数，同时可记忆加工参数和加工后效果，实时矫正加工模型，具有一定的智能性；
(3)本发明通过数据的累积和矫正，预测效果更加贴合实际加工状况，有利于提高加工精度和加工效率；
(4)本发明综合考虑工件在研磨抛光加工过程的实际状况，能够实时预测加工去除效果，对研磨抛光加工具有积极指导意义。
附图说明
图1为本发明所述装置的立体图；
图2为工件的研磨抛光加工示意图；
图3为工件研磨抛光加工相对运动图；
图4为本发明所述方法的流程图；
图5为图像处理的算法流程图；
图6为去除模型的算法流程图。
图中：1、研磨抛光机；2、研磨抛光机桌面；3、研磨盘；4、工件；5、卡盘；6、压盘；7、固定底板；8、立柱；9、相机支撑板；10、相机；11、光源支撑板；12、光源；13、顶杆。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
正如背景技术所提到的，根据磨粒相对于工件的二维轨迹线可以确定去除效果，但不具有实施性。迄今为止，描述材料去除量与其影响因素之间关系较为通用的数学模型是Preston方程：
式中，为单位时间的材料去除量，K为与加工条件及材料性能有关的系数，P为研磨盘与工件间的相对压力，v为研磨盘与工件间的相对速度。
下面将结合所述一种实时预测研抛加工过程去除效果的装置，介绍本发明具体实施方式。
如图1所示，本发明装置包括机器视觉系统、主机、预测去除软件模块和辅助支撑机构，所述机器视觉系统包括相机10、光源12、镜头、输入/输出单元、图像处理软件，所述预测去除软件模块运行在主机上；所述辅助支撑机构包括固定底板7、立柱8、相机支撑板9、光源支撑板11；所述固定底板7通过螺纹连接固定在研磨抛光机1的桌面上，所述立柱8通过螺纹连接固定在固定底板7上，所述相机支撑板9螺纹连接固定在立柱8的顶端，所述镜头通过螺纹连接固定在相机10上，所述相机10通过螺纹连接固定在相机支撑板9的竖直端面；所述光源12通过螺纹连接固定在光源支撑板11上。
所述的研磨抛光机上固定有研磨抛光机桌面2、研磨盘3和顶杆13，所述的研磨盘3上放置有工件4并通过顶杆13顶住卡盘5和压盘6进行固定，加工过程中，工件4绕顶杆13中心旋转。
工件在研磨抛光机上的加工示意图如图2所示，研磨盘3由电机带动，以转速ω1绕定点O1转动，工件4浮动在研磨盘3上，由研磨盘3与工件4间的相互作用，工件4随动，以转速ω2绕定点O2转动。
由图3所示，以磨具的旋转中心O1为坐标原点，在垂直于旋转轴线的磨盘表面建立直角坐标系，在此坐标系下建立研磨运动的轨迹方程式。磨具上点A相对于工件的运动轨迹方程为：
其中e为偏心距，ω1为磨盘转速，ω2为工件转速，RA为点A到O1点的距离，t为研磨时间。
利用机器视觉方法，对实际加工过程进行处理，如图4所示，首先由机器视觉系统的光源照在监测区域，相机实时采集工件运动图像，图像处理软件进行处理，输出工件转速及时间间隔等图像特征信息；预测去除软件获取特征信息并将数据代入去除模型，最终将预测信息输出。
图像处理的算法如图5所示，首先采集第一帧图像，因为图像采集时，相机固定放置且采集区域不变。在第一帧图像中，选择识别工件，以获取工件的旋转中心；在第一帧图像中，框选识别区域，此区域为标志在工件上的规则标识；其次，实时采集图像，根据图像采集的速度设定处理帧数(例如，若图像采集速度为f帧/秒，设定每秒更新一次转速数据，则每次处理帧图像)，以保证采集与输出图像信息之间的时延不影响整个加工预测的精度。将待处理的图像暂存并获取每帧图像中跟踪区域的中心坐标，当帧数达到设定值时，已知工件的旋转中心坐标、暂存图像中第一帧图像跟踪区域的中心坐标、暂存图像中最后一帧跟踪区域的中心坐标，由余弦定理，可得到工件相对旋转中心从第一帧到最后一帧运动的角度；又已知工件运动的时间，可求出工件运动的角速度，此速度即为设定更新时间内工件的平均转速。
接着，机器视觉系统将图像处理所获取的工件转速ω2和时间间隔t等信息输出，由预测去除软件进行数据接收和处理。根据轨迹方程，已知研磨盘转速ω1，点A到点O1的距离RA、偏心距e均根据统计规律给出，此时根据参数方程，将二维轨迹线离散化取点，可以实时获取(x，y)坐标。通过数字化坐标系，将二维笛卡尔坐标系中x、y坐标轴进行数字化，以一定粒度α进行划分，xi＝i*α、yi＝i*α，比较xi-α/2<x<＝xi+α/2、yj-α/2<y<＝yj+α/2，若(x，y)在此区间，则以出现此区间点的次数zij为基准，赋予Zij＝βzij+γ，β为去除系数，γ为去除因子，即Z＝g(z)，即Z＝g(f(X，Y))。根据实际加工情况确定。最后根据计算所得(X，Y，Z)在三维坐标系中画离散点，利用相应算法，拟合三维点集为三维曲面。
以上即为预测研抛加工过程去除效果的初始模型算法设计思路，具体α、β、γ的取值，与加工过程中的偏心距、压力、磨料、摩擦力等因素有关，将根据实际加工过程进行优化确定，以使去除模型与实际加工过程吻合。

Claims (9)

1.一种实时预测研抛加工过程去除效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用机器视觉方法监测加工区域，获取实时图像特征信息；
（2）将所述实时图像特征信息，经过研磨抛光去除模型处理和计算，输出预测去除效果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时图像特征信息包括通过机器视觉处理系统所获取的工件转速、时间间隔、研磨盘转速或工件相对于研磨盘的偏心量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在单段加工过程中，图像采集装置的位置不变，研磨盘的转速可以视为恒定。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，工件转速的算法为：机器视觉处理系统实时识别工件上的特征点以及特征点在图像中对应的位置，根据图像采集的帧率和数据的更新频率，设定一次处理图像的帧数；计算处理图像序列第一帧与最后一帧图像中特征点转动的角度和时间间隔，确定此段时间内工件转动的角度，即为工件的实时转速。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，构建去除模型的算法为：根据研磨抛光轨迹方程，已知研磨盘转速、工件相对于研磨盘的偏心距，研磨抛光磨粒根据统计规律结合实验分析给出；此时根据参数方程，将二维轨迹线离散化取点，可以实时获取轨迹坐标；通过数字化坐标系，将二维笛卡尔坐标系中平面坐标轴进行数字化，以一定粒度进行划分，比较轨迹点和相应坐标区间，以坐标区间中轨迹点的个数为基准，结合去除系数和去除因子，生成去除量；最后根据二维坐标区间中点所处的平面点、此平面点对应的去除量在三维坐标系中构建离散点，利用相应算法，将三维点集转化为各种预测去除效果图。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，去除效果的显示方式包括三维点集、等值面、轮廓图或三维曲面图。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，平面坐标轴划分粒度、去除系数和去除因子的取值，与加工过程中的偏心距、压力、磨料或摩擦力因素有关，并根据实际加工过程进行优化确定，以使去除模型与实际加工过程吻合。
8.一种实时预测研抛加工过程去除效果的装置，其特征在于，该装置包括机器视觉系统、主机、预测去除软件模块和辅助支撑机构；所述机器视觉系统主要包括光源、相机、镜头、输入/输出单元、图像处理软件；所述预测去除软件模块运行在主机上；所述辅助支撑机构包括固定底板、立柱、相机支撑板、光源支撑板，所述机器视觉系统设置在辅助支撑机构上。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述固定底板固定在研磨抛光机上，所述立柱固定在固定底板上，所述相机支撑板和光源支撑板从上到下依次固定在立柱上；所述镜头固定在相机上，所述相机固定在相机支撑板的底面，所述光源固定在光源支撑板的底面。
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