CN113793313A - 一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法及装置，涉及对刀技术领域，用以解决现有对刀方法对于微小尺度薄壁球壳表面微坑结构加工前对刀精度不够或对刀效率较低的问题。本发明的技术要点包括：通过两个高分辨率CCD相机分别获取球头铣刀的球心在X、Y、Z轴方向上相对微小尺度薄壁球壳的图像位置，并经过图像处理得到球头铣刀的球心在X、Y、Z轴方向上相对于微小尺度薄壁球壳的偏差距离，进一步控制球头铣刀进行高精度直线或旋转运动，从而消除偏差，完成微小尺度薄壁球壳全表面微坑结构加工前的对刀调整要求。本发明降低了对刀的难度并提高了对刀精度，可应用于多轴联动超精密加工装置中对于各类小工具刀尖点的对刀调整。
Description
技术领域
本发明涉及对刀技术领域，具体涉及一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法及装置。
背景技术
新时期，国防军事、航空航天及电子信息、生物医疗等领域快速发展，新一代仪器设备精密化、信息化、小型化、一体化发展趋势明显，对高精度制造技术提出了迫切需求，薄壁球壳类微小构件是新一代仪器设备的核心关键。例如能源研究用微小尺度薄壁球壳球径1～5mm，壳层厚度20～120μm，为了提高能源转化率，需要在全表面加工出数十个至百余个深度为0.5～20μm、直径为50～200μm的微坑结构，并要求轮廓误差优于0.3μm、表面粗糙度Ra优于20nm，坑点分布均匀，间距误差达到微米量级精度。
对于这种微空间约束下复杂面形零件的超精密加工，需要采用小尺寸专用刀具及特定的加工方法，并结合相应结构形式的加工装置，才能满足微铣削所需的位置和运动关系条件。由于薄壁球壳空间尺度较小，相对刚度较弱、壁厚较薄，因此加工装置必须具备较高的对刀精度，现有技术中常用的高精度对刀方法均采用自动对刀仪对刀。自动对刀仪对刀不足之处就在于其对刀精度取决于传感器的精度，较高精度的传感器往往价格昂贵，并且在采用自动对刀仪进行对刀的过程中，对刀精度不仅取决于配备的相应数控系统的分辨率，还和装置传动系统误差、表面微坑尺寸、加工精度以及装配质量等因素有关，因此，自动对刀仪的对刀方式很难达到很高的对刀精度。此外，采用机械式方法需要较长的对刀时间对微铣削球头铣刀的位置进行调整，对刀效率较低。
发明内容
鉴于以上问题，本发明提出一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法及装置，用以解决现有对刀方法对于微小尺度薄壁球壳表面微坑结构加工前对刀精度不够或对刀效率较低的问题。
根据本发明一方面，提出一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、对水平CCD相机和垂直CCD相机进行标定，分别获得像素坐标系与机床坐标系之间的水平转换关系和垂直转换关系；其中，机床坐标系中坐标轴建立如下：Y轴垂直于水平面，X轴、Z轴相互垂直且均平行于水平面，且X轴与铣削轴所在平面垂直；
步骤二、获取水平CCD相机采集的包含球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的水平方向的第一图像；获取垂直CCD相机采集的包含球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的竖直方向的第二图像；
步骤三、对所述第一图像和所述第二图像分别按照下述步骤进行处理：
步骤三一、进行灰度化处理；
步骤三二、对经过灰度化处理的图像进行图像分割处理，将球头铣刀或薄壁球壳类微小构件与其它图像背景分隔开；
步骤三三、采用经典霍夫变换方法，根据圆弧轮廓点迭代计算，获得所述第一图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)；获得所述第二图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)；
步骤四、根据水平转换关系、第一图像中球头铣刀的球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)计算获得球头铣刀球心的第一对刀偏差值δy：
δy＝TH*(y2-y1)
式中，TH表示水平转换关系；
根据垂直转换关系、第二图像中球头铣刀的球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)计算获得球头铣刀球心的第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz：
δx＝TV*(x4-x3)
δz＝TV*(z4-z3-R-r)
式中，TV表示垂直转换关系；R表示薄壁球壳类微小构件球半径；r表示球头铣刀球头半径；
步骤五、根据第一对刀偏差值δy、第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz对球头铣刀位置进行调整，即消除对刀偏差，实现对刀调整。
进一步地，步骤一中所述水平转换关系的表达式为：
其中，S1表示球头铣刀移动距离；(HY1,HZ1)表示球头铣刀移动前工件的像素坐标；(HY2,HZ2)表示球头铣刀移动后工件的像素坐标。
所述垂直转换关系的表达式为：
其中，S2表示球头铣刀移动距离；(VX1,VZ1)表示移动前球头铣刀顶点的像素坐标；(VX2,VZ2)表示移动后球头铣刀顶点的像素坐标。
进一步地，步骤一中通过试切法进行标定，具体过程包括：
进行水平CCD相机的标定：通过水平CCD相机对球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的接触区域进行图像采集，当试切结束时，记录水平CCD相机采集图像中球头铣刀和薄壁球壳类微小构件接触点的位置HM1(HY1,HZ1)；控制球头铣刀向远离薄壁球壳类微小构件方向移动距离S1，记录水平CCD相机采集图像中球头铣刀和薄壁球壳类微小构件接触点的位置HM2(HY2,HZ2)，由此得到水平转换关系；
进行垂直CCD相机的标定：通过垂直CCD相机对球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的接触区域进行图像采集，当试切结束时，记录垂直CCD相机采集图像中球头铣刀顶点位置VM1(VX1,VZ1)；控制球头铣刀向远离薄壁球壳类微小构件方向移动距离S2，记录垂直CCD相机采集图像中球头铣刀顶点位置VM2(VX2,VZ2)，由此得到垂直转换关系。
进一步地，步骤三一中灰度值计算如下：
Gray(m,n)＝0.299*R(m,n)+0.578*G(m,n)+0.114*B(m,n)
式中，R(m,n)、G(m,n)、B(m,n)分别表示图像中坐标为(m,n)处的像素点的R、G、B值。
进一步地，步骤三二中所述图像分割处理包括二值化分割和基于Canny边缘检测进行分割。
根据本发明另一方面，提出一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀装置，该装置包括图像采集模块、图像处理模块和对刀调整模块；其中，
所述图像采集模块包括水平CCD相机和垂直CCD相机，所述水平CCD相机用于采集包含球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的水平方向的第一图像；所述垂直CCD相机用于采集包含球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的竖直方向的第二图像；
所述图像处理模块用于对所述第一图像和所述第二图像分别进行处理，获得所述第一图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)；获得所述第二图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)；并根据像素坐标系与机床坐标系之间的水平转换关系、第一图像中球头铣刀的球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)计算获得球头铣刀球心的第一对刀偏差值δy；根据像素坐标系与机床坐标系之间的垂直转换关系、第二图像中球头铣刀的球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)计算获得球头铣刀球心的第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz；
所述对刀调整模块用于根据第一对刀偏差值δy、第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz对球头铣刀位置进行调整，即消除对刀偏差，实现对刀调整。
进一步地，所述图像处理模块中所述水平转换关系的表达式为：
其中，S1表示球头铣刀移动距离；(HY1,HZ1)表示球头铣刀移动前工件的像素坐标；(HY2,HZ2)表示球头铣刀移动后工件的像素坐标。
所述垂直转换关系的表达式为：
其中，S2表示球头铣刀移动距离；(VX1,VZ1)表示移动前球头铣刀顶点的像素坐标；(VX2,VZ2)表示移动后球头铣刀顶点的像素坐标。
进一步地，所述图像处理模块中所述第一对刀偏差值δy的计算公式为：
δy＝TH*(y2-y1)
式中，TH表示水平转换关系；
所述第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz的计算公式为：
δx＝TV*(x4-x3)
δz＝TV*(z4-z3-R-r)
式中，TV表示垂直转换关系；R表示薄壁球壳类微小构件球半径；r表示球头铣刀球头半径。
进一步地，所述图像处理模块中对所述第一图像和所述第二图像分别进行处理的具体过程包括：
步骤三一、进行灰度化处理，灰度值计算如下：
Gray(m,n)＝0.299*R(m,n)+0.578*G(m,n)+0.114*B(m,n)
式中，R(m,n)、G(m,n)、B(m,n)分别表示图像中坐标为(m,n)处的像素点的R、G、B值；
步骤三二、对经过灰度化处理的图像进行图像分割处理，将球头铣刀或薄壁球壳类微小构件与其它图像背景分隔开；图像分割处理包括二值化分割和基于Canny边缘检测进行分割；
步骤三三、采用经典霍夫变换方法，根据圆弧轮廓点迭代计算，获得所述第一图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)；获得所述第二图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)。
进一步地，所述图像处理模块还包括转换关系获取子模块，所述转换关系获取子模块用于根据在试切时采集的图像计算获得像素坐标系与机床坐标系之间的水平转换关系和垂直转换关系。
本发明的有益技术效果是：
本发明提供一种基于图像处理技术的高精度对刀方法及装置，通过两个高分辨率CCD相机分别获取球头铣刀的球心在X、Y、Z轴方向上相对微小尺度薄壁球壳的图像位置，并经过图像处理，得到球头铣刀的球心在X、Y、Z轴方向上相对于微小尺度薄壁球壳的偏差距离，进一步控制球头铣刀进行高精度直线或旋转运动，从而消除偏差，完成微小尺度薄壁球壳全表面微坑结构加工前的对刀调整要求。本发明降低了对刀的难度并提高了对刀精度。本发明方法具有一定普适性，可推广用于在多轴联动超精密加工装置中调整各类直径100～1000μm的小工具刀尖点相对工件中心的位置。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。
图1是本发明一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中水平CCD相机采集的对刀区域成像示意图；
图3是本发明实施例一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法的流程示意图；
图4是本发明实施例中垂直CCD相机采集的对刀区域成像示意图；
图5是本发明一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀装置的结构示意图；
图6是本发明实施例中一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工装置的部分结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，在下文中将结合附图对本发明的示范性实施方式或实施例进行描述。显然，所描述的实施方式或实施例仅仅是本发明一部分的实施方式或实施例，而不是全部的。基于本发明中的实施方式或实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式或实施例，都应当属于本发明保护的范围。
能源研究用薄壁球壳类微小构件的球径达到1～5mm，壳层厚度为20～120μm，需要在全表面加工出数十个至百余个微坑结构，这些微坑结构纵向尺寸为0.5～20μm，横向尺寸为50～200μm，要求坑点表面轮廓误差优于0.3μm、表面粗糙度Ra优于20nm，坑点分布均匀，间距误差达到微米量级。因此，对于这种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工，需要在对其加工前的对刀操作中，使得球头铣刀球心精确位置位于空气静压工件主轴的空间回转轴线上，并准确调整铣刀头与微小尺度薄壁球壳的相对位置，才能保证球头铣刀与微小尺度薄壁球壳的相对运动轨迹，避免加工过程中的干涉，同时对刀精度将直接影响微小尺度薄壁球壳表面微坑结构的面形精度。
因此，针对在微空间尺度约束下复杂面形零件超精密加工过程中，现有对刀方法难以实现球头铣刀球心位置位于空气静压主轴的空间回转轴线上以及球头铣刀球心与微小尺度薄壁球壳的相对位置问题，本发明提供一种基于图像处理技术的高精度对刀方法。该方法通过两个高分辨率CCD相机分别获取球头铣刀的球心在X、Y、Z轴方向上相对微小尺度薄壁球壳的位置图像，并传输到数控系统中，经过图像处理，得到球头铣刀的球心在X、Y、Z轴方向上相对于微小尺度薄壁球壳的距离，由薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工装置中多轴运动控制器控制高精度直线和旋转运动，调整球头铣刀和微小尺度薄壁球壳的距离，完成微小尺度薄壁球壳全表面微坑结构加工前的对刀调整要求。
一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一、对水平CCD相机和垂直CCD相机进行标定，分别获得像素坐标系与机床坐标系之间的水平转换关系和垂直转换关系；其中，机床坐标系中坐标轴建立如下：Y轴垂直于水平面，X轴、Z轴相互垂直且均平行于水平面，且X轴与铣削轴所在平面垂直；
步骤二、获取水平CCD相机采集的包含球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的水平方向的第一图像；获取垂直CCD相机采集的包含球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的竖直方向的第二图像；
步骤三、对第一图像和第二图像分别按照下述步骤进行处理：
步骤三一、进行灰度化处理；
步骤三二、对经过灰度化处理的图像进行图像分割处理，将球头铣刀或薄壁球壳类微小构件与其它图像背景分隔开；
步骤三三、采用经典霍夫变换方法，根据圆弧轮廓点迭代计算，获得第一图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)；获得第二图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)；
步骤四、根据水平转换关系、第一图像中球头铣刀的球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)计算获得球头铣刀球心的第一对刀偏差值δy：
δy＝TH*(y2-y1)
式中，TH表示水平转换关系；
根据垂直转换关系、第二图像中球头铣刀的球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)计算获得球头铣刀球心的第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz：
δx＝TV*(x4-x3)
δz＝TV*(z4-z3-R-r)
式中，TV表示垂直转换关系；R表示薄壁球壳类微小构件球半径；r表示球头铣刀球头半径；
步骤五、根据第一对刀偏差值δy、第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz对球头铣刀位置进行调整，即消除对刀偏差，实现对刀调整。
具体实施例一
微小尺度薄壁球壳表面微坑结构加工前精准对刀方法：调整时使水平CCD相机平行于X-Z平面，与机床的Y轴垂直，即沿着X-Z平面获取球头铣刀及微小尺度薄壁球壳在对刀区域的图像，通过相应的图像处理方法获得CCD图像中的球头铣刀球心及微小尺度薄壁球壳球心像素坐标，再根据图像系统的标定系数可以得到球头铣刀球心与微小尺度薄壁球壳球心在Y轴方向的偏差值δ，并通过Y轴的移动消除偏差值以实现球头铣刀-微小尺度薄壁球壳球心在Y轴方向的等高调整；其次，调整时使得竖直CCD相机与机床的X-Z平面垂直，即沿着Y轴方向获取球头铣刀及微小尺度薄壁球壳在对刀区域的图像，通过相应的图像处理方法获得CCD图像中的球头铣刀球心及微小尺度薄壁球壳球心像素坐标，再根据图像系统的标定系数可以得到球头铣刀球心与微小尺度薄壁球壳球心在X轴方向的偏差值υ、Z方向的偏差值μ，通过X轴和Z轴的微量进给移动消除偏差值以实现球头铣刀-微小尺度薄壁球壳球心在X、Z方向的对刀调整。下面对对刀过程进行详细说明。
步骤一：图像系统的标定：在对刀装置实际安装过程中，由于不可避免的安装误差的存在，图像采集系统的像素坐标系与机床坐标系之间存在偏差。在加工对刀前，需要采用试切法对CCD图像采集系统中的像素坐标系与机床坐标系之间的坐标系转换系数进行标定。
首先进行水平CCD系统坐标转换系数的标定。具体操作方法如下，通过多轴联动控制铣刀工具接触工件，进行试切标定。通过水平CCD相机对接触区域进行监测，由工控机显示器实时观察刀具、工件接触情况，待观测到刀具-工件接触区域产生微量切屑，试切结束，记录下水平CCD相机采集图像中工件接触点位置HM1(HY1,HZ1)；进一步地，由运动控制器控制Z轴向原理工件侧移动距离S1(移动后工件接触区域仍然在水平CCD的视野范围内)，通过水平CCD观测工件状态，记录下此时工件接触点位置HM2(HY2,HZ2)，由此可以得到Y-Z平面内，CCD采集图像中像素距离和机床坐标系中实际距离之间的转化系数TH表达式为：
同以上水平CCD的图像转换系数标定方法，进行竖直CCD系统坐标转换系数的标定。通过多轴联动控制铣刀工具接触工件，进行试切标定。通过竖直CCD相机对接触区域进行监测，由工控机显示器实时观察刀具、工件接触情况，待观测到刀具-工件接触区域产生微量切屑，试切结束，记录下竖直CCD相机采集图像中球头铣刀顶点位置VM1(VX1,VZ1)；进一步地，由运动控制器控制Z轴向原理工件侧移动距离S2(移动后球头铣刀顶点仍然在竖直CCD的视野范围内)，通过竖直CCD观测球头铣刀顶点状态，记录下此时球头铣刀顶点位置VM2(VX2,VZ2)，由此可以得到X-Z平面内，CCD采集图像中像素距离和机床坐标系中实际距离之间的转化系数TV表达式为：
步骤二：进行实际对刀操作。调整水平CCD相机使其视线平行于水平面并与机床的Y轴垂直，这时通过CCD相机采集的对刀区域成像示意图如图2所示，并将CCD相机获得图像的水平和竖直方向的像素进行标定，即获得一个像素在水平和竖直方向代表的实际距离。把CCD相机采集到的具有水平和竖直方向实际距离的图像实时传输到外部计算机中。
步骤三：利用计算机，按照如图3所示流程，进行灰度化处理，CCD采集到的彩色图像中的每一个像素颜色均有R、G、B三个分量决定，根据分量的重要性以及其他指标，将三个分量赋以不同的权重进行加权平均，得到灰度值Gray(m,n)：
Gray(m,n)＝0.299*R(m,n)+0.578*G(m,n)+0.114*B(m,n)
上式中，R(m,n)、G(m,n)、B(m,n)分别表示图像中坐标为(m,n)处的像素点的R、G、B值，由此将采集到的彩色图像转化为灰度图像；将高分辨率CCD相机捕获的24位灰度图转化为8位灰度图，再基于灰度分布直方图的峰谷法，在图像的灰度直方图为双峰分布时，选择两峰间谷底点数值为分割阈值，小于阈值的灰度取为0，大于阈值的灰度值取为255，将图像分割成两部分，进而将图像二值化使得球头铣刀及微小尺度薄壁球壳与背景分隔开，接着采用Canny边缘检测算子，利用高斯滤波器对图像进行滤波，经过Sobel水平和竖直检测算子与图像的卷积，计算方向角和梯度，对工具头的圆弧轮廓边缘进行提取，采用经典霍夫变化方法，将图像中的每一条直线与一对参数(ρ,θ)相关联，参数(ρ,θ)形成Hough平面，经过Hough变换，将图像空间中的每一个点映射到Hough空间，根据圆弧轮廓点迭代计算，获得图像中球头铣刀的球心坐标位置O1(y1,z1)，微小尺度薄壁球壳球心位置O2(y2,z2)。
步骤四：由步骤一中得到的水平图像采集系统坐标系转换系数为TH，那么球头铣刀球心在Y方向上的对刀偏差值：
δy＝TH*(y2-y1)
根据得到的偏差值δ调整薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置沿着Y轴直线方向进给δy距离，则可将Y轴方向的对刀偏差消除，实现球头铣刀沿着Y向的对刀调整。
步骤五：同以上Y轴方向的对刀方法进行X、Z方向的调整。这时通过竖直CCD相机采集的对刀区域成像示意图如图4所示。利用图4的图像处理流程获得此时图像中球头铣刀的球心位置O3(x3,z3)，O4(x4,z4)。由步骤一中得到的竖直CCD图像采集系统坐标系转换系数TV，那么球头铣刀在X方向上的对刀偏差值：
δx＝TV*(x4-x3)
在Z方向的对刀偏差值：
δz＝TV*(z4-z3-R-r)
根据得到的偏差值δx、δz调整薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工装置沿着X轴直线方向进给δx，沿着Z轴直线方向进给δz，则可将X轴、Z轴方向的对刀偏差消除，实现球头铣刀沿着X、Z向的对刀调整。
一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀装置，如图5所示，包括图像采集模块10、图像处理模块20和对刀调整模块30；其中，
图像采集模块10包括水平CCD相机和垂直CCD相机，水平CCD相机用于采集包含球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的水平方向的第一图像；垂直CCD相机用于采集包含球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的竖直方向的第二图像；
图像处理模块20用于对第一图像和第二图像分别进行处理，获得第一图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)；获得第二图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)；并根据像素坐标系与机床坐标系之间的水平转换关系、第一图像中球头铣刀的球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)计算获得球头铣刀球心的第一对刀偏差值δy；根据像素坐标系与机床坐标系之间的垂直转换关系、第二图像中球头铣刀的球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)计算获得球头铣刀球心的第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz；
对刀调整模块30用于根据第一对刀偏差值δy、第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz对球头铣刀位置进行调整，即消除对刀偏差，实现对刀调整。
其中，图像处理模块20中水平转换关系的表达式为：
其中，S1表示球头铣刀移动距离；(HY1,HZ1)表示球头铣刀移动前工件的像素坐标；(HY2,HZ2)表示球头铣刀移动后工件的像素坐标。
垂直转换关系的表达式为：
其中，S2表示球头铣刀移动距离；(VX1,VZ1)表示移动前球头铣刀顶点的像素坐标；(VX2,VZ2)表示移动后球头铣刀顶点的像素坐标。
图像处理模块20中第一对刀偏差值δy的计算公式为：
δy＝TH*(y2-y1)
式中，TH表示水平转换关系；
第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz的计算公式为：
δx＝TV*(x4-x3)
δz＝TV*(z4-z3-R-r)
式中，TV表示垂直转换关系；R表示薄壁球壳类微小构件球半径；r表示球头铣刀球头半径。
其中，图像处理模块20中对第一图像和第二图像分别进行处理的具体过程包括：
步骤三一、进行灰度化处理，灰度值计算如下：
Gray(m,n)＝0.299*R(m,n)+0.578*G(m,n)+0.114*B(m,n)
式中，R(m,n)、G(m,n)、B(m,n)分别表示图像中坐标为(m,n)处的像素点的R、G、B值；
步骤三二、对经过灰度化处理的图像进行图像分割处理，将球头铣刀或薄壁球壳类微小构件与其它图像背景分隔开；图像分割处理包括二值化分割和基于Canny边缘检测进行分割；
步骤三三、采用经典霍夫变换方法，根据圆弧轮廓点迭代计算，获得第一图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)；获得第二图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)。
进一步地，图像处理模块20还包括转换关系获取子模块210，转换关系获取子模块210用于根据在试切时采集的图像计算获得像素坐标系与机床坐标系之间的水平转换关系和垂直转换关系。
具体实施例二
图6示出了一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工装置的部分示意图，如图6所示，微小尺度薄壁球壳5通过真空吸附夹具6连接在零点定位装置7上，零点定位装置7通过过渡板8连接在空气静压工件主轴上，微铣削工具使用微径球头铣刀3，通过德国雄克HSK精密夹头安装于铣削轴2上以实现加工时的高速回转；水平CCD监测装置1及竖直CCD监测装置4对微小尺度薄壁球壳及微铣削工具接触区域进行观测，以实现加工时的精准对刀。
水平CCD监测装置1和竖直CCD监测装置4均为图像采集装置，硬件主要由图像采集光源、聚焦放大镜头(日本KOWA公司，型号LM1138TC，放大倍率2倍，视场范围6.4x4.8mm)、工业相机(中国大恒图像公司，型号ME2P-2621-15U3M，分辨率为2600万像素5120x5120，配套的SDK支持VC、VB等开发工具)组成。还包括工控机用于处理和显示采集的图像。
假设聚焦放大镜头放大倍率为γ，工控机显示器尺寸为DS，靶面对角线尺寸为DD，视场为VF，相机分辨率为CR，显示放大倍率为M，图像像素尺寸为IS，则：
M＝γ×DS/DD
IS＝VF/CR
由上述公式可以得到图像采集的视野范围为6.4×4.8mm～12.8×9.6mm，19英寸工控机显示器，最大放大倍率为105倍，图像像素尺寸为1.25μm。
工件吸附总成联接在Y轴直线单元的拖板上，可随Y轴一起移动，薄壁球壳类微小构件在真空负压的吸附下，联接在工件吸附总成末端的吸头上。竖直CCD监测装置通过中心点自动定位镜架联接在竖直安装板上，水平CCD监测系统通过中心点自动定位镜架联接在B轴液压回转台的过渡板上。铣削轴通过安装支架联接在B轴液压回转台的过渡板上，微径球头铣刀通过德国雄克HSK夹头联接在铣削轴末端(铣削轴线倾斜10～15°，可有效避免球头铣刀速度为零的顶点参与铣削，进一步提升加工表面质量)。由安装在B轴液压转台上具有水平2600万像素的高分辨率CCD相机构成X-Z平面图像采集，由X-Z平面获取球头铣刀在对刀区域的图像；由安装在Y轴拖板上的竖直CCD相机构成Y轴方向图像采集，由Y轴方向获取微小尺度薄壁球壳在对刀区域的图像。具体的，图像采集系统工作时，由图像采集光源发出光线，照射在球头铣刀及工件表面，经反射，被CCD相机捕捉吸收，由CCD内部光敏元件将收到的光强信号转换为电信号，进一步处理，转换为数字图像信号输送到工控机中，完成接触区域图像的采集工作，经图像处理，可得到球头铣刀与微小尺度薄壁球壳的空间相对位置偏差，然后由薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构的加工装置数控轴的运动调整刀具和工件相对位置至加工程序原点，完成对刀操作，对刀偏差检测精度优于10μm。
本发明采用2600万像素高分辨率CCD摄像机获取对刀区域图像，结合直线轴直线度优于0.2μm/全行程(X:200mm；Y:100mm；Z:200mm)，任意10mm优于0.05μm；直线导轨定位精度优于±0.5μm/全行程(X:200mm；Y:100mm；Z:200mm)，任意10mm内定位精度优于±0.3μm的高精度直线运动单元进行对刀调整，可精确球头铣刀球心与空气静压主轴的空间回转轴线相重合；通过对图像进行处理，图像最小像素分辨率1.25μm，根据图像处理流程可快速获取图像中球头铣刀球心及微小尺度薄壁球壳球心的位置信息，提高对刀效率；利用图像测量技术实现对刀偏差的检测计算，对刀偏差检测精度优于10μm，避免了设置对刀仪和使用传统试切法工具与对刀块的实际接触，降低了对刀的难度且提到了对刀精度的稳定性。本发明方法具有一定普适性，可推广用于在多轴联动超精密加工装置中调整各类直径100～1000μm的小工具刀尖点相对工件中心的位置。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (10)
1.一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对水平CCD相机和垂直CCD相机进行标定，分别获得像素坐标系与机床坐标系之间的水平转换关系和垂直转换关系；其中，机床坐标系中坐标轴建立如下：Y轴垂直于水平面，X轴、Z轴相互垂直且均平行于水平面，且X轴与铣削轴所在平面垂直；
步骤二、获取水平CCD相机采集的包含球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的水平方向的第一图像；获取垂直CCD相机采集的包含球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的竖直方向的第二图像；
步骤三、对所述第一图像和所述第二图像分别按照下述步骤进行处理：
步骤三一、进行灰度化处理；
步骤三二、对经过灰度化处理的图像进行图像分割处理，将球头铣刀或薄壁球壳类微小构件与其它图像背景分隔开；
步骤三三、采用霍夫变换方法，根据圆弧轮廓点迭代计算，获得所述第一图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)；获得所述第二图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)；
步骤四、根据水平转换关系、第一图像中球头铣刀的球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)计算获得球头铣刀球心的第一对刀偏差值δy：
δy＝TH*(y2-y1)
式中，TH表示水平转换关系；
根据垂直转换关系、第二图像中球头铣刀的球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)计算获得球头铣刀球心的第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz：
δx＝TV*(x4-x3)
δz＝TV*(z4-z3-R-r)
式中，TV表示垂直转换关系；R表示薄壁球壳类微小构件球半径；r表示球头铣刀球头半径；
步骤五、根据第一对刀偏差值δy、第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz对球头铣刀位置进行调整，即消除对刀偏差，实现对刀调整。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法，其特征在于，步骤一中所述水平转换关系的表达式为：
其中，S1表示球头铣刀移动距离；(HY1，HZ1)表示球头铣刀移动前工件的像素坐标；(HY2，HZ2)表示球头铣刀移动后工件的像素坐标。
所述垂直转换关系的表达式为：
其中，S2表示球头铣刀移动距离；(VX1，VZ1)表示移动前球头铣刀顶点的像素坐标；(VX2，VZ2)表示移动后球头铣刀顶点的像素坐标。
3.根据权利要求2所述的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法，其特征在于，步骤一中通过试切法进行标定，具体过程包括：
进行水平CCD相机的标定：通过水平CCD相机对球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的接触区域进行图像采集，当试切结束时，记录水平CCD相机采集图像中球头铣刀和薄壁球壳类微小构件接触点的位置HM1(HY1，HZ1)；控制球头铣刀向远离薄壁球壳类微小构件方向移动距离S1，记录水平CCD相机采集图像中球头铣刀和薄壁球壳类微小构件接触点的位置HM2(HY2，HZ2)，由此得到水平转换关系；
进行垂直CCD相机的标定：通过垂直CCD相机对球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的接触区域进行图像采集，当试切结束时，记录垂直CCD相机采集图像中球头铣刀顶点位置VM1(VX1，VZ1)；控制球头铣刀向远离薄壁球壳类微小构件方向移动距离S2，记录垂直CCD相机采集图像中球头铣刀顶点位置VM2(VX2，VZ2)，由此得到垂直转换关系。
4.根据权利要求3所述的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法，其特征在于，步骤三一中灰度值计算如下：
Gray(m，n)＝0.299*R(m，n)+0.578*G(m，n)+0.114*B(m，n)
式中，R(m，n)、G(m，n)、B(m，n)分别表示图像中坐标为(m，n)处的像素点的R、G、B值。
5.根据权利要求4所述的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀方法，其特征在于，步骤三二中所述图像分割处理包括二值化分割和基于Canny边缘检测进行分割。
6.一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀装置，其特征在于，包括图像采集模块、图像处理模块和对刀调整模块；其中，
所述图像采集模块包括水平CCD相机和垂直CCD相机，所述水平CCD相机用于采集包含球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的水平方向的第一图像；所述垂直CCD相机用于采集包含球头铣刀和薄壁球壳类微小构件的竖直方向的第二图像；
所述图像处理模块用于对所述第一图像和所述第二图像分别进行处理，获得所述第一图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)；获得所述第二图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)；并根据像素坐标系与机床坐标系之间的水平转换关系、第一图像中球头铣刀的球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)计算获得球头铣刀球心的第一对刀偏差值δy；根据像素坐标系与机床坐标系之间的垂直转换关系、第二图像中球头铣刀的球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)计算获得球头铣刀球心的第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz；
所述对刀调整模块用于根据第一对刀偏差值δy、第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz对球头铣刀位置进行调整，即消除对刀偏差，实现对刀调整。
7.根据权利要求6所述的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀装置，其特征在于，所述图像处理模块中所述水平转换关系的表达式为：
其中，S1表示球头铣刀移动距离；(HY1，HZ1)表示球头铣刀移动前工件的像素坐标；(HY2，HZ2)表示球头铣刀移动后工件的像素坐标。
所述垂直转换关系的表达式为：
其中，S2表示球头铣刀移动距离；(VX1，VZ1)表示移动前球头铣刀顶点的像素坐标；(VX2，VZ2)表示移动后球头铣刀顶点的像素坐标。
8.根据权利要求7所述的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀装置，其特征在于，所述图像处理模块中所述第一对刀偏差值δy的计算公式为：
δy＝TH*(y2-y1)
式中，TH表示水平转换关系；
所述第二对刀偏差值δx和第三对刀偏差值δz的计算公式为：
δx＝TV*(x4-x3)
δz＝TV*(z4-z3-R-r)
式中，TV表示垂直转换关系；R表示薄壁球壳类微小构件球半径；r表示球头铣刀球头半径。
9.根据权利要求8所述的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀装置，其特征在于，所述图像处理模块中对所述第一图像和所述第二图像分别进行处理的具体过程包括：
步骤三一、进行灰度化处理，灰度值计算如下：
Gray(m，n)＝0.299*R(m，n)+0.578*G(m，n)+0.114*B(m，n)
式中，R(m，n)、G(m，n)、B(m，n)分别表示图像中坐标为(m，n)处的像素点的R、G、B值；
步骤三二、对经过灰度化处理的图像进行图像分割处理，将球头铣刀或薄壁球壳类微小构件与其它图像背景分隔开；图像分割处理包括二值化分割和基于Canny边缘检测进行分割；
步骤三三、采用经典霍夫变换方法，根据圆弧轮廓点迭代计算，获得所述第一图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O1(y1，z1)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O2(y2，z2)；获得所述第二图像中球头铣刀球心位置的像素坐标O3(x3，z3)和薄壁球壳类微小构件球心位置的像素坐标O4(x4，z4)。
10.根据权利要求9所述的一种薄壁球壳类微小构件全表面微坑结构加工高精度对刀装置，其特征在于，所述图像处理模块还包括转换关系获取子模块，所述转换关系获取子模块用于根据在试切时采集的图像计算获得像素坐标系与机床坐标系之间的水平转换关系和垂直转换关系。
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