CN114757917A - 一种高精度的轴偏移、偏转测量及其修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度的轴偏移、偏转测量及其修正方法，属于测量与校准技术领域。本方法测量是通过CCD相机分别采集下模具凹模轮廓图像和压印接头轮廓图像，对所得到轮廓图像进行二值化处理，使用最小二乘圆拟合，确定每个拟合圆的圆心，进而计算出理论圆C_理和实际圆C_实0圆心坐标的偏差值Δx、Δy，以及两个实际圆的圆心投影距离差Δd，继而求出偏转角α，本方法修正是通过测量值Δx、Δy和距离差Δd转化为伺服电机可识别的脉冲信号，以伺服电机自适应执行精确修正，最终实现对上下模具轴偏移和偏转的两大关键核心指标计算与修正。本方法具有对中精度高、自适应程度高的特点，可解决压印连接技术中轴偏移和偏转精确计算与修正问。

Description

一种高精度的轴偏移、偏转测量及其修正方法

技术领域

本发明公开一种高精度的轴偏移、偏转测量及其修正方法，属于测量与校准技术领域，特别适用于压印连接装置上模具与下模具轴偏移量的测量与修正。

背景技术

在轴类零件、机床、相向运动机构和装置装配过程中时常存在轴不对问题，目前轴类零件轴不对中可分为三类：①轴的中心线存在位移偏差；②轴的中心线相交，存在角度偏差；③轴中心偏移和偏转同时存在。未能有效解决轴不对中问题将严重影响机械部件乃至整机的产品质量。随着中国制造2025的实施，机械制造领域对机械性能的要求越来越高，对机械对中精度要求也越来越高。高精密设备成为主要发展趋势。提出一些高精度轴偏移测量和调节的方法解决机械零件对中问题是具有重要的工程意义。在压印装置中，上模具与下模具存在轴偏移和偏转对中问题，在压印过程中会导致压印接头位置偏移，接头成型困难，严重影响压印接头的质量，在汽车、航空航天等领域的使用中容易发生压印接头疲劳破环，造成板材连接失效，导致出现严重的安全事故。在压印连接技术中实现上下模具精确对中是当前急需解决的重点，也是确保压印接头质量和生产效率的关键。

压印机对轴偏移和偏转的测量及修正缺少有效的方法，目前主要沿用传统的方法，根据经验多次观察压印接头和连续调节下模具的紧固螺栓来实现对下模具对中调节，这种方法对中调节过程复杂、对中精度低、对中结果主观性强、难以自适应修正、无法满足高精密设备的发展需要。在轴类零件存在轴偏移测量的问题中，专利CN201710614870.1使用激光对中仪来检测轴偏移，其原理是在一个轴的上方固定一个激光束，另一个轴的下方固定一个激光束，整体构成上下两个激光束，在激光对中仪主机软件上测量两束激光的上下距离，通过移动两个激光束在轴的不同位移进行测量，就实现对轴偏移的测量。该方法的缺点是激光束在移动过程中会存在垂直方向固定不精确带来测量结果的误差、缺少轴偏移修正方法、没有精度测量辅助部件、调节过程繁琐费时。因此，如何高精度测量及修正轴偏移、偏转成为轴不对中亟待解决的关键问题。

本发明公开一种高精度的轴偏移、偏转测量及其修正方法，采用全新的机械视觉辅助部件，可以精确测量轴偏移和偏转、量化修正参数、自适应修正、响应速度快、降低操作人员的技术门槛和极大提高生产效率。

发明内容

本发明提出一种高精度的轴偏移、偏转测量及其修正方法，解决在压印连接中上下模具存在轴偏移和偏转问题，弥补压印技术领域中缺少高精度对中方法，实现对轴偏移和偏转的精确测量和量化修正。本发明除了用于压印连接装置之外，亦可用于轴类零件和其他机械装置对中精度的要求。

本发明采用的技术方案为：

一种高精度的轴偏移、偏转测量及其修正方法，包括以下步骤：

I.轴偏移、偏转测量：

步骤S1，初次定位：使用三爪卡盘将下模具进行加紧定位，使得下模具在三爪卡盘上位置固定，达到三爪卡盘的中心与下模具中心重合，为轴偏移、偏转的测量与修正提供一个初始位置。

步骤S2，确定理论圆C_理的圆心O_理(x₁,y₁)和半径R₁：在三爪卡盘上方的CCD相机对下模具凹模内径轮廓进行拍照采集内径轮廓图像，刻度尺对内径轮廓图像的像素点进行坐标标定，对采集的图像进行二值化处理得到内径轮廓点L_理(x_i,y_i)，使用最小二乘圆拟合计算理论圆C_理的圆心O_理(x₁,y₁)和半径R₁：

设P_i(x_i,y_i)(i∈1,2,…n)为内径轮廓上n个边缘点的坐标，理论圆C_理的圆心为O_理(x₁,y₁)，半径为R₁，其物理意义为：x₁是理论圆C_理圆心的横坐标，y₁是理论圆C_理圆心的纵坐标：设凹模内径轮廓方程为：

令a＝-2x₁，b＝-2y₁，

则得到凹模内径轮廓的方程的另一种形式：

x²+y²+ax+by+c＝0 (2)

内径轮廓上点的坐标P_i(x_i,y_i)(i∈1,2,…n)到圆心的残差公式：

建立目标函数F(a,b,c)：

根据多维无约束优化，存在拟合最优条件：

分别对a,b,c求导，并简化得到公式：

解方程组(6)，消去c，化简得：

进一步引入新变量：

联立式(4)～(8)可解得a,b,c:

把内径轮廓L_理(x_i,y_i)上点的坐标代入公式(9)中，可计算出理论圆C_理的圆心坐标O_理(x₁,y₁)和半径R₁:

步骤S3，确定初始高度Z₀实际圆C_实0的圆心O_实0(x₂,y₂)和半径R₂：在初始位置高度Z₀下模具上放置连接毛坯板材，通过设计一定的冲程让上模具下压毛坯板材形成压印接头，CCD相机对压印接头轮廓进行图像采集，刻度尺对压印接头图像的像素点进行坐标标定，对采集的图像进行二值化处理得到接头轮廓点L_实(x_j,y_j))，将接头轮廓上m个边缘点坐标P_j(x_j,y_j)(jε1,2,…m)代入最小二乘圆公式(1)～(10)，计算出实际圆C_实0的圆心O_实0(x₂,y₂)和半径R₂，其物理意义为：x₂是实际圆C_实0圆心的横坐标，y₂是实际圆C_实0圆心的纵坐标。

步骤S4，确定位置高度Z₁实际圆C_实1的圆心O_实1(x₃,y₃)和半径R₃：将固定架上升一定高度h，此时下模具位置高度为Z₁，再次设定一定的冲程让下模具下压板材得到压印接头，重复步骤S3的测量，将接头轮廓上t个边缘点坐标P_k(x_k,y_k)(k∈1,2,…t)代入最小二乘圆公式(1)～(10)，计算出实际圆C_实1的圆心O_实1(x₃,y₃)和半径R₃，其物理意义为：x₃是实际圆C_实1圆心的横坐标，y₃是实际圆C_实1圆心的纵坐标。

步骤S5，确定偏差值Δx、Δy和距离差Δd：理论圆C_理和实际圆C_实0统一在X,Y平面上，以理论圆C_理圆心为原点建立直角坐标系，计算机计算出理论圆C_理圆心坐标O_理(x₁,y₁)与实际圆C_实0圆心坐标O_实0(x₂,y₂)的坐标偏差，得出两个圆心坐标差值Δx、Δy：

公式中Δx表示为两个圆的圆心横坐标差值，Δy表示为两个圆的圆心纵坐标差值，用来表征下模具轴偏移，当Δx＝0，Δy＝0，表明两个圆心重合，即下模具未发生轴偏移。当Δx≠0，Δy≠0，表明下模具轴偏移具有Δx、Δy偏移量，则需要对下模具轴偏移进行修正。

计算机计算出两个不同Z高度实际圆的圆心在XOY平面投影的距离差Δd，进一步求出轴偏转角α：

由公式(12)可知，若Δd＝0，表明上模具未发生轴偏转角α。若Δd≠0，表明上模具发生轴偏转，进而求出上模具的轴偏转角α，则需要对上模具偏转角进行修正。

Ⅱ.轴偏移、偏转修正：

步骤S6，轴偏移和偏转修正：计算机将两个圆心坐标偏差值Δx、Δy转换为伺服电机可识别的脉冲信号，通过控制线传递到伺服电机，伺服电机的正反转和旋转时间控制修正运动部件分别在X轴上移动Δx和Y轴上移动Δy，实现对下模具的轴偏移的修正。计算机将上模具轴偏转角α转化为X,Y方向上的位移量控制信号，通过修正部件驱动上模具在X,Y方向上移动特定的位移，实现对上模具轴偏转的修正。

步骤S7，确认修正及其闭环反馈：在闭环的测量和修正系统中，重复上述测量步骤S1、S2、S3、S4、S5，计算出实际圆C_实0与理论圆C_理的圆心偏差值Δx、Δy和两个实际圆C_实0，C_实1的圆心距离Δd，若Δx≠0、Δy≠0、Δd≠0，则继续重复测量和修正运动，直到测量结果为：Δx＝0、Δy＝0、Δd＝0，则完成上模具和下模具轴偏移、偏转测量和修正。

本发明有以下优点：

i.本发明通过三爪卡盘保证了在测量及修正过程中下模具定位精度，提高了装置在测量和修正的精度，避免了出现冲压力导致轴向偏移和角度偏转问题。

ii.本发明采用全新的机械视觉辅助部件，具有响应速度快、测量精度高的特点。

ii.修正运动可由计算机自适应、高精度进行，控制精度高、响应速度快，减少传统调节中人工手动调整繁琐过程，极大降低了操作人员调节的技术门槛，提高了工作效率。

iv.在一个闭环的轴偏移、偏转测量和修正的工作系统中执行，这保证了轴偏移、偏转测量和修正的可靠性和高精度性。

附图说明

图1是轴偏移示意图

图2是轴偏转示意图

图3是轴偏移、偏转测量及修正流程图

图4是三爪卡盘上表面示意图

图5是本发明对压印机轴偏移、偏转测量和修正系统示意图

图中，1-上模具、2-CCD相机、3-下模具、4-三爪卡盘、5-刻度尺、6-Y轴移动平台、7-Y驱动修正台、8-X轴移动平台、9-X驱动修正台、10-底座、11-计算机、O_理-理论圆圆心、O_实0-实际圆C_实0圆心、O_实1-实际圆C_实1圆心。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，本发明除了用于压印连接装置之外，亦可用于轴类零件和其他机械装置对中性的要求。

实例：如图3所示，一种高精度的轴偏移、偏转测量及其修正方法，本方法操作步骤：

Ⅰ.轴偏移、偏转测量：

步骤S1，使用三爪卡盘将下模具进行加紧定位，使得下模具在三爪卡盘上位置固定，达到三爪卡盘的中心与下模具中心重合，为轴偏移和偏转的测量与修正提供一个初始位置。

步骤S2，在三爪卡盘上方的CCD相机对下模具凹模内径轮廓进行拍照采集内径轮廓图像，刻度尺对内径轮廓图像的像素点进行坐标标定，对采集的图像进行二值化处理得到内径轮廓点L_理(x_i,y_i)，使用最小二乘圆拟合计算理论圆C_理的圆心O_理(x₁,y₁)和半径R₁：

设P_i(x_i,y_i)(i∈1,2,…n)为内径轮廓上n个边缘点的坐标，理论圆C_理的圆心为O_理(x₁,y₁)，半径为R₁，其物理意义为：x₁是理论圆C_理圆心的横坐标，y₁是理论圆C_理圆心的纵坐标：设凹模内径轮廓方程为：

令a＝-2x₁，b＝-2y₁，

则得到凹模内径轮廓的方程的另一种形式：

x²+y²+ax+by+c＝0 (2)

内径轮廓上点的坐标P_i(x_i,y_i)(i∈1,2,…n)到圆心的残差公式：

建立目标函数F(a,b,c)：

根据多维无约束优化，存在拟合最优条件：

分别对a,b,c求导，并简化得到公式：

解方程组(6)，消去c，化简得：

进一步引入新变量：

联立式(4)～(8)可解得a,b,c:

把内径轮廓L_理(x_i,y_i)上点的坐标代入公式(9)中，可计算出理论圆C_理的圆心坐标O_理(x₁,y₁)和半径R₁:

步骤S3，在初始位置高度Z₀下模具上放置连接毛坯板材，通过设计一定的冲程让上模具下压毛坯板材形成压印接头，CCD相机对压印接头轮廓进行图像采集，刻度尺对压印接头图像的像素点进行坐标标定，对采集的图像进行二值化处理得到接头轮廓点L_实(x_j,y_j)，将接头轮廓上m个边缘点坐标P_j(x_j,y_j)(jε1,2,…m)代入最小二乘圆公式(1)～(10)，计算出实际圆C_实0的圆心O_实0(x₂,y₂)和半径R₂，其物理意义为：x₂是实际圆C_实0圆心的横坐标，y₂是实际圆C_实0圆心的纵坐标。

步骤S4，将固定架上升一定高度h，此时下模具位置高度为Z₁，再次设定一定的冲程让下模具下压板材得到压印接头，重复步骤S3的测量，将接头轮廓上t个边缘点坐标P_k(x_k,y_k)(k∈1,2,…t)代入最小二乘圆公式(1)～(10)，计算出实际圆C_实1的圆心O_实1(x₃,y₃)和半径R₃，其物理意义为：x₃是实际圆C_实1圆心的横坐标，y₃是实际圆C_实1圆心的纵坐标。

步骤S5，理论圆C_理和实际圆C_实0统一在X,Y平面上，以理论圆C_理圆心为原点建立直角坐标系，计算机计算出理论圆C_理圆心坐标O_理(x₁,y₁)与实际圆C_实0圆心坐标O_实0(x₂,y₂)的坐标偏差，得出两个圆心坐标差值Δx、Δy：

公式中Δx表示为两个圆的圆心横坐标差值，Δy表示为两个圆的圆心纵坐标差值，用来表征下模具轴偏移，当Δx＝0，Δy＝0，表明两个圆心重合，即下模具未发生轴偏移。当Δx≠0，Δy≠0，表明下模具轴偏移具有Δx、Δy偏移量，则需要对下模具轴偏移进行修正。

计算机计算出两个不同Z高度实际圆的圆心在XOY平面投影的距离差Δd，进一步求出轴偏转角α：

由公式(12)可知，若Δd＝0，表明上模具未发生轴偏转角α。若Δd≠0，表明上模具发生轴偏转，进而求出上模具的轴偏转角α，则需要对上模具偏转角进行修正。

II.轴偏移、偏转修正：

步骤S6，计算机将两个圆心坐标偏差值Δx、Δy转换为伺服电机可识别的脉冲信号，通过控制线传递到伺服电机，伺服电机的正反转和旋转时间控制修正运动部件分别在X轴上移动Δx和Y轴上移动Δy，实现对下模具的轴偏移的修正。计算机将上模具轴偏转角α转化为X,Y方向上的位移量控制信号，通过修正部件驱动上模具在X,Y方向上移动特定的位移，实现对上模具轴偏转的修正。

步骤S7，确认修正及其闭环反馈：在闭环的测量和修正系统中，重复上述测量步骤S1、S2、S3、S4、S5，计算出实际圆C_实0与理论圆C_理的圆心偏差值Δx、Δy和两个实际圆C_实0，C_实1的圆心距离Δd，若Δx≠0、Δy≠0、Δd≠0，则返回步骤S1，重复测量和修正运动，直到测量结果为：Δx＝0、Δy＝0、Δd＝0，则完成上模具和下模具轴偏移、偏转测量和修正。

Claims (1)

1.一种高精度的轴偏移、偏转测量及其修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

Ⅰ.轴偏移、偏转测量：

步骤S1，初次定位：使用三爪卡盘将下模具进行加紧定位，使得下模具在三爪卡盘上位置固定，达到三爪卡盘的中心与下模具中心重合，为轴偏移、偏转的测量与修正提供一个初始位置；

步骤S2，确定理论圆C_理的圆心O_理(x₁,y₁)和半径R₁：在三爪卡盘上方的CCD相机对下模具凹模内径轮廓进行拍照采集内径轮廓图像，刻度尺对内径轮廓图像的像素点进行坐标标定，对采集的图像进行二值化处理得到内径轮廓点L_理(x_i,y_i)，使用最小二乘圆拟合计算理论圆C_理的圆心O_理(x₁,y₁)和半径R₁：

设P_i(x_i,y_i)(i∈1,2,…n)为内径轮廓上n个边缘点的坐标，理论圆C_理的圆心为O_理(x₁,y₁)，半径为R₁，其物理意义为：x₁是理论圆C_理圆心的横坐标，y₁是理论圆C_理圆心的纵坐标：设凹模内径轮廓方程为：

令a＝-2x₁，b＝-2y₁，

则得到凹模内径轮廓的方程的另一种形式：

x²+y²+ax+by+c＝0 (2)

内径轮廓上点的坐标P_i(x_i,y_i)(i∈1,2,…n)到圆心的残差公式：

建立目标函数F(a,b,c)：

根据多维无约束优化，存在拟合最优条件：

分别对a,b,c求导，并简化得到公式：

解方程组(6)，消去c，化简得：

进一步引入新变量：

联立式(4)～(8)可解得a,b,c:

把内径轮廓L_理(x_i,y_i)上点的坐标代入公式(9)中，可计算出理论圆C_理的圆心坐标O_理(x₁,y₁)和半径R₁:

步骤S3，确定初始高度Z₀实际圆C_实0的圆心O_实0(x₂,y₂)和半径R₂：在初始位置高度Z₀下模具上放置连接毛坯板材，通过设计一定的冲程让上模具下压毛坯板材形成压印接头，CCD相机对压印接头轮廓进行图像采集，刻度尺对压印接头图像的像素点进行坐标标定，对采集的图像进行二值化处理得到接头轮廓点L_实(x_j,y_j)，将接头轮廓上m个边缘点坐标P_j(x_j,y_j)(j∈1,2,…m)代入最小二乘圆公式(1)～(10)，计算出实际圆C_实0的圆心O_实0(x₂,y₂)和半径R₂，其物理意义为：x₂是实际圆C_实0圆心的横坐标，y₂是实际圆C_实0圆心的纵坐标；

步骤S4，确定位置高度Z₁实际圆C_实1的圆心O_实1(x₃,y₃)和半径R₃：将固定架上升一定高度h，此时下模具位置高度为Z₁，再次设定一定的冲程让下模具下压板材得到压印接头，重复步骤S3的测量，将接头轮廓上t个边缘点坐标P_k(x_k,y_k)(k∈1,2,…t)代入最小二乘圆公式(1)～(10)，计算出实际圆C_实1的圆心O_实1(x₃,y₃)和半径R₃，其物理意义为：x₃是实际圆C_实1圆心的横坐标，y₃是实际圆C_实1圆心的纵坐标；

步骤S5，确定偏差值Δx、Δy和距离差Δd：理论圆C_理和实际圆C_实0统一在X,Y平面上，以理论圆C_理圆心为原点建立直角坐标系，计算机计算出理论圆C_理圆心坐标O_理(x₁,y₁)与实际圆C_实0圆心坐标O_实0(x₂,y₂)的坐标偏差，得出两个圆心坐标差值Δx、Δy：

公式中Δx表示为两个圆的圆心横坐标差值，Δy表示为两个圆的圆心纵坐标差值，用来表征下模具轴偏移，当Δx＝0，Δy＝0，表明两个圆心重合，即下模具未发生轴偏移；当Δx≠0，Δy≠0，表明下模具轴偏移具有Δx、Δy偏移量，则需要对下模具轴偏移进行修正；

计算机计算出两个不同Z高度实际圆的圆心在XOY平面投影的距离差Δd，进一步求出轴偏转角α：

由公式(12)可知，若Δd＝0，表明上模具未发生轴偏转角α；若Δd≠0，表明上模具发生轴偏转，进而求出上模具的轴偏转角α，则需要对上模具偏转角进行修正；

Ⅱ.轴偏移、偏转修正：

步骤S6，轴偏移和偏转修正：计算机将两个圆心坐标偏差值Δx、Δy转换为伺服电机可识别的脉冲信号，通过控制线传递到伺服电机，伺服电机的正反转和旋转时间控制修正运动部件分别在X轴上移动Δx和Y轴上移动Δy，实现对下模具的轴偏移的修正；计算机将上模具轴偏转角α转化为X,Y方向上的位移量控制信号，通过修正部件驱动上模具在X,Y方向上移动特定的位移，实现对上模具轴偏转的修正；

步骤S7，确认修正及其闭环反馈：在闭环的测量和修正系统中，重复上述测量步骤S1、S2、S3、S4、S5，计算出实际圆C_实0与理论圆C_理的圆心偏差值Δx、Δy和两个实际圆C_实0，C_实1的圆心距离Δd，若Δx≠0、Δy≠0、Δd≠0，则继续重复测量和修正运动，直到测量结果为：Δx＝0、Δy＝0、Δd＝0，则完成上模具和下模具轴偏移、偏转测量和修正。

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