CN1724217A - 基于图像识别精密曲线磨削在线检测方法 - Google Patents

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CN1724217A CN 200510026801 CN200510026801A CN1724217A CN 1724217 A CN1724217 A CN 1724217A CN 200510026801 CN200510026801 CN 200510026801 CN 200510026801 A CN200510026801 A CN 200510026801A CN 1724217 A CN1724217 A CN 1724217A
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张永宏
胡德金
卜泉林
范浩
许黎明
裴景玉
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Shanghai Jiaotong University
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Shanghai Jiaotong University
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Abstract

一种用于测量技术领域的基于图像识别的曲线磨削高精度在线检测方法，本发明首先在设定位置处进行工件和砂轮瞬态图像的捕捉和存储：为了防止火花对图像采集质量的影响，必须对工件和砂轮进行定点采样，具体当砂轮运动到设定点位置时，PLC发出脉冲触发图像采集卡冻结瞬态图像，从而实现图像的动态捕捉；其次是采用工件尺寸的圆形公差带判别方法：在CCD摄像机分辨率一定的情况下，为了提高测量系统的分辨率，把变化的工件公差带曲线转化为固定的圆形公差带。本发明利用光学系统进行成像，结合触发电路与图像采集技术，并采用圆形公差带判别技术，来实现大尺寸工件、复杂曲线的精密磨削在线检测。

Description

基于图像识别精密曲线磨削在线检测方法
技术领域
本发明涉及的是一种在线检测方法，具体是一种基于图像识别精密曲线磨削在线检测方法。用于测量技术领域。
背景技术
随着汽车、微电子器件和家电制造业等的高速发展，各种精密复杂的模具和刀具的需求量越来越大；曲线磨削是精密模具和刀具的最终加工工序，并直接影响到产品的最终质量和性能。实现曲线磨削加工的在线检测技术是提供磨削精度的一个重要手段，目前用于磨削监控的方法主要有声发射检测法及其信息融合技术。但这些检测方法大多只是做了一些理论上的探讨，由于声发射信号是各种声发射源合成的结果，含有丰富的信息，监测信号源的信号特征的获取及相应信号的处理方法仍是在线监测砂轮磨削工况的难点。
经对现有技术文献的检索发现，上海第三机床厂生产的MK9025数控型光学曲线磨床，其采用的检测方法是光学投影判读测量，就是利用光学投影的方法来观察工件的磨削状况，这种通过人工判读的方法无法采集和处理这些图像信息，检测精度不高、效率低下，无法满足复杂曲线精密磨削的在线检测和实时误差补偿的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于图像识别精密曲线磨削在线检测方法。使其利用光学系统进行成像，结合触发电路与图像采集技术，并采用圆形公差带判别技术，来实现大尺寸工件、复杂曲线的精密磨削在线检测。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明首先在设定位置处进行工件和砂轮瞬态图像的捕捉和存储：为了防止火花对图像采集质量的影响，必须对工件和砂轮进行定点采样，具体当砂轮运动到设定点位置时，PLC(可编程控制器)发出脉冲触发图像采集卡冻结瞬态图像，从而实现图像的动态捕捉；其次是采用工件尺寸的圆形公差带判别方法：在CCD(电荷耦合器件)摄像机分辨率一定的情况下，为了提高测量系统的分辨率，把变化的工件公差带曲线转化为固定的圆形公差带，采用小视野、局部图像采集的工件尺寸圆形公差带判别方法。
以下对本发明作进一步的详细说明，具体内容如下：
1、设定位置处工件和砂轮瞬态图像的捕捉和存储
在曲线磨削加工过程中，直线电机驱动砂轮在竖直平面内往复运动(沿Z轴)并作高速旋转，磨削工件在水平面内作三轴(沿X、Y轴水平运动，绕C轴旋转)联动，砂轮与工件之间的磨削为干磨；CCD摄像机及光学镜头的光轴中心与C轴重合。
为了防止火花对图像采集质量的影响，必须对工件和砂轮进行定点采样；在磨削加工之前，根据砂轮的工作行程、往复运动速度和工件的厚度，在用户界面计算并设定采样位置；当砂轮运动到最高点时对工件和砂轮图像进行瞬态捕捉；当砂轮运动到设定点位置时，PLC发出脉冲通过触发电路触发图像采集卡冻结瞬态图像，瞬态图像存入计算机而实现图像的动态捕捉。
2、工件尺寸的圆形公差带判别方法
基于图像识别的CCD在线检测方法要求测量目标全部处在CCD测量视野范围内，这样就可以利用图像处理技术通过边缘提取得到测量目标的轮廓尺寸；但是在CCD摄像机分辨率一定的情况下，测量目标的尺寸越大，测量系统的精度也就随之降低。
考虑到整个工件和砂轮的尺寸比较大，在CCD摄像机分辨率一定的情况下，如果采用全视场来采集工件和砂轮图像，那么CCD采集到的是一个缩小倍率很大的像，这将引入较大的测量误差，达不到精密磨削的测量要求。由于只是关心砂轮的磨损程度和工件的加工精度，可以通过调节光学镜头的焦距缩小测量视野，这种局部测量的方法有利于提高机器视觉测量系统的分辨率和检测精度。
这种通过对工件和砂轮进行局部图像采集的方法虽然能够提高测量系统的分辨率，但是给工件的实际加工轮廓和理论轮廓的对比带来了困难，无法保证实际轮廓曲线上任意一点的坐标与理论轮廓曲线上相应点的坐标对应，为此，本发明提出一种基于圆形公差带的判别测量方法。
在磨削加工之前，砂轮刀尖处被修整成圆弧状。由于工件在水平面内作三轴联动(X轴、Y轴和C轴)，所以工件的理论加工轮廓、公差带曲线以及实际的加工轮廓曲线是时刻变化的，而砂轮的理论轮廓曲线是固定不变的，这样就可以把变化的工件公差带曲线转化为砂轮的圆形公差带。由于砂轮理论曲线和圆形公差带是不变的，如果工件的实际加工轮廓曲线落在圆形公差带中，说明工件是合格的；如果工件的实际加工轮廓曲线落在圆形公差带的内偏差的外部，说明砂轮已经被磨损，需要进行误差补偿；如果工件轮廓曲线落在圆形公差带的外偏差的外部，说明初始时工件的对刀存在误差。
本发明把CCD图像采集和数字图像处理技术应用于磨削过程的砂轮在线检测，有效解决了传统光学投影判读测量的缺点。该方法采用外触发电路和同步控制急速哈对工件和砂轮图像进行瞬态捕捉，并利用一种基于圆形公差带的判别技术检测工件的磨削质量，并间接的反映砂轮的磨损状况。这种非接触式在线检测方法不仅具有较高的检测精度，而且效率远高于其他方法。本发明具有非接触、高速度、动态范围大、信息量丰富、成本相对低廉等诸多优点，它广泛应用于几何量的尺寸测量、精密复杂零件的微尺寸测量和外观检测等技术领域中，尤其非常适合于复杂零件几何参数的在线检测。
具体实施方式
结合本发明方法的内容提供以下实施例：
本实施例在上海交通大学和上海第三机床厂联合研制的MD9040数字化曲线磨床上进行，具体实施过程如下：
(1)检测前的初始化设置。根据工件的厚度为10mm，砂轮往复运动频率240次/min，砂轮主轴的行程60mm，在用户界面设定砂轮主轴的最高点80mm，最低点20mm，图像采样点75mm。
(2)砂轮在竖直平面内运动(沿Z轴)并作高速旋转，磨削工件在水平面内作(沿X、Y轴水平运动，绕C轴旋转)三轴联动从而实现曲面磨削。当砂轮运动到采样点位置时，PLC发出脉冲通过触发电路触发图像采集卡冻结瞬态图像。采集到的砂轮瞬态图像经过计算机软件进行处理，实现了曲线磨削的图像在线检测。
(4)应用圆形公差带判别方法，并利用图像的边缘检测技术，当工件实际加工轮廓曲线落在公差带ε内部就认为加工的零件是合格的，其中ε为规定的圆形公差带；当工件轮廓曲线落在圆形公差带的内偏差的外部，说明砂轮已经被磨损；当工件轮廓曲线落在圆形公差带的外偏差的外部，说明初始时工件的对刀存在误差。
(5)利用双频激光干涉仪检测磨削工件加工前后的尺寸变化，发现检测结果和CCD图像识别的结果非常吻合，检测精度小于5um。这表明基于CCD图像识别的曲线磨削在线检测方法具有较高的检测精度，满足了精密曲线磨削的检测要求。

Claims (7)

1.一种基于图像识别精密曲线磨削在线检测方法，其特征在于，首先在设定位置处进行工件和砂轮瞬态图像的捕捉和存储，为了防止火花对图像采集质量的影响，必须对工件和砂轮进行定点采样，具体当砂轮运动到设定点位置时，PLC发出脉冲触发图像采集卡冻结瞬态图像，从而实现图像的动态捕捉；其次是采用工件尺寸的圆形公差带判别方法，在CCD摄像机分辨率一定的情况下，为了提高测量系统的分辨率，把变化的工件公差带曲线转化为固定的圆形公差带，采用小视野、局部图像采集的工件尺寸圆形公差带判别方法。
2.根据权利要求1所述的基于图像识别精密曲线磨削在线检测方法，其特征是，所述的在设定位置处进行工件和砂轮瞬态图像的捕捉和存储，其方法是：在曲线磨削加工过程中，直线电机驱动砂轮在竖直平面内往复运动并作高速旋转，磨削工件在水平面内作三轴联动，砂轮与工件之间的磨削为干磨。
3.根据权利要求1或2所述的基于图像识别精密曲线磨削在线检测方法，其特征是，所述的在设定位置处进行工件和砂轮瞬态图像的捕捉和存储，其方法是：CCD摄像机及光学镜头的光轴中心与C轴重合。
4.根据权利要求1所述的基于图像识别精密曲线磨削在线检测方法，其特征是，所述的对工件和砂轮进行定点采样，其方法是：在磨削加工之前，根据砂轮的工作行程、往复运动速度和工件的厚度，在用户界面计算并设定采样位置。
5.根据权利要求1或4所述的基于图像识别精密曲线磨削在线检测方法，其特征是，所述的对工件和砂轮进行定点采样，其方法是：当砂轮运动到最高点时对工件和砂轮图像进行瞬态捕捉；当砂轮运动到设定点位置时，PLC发出脉冲通过触发电路触发图像采集卡冻结瞬态图像，瞬态图像存入计算机而实现图像的动态捕捉。
6.根据权利要求1所述的基于图像识别精密曲线磨削在线检测方法，其特征是，所述的工件尺寸的圆形公差带判别方法，是指：在磨削加工之前，砂轮刀尖处被修整成圆弧状，由于工件在水平面内作三轴联动，所以工件的理论加工轮廓、公差带曲线以及实际的加工轮廓曲线是时刻变化的，而砂轮的理论轮廓曲线是固定不变的，这样就把变化的工件公差带曲线转化为砂轮的圆形公差带。
7.根据权利要求1或6所述的基于图像识别精密曲线磨削在线检测方法，其特征是，所述的工件尺寸的圆形公差带判别方法，是指：由于砂轮理论曲线和圆形公差带是不变的，如果工件的实际加工轮廓曲线落在圆形公差带中，说明工件是合格的；如果工件的实际加工轮廓曲线落在圆形公差带的内偏差的外部，说明砂轮已经被磨损，需要进行误差补偿；如果工件轮廓曲线落在圆形公差带的外偏差的外部，说明初始时工件的对刀存在误差。
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