數位化精密曲線磨削的控制方法
2023-05-27 04:21:06 3
專利名稱：數位化精密曲線磨削的控制方法
技術領域：
本發明涉及的是一種用於機械加工技術領域的基於圖像在線識別的數位化精密曲線磨削方法，特別是一種數位化精密曲線磨削的控制方法。
背景技術：
精密曲線磨削技術主要用於加工各種精密複雜的模具(例如汽車和轎車發動機活塞加工用的中凸變橢圓非圓迴轉曲面靠模、型材成型輪和滾壓輪、精密衝頭、精密樣板等)和刀具(精密平面形及圓形刀具等)以及各種複雜曲面零件。隨著數位化光電技術的高速發展，用CCD技術替代傳統的光學系統，將大大提高精密曲面磨床的技術性能，美國Rollomatic公司研究開發的高精度CNC600Xplus6軸工具磨削中心由於直接配裝了變革性的光學裝夾裝置，因此可以進行更快的裝夾。每個磨削砂輪的位置是用輪廓投影儀在線測量的，因為測量是在工具機上進行的，因此能夠保證較高的精度。臺灣遠山機械工業公司一直專注於高精度刀具磨床的研發，除了不斷提高在精度上的製造技術，還開發出搭配精密磨削輔助的攝像監控系統。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利申請號99814313.8，發明名稱為工件磨削加工過程的控制方法和磨床，該專利涉及一種對工件粗磨加工時進行過程控制的方法，根據在研磨時利用測量傳感器測量工件的實際尺寸並根據測量出的實際尺寸連續自動地向預給定的與研磨時間有關的額定尺寸進行修正，但由於該方法採用測量傳感器對工件進行接觸式測量，精度較低，只能實現迴轉零件的粗磨加工，所以無法實現各種複雜曲面的精密磨削。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於圖像在線識別的數位化精密曲線磨削的控制方法。使其取代傳統的幾何光學成像觀察裝置，實現數位化精密檢測、補償和控制。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明具體步驟如下
1、建立計算機與CCD視屏共享的人機界面。在界面窗口進行CCD視頻圖像、當前加工狀態的動態顯示，使工具機的當前加工狀態和實際加工環境同時顯示在一個界面上，這有利於定位和實際加工時的在線監測。
2、對砂輪往復運動進行精確自動調節。在操作界面設置砂輪準停點、圖像採樣點、砂輪往復頻率及往復位置，根據界面設定的參數或直接由NC程序控制砂輪的特定運動。
3、工件及砂輪圖像的採集與處理。CCD檢測裝置自動檢測工件及砂輪形貌，通過屏幕觀測或由計算機自動採樣處理進行在線檢測，獲取圖樣坐標位置、直線角度、圓弧半徑等數據。
4、進行砂輪磨損的實時在線補償。計算機根據圖像處理的結果，計算砂輪補償值，自動控制電機驅動砂輪架實施補償，保證曲線磨削精度。
所述的計算機與CCD視屏共享的人機界面，是指在同一視屏窗口下同時顯示計算機和CCD的內容，兩者視屏共享並實時進行數據交換，通過窗口切換方法可分別單獨顯示計算機或CCD的內容，或者分割視屏在同一窗口下同時顯示計算機和CCD的內容。在圖像採集時，首先由升降裝置粗調，調焦鏡頭微調對CCD進行調焦，直至出現清晰的砂輪和工件圖像，由CCD光學成像系統拍攝砂輪和工件的圖像，存入圖像採集卡緩存，圖像採集軟體按指定的速率把緩存裡的視頻信號採集到計算機內存中，然後在計算機中應用開發軟體包獲得圖像句柄。本界面把OCX圖像控制項嵌入到應用程式中，在程序中開闢一個線程專門進行圖像的顯示和處理。採用基於PC的上位機以後臺的方式進行圖像採集及界面顯示，而插補運算等實時性任務由下位運動控制卡承擔。採用視屏共享的人機界面有利於實際加工時的定位和在線監測，也可通過對已有工件的CCD圖像識別和數位化處理，複製或鏡像該工件，進行數控仿型加工，還可進行加工過程的模擬顯示，以進行幹涉校驗。
所述的砂輪往復運動的精確自動調節，是指砂輪滑板的位置控制通過計算機控制的閉環交流伺服驅動系統實現，砂輪上下往復運動採用滾動導軌副，經直線電機直接驅動砂輪滑板，以保證控制精度和往復頻率。由於直線電機是垂直安裝的，在直線電機的運動方向安裝平衡汽缸，以達到力的平衡，由氣源氣閥、制動氣閥及欠壓保護信號共同控制Z軸的空氣平衡裝置，以保證垂直軸Z的運動平衡和停機時的可靠制動。加工時，Z軸磨頭用於初始準確定位，或用於上下往復運動，可實現各種複雜曲線的精密磨削。通過在界面上設置滑板準停點可使滑板準停於物平面位置，以便於對刀和砂輪修整，在NC中，磨頭往復軸Z設定為單獨的坐標系，在界面上設定圖像採樣位置、滑板往復頻率及往復位置等，由NC程序對砂輪往復的頻率、位置、行程進行精確控制。進行砂輪圖像的動態採樣時，採用運動控制卡的位置比較功能，它在到達設定點時硬體觸發，保證採樣點捕捉的準確性。
所述工件及砂輪圖像的採集及處理，是指應用CCD數碼成像技術對加工過程進行採樣分析，採用硬體與軟體定位技術實現砂輪和工件圖像的同步瞬態數據採集。當對磨削加工進行圖像識別時，在用戶界面上設定好具有清晰砂輪圖像時的採樣點位置，當砂輪主軸運動到採樣點位置時，由位置傳感器感應或通過運動控制卡的位置比較功能觸發，向同步控制卡發出一個很短時間的脈衝信號，採集軟體根據同步控制卡提供的捕捉信號，凍結該採樣點的有效圖像。然後在計算機中應用開發軟體包獲得圖像句柄，對圖像進行預處理，主要是圖像的二值化、濾波、去噪等。再進行圖像的算法處理，主要工作是圖像邊緣算法以檢測邊界，這裡採用傳統算法與矩算法相結合的卜算法，以及圖像模式識別以檢測工件外形尺寸等，根據測量結果，就可以得出砂輪的磨損程度和工件的加工誤差。
所述砂輪磨損的實時在線補償，是指根據計算出的砂輪的磨損程度和工件的加工誤差，通過數控系統驅動砂輪架十字拖板(UV軸)進行自動誤差補償，或由操作面板的U/V軸手脈按扭手動補償。為了便於控制，將所有運動軸分成3組坐標系，同一坐標系的馬達能夠同步協調運動，不同的坐標系能在不同的時間運行不同的程序，第一坐標系的各軸實現曲線加工的插補聯動，第二坐標系的UV補償軸完成在線補償功能，磨頭往復軸Z在第三坐標系，由往復運動程序單獨控制。磨削加工時，當檢測出砂輪磨損或加工誤差時，直接調用第二坐標系的補償程序進行在線補償。
本發明具有以下特點本發明採用基於CCD圖像識別的砂輪形貌動態檢測方法，把CCD圖像採集和數字圖像處理技術應用於磨削過程的砂輪在線檢測，有效避免了傳統砂輪檢測中遇到的技術難題。採用基於PC平臺的開放式數控磨削集成系統，集多軸數字控制、視頻採集、圖像顯示、圖像處理、在線刀具補償、工具機控制為一體，實現了各種複雜零件的精密磨削加工。採用先進的直線電機技術，實現了磨頭在Z軸方向上速度、位置、行程的無間隙的任意數位化自動調節控制，解決了傳統光學曲線磨削中磨頭往復運動固有間隙引起的磨削振紋問題。
具體實施例方式
結合本發明方法的內容提供以下實施例本實施例在上海市重點科技攻關項目-基於圖像在線識別檢測的數位化精密曲線磨削技術與裝備上採用。本實施例採用的控制平臺主要包括八軸四聯動數控磨削系統、砂輪往復運動控制裝置和CCD圖像測量裝置。八軸四聯動數控磨削系統主要包括工業PC、運動控制卡、伺服電機、伺服放大器、操作面板和工具機控制電器等。運動控制卡採用美國Delta Tau公司最新推出的開放式多軸運動控制器TurboPMAC，可同時控制八個伺服軸，與工業PC構成NC嵌入PC結構的數控系統。系統八個伺服軸中的砂輪滑板往復軸Z採用日本沙迪克(SODICK)的直線電機構成全閉環控制，磨床工作檯縱向軸X、工作檯橫向軸Y採用日本安川(YASKAWA)∑-II系列交流伺服系統構成全閉環控制，其它四軸(滑座縱向軸U、滑座橫向軸V、滑座繞光軸迴轉軸C、磨圓夾具車頭軸A、分度頭迴轉軸B)構成半閉環結構。該系統應用數碼成像技術對加工過程進行採樣分析，採用COSTAR SI-M350 CCD攝像機、Computar FA25mm鏡頭及反射裝置構成物鏡裝置。當檢測到砂輪運動到設定點處時，同步控制卡發出瞬時的電流脈衝信號驅動Imagenation公司PXC200型圖像採集卡對工件和砂輪進行圖像採集，採集到的砂輪和工件圖像存入計算機，然後在計算機中應用二次開發軟體包Xcalipter中的ImagineDevice控制項，獲得圖像句柄，通過細分技術使檢測圖像的最小解析度達到0.001。
本發明採用基於圖像在線識別的數位化精密曲線磨削的控制方法，它包括建立計算機與CCD視屏共享的人機界面，對砂輪往復運動進行精確自動調節，工件及砂輪圖像的採集與處理，進行砂輪磨損的實時在線補償四個步驟。磨削加工時，首先使工具機的當前加工狀態和實際加工環境(CCD視頻圖像)同時顯示在一個界面上，這有利於定位和實際加工時的在線監測。然後在操作界面設置圖像採樣點、砂輪往復頻率及往復位置，根據界面設定的參數由NC程序控制砂輪作特定的運動。CCD檢測裝置自動檢測工件及砂輪形貌，通過屏幕觀測或由計算機自動採樣處理進行在線檢測，獲取圖樣坐標位置、直線角度、圓弧半徑等數據。計算機根據圖像處理的結果，計算出砂輪補償值，自動控制電機驅動砂輪架實施補償，保證曲線磨削精度。
根據本發明方法，研究開發出的8軸數控精密曲線磨床樣機，可實現各種曲線加工模式，具有完善的功能，較高的精度和優良的性能，其在線檢測精度≤0.005mm，最小解析度0.0001mm，最大往復速度400次/min，低速運行速度0.1mm/min，通過試磨工件，加工表面粗糙度達到Ra0.32μm；輪廓加工精度為0.005mm。在加工過程中，通過CCD檢測裝置檢測工件及砂輪形貌，根據CCD圖像數字處理結果，自動確定砂輪補償要求並實施補償，提高了加工精度。實現了磨頭在Z軸方向上速度、位置、行程的任意數位化自動調節控制， 消除了傳統的光學曲線磨床在往復運動過程中傳動鏈長、傳動間隙較大，容易引起磨削振紋等缺陷。
權利要求
1.一種數位化精密曲線磨削的控制方法，其特徵在於，具體步驟如下①建立計算機與CCD視屏共享的人機界面，在界面窗口進行CCD視頻圖像、當前加工狀態的動態顯示；②對砂輪往復運動進行精確自動調節，在操作界面設置砂輪準停點、圖像採樣點、砂輪往復頻率及往復位置；③工件及砂輪圖像的採集與處理，CCD檢測裝置自動檢測工件及砂輪形貌，通過屏幕觀測或由計算機自動採樣處理進行在線檢測，獲取數據；④進行砂輪磨損的實時在線補償，計算機根據圖像處理的結果，計算砂輪補償值，自動控制電機驅動砂輪架實施補償，保證曲線磨削精度。
2.根據權利要求1所述的數位化精密曲線磨削的控制方法，其特徵是，所述的計算機與CCD視屏共享的人機界面，在同一視屏窗口下同時顯示計算機和CCD的內容，兩者視屏共享並實時進行數據交換，通過窗口切換方法可分別單獨顯示計算機或CCD的內容，或者分割視屏在同一窗口下同時顯示計算機和CCD的內容。
3.根據權利要求1或者2所述的數位化精密曲線磨削的控制方法，其特徵是，所述的計算機與CCD視屏共享的人機界面，在圖像採集時，首先由升降裝置粗調，調焦鏡頭微調對CCD進行調焦，直至出現清晰的砂輪和工件圖像，由CCD光學成像系統拍攝砂輪和工件的圖像，存入圖像採集卡緩存，圖像採集軟體按指定的速率把緩存裡的視頻信號採集到計算機內存中，然後在計算機中應用開發軟體包獲得圖像句柄。
4.根據權利要求1所述的數位化精密曲線磨削的控制方法，其特徵是，所述的砂輪往復運動的精確自動調節，砂輪滑板的位置控制通過計算機控制的閉環交流伺服驅動系統實現，砂輪上下往復運動採用滾動導軌副，經直線電機直接驅動砂輪滑板，以保證控制精度和往復頻率。由於直線電機是垂直安裝的，在直線電機的運動方向安裝平衡汽缸，以達到力的平衡，由氣源氣閥、制動氣閥及欠壓保護信號共同控制Z軸的空氣平衡裝置，以保證垂直軸Z的運動平衡和停機時的可靠制動。加工時，Z軸磨頭用於初始準確定位，或用於上下往復運動，可實現各種複雜曲線的精密磨削。
5.根據權利要求1或者4所述的數位化精密曲線磨削的控制方法，其特徵是，所述的砂輪往復運動的精確自動調節，通過在界面上設置滑板準停點可使滑板準停於物平面位置，以便於對刀和砂輪修整，在NC中，磨頭往復軸Z設定為單獨的坐標系，在界面上設定圖像採樣位置、滑板往復頻率及往復位置等，由NC程序對砂輪往復的頻率、位置、行程進行精確控制。
6.根據權利要求1所述的數位化精密曲線磨削的控制方法，其特徵是，所述工件及砂輪圖像的採集及處理，當對磨削加工進行圖像識別時，在用戶界面上設定好具有清晰砂輪圖像時的採樣點位置，當砂輪主軸運動到採樣點位置時，由位置傳感器感應或通過運動控制卡的位置比較功能觸發，向同步控制卡發出一個很短時間的脈衝信號，採集軟體根據同步控制卡提供的捕捉信號，凍結該採樣點的有效圖像。然後在計算機中應用開發軟體包獲得圖像句柄，對圖像進行預處理，再進行圖像的算法處理。
7.根據權利要求1所述的數位化精密曲線磨削的控制方法，其特徵是，所述砂輪磨損的實時在線補償，根據計算出的砂輪的磨損程度和工件的加工誤差，通過數控系統驅動砂輪架十字拖板進行自動誤差補償，或由操作面板的U/V軸手脈按扭手動補償。
8.根據權利要求1或者7所述的數位化精密曲線磨削的控制方法，其特徵是，所述砂輪磨損的實時在線補償，為了便於控制，將所有運動軸分成3組坐標系，同一坐標系的馬達能夠同步協調運動，不同的坐標系能在不同的時間運行不同的程序，第一坐標系的各軸實現曲線加工的插補聯動，第二坐標系的UV補償軸完成在線補償功能，磨頭往復軸Z在第三坐標系，由往復運動程序單獨控制。
全文摘要
一種用於機械加工技術領域的基於圖像在線識別的數位化精密曲線磨削方法。具體步驟如下①建立計算機與CCD視屏共享的人機界面；②對砂輪往復運動進行精確自動調節；③工件及砂輪圖像的採集與處理；④進行砂輪磨損的實時在線補償。本發明集多軸數字控制、視頻採集、圖像顯示、圖像處理、在線刀具補償、工具機控制為一體，實現了各種複雜零件的精密磨削加工。
文檔編號B24B51/00GK1686673SQ20051002506
公開日2005年10月26日 申請日期2005年4月14日 優先權日2005年4月14日
發明者胡德金, 裴景玉, 萬大平, 張永宏, 許黎明, 範浩, 羅玉梅 申請人:上海交通大學