一種復(fù)雜輪廓曲線磨削誤差原位檢測裝置和方法與流程
本發(fā)明涉及一種誤差檢測領(lǐng)域的技術(shù)，具體的，涉及一種復(fù)雜輪廓曲線磨削誤差原位檢測裝置和方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代制造技術(shù)的快速發(fā)展對零件的復(fù)雜程度及加工精度提出了更高的要求。曲線磨削作為一種復(fù)雜零件的精密加工方法，如何提高其加工精度已成為一個重要的研究課題。誤差補償作為一種經(jīng)濟、有效的提高加工精度的方法，在研究中得到了廣泛的應(yīng)用。而要進行誤差補償，首先需要對加工過程中的誤差進行檢測。
傳統(tǒng)的光學(xué)曲線磨床利用投影的方法將工件實際輪廓投影放大，通過與理論輪廓對比，由人工判別加工是否合格。這種方法因不能采集、處理圖像信息而不能量化誤差，導(dǎo)致加工精度受人為影響很大，而且效率較低。
近年來，隨著機器視覺技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者對基于機器視覺的磨削誤差檢測技術(shù)進行了研究。張永宏等采用砂輪做高速旋轉(zhuǎn)運動，并沿z方向做往復(fù)運動，工件隨著工作臺做x、y方向插補運動的形式，利用固定在機床上的CCD相機實時獲取加工過程中砂輪圖像，利用亞像素邊緣定位算法提取砂輪輪廓，與其理論輪廓進行比較得到砂輪磨損誤差。(張永宏，胡德金，宋偉：曲面點磨削過程中砂輪狀態(tài)的CCD動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].兵工學(xué)報，2005，26(2)：201-204.)
顧鐵玲等采用同樣的運動形式，利用CCD相機獲取工件的局部圖像，并利用圖像拼接技術(shù)得到工件的整體圖像并處理得到其輪廓，通過與理論輪廓對比得到砂輪的磨損量。(顧鐵玲，王海麗，胡德金等：基于計算機視覺的砂輪磨損狀態(tài)的在線檢測[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2007，26(9)：1147-1150.)
上述誤差檢測方法只能檢測曲線磨削過程中砂輪的磨損，無法對機床的幾何誤差及部分熱誤差引起的加工誤差進行有效的檢測，也就無法在后續(xù)的誤差補償中補償這些誤差，從而不能達到很高的加工精度。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種復(fù)雜輪廓曲線磨削誤差原位檢測裝置和方法，解決上述技術(shù)問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種復(fù)雜輪廓曲線磨削誤差原位檢測裝置，包括：運動控制器、計算機、位置測量部件、滑臺組件、刀尖圓弧砂輪、圖像采集部件；其中：
所述刀尖圓弧砂輪安裝在滑臺組件上，并隨滑臺組件沿x、y、z方向運動；
所述位置測量部件檢測刀尖圓弧砂輪的位置，并將信號發(fā)送給運動控制器；當檢測到刀尖圓弧砂輪運動到最高點時，運動控制器發(fā)送信號到計算機，由計算機控制圖像采集部件進行采集工件圖像；
所述圖像采集部件在曲線磨削加工時實時采集工件圖像，并將圖像傳給計算機；
所述計算機，對圖像采集部件實時采集的工件圖像進行處理，得到工件實際輪廓；曲線磨削過程中，包括砂輪磨損、機床幾何誤差、機床熱誤差在內(nèi)的多項誤差最終綜合表現(xiàn)為工件實際輪廓與其理論輪廓之間的偏差，所述計算機通過將工件實際輪廓與理論輪廓進行比較得到當前包括砂輪磨損、機床幾何誤差、機床熱誤差在內(nèi)的加工誤差，并根據(jù)此誤差將補償指令發(fā)送到運動控制器，由運動控制器控制滑臺組件進行補償運動；
所述運動控制器接收計算機發(fā)出的數(shù)控指令，進行譯碼后對滑臺組件及刀尖圓弧砂輪的運動進行控制。
優(yōu)選地，所述位置測量部件安裝在滑臺組件上，并隨滑臺組件沿x、y方向運動，滑臺組件用于帶動刀尖圓弧砂輪、位置測量部件運動。
優(yōu)選地，所述裝置進一步包括平行背光源，位于工件及圖像采集部件下方，以獲得更好的圖像采集效果。
優(yōu)選地，所述裝置進一步包括床身、工作臺，工作臺用于裝夾工件，并安裝在床身上，滑臺組件也安裝在床身上，平行背光源，安裝在床身上。
本發(fā)明上述裝置在曲線磨削加工中，工件及圖像采集部件固定不動，工件的加工輪廓位于圖像采集部件的視野內(nèi)，工件裝夾完成后，加工輪廓在圖像采集部件所成圖像中的位置一定，工件的理論輪廓位置也固定不變；刀尖圓弧砂輪在運動控制器的控制下高速旋轉(zhuǎn)，沿x、y方向做插補運動，同時沿z方向做往復(fù)運動；圖像采集部件實時采集工件圖像，并由計算機處理得到工件實際輪廓，通過將工件實際輪廓與理論輪廓進行比較得到當前包括砂輪磨損、機床幾何誤差、機床熱誤差在內(nèi)的加工誤差。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種基于復(fù)雜輪廓曲線磨削誤差原位檢測方法，所述方法通過將工件實際輪廓與理論輪廓進行比較得到當前包括砂輪磨損、機床幾何誤差、機床熱誤差在內(nèi)的加工誤差；具體包括：
獲取刀尖圓弧砂輪的前端刀尖圓弧中心理論位置C、工件上理論加工點Mi、工件實際輪廓；
在圖像中作過刀尖圓弧砂輪的刀尖圓弧中心理論位置C、當前理論加工點Mi的直線，該直線與工件實際輪廓交于點Mr，點Mr與點Mi在沒有加工誤差的情況下重合；在存在加工誤差時點Mr與點Mi則不重合，點Mr為當前的實際加工點，點Mr與點Mi之間的距離d即為當前加工的誤差。
優(yōu)選地，所述方法中，曲線磨削過程任意時刻刀尖圓弧砂輪的刀尖圓弧中心理論位置及工件上理論加工點由數(shù)控系統(tǒng)得到。
優(yōu)選地，所述工件實際輪廓，通過計算機控制圖像采集部件實時采集工件圖像并通過圖像處理獲得。
優(yōu)選地，由于加工過程中工件與圖像采集部件均處固定狀態(tài)，工件的理論輪廓在所成圖像中的位置保持不變，因此在圖像坐標系中定位當前刀尖圓弧砂輪的刀尖圓弧中心的理論位置及當前的工件理論加工點。
優(yōu)選地，所述方法中，若加工誤差超過誤差限，則根據(jù)引起誤差原因的不同，采取不同的方法進一步確定誤差的方向和大小。
更優(yōu)選地，當檢測到加工誤差超過誤差限，需要進行誤差補償時，需要進一步確定誤差的方向；加工誤差超過誤差限分為兩種情況：由進給不足引起和由進給過大引起；具體的：
過刀尖圓弧砂輪的刀尖圓弧中心理論位置與當前理論加工點作一直線，該直線與工件實際輪廓存在交點，該交點位于刀尖圓弧砂輪的刀尖圓弧中心理論位置與當前理論加工點之間時，加工誤差由刀尖圓弧砂輪進給不足引起；否則，加工誤差由刀尖圓弧砂輪進給過大引起。
更優(yōu)選地，當加工誤差由刀尖圓弧砂輪進給不足引起時，進一步確定加工誤差方向及大小的方法為：
截取以刀尖圓弧砂輪前端圓弧中心為圓心、半徑為刀尖圓弧砂輪刀尖圓弧半徑的刀尖理論圓區(qū)域，此時工件圖像會進入此理論圓區(qū)域；
加工某點時若出現(xiàn)由進給不足引起的誤差，截取該點加工前和加工后的刀尖理論圓區(qū)域并進行比較，得到其差別即為最后一次加工刀尖圓弧砂輪所切掉的工件部分，也即最后一次加工刀尖圓弧砂輪實際所處的位置；當?shù)都鈭A弧砂輪實際位置相對理論位置在某方向上有偏差時，在此方向上刀尖圓弧砂輪實際邊緣點到理論邊緣的距離相同；基于此，在得到前述部分刀尖圓弧砂輪實際位置之后，找到這部分刀尖圓弧砂輪的邊緣點，在可能產(chǎn)生進給不足誤差的角度范圍，即理論加工點法線方向±90°的范圍內(nèi)，沿某些方向計算這些點到刀尖圓弧砂輪理論邊緣的距離得到一組距離值，并計算每個方向上該組距離值的標準差，取標準差最小的方向為誤差的方向，該誤差的方向上刀尖圓弧砂輪實際邊緣點到理論邊緣的距離的平均值作為誤差的大小。
更優(yōu)選地，在某點加工完成后檢測到由進給不足引起的誤差時，最后一次加工可能會存在較大的誤差而導(dǎo)致刀尖圓弧砂輪沒有切到工件，此時該點加工前后的理論圓區(qū)域相同，從而無法得到其差別圖像，也就無法利用上述方法確定誤差的方向和大??；當出現(xiàn)這種情況時，取理論加工點的法線方向為誤差方向，誤差的大小為檢測到的超差量。
更優(yōu)選地，當加工誤差由刀尖圓弧砂輪進給過大引起時，進一步確定加工誤差方向及大小的方法為：選取理論加工點的法線方向作為誤差的方向，誤差的大小為檢測到的過切量加上兩倍的誤差限。該方法操作簡便且能保證后續(xù)補償?shù)男Ч?/p>
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
本發(fā)明能檢測到曲線磨削加工過程中包括砂輪磨損、機床幾何誤差、機床熱誤差在內(nèi)的多項誤差的大小和方向，具有檢測全面、精度高的優(yōu)點，為后續(xù)進行誤差補償以提高曲線磨削的加工精度奠定了基礎(chǔ)。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
圖1為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的誤差大小檢測方法示意圖；
圖3為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的實際加工點搜索策略示意圖；
圖4為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的進給不足時理論圓區(qū)域示意圖；
圖5為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的進給不足時加工前后理論圓區(qū)域差別示意圖；
圖6為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的雙斜邊刀尖圓弧砂輪位置存在偏差時示意圖；
圖中：1、床身；2、運動控制器；3、計算機；4、位置傳感器；5、滑臺組件；6、雙斜邊刀尖圓弧砂輪；7、CCD相機；8、CCD相機支架；9、工件；10、工作臺；11、平行背光源；12、工件實際輪廓；13、刀尖理論圓區(qū)域；14、雙斜邊刀尖圓弧砂輪實際所處的位置；15、理論邊緣；16、實際邊緣；17、理論加工點法線方向；18、偏差方向；19、雙斜邊刀尖圓弧砂輪實際位置；20、雙斜邊刀尖圓弧砂輪理論位置；21、偏差方向上雙斜邊刀尖圓弧砂輪實際邊緣點到理論邊緣的距離。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
如圖1所示，一種復(fù)雜輪廓曲線磨削誤差原位檢測裝置，所述裝置包括床身1、運動控制器2、計算機3、位置傳感器4、滑臺組件5、雙斜邊刀尖圓弧砂輪6、CCD相機7、工件9、工作臺10、平行背光源11，其中：
滑臺組件5包含可沿x、y、z方向運動的滑臺，安裝在滑臺組件5上的部件可隨其沿x、y、z方向運動；雙斜邊刀尖圓弧砂輪6安裝在滑臺組件5上，可隨滑臺組件5沿x、y、z方向運動；位置傳感器4安裝在滑臺組件5上，可隨滑臺組件5沿x、y方向運動；滑臺組件5安裝在床身1上；工件9裝夾在工作臺10上，工作臺10安裝在床身1上；CCD相機7通過CCD相機支架8安裝在床身1上，并位于工件9上方；平行背光源11安裝在床身1上，并位于工件9及CCD相機7下方；計算機3與CCD相機7及運動控制器2相連，交互信息；位置傳感器4與運動控制器2相連。
磨削加工過程中，工件9及CCD相機7固定不動，工件9的加工輪廓位于CCD相機7的視野內(nèi)；工件9裝夾完成后，其加工輪廓在CCD相機7所成圖像中的位置一定，工件9的理論輪廓位置也固定不變；雙斜邊刀尖圓弧砂輪6在運動控制器2的控制下高速旋轉(zhuǎn)，沿x、y方向做插補進給運動，同時沿z方向做往復(fù)運動；位置傳感器4檢測雙斜邊刀尖圓弧砂輪6的位置，當雙斜邊刀尖圓弧砂輪6運動到最高點時，運動控制器2檢測到位置傳感器4發(fā)來的脈沖信號，并通知計算機3進行圖像采集。計算機3通過圖像處理獲得工件9實際輪廓，經(jīng)與理論輪廓比較，完成加工誤差檢測與補償。
雙斜邊刀尖圓弧砂輪6最高點觸發(fā)CCD相機7成像的優(yōu)點是：雙斜邊刀尖圓弧砂輪6運動到最高點時瞬時速度為零，與工件9沒有接觸，不會產(chǎn)生火花，且此時雙斜邊刀尖圓弧砂輪6不處在CCD相機7成像景深范圍內(nèi)，可以使工件9成像更加清晰。
如圖2所示，為誤差大小檢測方法示意圖。
開始加工之前，根據(jù)工件9的理論輪廓及雙斜邊刀尖圓弧砂輪6的刀尖圓弧半徑，利用刀具半徑補償算法計算得到雙斜邊刀尖圓弧砂輪6刀尖圓弧中心的理論運動軌跡。
加工過程中的任意時刻，通過數(shù)控系統(tǒng)獲取機床坐標系中當前雙斜邊刀尖圓弧砂輪6刀尖圓弧中心和工件9上加工點的理論位置。由于加工過程中工件9與CCD相機7均處固定狀態(tài)，工件9的理論輪廓在所成圖像中的位置保持不變，因此可以在圖像坐標系中定位當前雙斜邊刀尖圓弧砂輪6刀尖圓弧中心的理論位置C及當前的理論加工點Mi。由于機床存在運動誤差，雙斜邊刀尖圓弧砂輪6的實際位置與理論位置并不重合，同時雙斜邊刀尖圓弧砂輪6的磨損將引起其刀尖圓弧半徑的變化，導(dǎo)致工件9上的實際加工點與理論加工點間存在偏差，這個偏差就是加工誤差。
對CCD相機7拍攝得到的工件9的圖像進行邊緣提取得到工件實際輪廓12，作過C、Mi的直線，與工件實際輪廓12交于點Mr。Mr與Mi在沒有加工誤差的情況下重合，有誤差時則不重合。誤差補償?shù)哪康募词筂r與Mi重合。因此，可將點Mr視為當前的實際加工點，點Mr與點Mi之間的距離d即為當前加工的誤差。對于誤差限e，若：
(1)d≤e，則加工合格；
(2)d>e，且Mr位于C和Mi之間，則誤差由砂輪進給不足引起；
(3)d>e，且Mr位于CMi的延長線上，則誤差由砂輪進給過大引起。
在尋找交點Mr時，需計算工件實際輪廓上的點到直線CMi的距離，取距離最小的點為Mr。若對工件實際輪廓上的每個點都進行計算，則計算量較大、效率較低。為提高搜索效率，對工件實際輪廓點按y坐標(列)排序，并根據(jù)雙斜邊刀尖圓弧砂輪6刀尖圓弧中心理論位置C、理論加工點位置Mi及工件實際輪廓12之間的相對位置情況制定不同的搜索策略，如圖3所示：
①yc＞yMi，且工件實際輪廓12位于C上方：首先搜索工件實際輪廓12中y坐標為yc的點，從該點開始沿y增大的方向依次計算每點到直線CMi的距離，當距離開始增大且最小距離小于1個像素時，取最小距離的點為交點Mr；
②yc＞yMi，且工件實際輪廓12位于C和Mi之間：首先搜索工件實際輪廓12中y坐標為yc和yMi的點，然后對于這兩個點之間的每一個點，計算其到直線CMi的距離，取距離最小的點為交點Mr；
③yc＞yMi，且工件實際輪廓12位于Mi下方：類似情況①，從工件實際輪廓12中y坐標為yMi的點開始沿y減小的方向搜索；
④yc＜yMi，且工件實際輪廓12位于C上方：類似情況①，從工件實際輪廓12中y坐標為yC的點開始沿y減小的方向搜索；
⑤yc＜yMi，且工件實際輪廓12位于C和Mi之間：與情況②相同；
⑥yc＜yMi，且工件實際輪廓12位于Mi下方：類似情況③，從工件實際輪廓12中y坐標為yMi的點開始沿y增大的方向搜索；
此外，當yc＝y(tǒng)Mi時，工件實際輪廓12中y坐標為yC的點即為交點Mr。
當檢測到加工誤差超過設(shè)定誤差限時，需要進一步確定誤差的方向和大小以進行后續(xù)的補償。根據(jù)前述誤差檢測結(jié)果的不同，進一步確定誤差的方向和大小的方法也不同。
砂輪進給不足時誤差方向和大小確定方法：
如前所述，在加工工件9上的任意點時可以得到該時刻圖像坐標系中雙斜邊刀尖圓弧砂輪6刀尖圓弧中心的理論位置C，再根據(jù)雙斜邊刀尖圓弧砂輪6刀尖圓弧半徑可進一步得到以雙斜邊刀尖圓弧砂輪6前端圓弧中心為圓心的刀尖理論圓區(qū)域13，如圖4所示。在加工某點時若沒有誤差，則工件9的圖像不會進入該點的刀尖理論圓區(qū)域13；若存在由進給不足引起的誤差，則工件9的圖像會進入其刀尖理論圓區(qū)域13。
在加工某點時若出現(xiàn)由進給不足引起的誤差，截取該點加工前和加工后的刀尖理論圓區(qū)域13并進行比較，得到其差別即為最后一次加工雙斜邊刀尖圓弧砂輪6所切掉的工件9的部分，也即最后一次加工雙斜邊刀尖圓弧砂輪實際所處的位置14，如圖5所示。
如圖6所示，當雙斜邊刀尖圓弧砂輪實際位置19相對雙斜邊刀尖圓弧砂輪理論位置20在偏差方向18上有偏差時，在偏差方向上雙斜邊刀尖圓弧砂輪實際邊緣點到理論邊緣的距離21是相同的?；谶@一事實，在得到圖5中雙斜邊刀尖圓弧砂輪實際所處的位置14之后，找到雙斜邊刀尖圓弧砂輪6這部分實際邊緣16上的點，即雙斜邊刀尖圓弧砂輪實際所處的位置14區(qū)域每一列最下方的像素點，在可能產(chǎn)生進給不足誤差的角度范圍，即理論加工點法線方向17的±90°范圍內(nèi)，沿某些方向計算這些點到雙斜邊刀尖圓弧砂輪6的理論邊緣15的距離得到一組距離值，并計算每個方向上該組距離值的標準差，取標準差最小的方向為誤差的方向，該方向上實際邊緣16上的點到理論邊緣15的距離的平均值作為誤差的大小。在選取計算距離的方向時，選取的方向越多，則實際誤差方向的判斷越準確，但同時所耗費的時間也更多。
此外，在某點加工完成后檢測到由進給不足引起的誤差時，最后一次加工可能會存在較大的誤差而導(dǎo)致雙斜邊刀尖圓弧砂輪6沒有切到工件9，此時該點加工前后的刀尖理論圓區(qū)域13相同，從而無法得到如圖5所示的差別圖像，也就無法利用上述方法確定誤差的方向和大小。當出現(xiàn)這種情況時，取理論加工點法線方向17為誤差方向，誤差的大小為檢測到的超差量。
砂輪進給過大時誤差方向和大小確定方法：
當檢測到由進給過大引起的過切誤差而進行誤差補償時，需要讓雙斜邊刀尖圓弧砂輪6回退。雙斜邊刀尖圓弧砂輪6回退只需保證后續(xù)加工不再產(chǎn)生過切誤差即可，不必準確地回退到其理論位置。因此，此時將理論加工點法線方向17作為加工誤差的方向，誤差的大小為檢測到的過切量加上兩倍誤差限。之所以這樣確定加工誤差的方向和大小，是為了保證后續(xù)加工不再產(chǎn)生不可逆的過切，而即使因此產(chǎn)生由進給不足引起的誤差，也可通過前述方法進行檢測并補償。這樣的檢測方法操作簡單，且能保證后續(xù)補償?shù)男Ч?/p>
以上實施例采用的是雙斜邊刀尖圓弧砂輪，在其他實施例中，也可以是刀尖圓弧砂輪，同樣可以實現(xiàn)上述目的。
以上實施例采用的是CCD相機，在其他實施例中，也可以是圖像采集部件，同樣可以實現(xiàn)上述目的。
以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
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