专利名称：数字化精密曲线磨削的控制方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于机械加工技术领域的基于图像在线识别的数字化精密曲线磨削方法，特别是一种数字化精密曲线磨削的控制方法。
背景技术：
精密曲线磨削技术主要用于加工各种精密复杂的模具(例如汽车和轿车发动机活塞加工用的中凸变椭圆非圆回转曲面靠模、型材成型轮和滚压轮、精密冲头、精密样板等)和刀具(精密平面形及圆形刀具等)以及各种复杂曲面零件。随着数字化光电技术的高速发展，用CCD技术替代传统的光学系统，将大大提高精密曲面磨床的技术性能，美国Rollomatic公司研究开发的高精度CNC600Xplus6轴工具磨削中心由于直接配装了变革性的光学装夹装置，因此可以进行更快的装夹。每个磨削砂轮的位置是用轮廓投影仪在线测量的，因为测量是在机床上进行的，因此能够保证较高的精度。台湾远山机械工业公司一直专注于高精度刀具磨床的研发，除了不断提高在精度上的制造技术，还开发出搭配精密磨削辅助的摄像监控系统。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号99814313.8，发明名称为工件磨削加工过程的控制方法和磨床，该专利涉及一种对工件粗磨加工时进行过程控制的方法，根据在研磨时利用测量传感器测量工件的实际尺寸并根据测量出的实际尺寸连续自动地向预给定的与研磨时间有关的额定尺寸进行修正，但由于该方法采用测量传感器对工件进行接触式测量，精度较低，只能实现回转零件的粗磨加工，所以无法实现各种复杂曲面的精密磨削。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于图像在线识别的数字化精密曲线磨削的控制方法。使其取代传统的几何光学成像观察装置，实现数字化精密检测、补偿和控制。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明具体步骤如下
1、建立计算机与CCD视屏共享的人机界面。在界面窗口进行CCD视频图像、当前加工状态的动态显示，使机床的当前加工状态和实际加工环境同时显示在一个界面上，这有利于定位和实际加工时的在线监测。
2、对砂轮往复运动进行精确自动调节。在操作界面设置砂轮准停点、图像采样点、砂轮往复频率及往复位置，根据界面设定的参数或直接由NC程序控制砂轮的特定运动。
3、工件及砂轮图像的采集与处理。CCD检测装置自动检测工件及砂轮形貌，通过屏幕观测或由计算机自动采样处理进行在线检测，获取图样坐标位置、直线角度、圆弧半径等数据。
4、进行砂轮磨损的实时在线补偿。计算机根据图像处理的结果，计算砂轮补偿值，自动控制电机驱动砂轮架实施补偿，保证曲线磨削精度。
所述的计算机与CCD视屏共享的人机界面，是指在同一视屏窗口下同时显示计算机和CCD的内容，两者视屏共享并实时进行数据交换，通过窗口切换方法可分别单独显示计算机或CCD的内容，或者分割视屏在同一窗口下同时显示计算机和CCD的内容。在图像采集时，首先由升降装置粗调，调焦镜头微调对CCD进行调焦，直至出现清晰的砂轮和工件图像，由CCD光学成像系统拍摄砂轮和工件的图像，存入图像采集卡缓存，图像采集软件按指定的速率把缓存里的视频信号采集到计算机内存中，然后在计算机中应用开发软件包获得图像句柄。本界面把OCX图像控件嵌入到应用程序中，在程序中开辟一个线程专门进行图像的显示和处理。采用基于PC的上位机以后台的方式进行图像采集及界面显示，而插补运算等实时性任务由下位运动控制卡承担。采用视屏共享的人机界面有利于实际加工时的定位和在线监测，也可通过对已有工件的CCD图像识别和数字化处理，复制或镜像该工件，进行数控仿型加工，还可进行加工过程的模拟显示，以进行干涉校验。
所述的砂轮往复运动的精确自动调节，是指砂轮滑板的位置控制通过计算机控制的闭环交流伺服驱动系统实现，砂轮上下往复运动采用滚动导轨副，经直线电机直接驱动砂轮滑板，以保证控制精度和往复频率。由于直线电机是垂直安装的，在直线电机的运动方向安装平衡汽缸，以达到力的平衡，由气源气阀、制动气阀及欠压保护信号共同控制Z轴的空气平衡装置，以保证垂直轴Z的运动平衡和停机时的可靠制动。加工时，Z轴磨头用于初始准确定位，或用于上下往复运动，可实现各种复杂曲线的精密磨削。通过在界面上设置滑板准停点可使滑板准停于物平面位置，以便于对刀和砂轮修整，在NC中，磨头往复轴Z设定为单独的坐标系，在界面上设定图像采样位置、滑板往复频率及往复位置等，由NC程序对砂轮往复的频率、位置、行程进行精确控制。进行砂轮图像的动态采样时，采用运动控制卡的位置比较功能，它在到达设定点时硬件触发，保证采样点捕捉的准确性。
所述工件及砂轮图像的采集及处理，是指应用CCD数码成像技术对加工过程进行采样分析，采用硬件与软件定位技术实现砂轮和工件图像的同步瞬态数据采集。当对磨削加工进行图像识别时，在用户界面上设定好具有清晰砂轮图像时的采样点位置，当砂轮主轴运动到采样点位置时，由位置传感器感应或通过运动控制卡的位置比较功能触发，向同步控制卡发出一个很短时间的脉冲信号，采集软件根据同步控制卡提供的捕捉信号，冻结该采样点的有效图像。然后在计算机中应用开发软件包获得图像句柄，对图像进行预处理，主要是图像的二值化、滤波、去噪等。再进行图像的算法处理，主要工作是图像边缘算法以检测边界，这里采用传统算法与矩算法相结合的卜算法，以及图像模式识别以检测工件外形尺寸等，根据测量结果，就可以得出砂轮的磨损程度和工件的加工误差。
所述砂轮磨损的实时在线补偿，是指根据计算出的砂轮的磨损程度和工件的加工误差，通过数控系统驱动砂轮架十字拖板(UV轴)进行自动误差补偿，或由操作面板的U/V轴手脉按扭手动补偿。为了便于控制，将所有运动轴分成3组坐标系，同一坐标系的马达能够同步协调运动，不同的坐标系能在不同的时间运行不同的程序，第一坐标系的各轴实现曲线加工的插补联动，第二坐标系的UV补偿轴完成在线补偿功能，磨头往复轴Z在第三坐标系，由往复运动程序单独控制。磨削加工时，当检测出砂轮磨损或加工误差时，直接调用第二坐标系的补偿程序进行在线补偿。
本发明具有以下特点本发明采用基于CCD图像识别的砂轮形貌动态检测方法，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，有效避免了传统砂轮检测中遇到的技术难题。采用基于PC平台的开放式数控磨削集成系统，集多轴数字控制、视频采集、图像显示、图像处理、在线刀具补偿、机床控制为一体，实现了各种复杂零件的精密磨削加工。采用先进的直线电机技术，实现了磨头在Z轴方向上速度、位置、行程的无间隙的任意数字化自动调节控制，解决了传统光学曲线磨削中磨头往复运动固有间隙引起的磨削振纹问题。
具体实施例方式
结合本发明方法的内容提供以下实施例本实施例在上海市重点科技攻关项目-基于图像在线识别检测的数字化精密曲线磨削技术与装备上采用。本实施例采用的控制平台主要包括八轴四联动数控磨削系统、砂轮往复运动控制装置和CCD图像测量装置。八轴四联动数控磨削系统主要包括工业PC、运动控制卡、伺服电机、伺服放大器、操作面板和机床控制电器等。运动控制卡采用美国Delta Tau公司最新推出的开放式多轴运动控制器TurboPMAC，可同时控制八个伺服轴，与工业PC构成NC嵌入PC结构的数控系统。系统八个伺服轴中的砂轮滑板往复轴Z采用日本沙迪克(SODICK)的直线电机构成全闭环控制，磨床工作台纵向轴X、工作台横向轴Y采用日本安川(YASKAWA)∑-II系列交流伺服系统构成全闭环控制，其它四轴(滑座纵向轴U、滑座横向轴V、滑座绕光轴回转轴C、磨圆夹具车头轴A、分度头回转轴B)构成半闭环结构。该系统应用数码成像技术对加工过程进行采样分析，采用COSTAR SI-M350 CCD摄像机、Computar FA25mm镜头及反射装置构成物镜装置。当检测到砂轮运动到设定点处时，同步控制卡发出瞬时的电流脉冲信号驱动Imagenation公司PXC200型图像采集卡对工件和砂轮进行图像采集，采集到的砂轮和工件图像存入计算机，然后在计算机中应用二次开发软件包Xcalipter中的ImagineDevice控件，获得图像句柄，通过细分技术使检测图像的最小分辨率达到0.001。
本发明采用基于图像在线识别的数字化精密曲线磨削的控制方法，它包括建立计算机与CCD视屏共享的人机界面，对砂轮往复运动进行精确自动调节，工件及砂轮图像的采集与处理，进行砂轮磨损的实时在线补偿四个步骤。磨削加工时，首先使机床的当前加工状态和实际加工环境(CCD视频图像)同时显示在一个界面上，这有利于定位和实际加工时的在线监测。然后在操作界面设置图像采样点、砂轮往复频率及往复位置，根据界面设定的参数由NC程序控制砂轮作特定的运动。CCD检测装置自动检测工件及砂轮形貌，通过屏幕观测或由计算机自动采样处理进行在线检测，获取图样坐标位置、直线角度、圆弧半径等数据。计算机根据图像处理的结果，计算出砂轮补偿值，自动控制电机驱动砂轮架实施补偿，保证曲线磨削精度。
根据本发明方法，研究开发出的8轴数控精密曲线磨床样机，可实现各种曲线加工模式，具有完善的功能，较高的精度和优良的性能，其在线检测精度≤0.005mm，最小分辨率0.0001mm，最大往复速度400次/min，低速运行速度0.1mm/min，通过试磨工件，加工表面粗糙度达到Ra0.32μm；轮廓加工精度为0.005mm。在加工过程中，通过CCD检测装置检测工件及砂轮形貌，根据CCD图像数字处理结果，自动确定砂轮补偿要求并实施补偿，提高了加工精度。实现了磨头在Z轴方向上速度、位置、行程的任意数字化自动调节控制， 消除了传统的光学曲线磨床在往复运动过程中传动链长、传动间隙较大，容易引起磨削振纹等缺陷。
权利要求
1.一种数字化精密曲线磨削的控制方法，其特征在于，具体步骤如下①建立计算机与CCD视屏共享的人机界面，在界面窗口进行CCD视频图像、当前加工状态的动态显示；②对砂轮往复运动进行精确自动调节，在操作界面设置砂轮准停点、图像采样点、砂轮往复频率及往复位置；③工件及砂轮图像的采集与处理，CCD检测装置自动检测工件及砂轮形貌，通过屏幕观测或由计算机自动采样处理进行在线检测，获取数据；④进行砂轮磨损的实时在线补偿，计算机根据图像处理的结果，计算砂轮补偿值，自动控制电机驱动砂轮架实施补偿，保证曲线磨削精度。
2.根据权利要求1所述的数字化精密曲线磨削的控制方法，其特征是，所述的计算机与CCD视屏共享的人机界面，在同一视屏窗口下同时显示计算机和CCD的内容，两者视屏共享并实时进行数据交换，通过窗口切换方法可分别单独显示计算机或CCD的内容，或者分割视屏在同一窗口下同时显示计算机和CCD的内容。
3.根据权利要求1或者2所述的数字化精密曲线磨削的控制方法，其特征是，所述的计算机与CCD视屏共享的人机界面，在图像采集时，首先由升降装置粗调，调焦镜头微调对CCD进行调焦，直至出现清晰的砂轮和工件图像，由CCD光学成像系统拍摄砂轮和工件的图像，存入图像采集卡缓存，图像采集软件按指定的速率把缓存里的视频信号采集到计算机内存中，然后在计算机中应用开发软件包获得图像句柄。
4.根据权利要求1所述的数字化精密曲线磨削的控制方法，其特征是，所述的砂轮往复运动的精确自动调节，砂轮滑板的位置控制通过计算机控制的闭环交流伺服驱动系统实现，砂轮上下往复运动采用滚动导轨副，经直线电机直接驱动砂轮滑板，以保证控制精度和往复频率。由于直线电机是垂直安装的，在直线电机的运动方向安装平衡汽缸，以达到力的平衡，由气源气阀、制动气阀及欠压保护信号共同控制Z轴的空气平衡装置，以保证垂直轴Z的运动平衡和停机时的可靠制动。加工时，Z轴磨头用于初始准确定位，或用于上下往复运动，可实现各种复杂曲线的精密磨削。
5.根据权利要求1或者4所述的数字化精密曲线磨削的控制方法，其特征是，所述的砂轮往复运动的精确自动调节，通过在界面上设置滑板准停点可使滑板准停于物平面位置，以便于对刀和砂轮修整，在NC中，磨头往复轴Z设定为单独的坐标系，在界面上设定图像采样位置、滑板往复频率及往复位置等，由NC程序对砂轮往复的频率、位置、行程进行精确控制。
6.根据权利要求1所述的数字化精密曲线磨削的控制方法，其特征是，所述工件及砂轮图像的采集及处理，当对磨削加工进行图像识别时，在用户界面上设定好具有清晰砂轮图像时的采样点位置，当砂轮主轴运动到采样点位置时，由位置传感器感应或通过运动控制卡的位置比较功能触发，向同步控制卡发出一个很短时间的脉冲信号，采集软件根据同步控制卡提供的捕捉信号，冻结该采样点的有效图像。然后在计算机中应用开发软件包获得图像句柄，对图像进行预处理，再进行图像的算法处理。
7.根据权利要求1所述的数字化精密曲线磨削的控制方法，其特征是，所述砂轮磨损的实时在线补偿，根据计算出的砂轮的磨损程度和工件的加工误差，通过数控系统驱动砂轮架十字拖板进行自动误差补偿，或由操作面板的U/V轴手脉按扭手动补偿。
8.根据权利要求1或者7所述的数字化精密曲线磨削的控制方法，其特征是，所述砂轮磨损的实时在线补偿，为了便于控制，将所有运动轴分成3组坐标系，同一坐标系的马达能够同步协调运动，不同的坐标系能在不同的时间运行不同的程序，第一坐标系的各轴实现曲线加工的插补联动，第二坐标系的UV补偿轴完成在线补偿功能，磨头往复轴Z在第三坐标系，由往复运动程序单独控制。
全文摘要
一种用于机械加工技术领域的基于图像在线识别的数字化精密曲线磨削方法。具体步骤如下①建立计算机与CCD视屏共享的人机界面；②对砂轮往复运动进行精确自动调节；③工件及砂轮图像的采集与处理；④进行砂轮磨损的实时在线补偿。本发明集多轴数字控制、视频采集、图像显示、图像处理、在线刀具补偿、机床控制为一体，实现了各种复杂零件的精密磨削加工。
文档编号B24B51/00GK1686673SQ20051002506
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月14日 优先权日2005年4月14日
发明者胡德金, 裴景玉, 万大平, 张永宏, 许黎明, 范浩, 罗玉梅 申请人:上海交通大学