专利名称：数字化精密曲线磨削集成控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于金属切削加工技术领域的磨削系统，特别是一种基于图像在线识别的数字化精密曲线磨削集成控制系统。
背景技术：
随着数字化光电技术的高速发展，用CCD(电荷藕合器件)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度。传统的光学曲线磨床是依靠光学投影来观察磨削状况的，无法采集和处理这些图像信息，也就无法实现砂轮的自动跟踪磨削。CCD技术是当今图像数据采集最重要的器件，CCD采集的图像数据可以通过计算机直接处理，实现砂轮和工件形貌及尺寸的检测和观测，然后通过数控系统实现磨削点的轨迹控制，这样就可以实现各种复杂曲面以及各种圆盘刀具、样板等零件的精密磨削。世界著名磨床制造商瑞士DOEBELI公司的CNC光学投影磨床是依靠光学投影来观察磨削状况的，无法采集和处理这些图像信息，也就无法实现砂轮的自动跟踪磨削。液压控制的磨头只能在某一固定中心位置作往复运动，不能在Z轴的任意位置作往复运动，磨头的往复行程不能靠程序数字控制；控制系统采用FANUC 18M，此封闭式数控系统不能实现计算机与图像处理的集成。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号99814313.8，专利名称为工件磨削加工过程的控制方法和磨床，该专利所述磨床具有一个固定在砂轮主轴座上的对工件进行磨削的砂轮、一个用于检测被研磨工件的尺寸的测量传感器和一个磨床控制单元。但由于该装置中是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和缺陷，提供一种基于图像在线识别的数字化精密曲线磨削集成控制系统。使其实现了砂轮往复行程、往复速度的数字化精密控制、设计了具有图像在线识别检测与处理功能的八轴四联动开放式数字化集成控制系统，实现了数字化精密检测、补偿和控制。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括八轴四联动开放式磨削数控系统、工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置，其连接关系为八轴四联动开放式磨削数控系统与工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置相连接，八轴四联动开放式磨削数控系统包括计算机、多轴运动控制卡、I/O接口卡、手脉转换卡、双端口RAM卡、触摸显示器、交流伺服电机、直线电机、交流伺服驱动器、直线电机驱动器、光栅尺、手轮、砂轮滑板，其连接关系为多轴运动控制卡、双端口RAM卡插在计算机的PCI插槽上，触摸显示器直接连至计算机，手轮与手脉转换卡相连，交流伺服电机与交流伺服驱动器相连，直线电机与直线电机驱动器相连，I/O接口卡、手脉转换卡、交流伺服驱动器、直线电机驱动器、光栅尺分别与多轴运动控制卡相连，砂轮滑板固定在直线电机上，所述的工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置包括CCD摄像机、调焦镜头、光源、升降装置、图像采集卡、位置传感器、同步控制卡。其连接方式为调焦镜头设在CCD摄像机的下部，光源固定在调焦镜头下方，CCD摄像机、调焦镜头、光源组成光学成像装置，光学成像装置用螺栓固定在升降装置上，升降装置通过支架设在机床底座上，图像采集卡和同步控制卡插在计算机的PCI总线插槽上，位置传感器设在磨床砂轮架上。
所述的砂轮滑板上设有空气平衡装置。
所述的空气平衡装置包括平衡汽缸、气动制动器、气源气阀、制动气阀及压力传感器，其连接方式为平衡汽缸固定在磨床砂轮架和砂轮滑板之间，气动制动器固定在磨床砂轮架上，气源气阀、制动气阀、压力传感器与I/O接口卡相连。
本发明八轴四联动开放式磨削数控系统控制曲线磨床的各个运动轴进行精密磨削加工，工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置进行图像的数字化精密检测，工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置的输出信号传送给八轴四联动开放式磨削数控系统。计算机与多轴运动控制卡之间的通信采用双端口RAM卡来完成，开关量信号通过I/O接口卡进行控制，手脉转换卡把手轮的输入信号转换为正交编码信号，再经过多轴运动控制卡处理，控制各个轴的手动微量进给，触摸显示器用于CCD图像的显示和人机交互。基于PC的多轴运动控制卡与交流伺服驱动器、直线电机驱动器、光栅尺相连构成NC嵌入PC结构的开放式数控系统，由直线电机、直线电机驱动器、光栅尺构成的全闭环结构驱动砂轮滑板对砂轮往复进行精确控制，由交流伺服电机、交流伺服驱动器、光栅尺构成的全闭环结构控制复杂曲线的精密磨削。
在直线电机的运动方向安装空气平衡装置，使砂轮滑板在垂直方向保持运动时的动平衡和停机时的可靠制动。正常运行时，气源气阀打开，平衡汽缸自动调节气压使砂轮滑板往复运动时达到力的平衡，当停机失电或压力传感器检测到欠压信号时，启动制动气阀，气动制动器动作，使砂轮滑板停在固定位置。
升降装置用于调整光学成像装置位置，由升降装置、调焦镜头对CCD摄像机调焦得到清晰的砂轮和工件图像，光学成像装置把采集到的视频信号输入图像采集卡由计算机进行图像处理。当位置传感器检测到砂轮滑板运动到图像采样点时，向同步控制卡输入触发信号，同步控制卡发出电流脉冲驱动图像采集卡采集工件和砂轮在采样点位置的瞬态图像，这也可以通过多轴运动控制卡的位置比较功能进行脉冲触发，CCD检测装置根据计算机设定的采样位置自动进行实时图像采集。
本发明的有益效果是采用基于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。本发明与国际上著名同类产品相比有比较高的性能价格比，也具有较好的市场竞争力。本发明可实现五种曲线加工模式，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，砂轮线速度≤70m/s，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。
图1本发明结构示意2本发明控制示意图具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括八轴四联动开放式磨削数控系统1、工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置2，其连接关系为八轴四联动开放式磨削数控系统1与工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置2相连接。八轴四联动开放式磨削数控系统控制曲线磨床的各个运动轴进行精密磨削加工，工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置进行图像的数字化精密检测，工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置的输出信号传送给八轴四联动开放式磨削数控系统。
八轴四联动开放式磨削数控系统1包括计算机3、多轴运动控制卡4、I/O接口卡5、手脉转换卡6、双端口RAM卡7、触摸显示器8、交流伺服电机9、直线电机10、交流伺服驱动器11、直线电机驱动器12、光栅尺13、手轮14、砂轮滑板15，其连接关系为多轴运动控制卡4、双端口RAM卡7插在计算机3的PCI插槽上，触摸显示器8直接连至计算机3，手轮14与手脉转换卡6相连，交流伺服电机9与交流伺服驱动器11相连，直线电机10与直线电机驱动器12相连，I/O接口卡5、手脉转换卡6、交流伺服驱动器11、直线电机驱动器12、光栅尺13分别与多轴运动控制卡4相连，砂轮滑板15固定在直线电机10上。
所述的砂轮滑板15上设有空气平衡装置16。所述的空气平衡装置16包括平衡汽缸17、气动制动器18、气源气阀19、制动气阀20及压力传感器21，其连接方式为平衡汽缸17固定在磨床砂轮架22和砂轮滑板15之间，气动制动器18固定在磨床砂轮架22上，气源气阀19、制动气阀20、压力传感器21与I/O接口卡5相连。
所述的工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置2包括CCD摄像机23、调焦镜头24、光源25、升降装置26、图像采集卡27、位置传感器28、同步控制卡29。其连接方式为调焦镜头24设在CCD摄像机23的下部，光源25固定在调焦镜头24下方，CCD摄像机23、调焦镜头24、光源25组成光学成像装置，光学成像装置用螺栓固定在升降装置26上，升降装置26通过支架设在机床底座30上，图像采集卡27和同步控制卡29插在计算机3的PCI总线插槽上，位置传感器28设在磨床砂轮架16上。
权利要求
1.一种数字化精密曲线磨削集成控制系统，其特征在于，包括八轴四联动开放式磨削数控系统(1)、工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置(2)，八轴四联动开放式磨削数控系统(1)与工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置(2)相连接，所述的八轴四联动开放式磨削数控系统(1)包括计算机(3)、多轴运动控制卡(4)、I/O接口卡(5)、手脉转换卡(6)、双端口RAM卡(7)、触摸显示器(8)、交流伺服电机(9)、直线电机(10)、交流伺服驱动器(11)、直线电机驱动器(12)、光栅尺(13)、手轮(14)、砂轮滑板(15)，其连接关系为多轴运动控制卡(4)、双端口RAM卡(7)插在计算机(3)的PCI插槽上，触摸显示器(8)直接连至计算机(3)，手轮(14)与手脉转换卡(6)相连，交流伺服电机(9)与交流伺服驱动器(11)相连，直线电机(10)与直线电机驱动器(12)相连，I/O接口卡(5)、手脉转换卡(6)、交流伺服驱动器(11)、直线电机驱动器(12)、光栅尺(13)分别与多轴运动控制卡(4)相连，砂轮滑板(15)固定在直线电机(10)上；所述的工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置(2)包括CCD摄像机(23)、调焦镜头(24)、光源(25)、升降装置(26)、图像采集卡(27)、位置传感器(28)、同步控制卡(29)，其连接方式为调焦镜头(24)设在CCD摄像机(23)的下部，光源(25)固定在调焦镜头(24)下方，CCD摄像机(23)、调焦镜头(24)、光源(25)组成光学成像装置，光学成像装置用螺栓固定在升降装置(26)上，升降装置(26)通过支架设在机床底座(30)上，图像采集卡(27)和同步控制卡(29)插在计算机(3)的PCI总线插槽上，位置传感器(28)设在磨床砂轮架(16)上。
2.根据权利要求1所述的数字化精密曲线磨削集成控制系统，其特征是，所述的砂轮滑板(15)上设有空气平衡装置(16)。
3.根据权利要求1所述的数字化精密曲线磨削集成控制系统，其特征是，所述的空气平衡装置(16)包括平衡汽缸(17)、气动制动器(18)、气源气阀(19)、制动气阀(20)及压力传感器(21)，其连接方式为平衡汽缸(17)固定在磨床砂轮架(22)和砂轮滑板(15)之间，气动制动器(18)固定在磨床砂轮架(22)上，气源气阀(19)、制动气阀(20)、压力传感器(21)与I/O接口卡(5)相连。
全文摘要
一种用于金属切削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集成控制系统，本发明包括八轴四联动开放式磨削数控系统、工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置，其连接关系为八轴四联动开放式磨削数控系统与工件尺寸与砂轮形貌在线检测装置相连接。本发明实现了砂轮往复行程、往复速度的数字化精密控制、设计了具有图像在线识别检测与处理功能的八轴四联动开放式数字化集成控制系统，实现了数字化精密检测、补偿和控制。
文档编号B24B49/00GK1686674SQ20051002506
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
发明者许黎明, 万大平, 胡德金, 裴景玉, 范浩, 张永宏, 罗玉梅 申请人:上海交通大学