基于Labview的噴絲板微孔刀具自動(dòng)檢測(cè)儀的研究

孫 銓，陳文源，高 波，楊崇倡*，王 輝

(1.東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院紡織裝備教育部工程研究中心，上海201620;2.北京中麗制機(jī)噴絲板有限公司，北京101111)

噴絲板是化纖生產(chǎn)中的核心部件，其高精度和高質(zhì)量是保證纖維成品質(zhì)量及紡絲工藝的關(guān)鍵因素。就噴絲板而言，其最為精密的部分就是微孔，噴絲板微孔的孔型、結(jié)構(gòu)和精度都將直接影響到成形纖維的外形、直徑和物理機(jī)械性能［1］。噴絲板的加工質(zhì)量主要取決于微孔的加工質(zhì)量，而微孔刀具的質(zhì)量情況直接影響微孔的質(zhì)量，若要提高微孔加工精度，刀具的合格性檢測(cè)是提高微孔加工精度的重要因素。因此，噴絲板刀具的合格性檢測(cè)對(duì)于噴絲板生產(chǎn)廠家非常重要。

目前刀具刃磨檢測(cè)手段落后，主要依靠投影儀、千分尺等人為因素影響比較大的檢測(cè)手段，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度高、檢測(cè)效率低，而且檢測(cè)精度差。刀具的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和刀磨參數(shù)一致性較差，這對(duì)于大批量生產(chǎn)和流水線生產(chǎn)是非常不利的。同時(shí)，沒有嚴(yán)格統(tǒng)一的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是無法量化的定性檢測(cè)，直接影響檢測(cè)結(jié)果。針對(duì)噴絲板微孔刀具的現(xiàn)狀，作者基于Labview軟件平臺(tái)開發(fā)了專門用于噴絲板微孔刀具檢測(cè)的光、機(jī)、電一體化的全自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。

1 檢測(cè)原理

噴絲板微孔刀具檢測(cè)儀是以模塊集成設(shè)計(jì)理念為指導(dǎo)，結(jié)合微孔刀具檢驗(yàn)的工藝，專門針對(duì)噴絲板微孔刀具進(jìn)行研制的全自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。全自動(dòng)檢測(cè)是一種基于機(jī)器視覺的檢測(cè)方式，通過計(jì)算機(jī)圖像處理對(duì)采集的刀具圖像進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量、判斷并記錄，具有自動(dòng)對(duì)焦、自動(dòng)采集各刀具圖像以及處理不合格刀具功能。對(duì)于刀具檢測(cè)儀控制系統(tǒng)可以基于Visual Basic，Visual C++等開發(fā)，但由于程序工作量大、占計(jì)算機(jī)資源多、采集頻率低、調(diào)控速度慢、數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性能相對(duì)較差，實(shí)驗(yàn)和程序開發(fā)周期長。Labview是目前最為成功、應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，是由美國NI公司推出的一種基于圖形程序的虛擬儀器儀表開發(fā)平臺(tái)［2］。

2 檢測(cè)儀檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由工業(yè)計(jì)算機(jī)、三軸精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、精密旋轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡、圖像采集卡、CCD、工業(yè)鏡頭、LED光源等組成。

噴絲板微孔刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸小，精度要求高，要達(dá)到高速、高精度的檢測(cè)目的。檢測(cè)儀以進(jìn)口高精度工業(yè)鏡頭將刀具進(jìn)行放大，成像在高分辨率的黑白相機(jī)芯片上。當(dāng)被測(cè)刀具的光信息通過光學(xué)系統(tǒng)，在CCD光敏面上形成光學(xué)圖像，CCD將圖像傳送到圖像采集卡上，然后采用數(shù)字圖像處理技術(shù)得到需要的圖像。對(duì)于檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)次序，考慮到其檢測(cè)的快捷性以及采集的圖像要求，采用組合運(yùn)動(dòng)的方式，以高精度運(yùn)動(dòng)模組帶動(dòng)鏡頭作z軸升降，高精度位移平臺(tái)帶動(dòng)高精度刀具作x，y方向直線運(yùn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)高精度夾具w軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。微孔刀具通過專用夾具安置在x，y精密移動(dòng)平臺(tái)上，并保證較好的水平平面度，以便保證系統(tǒng)的檢測(cè)精度和提高檢測(cè)效率。CCD和工業(yè)鏡頭通過機(jī)械安置在精密滾珠絲桿上，并在與水平面垂直的豎直z方向上下移動(dòng)，同樣通過控制與該精密滾珠絲桿連接的伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。由于微孔刀具直徑小且表面特征復(fù)雜，因此用上、下LED光源對(duì)刀具進(jìn)行照明。系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)儀硬件構(gòu)成示意Fig.1 Hardware structure diagram of inspection instrument

圖2 程序流程Fig.2 Flow chart of inspection program

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)噴絲板微孔刀具檢測(cè)儀的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和檢測(cè)原理，在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要考慮以下幾個(gè)方面。

1)系統(tǒng)整體布局。系統(tǒng)整體布局的程序流程如圖2所示。

2)參考刀具的選擇。由于每次檢測(cè)的刀具尺寸可能不一致，其尺寸波動(dòng)范圍有可能使刀具的圖像超過鏡頭的視場(chǎng)范圍。因?yàn)槊看螜z測(cè)使用的鏡頭放大倍數(shù)可能不一致，而鏡頭倍數(shù)的改變將直接影響檢測(cè)結(jié)果。為避免放大倍數(shù)的變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，采用手動(dòng)標(biāo)定的方法，即選擇一把合格刀具作為參考標(biāo)準(zhǔn)，每次變換鏡頭的倍數(shù)，進(jìn)行一次標(biāo)定。其參考刀具圖像如圖3所示。

圖3 參考刀具圖像Fig.3 Image of standard micro-hole tool

3)精度。為了達(dá)到自動(dòng)化檢測(cè)的高精度要求，在對(duì)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行圖像采集時(shí)，一般成像在屏幕上的圖像不能太大也不能太小，圖像太大容易超出視場(chǎng)范圍，從而影響檢測(cè)，而圖像太小則影響檢測(cè)精度。因此根據(jù)檢測(cè)目標(biāo)的尺寸大小，選取合適的放大倍數(shù)，使其圖像呈現(xiàn)在屏幕中間。因?yàn)閲娊z板微孔刀具的尺寸非常小，采用工業(yè)鏡頭對(duì)其進(jìn)行圖像采集，然后通過CCD將放大的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

4)效率。自動(dòng)化的檢測(cè)系統(tǒng)代替人工檢測(cè)，一方面減輕工作人員的工作強(qiáng)度，另一方面提高了檢測(cè)效率，因此檢測(cè)的時(shí)間越短越好，但是時(shí)間和精度又是相互制約的。檢測(cè)時(shí)間越短，需要電機(jī)的速度越快、圖像處理的速度越快［3］;而電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度過快，由于操作系統(tǒng)誤差和刀具位置誤差的影響，會(huì)使刀具圖像跑出視場(chǎng)范圍從而影響檢測(cè)的正確性。圖像處理速度越快，會(huì)導(dǎo)致采集到的圖像在處理過程中由于種種原因，發(fā)生失真等狀況。因此需要考慮系統(tǒng)誤差、位置誤差和刀具放大倍數(shù)等因素，選取合適的采集速度，在保證刀具圖像處理精度的基礎(chǔ)上提高速度。

5)誤差補(bǔ)償。微孔刀具在檢測(cè)過程中位置出現(xiàn)偏差的原因:a.微孔刀具在夾具上裝夾時(shí)，專用夾具屬于圓周卡盤性質(zhì)的夾持，但因其在軸向沒有一個(gè)長度安裝基準(zhǔn)，固定之后會(huì)產(chǎn)生安裝誤差，刀具不能顯示在視野里;b.在檢測(cè)微孔刀具時(shí)，刀具表面特征復(fù)雜，需要刀具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)尋找特征面。存在一定位置的偏差且光學(xué)鏡頭視場(chǎng)范圍較小，其被檢刀具常不在或不能完全成像在光學(xué)鏡頭視場(chǎng)范圍內(nèi)，計(jì)算機(jī)無法采集到被檢刀具的完整幾何圖形，更無法正確測(cè)量該被檢刀具參數(shù)。

由于上述誤差的存在，在自動(dòng)檢測(cè)時(shí)就要求對(duì)噴絲板微孔刀具進(jìn)行精確定位，提出了微孔刀具在鏡頭視野內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)糾偏，不在視野內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)搜索的方法［4］。具體實(shí)現(xiàn)方法參見圖4。

圖4 自動(dòng)定位流程Fig.4 Automatic positioning diagram

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過設(shè)計(jì)完成的噴絲板微孔刀具檢測(cè)儀對(duì)噴絲板微孔刀具進(jìn)行檢測(cè)。工業(yè)鏡頭的放大倍數(shù)為4，x，y移動(dòng)平臺(tái)的工作速度為5 mm/s，w軸的工作速度為1(°)/s。采集到刀具圖像見圖5，圖中的亮度較弱是為了提高檢測(cè)精度而特意增大了CCD的曝光速度，因?yàn)槿绻鈴?qiáng)太強(qiáng)，很多粘附的雜物也會(huì)被照亮，這樣對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性有影響。

圖5 采集刀具圖像Fig.5 Reference tool image

由表1，2，3可知，該檢測(cè)系統(tǒng)可以快速實(shí)現(xiàn)噴絲板微孔刀具質(zhì)量監(jiān)測(cè)，一個(gè)刀具每個(gè)參數(shù)的檢測(cè)時(shí)間小于10 s，對(duì)同一個(gè)刀具多次測(cè)量，直徑長度重復(fù)檢測(cè)精度在±1 μm內(nèi)，角度重復(fù)檢測(cè)精度在±0.5°。實(shí)踐證明，噴絲板微孔刀具檢測(cè)儀可以在生產(chǎn)過程中代替人工檢測(cè)，緩解了檢測(cè)人員的工作壓力，提高了刀具的檢測(cè)效率和精度。

表1 微孔鉆頭直徑測(cè)量結(jié)果比較Tab.1 Results comparison of diameter detection for micro-hole drill

表2 微孔鉆頭前角測(cè)量結(jié)果比較Tab.2 Results comparison of tool orthogonal rake detection for micro-hole drill

表3 微孔沖針直徑測(cè)量結(jié)果比較Tab.3 Results comparison of diameter detection for micro-hole punch-pin

4 結(jié)論

a.基于Labview軟件平臺(tái)開發(fā)的噴絲板微孔刀具自動(dòng)檢測(cè)儀，該控制系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠，系統(tǒng)穩(wěn)定，檢測(cè)速度高的優(yōu)點(diǎn)，檢測(cè)直徑長度精度可達(dá)±1 μm，檢測(cè)角度精度可達(dá) ±0.5°。

b.噴絲板微孔刀具檢測(cè)儀可以在實(shí)際生產(chǎn)過程中代替人工檢測(cè)，緩解了檢測(cè)人員的工作壓力，提高了刀具的檢測(cè)效率和精度。

［1］ 王越，楊崇倡，王華平，等.噴絲板的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.紡織機(jī)械，2001(6):45－48.

［2］ 徐之平，張磊，張偉榮，等.基于Labview的散熱器試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(13):83 －85.

［3］ 呂清花.圓形噴絲板自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究［J］.合成纖維，2008，37(3):34 －36.

［4］ 尹平平，楊崇倡，張鵬，等.噴絲板自動(dòng)檢測(cè)中基于機(jī)器視覺的自動(dòng)糾偏［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，33(1):117－119，124.