零件非接觸在線檢測系統(tǒng)誤差補償?shù)拈_發(fā)和實現(xiàn)

蘇州市職業(yè)大學（江蘇 215104）陳雪芳 吳 倩

現(xiàn)代制造業(yè)要求在制造過程中能更快速、更精確地對加工工件進行檢測。由于傳統(tǒng)的手工檢測和離線檢測效率低、檢測精度差、檢測過程繁瑣費力等原因，已經(jīng)遠遠達不到生產(chǎn)過程對檢測速度和精度的要求。在線檢測也稱實時檢測，是在加工的過程中實時對刀具或加工尺寸進行檢測，并依據(jù)檢測的結果做出相應的處理。

在線檢測相對于離線測量有其獨特的優(yōu)點：①對工件的測量無須從工作區(qū)移走，節(jié)省了重新安裝工件的時間，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。②避免由于離線測量將工件在工作臺上反復拆裝而產(chǎn)生的誤差。在線測量根據(jù)采集數(shù)據(jù)時與工件的接觸與否，分為接觸式測量和非接觸式測量。目前，基于專用測頭及檢測系統(tǒng)的數(shù)控機床在線接觸式檢測技術在一定程度上已被采用。但是由于測頭類型和品種繁多，對于工件的測量就需要有不同的測頭，如果是自動檢測，預先進行測量路徑的規(guī)劃和測量程序的編制，不同的工件測量路徑規(guī)劃和測量程序不同。如果是手工在線檢測，測量效率低。

近年來，隨著計算機圖像處理技術的發(fā)展，圖像測量技術作為非接觸測量手段有了較大的進展。圖像測量方法具有非接觸、高速度、動態(tài)范圍大、信息量豐富等優(yōu)點，非常適合傳統(tǒng)方法難以測量的場合，如易變形零件尺寸、微小尺寸及零件孔心距等的測量。

1.非接觸在線檢測系統(tǒng)原理及功能結構

非接觸在線檢測原理如圖1所示，通過CCD采集圖像，并經(jīng)過圖像處理，以獲得零件的幾何參數(shù)。整個系統(tǒng)框架主要由照明系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、CCD攝像機、圖像處理系統(tǒng)、計算機及外設五部分組成。由視覺測量系統(tǒng)、圖像輸入設備和計算機，在線非接觸式獲取大量的被測工件的原始圖像，應用邊緣檢測算子對原始圖像進行處理，檢測出圖像的邊緣點數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，從而獲得物體的幾何參數(shù)，并根據(jù)測量數(shù)學模型和測量要求，計算處理得到零件幾何參數(shù)的測量，并應用標準量塊零件對系統(tǒng)進行對照，從而獲得高精度的測量結果，為誤差補償作準備。

圖1 非接觸在線檢測原理

按檢測系統(tǒng)功能要求，將軟件系統(tǒng)分為四個功能模塊：外部控制模塊、圖像的采集與處理模塊、誤差計算模塊和誤差補償模塊。

（1）外部控制模塊，完成系統(tǒng)、圖像接口卡及標準參數(shù)的初始化配置。導入所加工零件圖樣，錄入零件加工尺寸和精度等數(shù)據(jù)，采集并保存灰度圖像，捕獲圖像到內(nèi)存。通過CCD對圖像進行采集、停止等操作，采集并保存灰度圖像，捕獲圖像到內(nèi)存。

（2）圖像的采集及處理模塊，這是軟件系統(tǒng)中比較最為關鍵的一個模塊，采用圖像預處理，用結合圖像特點的快速濾波方法，采用亞像素技術對邊界進行細分，并用圖像邊緣檢測方法，提取圖像邊緣信息，計算圖像尺寸和獲取加工精度。

（3）誤差計算模塊，主要對圖像處理結果與加工零件尺寸進行對照，然后進行數(shù)據(jù)計算和精度分析。即把基于圖像計算結果與標準參數(shù)比較得到的差值保存到數(shù)據(jù)庫中，對數(shù)據(jù)進行誤差計算和分析。

（4）誤差補償模塊，負責將計算所得的誤差參數(shù)自動生成補償程序，對加工后誤差超出公差范圍的零件進行重新加工，達到消除誤差的目的。在本系統(tǒng)中主要對加工長度和直徑的數(shù)控程序進行調(diào)整以滿足加工尺寸要求。在線檢測的流程如圖2所示。

圖2 在線檢測流程

2.在線檢測誤差補償方法

在線檢測的誤差補償一般是通過數(shù)據(jù)檢測，獲得補償量，對零件數(shù)控加工代碼進行補償和修正，提高零件的一次裝夾加工的合格率。利用加工的補償量，對零件數(shù)控加工代碼進行補償和修正，提高零件的一次裝夾加工的合格率，但實時性比較差；根據(jù)得到的誤差值進行刀具補償值的設置，但僅是靜態(tài)補償。對于數(shù)控機床按程序自動加工，質(zhì)量穩(wěn)定，但由于零件的每次裝夾誤差、加工過程中熱誤差、切削力誤差及刀具磨損誤差等，這些誤差影響了產(chǎn)品精度的穩(wěn)定性。

設Dmin為工件的最小直徑，Dmax為工件的最大直徑，D測直徑，產(chǎn)品檢測結果有以下三種情況：①DminDmax（外輪廓）或D測Dmax（內(nèi)輪廓），報廢。對在線檢測第二種情況，在零件不下線的情況下，通過測量誤差自動生成補償加工的程序，從上位機通過RS232接口傳送至數(shù)控機床，對零件進行二次加工，一次切除多余的余量。該方法不需修改原來的G代碼，不需修改原來的刀補值，避免了在零件二次加工時的空走刀，只是在零件的表面再走一刀，在有效保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，提高了生產(chǎn)效率。

（1）零件編程參數(shù)界面。為了更直觀反映零件的實際情況，在零件的參數(shù)輸入界面中，通過文本框輸入零件的各基點坐標（X、Y、Z）、輪廓特征信息（“L”代表直線，“CW”代表順圓弧，“CCW”代表逆圓?。?、主軸轉速、進給速度、刀具號及程序號。以軸類零件的加工為例，零件參數(shù)的輸入界面如圖3所示，當圖形窗口的零件改變時，清空文本框的數(shù)據(jù)，重新輸入零件的基點坐標、輪廓特征信息及工藝信息等。

圖3 零件參數(shù)輸入界面

（2）補償加工程序。本系統(tǒng)通過上位機對測量數(shù)據(jù)的采集和各輪廓段的基點實際坐標的計算，與圖3零件編程參數(shù)界面相應的各基點坐標的理論值Xi、Yi、Zi比較，得到相應的誤差ΔXi=X測－Xi，ΔYi=Y測－Yi，ΔZi=Z測－Zi，根據(jù)誤差控制刀位點的運動，數(shù)據(jù)比較窗口如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)比較窗口

以圓柱面、錐面、圓弧面車削為例，基于FANUC 0i T系統(tǒng)，自動生成補償加工程序的流程如圖5所示，成補償加工的NC程序窗口如圖6所示。

3.結語

本文開發(fā)的基于機器視覺的數(shù)控機床非接觸在線智能檢測系統(tǒng)，在數(shù)控車床上的零件加工中進行了測試與應用。測試結果表明，該系統(tǒng)使用方便、靈活，能夠較好地實現(xiàn)自動測量、圖像的采集及處理、顯示測量結果并進行補償加工，提高數(shù)控加工的產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率。

圖5 補償加工程序自動生成的流程

圖6 NC程序調(diào)整窗口