基于機(jī)器視覺的曲線磨削砂輪修形精度的檢測(cè)

□ 賴小平 □ 許黎明 □ 范 灝 □ 王嗣陽 □ 胡德金

1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200030

2.上海第三機(jī)床廠 上海 201600

曲線磨削可用于加工各種復(fù)雜類型工件的輪廓曲線，如機(jī)床成型加工刀具、各種類型的凹凸模具以及精密模板等。隨著國防工業(yè)、模具加工和機(jī)床加工業(yè)的高速發(fā)展，我國對(duì)各種精密復(fù)雜的模具和刀具以及各種復(fù)雜曲線曲面零件的需求量越來越大［1］，曲線磨削是一種不可或缺的精密磨削形式。

在復(fù)雜輪廓曲線磨削中，砂輪的廓形是一個(gè)單斜或雙斜的刀尖圓弧，其磨損狀況和輪廓精度將直接影響到被加工工件的輪廓精度。頻繁的修整砂輪不僅會(huì)降低加工效率，而且會(huì)加快砂輪的損耗，因此，迫切需要找到一種精確高效的指導(dǎo)砂輪廓形修整的方法。

國內(nèi)外針對(duì)砂輪修整質(zhì)量的檢測(cè)方法從多方面開展了研究工作，以評(píng)估和保證砂輪的形狀和尺寸精度。光學(xué)曲線磨床利用光學(xué)投影技術(shù)來檢測(cè)砂輪修形的質(zhì)量，其工作原理是：砂輪通過光學(xué)系統(tǒng)成像放大，并投影到屏幕上，操作者通過將投影輪廓和理想的砂輪形狀進(jìn)行比對(duì)，從而指導(dǎo)修形過程，評(píng)估修形質(zhì)量［2］。華南理工大學(xué)采用德國BMT的SMS專家測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)磨削加工中的金剛石砂輪進(jìn)行了檢測(cè)，其特點(diǎn)是將金剛石砂輪V形尖端的形狀復(fù)制到石墨板，然后通過面掃描的方式獲得石墨板的形狀，完成了對(duì)金剛石砂輪V形尖端的角度和尖端圓弧半徑的評(píng)價(jià)［3］。上海交通大學(xué)通過CCD采集工件的形貌圖像，利用計(jì)算機(jī)視覺對(duì)砂輪磨損進(jìn)行間接的在線檢測(cè)，以監(jiān)測(cè)砂輪的磨損狀況及磨損量［4］?？的腋翊髮W(xué)通過在淬火鋼片上復(fù)制出砂輪修形后的廓形，通過聯(lián)邦設(shè)備公司的Surfanalyzer 5000獲得砂輪在不同修形次數(shù)和進(jìn)給量下的廓形，從而得出最佳的修形參數(shù)［5］。

綜上，針對(duì)砂輪廓形的修正精度，目前還缺乏一種自動(dòng)化的在位即時(shí)檢測(cè)手段。為此，針對(duì)復(fù)雜輪廓曲線的磨削，筆者提出了一種砂輪輪廓的高精度在位檢測(cè)方法，以數(shù)控曲線磨床用的砂輪廓形修整為研究對(duì)象，引入計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)來分析砂輪的截面輪廓，并通過與理論輪廓的比對(duì)，評(píng)估砂輪修形質(zhì)量。

▲圖1 檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1 砂輪廓形的視覺檢測(cè)

1.1 檢測(cè)裝置

檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括光學(xué)成像系統(tǒng)、圖像采集、計(jì)算機(jī)圖像處理三個(gè)部分，其中，CCD采用加拿大Dalsa公司VA40型面陣CCD攝像機(jī)，分辨率為1392×1040，采用Computar公司的TEC-55型工業(yè)鏡頭，焦距f=55mm，選用條狀平行背光源。所用砂輪為CBN4620雙斜邊單圓弧砂輪。

圖2所示的是CCD攝像機(jī)在曲線磨床上的實(shí)際安裝位置。

1.2 檢測(cè)方法

金剛石修整滾輪對(duì)砂輪修形完成后，砂輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，CCD攝像機(jī)對(duì)當(dāng)前位置的砂輪輪廓進(jìn)行圖像采集，然后砂輪轉(zhuǎn)過30°，重復(fù)上一位置的采集過程，直至采集一周結(jié)束。每個(gè)位置均采集10次，采集到的圖像經(jīng)過計(jì)算機(jī)圖像處理，獲得砂輪輪廓邊緣，提取輪廓特征，即可重構(gòu)砂輪截面的實(shí)際輪廓。

理想的砂輪輪廓曲線如圖3中所示，圖中L1、L2為砂輪的兩個(gè)斜邊，相對(duì)于中心線L對(duì)稱。半徑為r、圓弧角為α的圓弧兩端分別與L1、L2相切，并相對(duì)于中心線L對(duì)稱。圖中所示的P點(diǎn)為輪廓曲線的最低點(diǎn)，θ為進(jìn)行刀尖圓弧擬合時(shí)相對(duì)于理想圓弧角的角度偏移量，以確保進(jìn)行擬合的輪廓點(diǎn)都在實(shí)際刀尖圓弧范圍內(nèi)。

2 圖像處理

2.1 圖像預(yù)處理

由于不同的成像機(jī)理，得到的目標(biāo)圖像中含有不同性質(zhì)的噪聲，這些噪聲的存在降低了圖像的質(zhì)量，損害了圖像的特征，對(duì)于后續(xù)的邊緣檢測(cè)產(chǎn)生較大的影響。為此，研究了線性濾波和空間域?yàn)V波增強(qiáng)技術(shù)，分別對(duì)砂輪原始廓形進(jìn)行圖像預(yù)處理，試驗(yàn)中采用了均值濾波器和中值濾波器進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中值濾波所產(chǎn)生的模糊比較少，在抑制噪聲和保護(hù)圖像細(xì)節(jié)方面效果較好，因此，對(duì)原始圖像采用了中值濾波這種空間域?yàn)V波增強(qiáng)技術(shù)，以獲得比較準(zhǔn)確的邊緣特征。由于處理對(duì)象具有較長(zhǎng)輪廓線，本實(shí)驗(yàn)采用3×3的方形窗口對(duì)原始圖像進(jìn)行中值濾波。

圖4和圖5顯示了原始圖像以及經(jīng)過中值濾波的圖像狀態(tài)。

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在原始圖像中散布的白色噪點(diǎn)在中值濾波后得到了抑制，在濾波后的圖像中表現(xiàn)出亮度較高的白色部分亮度提高，亮度較低的砂輪圖像部分的亮度降低，噪點(diǎn)得到抑制，圖像獲得了增強(qiáng)。同時(shí)相較于均值濾波，圖像細(xì)節(jié)得到了較好的保護(hù)。

2.2 邊緣檢測(cè)和輪廓提取

為了獲取砂輪的輪廓，要對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)。邊緣主要由灰度值不連續(xù)所產(chǎn)生，可以利用灰度的導(dǎo)數(shù)來檢測(cè)出這種不連續(xù)。對(duì)一幅灰度圖像 f（x，y），f（x，y）表示象素點(diǎn)位置（x，y）處的灰度值，記圖像的梯度為 G（x，y）：

梯度 G（x，y）中包含局部灰度的變化信息，G（x，y）的方向就是f（x，y）增大時(shí)的最大變化率方向，梯度的方向定義為：

▲圖2 CCD在磨床上的安裝位置

▲圖3 理想的雙斜邊單圓弧輪廓曲線

▲圖4 原始圖像

▲圖5 中值濾波后的圖像

▲圖6 Canny邊緣檢測(cè)獲得的圖像

▲圖7 目標(biāo)輪廓邊緣提取

▲圖8 0°位置的擬合曲線

▲圖9 120°位置的擬合曲線

▲圖10 240°位置的擬合曲線

式中：α角是相對(duì)于X軸的角度。

梯度的幅值可由下式給出：

由此發(fā)展的邊緣檢測(cè)算法有 Sobel邊緣檢測(cè)算子、Prewitt邊緣檢測(cè)算子、Canny邊緣檢測(cè)算子等，其中Canny信噪比和定位精度較高，而且遵循單邊緣響應(yīng)準(zhǔn)則，檢測(cè)出的邊緣只有一個(gè)像素寬度，有利于消除偽邊緣。采用Canny邊緣檢測(cè)算子對(duì)預(yù)處理后的雙斜邊單圓弧砂輪輪廓邊緣進(jìn)行檢測(cè)，獲得的邊緣圖像如圖6所示。

圖6中，除了目標(biāo)輪廓邊緣之外，還存在其它非目標(biāo)邊緣噪點(diǎn)，將分散的各部分非目標(biāo)邊緣去除后，最后獲得所需要的目標(biāo)輪廓邊緣，如圖7所示。

2.3 輪廓擬合算法

在曲線磨削中，雙斜邊單圓弧砂輪刀尖的圓弧是參與磨削的部分，而兩側(cè)斜邊不參與磨削，只起到提高砂輪剛性的作用，因此，在進(jìn)行輪廓曲線擬合時(shí)，主要是針對(duì)刀尖圓弧部分進(jìn)行曲線擬合。

首先找出圓弧部分最低點(diǎn)處的坐標(biāo)位置，這個(gè)位置近似于曲線的波谷，同時(shí)也是近似于曲線的二分點(diǎn)位置，此點(diǎn)記為 P，坐標(biāo)為（xp，yp），設(shè)砂輪理想輪廓的圓弧角為α，如圖3所示。然后由P點(diǎn)向左右兩側(cè)分別取 t=rsin的長(zhǎng)度，進(jìn)行最小二乘圓弧擬合。實(shí)驗(yàn)用砂輪輪廓修形的圓弧角α的值為160°，θ的值取為α的10%，主要是考慮砂輪的修形誤差，保證所取輪廓點(diǎn)在實(shí)際刀尖圓弧范圍內(nèi)，以獲得比較準(zhǔn)確的刀尖圓弧曲線。

最小二乘圓擬合獲得的實(shí)驗(yàn)曲線如圖8、圖9以及圖 10所示，分別表示了砂輪在 0°、120°以及 240°三個(gè)位置上的擬合曲線。從圖中可以看出，實(shí)際輪廓點(diǎn)與擬合圓弧的偏離狀態(tài)，在同一個(gè)位置上，砂輪截面在不同相位上的偏離狀態(tài)可以用于評(píng)估砂輪的修形情況，通過多個(gè)不同的位置可以看到，砂輪圓弧刀尖的偏離傾向是很明顯的，而且一致性比較高。由輪廓的偏離狀態(tài)可以有針對(duì)性地對(duì)砂輪的修形進(jìn)行調(diào)整，幫助數(shù)控機(jī)床補(bǔ)償修形誤差。

3 輪廓評(píng)價(jià)

曲線磨削中，雙斜邊單圓弧砂輪刀尖的圓弧是參與磨削的部分，實(shí)驗(yàn)對(duì)砂輪一周12個(gè)均分位置的圖像進(jìn)行了刀尖輪廓擬合，得出的圓度誤差及半徑誤差見表1。砂輪刀尖圓弧的理論半徑r=0.5mm。在測(cè)量前采用平面棋盤格標(biāo)定模板對(duì)CCD攝像機(jī)每個(gè)像素單位與實(shí)際物理尺寸間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果為 4.82 μm/pixel。

表1 砂輪周向不同位置的刀尖圓弧圓度誤差和半徑誤差

從表1可以看到，砂輪修形的圓度誤差最小值為0.0618mm，最大值為0.0707mm。對(duì)表1中的0°位置到330°位置的圓度誤差求均值，求得圓度誤差的均值為0.065667mm，圓度誤差的均方差為0.002475mm，可見在砂輪不同的截面上，圓度的一致性比較好，但圓度誤差較大。從圓度誤差的相位分析，不同截面上砂輪廓形圓度誤差的分布尤其是最大誤差的分布一致性較好，為提高砂輪的廓形修正精度提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

對(duì)表1中的半徑誤差εr求均值，求得εr的均值為0.006367mm，εr的均方差等于0.002497mm，有較好的精確度，半徑誤差εr的最大值為0.0100mm，最小值為0.0005mm。因此，在磨削過程中需要進(jìn)行刀尖圓弧半徑的系統(tǒng)補(bǔ)償。

4 結(jié)束語

在曲線磨削中，砂輪修形的精度對(duì)于工件的加工尺寸精度和表面粗糙度的影響很大，筆者提出了一種砂輪廓形精度在位檢測(cè)的方法，將機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)引入到曲線磨削砂輪修整廓形的精度測(cè)量中，利用CCD圖像處理技術(shù)在線評(píng)估砂輪的修形誤差，監(jiān)控砂輪廓形的修整精度。由于該方法不需要裝拆砂輪，提高了檢測(cè)的效率和精度。實(shí)驗(yàn)研究表明，通過建立合適的視覺測(cè)量系統(tǒng)，能夠獲得砂輪廓形的形狀誤差和尺寸誤差，保證廓形檢測(cè)的精度。該方法還能夠進(jìn)一步推廣至在位監(jiān)測(cè)砂輪的磨損狀態(tài)，指導(dǎo)砂輪修整時(shí)機(jī)。

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