砂輪廓形原位視覺檢測方法與試驗(yàn)研究*

上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 上海 200240

1 研究背景

砂輪廓形檢測廣泛應(yīng)用于砂輪輪廓修形精度測量、砂輪磨損檢測等場合，因此，研究砂輪廓形的快速原位檢測方法具有重要意義。隨著制造業(yè)的發(fā)展，精密輪廓磨削的應(yīng)用越來越多，主要采用具有特定廓形的砂輪來實(shí)現(xiàn)輪廓曲線的點(diǎn)磨削。由于砂輪的輪廓修形精度和磨損會影響零件的輪廓加工精度，因此需要在磨削過程中對砂輪廓形進(jìn)行檢測，進(jìn)而提高檢測的精度和速度。

目前，砂輪廓形和磨損檢測主要分為離線檢測和原位檢測兩種。離線檢測有復(fù)印法［1］和離線三坐標(biāo)檢測法，測量效率均較低，并會造成砂輪的重復(fù)安裝定位誤差。原位檢測方法多以檢測砂輪磨損為目標(biāo)，并以間接法為主。

國內(nèi)外學(xué)者對此作了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［2］通過聲頻信號傳感器采集磨削周期信號，監(jiān)測砂輪的磨損狀態(tài)。文獻(xiàn)［3］基于小波包變換的能量百分比法，對砂輪磨損的特征信號進(jìn)行了分析和提取。日本東北大學(xué)和我國湖南大學(xué)合作研發(fā)了一種砂輪廓形原位檢測裝置［4］，通過旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)臺來掃描砂輪廓形截面，但昂貴的高精度回轉(zhuǎn)臺和位移傳感器限制了這一技術(shù)的推廣。文獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)視覺的檢測系統(tǒng)，應(yīng)用圖像拼接算法和基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)及策尼克矩的邊緣檢測算法，通過檢測被加工件的實(shí)際輪廓評價(jià)砂輪輪廓。

直接法原位測量的研究則較少。袁勃等［6］基于激光三角測量原理，利用一維激光位移傳感器搭建平臺測量砂輪的輪廓，并通過激光修整砂輪試驗(yàn)驗(yàn)證輪廓測量的結(jié)果，這對測量平臺的運(yùn)動精度要求很高。文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)了測量砂輪廓形的視覺檢測系統(tǒng)，同時提出一種了砂輪廓形精度的評價(jià)方法。

基于曲線磨削，利用機(jī)器視覺技術(shù)，在前期研究的基礎(chǔ)上［8-10］，筆者提出了一種改進(jìn)的砂輪廓形直接原位檢測方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，可以有效保證檢測的精度和效率。

2 砂輪廓形視覺檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

基于曲線磨削，所設(shè)計(jì)的砂輪廓形原位視覺檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)原理如圖2所示。計(jì)算機(jī)發(fā)送指令至運(yùn)動控制器，驅(qū)動伺服系統(tǒng)使砂輪運(yùn)動到電荷耦合元件相機(jī)的視野中心，并位于成像景深范圍內(nèi)。再通過由電荷耦合元件相機(jī)、鏡頭、光源組成的視覺系統(tǒng)獲得砂輪刀尖輪廓圖像，并反饋至計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理。

▲圖1 砂輪廓形原位視覺檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所采用的砂輪廓形原位視覺檢測系統(tǒng)組件如下：① 500萬像素電荷耦合元件相機(jī)；② 景深為 5 mm、物距為150 mm的物方遠(yuǎn)心鏡頭；③ 藍(lán)色發(fā)光二極管平行點(diǎn)光源，照明方法為平行背光。使用標(biāo)準(zhǔn)圖像標(biāo)定板對檢測系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定板的精度誤差為±1 μm，像元長度標(biāo)定結(jié)果為 3.49 μm。

▲圖2 砂輪廓形原位視覺檢測系統(tǒng)原理

3.2 測量方法

曲線磨削用的砂輪刀尖輪廓曲線如圖3所示，其中L1、L2為砂輪的兩個斜邊，半徑為R，圓心為O，對應(yīng)的圓心角為α。刀尖圓弧兩端分別與斜邊相切，整個輪廓相對于中心線L對稱。測量得到砂輪輪廓圖像后，通過圖像處理算法獲取砂輪輪廓邊緣像素點(diǎn)，再通過算法擬合得到實(shí)際的砂輪輪廓曲線，進(jìn)而計(jì)算輪廓參數(shù)。選取刀尖圓弧半徑、刀尖圓弧中心位置、刀尖圓弧對應(yīng)的圓心角、刀尖圓弧的圓度誤差共四個參數(shù)作為砂輪廓形精度的評價(jià)指標(biāo)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

試驗(yàn)中選取砂輪刀尖圓弧半徑的理論值為2.17 mm，圓心角的理論值為 90°。測量時，砂輪每旋轉(zhuǎn) 45°，基于圖像處理算法［5］對砂輪的截面輪廓參數(shù)進(jìn)行一次測量，并計(jì)算不同截面刀尖圓弧參數(shù)的平均值和極差，具體結(jié)果見表1。

▲圖3 砂輪刀尖輪廓曲線

表1 試驗(yàn)結(jié)果

分析表1中數(shù)據(jù)，各周向截面的數(shù)據(jù)具有高度一致性，這主要是因?yàn)樯拜喰拚蜕拜喒ぷ鞑捎靡淮伟惭b方法，沒有重復(fù)定位誤差，消除了主軸精度對砂輪不同周向截面廓形的影響，保證了不同截面廓形的一致性。因此，采用這種砂輪原位修整和原位測量方法，可以通過單個截面的輪廓參數(shù)來反映砂輪的包絡(luò)輪廓廓形。

4 檢測系統(tǒng)的精度評定

4.1 評定方法

為驗(yàn)證砂輪廓形原位視覺檢測系統(tǒng)的精度，采用樣板復(fù)印法將砂輪廓形復(fù)印到樣板上，對樣板輪廓進(jìn)行測量。樣板復(fù)印法的基本原理是，將樣板固定在工作臺上，在樣板上復(fù)印出砂輪的刀尖輪廓。對獲得的復(fù)印輪廓采用原位視覺和離線精密輪廓儀兩種方法檢測，進(jìn)而比較砂輪廓形的直接原位檢測、復(fù)印廓形的直接原位檢測和復(fù)印廓形的離線輪廓儀檢測三種方法的結(jié)果，評定各檢測方法的精度。試驗(yàn)中，選取厚度為5 mm的碳纖維板作為復(fù)印樣板，圖4所示為樣板復(fù)印輪廓。

▲圖4 樣板復(fù)印輪廓

4.2 復(fù)印輪廓檢測

（1）復(fù)印輪廓的直接原位檢測。在通過樣板復(fù)印法獲得復(fù)印輪廓后，直接將復(fù)印輪廓移動到電荷耦合元件相機(jī)的拍攝范圍內(nèi)，通過原位視覺檢測系統(tǒng)獲得清晰的復(fù)印輪廓圖像，對輪廓分析提取，進(jìn)而獲得樣板上砂輪刀尖復(fù)印輪廓的廓形參數(shù)。

（2）復(fù)印輪廓的離線輪廓儀檢測。使用三維表面光學(xué)輪廓儀對樣板復(fù)印輪廓進(jìn)行檢測，傳感器在X軸、Y軸方向上以2 μm的步長掃描，檢測每個掃描點(diǎn)的Z軸方向距離，獲得輪廓面上各點(diǎn)的坐標(biāo)信息。復(fù)印輪廓的檢測點(diǎn)云圖如圖5所示。選取樣板厚度中心上下各1 mm寬度的輪廓坐標(biāo)求平均值，作為樣板上復(fù)印輪廓的坐標(biāo)值。根據(jù)筆者提出的圖像處理算法，可獲得砂輪刀尖復(fù)印輪廓的廓形參數(shù)。

▲圖5 復(fù)印輪廓檢測點(diǎn)云圖

4.3 檢測結(jié)果評定

砂輪輪廓直接原位檢測、復(fù)印輪廓的直接原位檢測和復(fù)印輪廓的離線輪廓儀檢測三種方法的檢測結(jié)果如圖6所示。由于在離線輪廓儀檢測方法中檢測坐標(biāo)系發(fā)生改變，獲得的刀尖圓弧中心位置坐標(biāo)也相應(yīng)發(fā)生了變化，無法再以該參數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)，因此僅選取刀尖圓弧半徑、刀尖圓弧對應(yīng)的圓心角和刀尖圓弧的圓度誤差三個參數(shù)進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算獲得的砂輪廓形參數(shù)見表 2。

比較復(fù)印輪廓直接原位檢測與復(fù)印輪廓離線輪廓儀檢測的結(jié)果，刀尖圓弧半徑的相對誤差為0.37%，刀尖圓弧對應(yīng)圓心角的相對誤差為0.12%，刀尖圓弧圓度誤差的絕對誤差為2 μm，兩種檢測方法獲得的結(jié)果具有很高的一致性，說明原位視覺檢測系統(tǒng)精度高，能滿足實(shí)際檢測要求。

表2 砂輪廓形參數(shù)

▲圖6 檢測結(jié)果

比較砂輪廓形直接原位檢測與復(fù)印輪廓直接原位檢測的結(jié)果，刀尖圓弧半徑的相對誤差在0.09%～0.51%之間，刀尖圓弧對應(yīng)圓心角的相對誤差在0～0.22%之間，刀尖圓弧圓度誤差的絕對誤差在0.008～0.012 mm之間，兩種檢測方法獲得的結(jié)果具有很好的一致性，說明基于周向任意截面輪廓，采用直接原位視覺檢測，可以替代輪廓復(fù)印法，獲得與復(fù)印輪廓檢測一致的效果。

5 結(jié)論

筆者提出的砂輪廓形原位視覺檢測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)曲線磨削中砂輪廓形的直接原位檢測。采用砂輪原位修整和檢測一次定位的方法，可以實(shí)現(xiàn)用單個截面的輪廓測量參數(shù)來反映砂輪的包絡(luò)輪廓廓形，在保證檢測精度的同時提高檢測效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，這一方法能有效保證砂輪廓形檢測的精度和效率，可應(yīng)用于曲線磨削中砂輪廓形的原位檢測，并能推廣至其它干式磨削場合。