臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李鐵

摘 ?要： 為了克服人工操作檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)刀間隙檢測(cè)精度低的弊端，設(shè)計(jì)新的臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)核心由光源、CMOS圖像采集模塊與自動(dòng)檢測(cè)模塊構(gòu)成，使用紅色環(huán)形光源照射工件與刀具的間隙部位，CMOS圖像采集模塊通過(guò)CMOS攝像機(jī)采集間隙圖像，并通過(guò)USB接口傳輸至自動(dòng)檢測(cè)模塊，自動(dòng)檢測(cè)模塊通過(guò)基于Hough 變換的對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)算法，對(duì)得到的間隙圖像進(jìn)行計(jì)算，獲取刀具和工件的間隙值。經(jīng)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)對(duì)刀間隙，且檢測(cè)精度與檢測(cè)魯棒性優(yōu)于同類檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用價(jià)值可觀。

關(guān)鍵詞： 對(duì)刀間隙; 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng); 臥式數(shù)控機(jī)床; 圖像采集; 間隙計(jì)算; 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TN948.7?34; TG519.1 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）02?0029?03

Design of tool aligning gap automatic detection system for horizontal NC machine tool

LI Tie

Abstract： A new tool aligning gap automatic detection system for horizontal NC machine tool is designed， which can overcome the low precision of tool aligning gap detection in the manual operation detection system. The system core is composed of the light source， the CMOS image acquisition module and the automatic detection module. In the system， the red ring light source is adopted to illuminate the gap area between the workpiece and tool， the CMOS image acquisition module is used to collect the gap images with the CMOS camera and transmit them to the automatic detection module through the USB interface. The automatic detection module is applied to calculate the collected gap images by means of the tool aligning gap automatic detection system based on the Hough transformation， with which the gap value between the workpiece and tool is obtained. It is verified that the designed system can effectively detect the tool aligning gap， and the detection accuracy and robustness are better than that of the similar detection systems， which has the considerable application value.

Keywords： tool aligning; automatic detection system; Horizontal NC mechine tool; CNC machine tool; image collection; gap calculation; experiment verification

0 ?引 ?言

臥式數(shù)控機(jī)床的研發(fā)使世界機(jī)床工業(yè)發(fā)生巨大變變化。其不僅速度快、誤差小、自動(dòng)性優(yōu)，而且附加值也較大，該領(lǐng)域的技術(shù)與產(chǎn)品備受關(guān)注[1]。伴隨機(jī)械制造業(yè)的快速發(fā)展，臥式數(shù)控加工時(shí)對(duì)刀裝置的設(shè)定也逐漸增多，對(duì)刀保證刀具在數(shù)控機(jī)床操控中，讓加工工件相對(duì)于定位基準(zhǔn)存在合適的尺寸關(guān)系[2]。對(duì)刀間隙情況的控制與加工誤差、程序設(shè)置的簡(jiǎn)單水平存在較大的關(guān)聯(lián)性。本文圍繞臥式數(shù)據(jù)機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行深究，提出臥式數(shù)據(jù)機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)高精度臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)。

1 ?對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)包含了光源、CMOS圖像采集模塊、自動(dòng)檢測(cè)模塊。CMOS模塊中包含了分辨率是[1 280×1 024]、像元尺寸是[5.2 μm×5.2 μm]的MVC?1000MF黑白面陣CMOS相機(jī)。鏡頭屬于物方遠(yuǎn)心鏡頭，焦距是67 mm。為了提高對(duì)刀間隙檢測(cè)精度和圖像清晰水平，在相機(jī)和鏡頭里放入一個(gè)2倍光學(xué)放大倍率的放大鏡頭，得到的圖像大小是[1 280×1 024]。臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)使用紅色環(huán)形光源照射間隙部位，CMOS圖像采集模塊通過(guò)CMOS攝像機(jī)采集間隙圖像，并通過(guò)USB接口傳輸至自動(dòng)檢測(cè)模塊。自動(dòng)檢測(cè)模塊通過(guò)基于Hough 變換的對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)算法對(duì)得到的工件圖像進(jìn)行計(jì)算，獲取刀具和工件的間隙值[3]。

1） CMOS圖像采集模塊

CMOS圖像采集模塊中設(shè)計(jì)了高幀頻CMOS成像單元、保存單元、數(shù)據(jù)采集單元。高幀頻CMOS成像單元屬于CMOS圖像采集模塊成像部件，其屬于臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的視覺(jué)部門(mén)，可獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像。保存單元中配置了靜態(tài)保存器SRAM和緩沖電路，用于記載圖像傳感器輸出圖像信息。數(shù)據(jù)采集單元中設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡和采集接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)保存單元的圖像數(shù)據(jù)采集任務(wù)[4]。

2） 自動(dòng)檢測(cè)模塊

自動(dòng)檢測(cè)模塊的工作原理見(jiàn)圖2。

自動(dòng)檢測(cè)模塊采用基于Hough 變換的對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)算法，對(duì)得到工件特征進(jìn)行提取并完成間隙計(jì)算。在臥式數(shù)控機(jī)床軸向X方位，把CMOS圖像采集模塊采集的圖像進(jìn)行工件與刀具的數(shù)據(jù)提取，并依次判斷工件與刀具尖點(diǎn)位置，調(diào)換刀具和工件的Y，Z向的差距[5?6]。

1.2 ?基于Hough變換的對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)算法

1.2.1 ?形狀角類型分類

形狀角的值和所處方位與方向不存在關(guān)系，但和工件輪廓的幾何性狀具有相關(guān)性，使用幾何不變量?形狀角[Aα]將CMOS圖像采集模塊的工件圖像實(shí)行先期性狀類型區(qū)分[7]。形狀角[Aα]為：

[Aα=1mi=0m-1βi=1mi=0m-1arccosbi，ni] ? （1）

式中：針對(duì)工件輪廓中的各點(diǎn)，設(shè)定它的輪廓質(zhì)心連線是[ni]，此點(diǎn)的法向量是[bi]，夾角是[βi];工件輪廓中各點(diǎn)相應(yīng)[βi]均值即為工件形狀角[Aα]，m與i均表示量詞。

1.2.2 ?矩形工件特征點(diǎn)提取

對(duì)工件圖像平面里直線中的各點(diǎn)，采用Hough 變換至參數(shù)空間變成一條曲線，運(yùn)算每個(gè)曲線角點(diǎn)能獲取工件圖像空間里的直線。

先檢測(cè)工件圖像非零點(diǎn)，把一點(diǎn)設(shè)成起始點(diǎn)[Bx1，y1]，把這作為中心框得到一個(gè)矩形范圍，將此范圍里非零點(diǎn)[Cixi，yi]依次掃描[8]。將當(dāng)中2個(gè)非零點(diǎn)相應(yīng)直線參數(shù)組合[?i，φi]實(shí)行運(yùn)算：

[?i=xicos φi+yisin φiφi=arctany1-yix1-xi] ? ? ? ? ? ?（2）

式中，x與y為坐標(biāo)點(diǎn)，該參數(shù)組合為矩形工件特征點(diǎn)。

1.2.3 ?圓形工件特征點(diǎn)提取

為了提高圓形工件的檢測(cè)效率，將工件圖像按水平方向進(jìn)行掃描[9]。采用自上至下的第j條水平掃描線[Gsj]掃描工件輪廓線，能獲取左焦點(diǎn)[YLj]與右交點(diǎn)[YRj]連線的中點(diǎn)[YMj]，這樣經(jīng)過(guò)多個(gè)掃描線[0≤j≤M]，便能獲取多個(gè)中點(diǎn)，再通過(guò)Hough變換對(duì)全部中點(diǎn)[YMj]實(shí)行一維檢索計(jì)算獲取垂直直線[Zv]。順著垂直方向掃描工件圖像獲取每個(gè)垂直掃描線[XSj]和輪廓線兩角點(diǎn)連線的中點(diǎn)，對(duì)全部中點(diǎn)實(shí)行直線Hough變換獲取水平直線[Zh]。[Zv]和[Zh]建立兩個(gè)垂直相交的直徑線，它的角點(diǎn)[xa，ya]是圓心，使用邊緣線像素坐標(biāo)能夠獲取圓的半徑r，便可掌握?qǐng)A形工件的上述特征點(diǎn)。

1.2.4 ?間隙檢測(cè)實(shí)現(xiàn)

基于上述工件特征點(diǎn)的提取后，將刀平面實(shí)行直線插值擬合[10]，擬合出工件中邊緣直線方程為：

[Qx+Px+R=0] ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[Q]，[P]，[R]均屬于參變量，分別表示矩形工件特征點(diǎn)、圓形工件特征點(diǎn)以及形狀角參變量;x表示坐標(biāo)。并且檢測(cè)獲取刀具輪廓下邊緣y坐標(biāo)最小點(diǎn)，按照點(diǎn)至直線距離計(jì)算方法獲取對(duì)刀間隙：

[H=Qx+Px+RQ2+P2] ? ? ? ? ? ? （4）

基于上述計(jì)算便可完成臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)對(duì)臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙檢測(cè)的有效性，將本文系統(tǒng)安裝至臥式數(shù)控機(jī)床上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)比結(jié)果如表1所示。

分析表1數(shù)據(jù)可知，本文系統(tǒng)對(duì)臥式數(shù)控機(jī)床加工矩形工件和圓形工件時(shí)，對(duì)刀間隙檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際數(shù)據(jù)幾乎一致，僅在第6個(gè)工件中的檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際出現(xiàn)偏差，但偏差僅有0.11 mm，這是因?yàn)閳A形工件表面易出現(xiàn)反光，在采集工件圖像時(shí)會(huì)影響圖像的邊緣性。

為深度分析本文系統(tǒng)檢測(cè)能力，將本文系統(tǒng)、人工操作檢測(cè)系統(tǒng)以及微機(jī)間隙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比指標(biāo)依次設(shè)成檢測(cè)精度和檢測(cè)魯棒性。

1） 檢測(cè)精度

設(shè)定矩形與圓形兩種待加工工件，采用三種系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)，分析三種系統(tǒng)的檢測(cè)精度并進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

分析圖3數(shù)據(jù)可知，將三種系統(tǒng)應(yīng)用在臥式數(shù)控機(jī)床中加工矩形工件時(shí)，本文系統(tǒng)最高檢測(cè)精度為0.98，已超越另外兩種系統(tǒng)檢測(cè)精度;加工圓形工件時(shí)，本文系統(tǒng)對(duì)刀間隙檢測(cè)精度最大值是0.96，仍大于另外兩種系統(tǒng)的檢測(cè)精度。由此可見(jiàn)，本文系統(tǒng)的檢測(cè)精度最高。

2） 魯棒性

魯棒性是臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙檢測(cè)性能的核心指標(biāo)之一，如果魯棒性低，則意味著檢測(cè)過(guò)程中易遭到其他因素影響，導(dǎo)致檢測(cè)誤差較大，工件加工會(huì)出現(xiàn)異常。對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，將三種系統(tǒng)應(yīng)用在臥式數(shù)控機(jī)床中加工矩形工件時(shí)，不管是矩形工件，還是圓形工件，本文系統(tǒng)的對(duì)刀間隙檢測(cè)魯棒性變動(dòng)趨勢(shì)始終位于人工操作檢測(cè)系統(tǒng)和微機(jī)間隙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的上方，檢測(cè)魯棒性最大值均是98.88%。則本文系統(tǒng)的檢測(cè)魯棒性最高，能夠較為穩(wěn)定地完成臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)任務(wù)。

3 ?結(jié) ?論

本文以高精度臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)為目的，設(shè)計(jì)新的臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，將本文系統(tǒng)、人工操作檢測(cè)系統(tǒng)、微機(jī)間隙自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)檢測(cè)性能較好，符合臥式數(shù)控機(jī)床對(duì)刀間隙自動(dòng)檢測(cè)性能的標(biāo)準(zhǔn)。

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作者簡(jiǎn)介：李 ?鐵（1972—），男，山東滕州人，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)。