全自動(dòng)車(chē)床用幾何量尺寸在線測(cè)量設(shè)備

李現(xiàn)友 祁晨宇

（包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市 014030）

在采用數(shù)控車(chē)床車(chē)削工件時(shí)，加工過(guò)程由預(yù)先編制好的程序進(jìn)行控制，但由于刀具磨損、機(jī)床震動(dòng)等因素，會(huì)導(dǎo)致所加工零件的尺寸發(fā)生變化甚至超出尺寸公差所允許的范圍，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。然而傳統(tǒng)檢測(cè)工序往往又滯后于加工過(guò)程，當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)尺寸公差不符合要求時(shí)，已經(jīng)有大量的不合格零件生產(chǎn)出來(lái)。為了避免發(fā)生不必要的經(jīng)濟(jì)損失，就要采用在生產(chǎn)過(guò)程中的在線實(shí)時(shí)測(cè)量，在線測(cè)量最大程度的發(fā)揮了光學(xué)測(cè)量速度快的優(yōu)勢(shì)，可以在不影響流水線生產(chǎn)節(jié)拍的情況下將測(cè)量環(huán)節(jié)集成到生產(chǎn)過(guò)程中，保證每個(gè)工件在加工完成時(shí)都要進(jìn)行有效的幾何量尺寸測(cè)量。這就要求測(cè)量設(shè)備要具有足夠的測(cè)量精度和快捷的測(cè)量速度，以保證測(cè)量能跟上生產(chǎn)的節(jié)奏，而且不會(huì)有廢品的產(chǎn)生。在生產(chǎn)過(guò)程中當(dāng)發(fā)現(xiàn)有工件幾何量尺寸不符合要求時(shí)，測(cè)量設(shè)備能夠?qū)庸み^(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的收集、整理、分析并進(jìn)行反饋，最終由工程技術(shù)人員對(duì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。該設(shè)備采用雙步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制檢測(cè)設(shè)備的軸向位置以保證檢測(cè)設(shè)備的軸向檢測(cè)范圍能夠覆蓋車(chē)床加工的最長(zhǎng)工件，另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)用來(lái)調(diào)整遠(yuǎn)心鏡頭的焦距，可以保證檢測(cè)設(shè)備的徑向檢測(cè)范圍能夠覆蓋車(chē)床加工最大直徑工件，電動(dòng)推桿用來(lái)控制光學(xué)檢測(cè)模塊是在待檢工位還是在檢測(cè)工位，具體執(zhí)行動(dòng)作通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 全自動(dòng)車(chē)床用幾何量尺寸在線測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

全自動(dòng)車(chē)床用幾何量尺寸在線測(cè)量設(shè)備采用光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，能夠快速高效的完成車(chē)削工件的在線檢測(cè)工作，同時(shí)配備了雙向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，保證了檢測(cè)范圍能夠滿(mǎn)足車(chē)床加工范圍的要求。

如圖1 所示光學(xué)檢測(cè)模塊安裝在車(chē)床床身的后側(cè)，當(dāng)加工工件時(shí)檢測(cè)模塊需處于豎直狀態(tài)不影響工件的加工，電動(dòng)推桿處于收縮狀態(tài)，將光學(xué)檢測(cè)模塊抬起；圖中為檢測(cè)模塊傾斜狀態(tài)為檢測(cè)工位，當(dāng)需要對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量時(shí)光學(xué)檢測(cè)模塊由電動(dòng)推桿推動(dòng)繞銷(xiāo)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，鏡頭和背光燈到達(dá)待測(cè)工件的兩側(cè)后即可對(duì)工件進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，背光燈為鏡頭提供光源，鏡頭采集車(chē)削工件的圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行分析得出工件的關(guān)鍵尺寸，實(shí)現(xiàn)了工件的在線檢測(cè)，提高了工件的檢測(cè)效率和工件的合格率。

圖1

2 全自動(dòng)車(chē)床用幾何量尺寸在線測(cè)量設(shè)備工作過(guò)程

圖2 為全自動(dòng)車(chē)床用幾何量尺寸在線測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，介紹了整個(gè)檢測(cè)模塊的功能和結(jié)構(gòu)及其工作過(guò)程，光學(xué)檢測(cè)模塊5 通過(guò)安裝板22 和直線導(dǎo)軌6 和絲杠7 安裝在安裝板11 上，步進(jìn)電機(jī)9 通過(guò)聯(lián)軸器10 與絲杠7 相連接，絲杠與絲杠螺母相配合，步進(jìn)電機(jī)9 帶動(dòng)絲杠螺母可使光學(xué)檢測(cè)模塊在工件的軸向上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)度方向上的檢測(cè)；其中工件1 安裝在卡盤(pán)4 和頂尖12 之間。

圖2

圖3 為光學(xué)檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖，介紹了遠(yuǎn)心鏡頭24 通過(guò)螺釘安裝在鏡頭支架18 上，鏡頭支架18 通過(guò)導(dǎo)軌滑塊17 與直線導(dǎo)軌16連接在一起，絲杠組件15 通過(guò)聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)19 相連接，絲杠組件15 中的絲杠螺母可帶動(dòng)遠(yuǎn)心鏡頭24 調(diào)整焦距，以適應(yīng)不同工件直徑的光學(xué)檢測(cè)工作，平行光源13 通過(guò)螺釘安裝在杠桿支架14上提供用于遠(yuǎn)心鏡頭24 采集的光線；電動(dòng)推桿20 用來(lái)控制杠桿支架14 繞銷(xiāo)軸往復(fù)擺動(dòng)即可在待檢工位和檢測(cè)工位之間進(jìn)行切換，絲杠螺母21 與絲杠7 相配合，導(dǎo)軌滑塊23 與直線導(dǎo)軌6 相配合。

圖3

全自動(dòng)車(chē)床用幾何量尺寸在線測(cè)量設(shè)備中的步進(jìn)電機(jī)9、步進(jìn)電機(jī)19 和電動(dòng)推桿20 可通過(guò)可編程控制器PLC 進(jìn)行統(tǒng)一控制，完成車(chē)床加工零件的在線全自動(dòng)檢測(cè)工作，大大的提高了車(chē)床加工零件的在線檢測(cè)效率。

3 全自動(dòng)車(chē)床用幾何量尺寸在線測(cè)量設(shè)備測(cè)量原理

圖像采集完成后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至后臺(tái)處理器中，第一步對(duì)圖像進(jìn)行先期處理，包括中值濾波，二值化處理，形態(tài)學(xué)運(yùn)算；第二步采用canny 算法進(jìn)行邊界提??；第三步對(duì)圖像進(jìn)行二次處理；然后轉(zhuǎn)入圖像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，由像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際坐標(biāo)，在此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之前，需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)芯軸進(jìn)行標(biāo)定；最后進(jìn)行齒頂高、齒跟高、牙型角角度的計(jì)算，數(shù)據(jù)分析過(guò)程如圖4 所示。

圖4

3.1 圖像預(yù)處理

對(duì)于抽油桿螺紋關(guān)鍵尺寸的測(cè)量，關(guān)鍵步驟是得到有效、清晰的齒型輪廓，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)得出結(jié)論，對(duì)于光學(xué)相機(jī)可以通過(guò)調(diào)整相機(jī)的相關(guān)參數(shù)得到清晰的圖像。

3.1.1 基于中值濾波的圖像平滑

為了減少原始圖像噪聲干擾，將中值濾波窗口按照自左到右，從上到下的次序依次覆蓋在原有圖像中上，同時(shí)將覆蓋區(qū)域內(nèi)的像素重新排列并計(jì)算中值，再以該中值覆蓋區(qū)域的中心像素作為被采集對(duì)象。

3.1.2 基于灰度直方圖的二值化處理

拍攝中，螺紋的底部加入背光燈，所以牙型輪廓與背景之間有明顯的差異，可以通過(guò)調(diào)整直方圖參數(shù)，得到清晰的二值圖像。

3.1.3 圖像形態(tài)學(xué)運(yùn)算

二值化后得到的邊界，一般都不是平滑的，甚至出現(xiàn)噪聲孔洞。主要原因有，第一螺紋的加工是采用粗車(chē)的方式，由于相機(jī)的放大倍數(shù)大，車(chē)削螺紋刀痕會(huì)很清晰，從而產(chǎn)生圖像邊界的跳躍。第二，車(chē)削時(shí)產(chǎn)生的磁性和靜電，會(huì)使螺紋的表面吸附少量的鐵屑和絮狀雜物，圖形處理過(guò)程如圖5 和圖6 所示。

圖5：原始圖像

圖6：形態(tài)學(xué)運(yùn)算

3.2 基于canny算子的邊界提取

canny 算法是找尋一幅圖像中灰度強(qiáng)度變化最強(qiáng)的位置，即指梯度方向。圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的梯度可以由Sobel 算子來(lái)獲得。采用canny 算法的邊緣檢測(cè)可以很好得到齒型輪廓邊緣，并且保證了邊緣的連續(xù)性和完成性。

3.3 圖像二次處理

通過(guò)canny 算法得到牙型的外輪廓，為了對(duì)有效牙型進(jìn)行測(cè)量，需要對(duì)整個(gè)牙型的外輪廓進(jìn)行有效區(qū)域截取，后續(xù)采用了fourier 擬合技術(shù)對(duì)有效輪廓進(jìn)行擬合，主要目的是為后續(xù)齒頂高、齒跟高、牙型角的計(jì)算做準(zhǔn)備。fourier 擬合處理技術(shù)之前的smooth 平滑處理技術(shù)，主要是為了更好的實(shí)現(xiàn)fourier 擬合處理技術(shù)。

3.3.1 有效區(qū)域截取

由抽油桿端頭螺紋尺寸圖可見(jiàn)，螺紋的前端有30° 倒角，后端有R3.175 圓弧，所以前端牙和后端牙是不完整的，無(wú)法進(jìn)行齒頂高和齒跟高的計(jì)算。抽油桿加工時(shí)每次裝夾的位置是確定的，所以有效區(qū)域的選擇原則是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定有效區(qū)域的范圍。最終確定清晰的5 個(gè)齒頂和4 個(gè)齒根為測(cè)量對(duì)象。

3.3.2 smooth 平滑處理

利用移動(dòng)平均濾波器對(duì)列向量進(jìn)行平滑處理，移動(dòng)平均濾波器的窗寬為5。

3.3.3 fourier 擬合處理

fourier 擬合是曲線擬合中常用的擬合手段，特別適合于周期性曲線的擬合中，本文采用二階傅里葉對(duì)輪廓曲線進(jìn)行擬合。且擬合原理如下。

4 總結(jié)

利用光學(xué)檢測(cè)方法在線高效檢測(cè)車(chē)削工件加工精度，可以在加工尺寸出現(xiàn)異常時(shí)第一時(shí)間就反應(yīng)出來(lái)，為工藝設(shè)計(jì)人員進(jìn)行加工工藝參數(shù)調(diào)整提供數(shù)據(jù)依據(jù)，通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的在線檢測(cè)，大大的提高了工件的檢測(cè)效率，降低了廢品率，該套全自動(dòng)車(chē)床在線光學(xué)檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊方便安裝。