在線檢測和補償功能在數字化曲線磨床中的應用

摘 要：文章介紹了一種基于機器視覺的工件質量在線檢測和補償方法，該技術應用于數字化曲線磨床上，是對傳統光學曲線磨床的技術變革。主要分析了基于機器視覺的在線檢測技術和在線補償技術在數字化曲線磨床的應用，介紹了圖像采集和處理系統的構成原理，在線補償的原理和方法，通過以上技術的開發和實施，可以實現工件曲線輪廓的數字化磨削加工，提高了曲線加工的自動化水平。

關鍵詞：曲線磨床；檢測；補償；數字化

中圖分類號：TG580.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）21-0040-02

1 機床的基本原理

MD9040型數字化曲線磨床由精密回轉工作臺，砂輪架和滑座等組成；曲線磨床的結構如圖1所示。機床設計有六個伺服軸，均帶有插補聯動功能，機床集成的圖像檢測系統用于加工過程曲線輪廓的跟蹤測量。數控系統采用開發式結構，集成了圖像處理等功能。根據加工需要機床還可以擴展到八軸，可用于模具、成型刀具等各種復雜曲線輪廓類零件的精密磨削。

機床主機為全封閉結構，并配有吸塵和冷卻系統、空氣平衡系統、剎車裝置等，組成輔機部分。

要實現對加工過程的監測，需要將CCD檢測系統的采樣裝置始終對著加工區域，而且為了保證檢測圖像處理的可靠性和準確性，需將CCD檢測系統的檢測位置與工件運動或砂輪運動在垂直面上的固定。

在該機床上，采用CCD檢測系統的檢測位置與砂輪運動在垂直面上的固定。即機床的結構布局為CCD檢測系統檢測的光軸線與砂輪的中心水平截面上砂輪圓弧的中心線同軸，為了保證加工中不出現工件和砂輪的干涉問題，又將工作臺回轉的中心線與砂輪中心水平截面上砂輪圓弧的中心線同軸。

最終，該機床形成CCD檢測系統檢測的光軸線、砂輪中心水平截面上砂輪圓弧的中心線、工作臺回轉的中心線三線同軸。機器視覺和數控系統的高度集成使圖像的分析處理結果能直接反饋給數控的運動控制，使該機床最終能在加工過程中，實現實時檢測和實時補償。

2 基本結構與規格參數

精密十字回轉工作臺主要有十字拖板組、回轉拖板組（回轉拖板及回轉拖板座）等組成，工作臺既有縱、橫向運動功能，又有回轉運動功能。

其中縱向運動軸為數控控制X軸、橫向運動軸為數控控制Y軸、回轉運行軸為數控控制C軸。在機床的平面曲線磨削方式中，工作臺的X、Y、C軸均被設定為數控聯動軸，其中X、Y軸設為數控插補軸。縱、橫向拖板組的導軌均采用直線滾動導軌副，回轉拖板采用鑲鋼式滑動導軌。

工作臺的回轉拖板位于十字拖板的下方，工作臺面的回轉可改變工件與砂輪旋轉軸的夾角，在曲線軌跡連續加工的過程中可在一定的角度范圍內避免砂輪與工件的干涉現象。即在加工過程中，實現砂輪磨削的法向跟蹤功能。

可作多軸向運動的砂輪架機架主要有砂輪架、砂輪架滑座等組成。砂輪架上具有滑板上下往復運動及繞兩水平軸回轉等功能。砂輪架滑座為十字拖板組，具有縱、橫向運動功能。

其中縱向運動軸為數控控制U軸、橫向運動軸為數控控制V軸、上下垂直運動軸為數控控制Z軸，滑板回繞U軸、V軸轉動均為人工控制軸。

在機床的平面曲線磨削方式中，砂輪架機架的Z、U、V軸均被設定為數控聯動軸。滑板上下往復導軌及砂輪架滑座拖板導軌均采用直線滾動導軌副。砂輪架滑板實現了往復行程和往復速度的自動控制。滑板可繞U軸、V軸回轉，可加工刀具后角及模具拔模斜度。

X、Y、U、V、C軸的傳動，均由伺服電機經聯軸器直拖滾珠絲杠帶動拖板完成，以提高運行的剛度和精度。C軸回轉拖板是由伺服電機經聯軸器直拖蝸桿，再由蝸桿帶動渦輪執行。

Z軸運動由直線電機驅動，該機床是國內首次通過直線電機控制砂輪的上下往復運動。

由于采用直線電機，無需傳動裝置，因此無磨損，無需維修，替代了傳統的復雜運動機構。采用直線電機，傳動結構簡化，同時也使滑板的運動行程和運動速度都得到數控控制。

機床的技術參數，見表1。

3 基于機器視覺的在線檢測和動態補償

CCD檢測系統的檢測原理如圖2所示。

CCD攝像機安裝在工件的上方，和環形光源、調焦鏡頭一起構成了光學測量系統，光學系統的空間位置設計可調，在磨削過程中，CCD將接受控制系統的指令，完成工件輪廓圖像的數據采集、處理，并和計算機中的理論加工輪廓數據進行比較，分析加工誤差，為實現動態誤差補償提供條件。

CCD的像素點為640×480個，物鏡放大倍率為1.3倍，經計算機對圖像作灰度處理和細分處理。目前，CCD系統的檢測分辯率直線小于0.002 mm、圓弧達到0.003 mm。如增加CCD裝置的像素點，提高物鏡放大倍率及改善照明效果，CCD系統可獲得更高的檢測結果。

該機床在零件加工過程中，CCD實時監控零件的加工輪廓，將采集獲得的輪廓信息經預處理后，通過圖像軟件進行特征處理和分析，將工件的實際輪廓圖像與理論輪廓圖像進行比較，并通過預先建立的數學模型和算法實時計算加工誤差。

第一步判斷加工軌跡在設定的精度加工范圍內否，在設定的精度加工范圍內，為加工正確和合格，則繼續加工，過或不到設定的精度加工范圍，則說明加工出現偏差，需要進行加工補償。

第二步判別加工偏差的方向和偏移量，給出結果。

第三步對數控發出修整補償指令，使機床在原加工的軌跡上疊加修整補償量。實現了在加工過程中的實時檢測和實時補償的功能。

機床采用了自主開發的開放式數控系統，采用了基于PC的八軸運動控制卡，由于其開發性，在上位機中可以集成加工過程中的圖像采集和圖像處理功能，并通過設計獲得良好的人際界面，使系統的可操作性大大增強，同時，利用PC的開發平臺也為后續數控機床的網絡化監控創造了條件。

4 機床不同加工功能的實現

機床數控系統能實現八軸控制，可根據的不同加工要求對數控軸進行不同的組合，最多可設定任意六軸聯動，及可設定任意兩軸聯動（該機床可擴展為設定任意三軸聯動），從而實現不同的加工功能。不同加工功能的實現方法見表2。

5 結 語

本文首先簡要介紹了MD9040數字化曲線磨床的基本原理、結構和關鍵技術參數，在此基礎上分析了在線檢測和在線補償的原理和及其在數字化曲線磨床上的應用方法，最后介紹了機床不同加工功能的實現方法。

實踐表明，將機器視覺技術用于輪廓曲線磨削質量的在線檢測，可以實現工件曲線輪廓加工誤差的自動化檢測，并能進一步實現加工誤差的動態補償，實現數字化的曲線磨削加工，提高曲線加工的自動化水平。

參考文獻：

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