基于模糊數的數控機床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)設計

馮珊珊

（遼寧建筑職業(yè)學院 機電工程學院，遼陽 111000）

0 引言

機械制造是工業(yè)生產的支柱，廣泛滲透于采礦、航空、地質、汽車、石化等領域，數控加工是機械制造的核心技術，結合數控技術、圖像處理技術、傳感器技術等，對裝備進行精密加工或超精密加工。隨著裝備小批量、多樣性生產，零件加工精度的允許誤差越來越小，使得市場對數控機床提出了更高要求，機床功能部件可靠性得到重點關注，包括高速切削刀具、模塊化刀具等。刀具變形誤差直接影響了數控機床加工精度，對零件表面加工質量產生負面作用，這就需要人工拆卸刀具，但該過程較為復雜、耗時耗力，因此，研究刀具變形誤差檢測系統(tǒng)，自動校準刀具，通過刀具變形誤差的有效控制，為零件表面質量、形狀精度、位置精度提供保障，具有重要意義。

現(xiàn)階段，國外刀具變形誤差檢測相關研究較為成熟，把誤差檢測劃分為直接檢測、間接檢測兩種方式，間接檢測將電機電流信號、振動信號、刀具切削力變化、聲發(fā)射信號等作為特征參量，構造刀具變形與特征參量之間的關系，定性計算刀具變形誤差，直接檢測利用傳感器和光學顯微鏡，拍攝刀具圖像，獲取刀具像素點，提取像素邊緣的有效頂點，自動監(jiān)測刀具變形程度[1]。國內刀具變形誤差檢測相關研究同樣取得較大進展，利用神經網絡和機器視覺，采集刀具變形前后圖像，使用亞像素水平的模板，結合刀具角度等幾何參數，分割刀具變形區(qū)域，判斷刀具變形程度[2]。但常規(guī)系統(tǒng)刀具變形誤差自動檢測值與實際測量值偏差較大，針對這一情況，結合現(xiàn)有的研究理論，提出基于模糊數的數控機床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)。

1 基于模糊數的數控機床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)設計

1.1 數控機床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)硬件設計

設計刀具變形誤差檢測系統(tǒng)的機械結構和電氣結構，優(yōu)化電感測頭核心控制器的外圍信號電路。利用轉臺結構和三坐標結構，組成系統(tǒng)機械結構，確保機械結構能夠滿足旋轉空間坐標系的要求。三坐標結構包括垂直軸、中心軸、水平軸，把電感測頭安裝在垂直軸上，固定中心軸，對水平軸和垂直軸進行旋轉位移，帶動電感測頭運動。根據數控機床設定的運動方式，下達刀具運動狀態(tài)的控制指令，利用角度傳感器，采集刀具位置信息，確定刀具運動參數，將光柵信號作為反饋信號，使用光柵尺，采集刀具導軌信息，高精度定位三坐標結構中的電感測頭，令電感測頭跟隨刀具的運動狀態(tài)[3]。

把電感測頭作為系統(tǒng)核心裝置，采集刀具運動狀態(tài)的光柵信號和圖像信息。利用執(zhí)行單元、電氣轉換通用模塊、核心控制單元，組成電感測頭硬件結構。通過電氣轉換通用模塊，實現(xiàn)數據計算、供電、數據通信、供電保護等功能。選取霍爾信號處理模塊、光柵數據讀取模塊，構成執(zhí)行單元，將時柵位移傳感器、光柵位移傳感器作為反饋元件，形成系統(tǒng)的閉環(huán)控制，把霍爾傳感器作為限位開關，防止數控機床過量程運動。利用動態(tài)傾角傳感器、激光位移傳感器、CDD相機、線激光器等，組成光柵數據讀取模塊，將激光位移傳感器和線激光器固定在垂直軸的兩側，令線激光器面向深孔發(fā)射線激光，獲得深孔截面的光弧，把CDD相機放置在深孔一端，拍攝數控機床刀具變形的圖像信息，再把動態(tài)傾角傳感器安裝在三坐標的水平軸上，實時獲取線激光器發(fā)射線激光的傾角信息。電感測頭的硬件結構如圖1所示：

圖1 刀具變形誤差檢測系統(tǒng)硬件結構

優(yōu)化電感測頭核心控制器的外圍信號處理電路，包括傳感器信號處理電路、電源供應電路、串口電路。核心控制器采用3.3V供電，為電源供應電路配置電源監(jiān)測復位芯片，集成一定容量的串行存儲器，把復位信號連接到復位芯片的復位引腳，使電源供應電路具有帶掉電保護功能。為保持時柵傳感器和光柵傳感器的輸出信號一致，為傳感器信號處理電路配置差分處理芯片，將X軸、Y軸、Z軸光柵尺采集的原始信號，輸入差分處理芯片，把三路差分電信號轉換為三路單端電信號，其中X軸、Y軸兩路信號被處理成單端光柵信號，Z軸信號被處理成清零信號，再對三路信號進行反相處理，確保光柵信號與差分處理芯片引腳的電壓相匹配。差分處理芯片輸出三路邏輯電信號后，把信號傳輸至串口電路，為串口電路配置穩(wěn)壓芯片，對三路邏輯電信號進行脈沖計數處理，在串口處安裝靜態(tài)寄存器和時鐘備份寄存器，利用兩種寄存器從穩(wěn)壓芯片引腳獲取電壓，為串口電路提供可靠的電源供應，并聯(lián)電容至核心控制器輸出端，對三路光柵信號進行電容濾波，改善信號瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。至此完成系統(tǒng)硬件設計。

1.2 數控機床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)軟件設計

1.2.1 基于模糊數分割刀具圖像

導出電感測頭采集的圖像信息，提取疑似邊緣點的模糊集，分割刀具邊緣點的模糊數，得到刀具目標圖像。選擇一個含有奇數點的滑動窗口，設窗口中心像素為A(x，y)，A(x，y)灰度值為B(x，y)，(x，y)為像素位置，刀具圖像噪聲點判別條件為：

其中ex(x，y)、ey(x，y)分別為平滑圖像在x方向、y方向一階偏導。設定E(x，y)的高閾值和低閾值，當E(x，y)大于高閾值，判定像素點是邊緣點，當E(x，y)小于低閾值，判定像素點不是邊緣點，若E(x，y)小于高閾值、大于低閾值，判斷像素點為模糊數，得到疑似邊緣點的模糊集。采用亞像素算法，利用邊緣灰度空間矩，定義模糊集的邊緣像素，設平滑圖像的背景灰度值為a，邊緣對比度為d，計算模糊像素點的灰度空間矩D，公式為：

擬合平滑圖像法線方向的灰度梯度，得到梯度變化的曲線方程，一階求導曲線方程，把一階導數的極值點，作為模糊集的亞像素邊緣點。考慮邊緣像素點灰度變化符合高斯分布，針對這一特點，取像素點灰度空間矩的對數，若對數與亞像素邊緣點灰度空間矩對數接近，判斷模糊數為刀具邊緣點，若對數與亞像素邊緣點灰度空間矩對數差異過大，判斷模糊數不是刀具邊緣點。分割刀具邊緣輪廓，得到刀具目標圖像序列。至此完成基于模糊數的刀具圖像分割。

1.2.2 自動檢測刀具變形誤差

根據分割圖像的二維像素，計算刀具運動狀態(tài)的基面長度，結合切削力，確定刀尖水平方向的變形量，自動檢測變形量引起的加工誤差。設刀具三維坐標為(X，Y，Z)，像素坐標轉換公式為：

其中h為比例系數，H、I分別為內參矩陣和外參矩陣。讀取電感測頭采集的光柵信號，調制光柵信號的脈沖長度和波形周期，利用三坐標導軌編碼器，獲取刀具運動狀態(tài)的光柵信息，通過光柵信息驗證刀具三維坐標[4]。當刀具受切削力作用引起變形時，刀具基面長度也會產生變化，根據基面像素點的三維坐標，確定刀具基面實際長度G，當線激光器發(fā)射線激光時，令線激光沿著激光平面照射刀面，把激光平面與刀尖的距離作為測量深度F，計算運動過程中的刀具前角f，公式為：

把切削力統(tǒng)一轉換到加工零件坐標系，將刀刃切向作為x軸，加工零件水平方向作為y軸，切削力垂直方向作為z軸，計算x、y、z方向上的瞬時切削力jx、jy、jz，公式為：

其中K為切削半徑，l為切削厚度，kx、ky、kz分別為刃單元法線與x軸、y軸、z軸的夾角，L為刃口系數，m為刀具轉角，M為刀具半徑，N為刀具彈性模量。計算距離刀尖z處x和y方向的變形量Ox、Oy式為：

在以大數據作為背景的媒體發(fā)展主要呈現(xiàn)出一種新媒體與傳統(tǒng)媒體相融合的現(xiàn)象，媒體的融合發(fā)展成為了媒體行業(yè)的重要任務。根據我國當下的媒體融合現(xiàn)狀，媒體融合這一重要工作仍存在較多問題，尤其是對新媒體與傳統(tǒng)媒體融合的意義以及重要性的領悟上存在缺陷。首先，有極大一部分媒體工作者對于媒體融合的目標不清晰，阻礙了媒體融合的高速發(fā)展；其次，媒體工作者對大數據時代的認識較為欠缺，對大數據技術的掌握不到位，媒體工作者的綜合能力水平需要提高；最后，對媒體融合的管理體系、管理制度等不夠完善，需要進一步加強和改進，對傳統(tǒng)的管理模式做出適當、有效的調整。

其中m為刀具應力系數[5]。刀具水平方向的變形量為，引起的加工誤差P為：

其中Q為刀具變形量，q為零件表面曲率半徑，p為零件表面法矢與z軸的夾角。通過誤差P的補償，減小機床誤差。至此完成刀具變形誤差的自動檢測，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件設計，完成基于模糊數的數控機床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)設計。

2 實驗論證分析

將此次設計系統(tǒng)，與基于光學自由曲面的刀具變形誤差檢測系統(tǒng)、基于光視覺技術的刀具變形誤差檢測系統(tǒng)，進行對比實驗，比較三種系統(tǒng)誤差檢測值與實測值的偏差大小。

2.1 系統(tǒng)測試環(huán)境

采用鋁合金材料的圓柱凸面，作為數控機床加工零件，以兩刃立銑刀為例，刀具切削參數如表1所示。

表1 刀具切削參數

加工圓柱凸面時，刀具分別采用直線加工和曲線加工兩種走刀方式。

2.2 設計系統(tǒng)測試

設計系統(tǒng)的實驗平臺實物如圖2所示。

圖2 設計系統(tǒng)實驗平臺實物圖

如上圖所示，線激光器和CDD相機安裝在光源安置座上，通過基座、水平導軌、聯(lián)軸節(jié)、光柵尺、滾珠絲桿、步進電機，組成三坐標結構的每個坐標軸，利用步進電機，為系統(tǒng)提供動力，使用聯(lián)軸節(jié)，連接電感測頭和滾珠絲桿，拖動電感測頭跟隨刀具導軌運動，把時柵轉臺作為回轉轉臺，由時柵傳感器和光柵尺，分別檢測和反饋電感測頭的位置信息，把兩刃立銑刀具安裝在滾齒機上，確保刀具位于三坐標結構的測量坐標系中，利用水平導軌，校準坐標系，圓柱通過磁鐵吸附在被測平面，刀具在滾齒機的一端對零件進行高精度加工。

為時柵傳感器和光柵傳感器提供8.0V電壓，輸出頻率為400Hz左右的三相電源信號，經過復位芯片、差分處理芯片、穩(wěn)壓芯片處理后，得到輸出頻率相等的時柵信號和光柵信號，得到的矩形脈沖信號具有一定相位差。底光源被放置在刀具下方，線激光器放置在底光源的右側，分別獲得兩刃立銑刀的側面圖像和底面圖像，系統(tǒng)采集圖像的像元尺寸為4.5u，分辨率為1653×1362，預處理后的圖像有效抑制了噪聲點，分割后的刀具圖像細節(jié)信息完整，能夠準確計算出刀具基面長度。建立的零件加工坐標系如圖3所示。

圖3 圓柱零件加工坐標系

根據刀具基面長度，分別計算x方向和y方向的刀尖形變量，得到銑刀變形加工誤差檢測值。

2.3 測試結果分析

銑刀曲線加工時，沿著圖3中x軸負方向橫向進給，因此，刀具變形誤差在y軸上，沿著x軸方向取7個采樣點，三種系統(tǒng)自動檢測采樣點加工誤差，得到各個采樣點刀具變形誤差檢測值，然后人工拆卸刀具，使用量具測量加工誤差，測量完畢后重新對刀，得到各個采樣點刀具變形誤差測量值，檢測值和測量值如圖4所示。

圖4 曲線加工的檢測值和測量值對比

由上圖可知，設計系統(tǒng)刀具變形誤差檢測均值為0.148mm，基于光學自由曲面的系統(tǒng)檢測均值為0.195mm，基于光視覺技術的系統(tǒng)檢測均值為0.217mm，實際測量均值為0.145mm，設計系統(tǒng)檢測值與測量值最為接近。

銑刀直線加工時，刀具變形誤差在x軸上，沿著y軸方向取7個采樣點，三種系統(tǒng)檢測值和測量值如圖5所示。

圖5 直線加工的檢測值和測量值對比

由上圖可知，設計系統(tǒng)刀具變形誤差檢測均值為0.224mm，另外兩種系統(tǒng)檢測均值分別為0.261mm、0.269mm，實際測量均值為0.219mm，設計系統(tǒng)檢測值與測量值的偏差最小。

3 結語

此次研究設計了一種數控機床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)，通過模糊數，分割圖像中的刀具像素區(qū)域，計算刀具變形量和加工誤差，誤差自動檢測值和實際測量值基本一致。但此次設計系統(tǒng)仍存在一定不足，在今后的研究中，會深入分析數控機床誤差規(guī)律，采集大量刀具變形樣本數據，通過數據擬合，找到刀具變形誤差產生的源頭，為機床誤差建立動力學模型，進一步提高機床加工精度。