基于機器視覺輔助測量的精密電火花刻傷方法與系統

王 閩， 湯 恒, 汪圣涵， 洪 寧， 康宜華,2

(1.華工制造裝備數字化國家工程中心有限公司,湖北 武漢 430074； 2.華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074； 3.鞍鋼集團工程技術有限公司，遼寧 鞍山 114001)

在無損檢測中，通常需要加工具有標準刻槽的對比樣件，其中平底槽型缺陷多用于驗證設備檢測裂紋類缺陷的能力，是一種非常重要的標準刻槽樣式，通常由激光加工、機械加工或電火花加工等方式獲得。其中，電火花加工作為一種特種加工方式，在高硬度、高強度材料上以及在復雜、微小的表面進行刻傷作業時有著良好的表現，在刻槽制作方面應用最為廣泛[1-2]，例如：北京德源博匯科技有限公司研制的DYBH-NEW-II型電火花刻傷機，能夠滿足微小刻槽的制作[1]；天津鋼管制造有限公司研制的一款電火花刻傷機如圖1所示，能夠在小口徑鋼管中實現特殊平底孔的制作；武漢華宇一目檢測裝備有限公司開發的HYEDM-I型數控電火花刻傷機如圖2所示，能夠對內徑大于60 mm的鋼管進行刻傷作業，深度方向誤差不超過5%。

圖1 電火花刻傷機

圖2 數控電火花刻傷機

通常采用電火花加工的刻槽在長度和寬度方向的精度良好，但由于刻傷過程中刀片電極會產生損耗，導致刻槽在深度方向的精度通常難以保證。而多數無損檢測方法的缺陷深度與檢測信號強度直接相關，因此得到精確深度尺寸的缺陷非常關鍵。目前，在刻傷過程中，一般通過建立電熱模型預測端部損耗，調節電機進給量實現補償[3]，同時結合人工目檢的方法來解決端面損耗問題，此方法補償精度較低(3%～5%)，不易操作和理解，且人工目檢帶來的人為誤差大、工作效率低。

針對上述問題，本文提出了一種利用機器視覺測量刀片損耗量來輔助電火花刻傷的方法，并開發了一套基于此方法的系統。利用機器視覺測量刀片輪廓尺寸并補償電機進給量及監測刀片輪廓狀態，保證刻槽的尺寸公差和形狀公差。

1 原理

1.1 電火花刻傷時刀片的損耗分析

電火花刻傷時，主要運動方向垂直于工件表面。由于尖端放電效應，刻傷過程中刀片底部和兩側棱邊產生的損耗明顯大于其他部位[4-5]。底部損耗將導致刻槽深度不足；兩側的損耗則影響刻槽邊緣的形狀，損耗逐漸積累將影響刀片底部輪廓的直線度，也容易產生不對稱圓角影響刻槽形狀，如圖3所示。因此，為保證刻槽的加工精度，在刻傷過程中需實時對刀片的尺寸和輪廓進行測量。根據國家標準[6-8]，在刻槽制作時允許在槽根處有一定規格的圓角，因此本文的研究重點為刀片底部邊緣的直線度與損耗。

圖3 正常刀片和圓角不對稱刀片的形狀對比

1.2 單層大切深分步刻傷方法

根據國家標準[6-8]，人工刻傷深度通常不超過1.5 mm，為了保證刻傷深度和形狀，提出一種基于機器視覺輔助測量的單層大切深分步刻傷方法，該方法的工作原理如圖4所示。主要設備包含相機測量系統、伺服電機和電火花加工刀片。

圖4 刻傷機工作原理圖

刻傷時，單層切深值是一個重要參數，切深值過小則刻傷效率低且累計誤差大，切深值過大則影響殘渣排除，降低刻傷精度。在不采用等損耗加工方式下，200 μm的單層切深值可以得到較好的刻傷效果[9]。

由于刻傷刀片通常長度遠大于寬度，等損耗加工方法難以應用，為了控制刀片的兩側損耗，采用機器視覺輔助測量的方法。單次刻傷完成后，抬刀至刀片底部完全高于工件表面，由機器視覺系統測量刀片底部邊緣的形狀公差并進行損耗評估，合格則繼續下一次刻傷，不合格則對刀片進行修形后再繼續刻傷，控制刀片的兩側損耗以確保人工缺陷的形狀公差。同時機器視覺測量系統也對刀片整體高度進行測量，若底部損耗使刀片尺寸超出公差范圍，根據測量值調整電機進給量再進行刻傷作業，以此保證人工缺陷的深度。

傳統的電火花刻傷通過脈沖計數或電機編碼器反饋控制刀片進給量，但兩種方法均存在原理上難以避免的誤差。刻傷時，利用機器視覺直接測量刀柄的位置，經過數據計算和處理后作為下一階段電機控制的位置輸入，可以進一步提高深度方向的加工精度。

1.3 機器視覺輔助測量方法

在上述方法中，機器視覺輔助測量是保證加工精度的核心步驟，測量的核心部件為安裝有遠心鏡頭的工業相機，并開發了一種基于輪廓擬合的直線度、平行度和距離測量算法實現對刀片損耗的判斷。

測量時相機采集圖片如圖5(a)所示。圖片中主要包含刀片和刀柄2個部分，其中在刀柄的底部設計一條用于測量刀片損耗的測量基準線。在圖片中選取包含全部刀片特征和基準線特征區域為感興趣區域(Region of Interest,ROI)。圖中定義了X和Y方向坐標系，其中Y方向為刀片進給方向，X為刀片長度方向，坐標原點放置在ROI最左下角。

在ROI中，利用灰度值差異將刀片與刀柄基準線分離，再利用Canny算子依次識別上述兩部件的邊緣并獲取邊緣線坐標點集，并將刀片和刀柄基準線坐標點轉化為圖5(b)中所示的坐標系中。系統使用遠心鏡頭避免圖像局部畸變，保證圖片中的像素點大小與實際尺寸存在唯一對應關系，可實現對實際距離的求解。

圖5 相機采集及處理后圖片

對于刀片坐標點集，首先求解下邊緣的直線度。直線度求解算法依據最小二乘評定法。首先根據點分布密度自動定位處理區域1；在區域1中，再利用基于密度的聚類算法DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)，設置合適的掃描半徑和最小包含點數剔除區域1中可能存在的噪點；最后使用最小二乘法得到剩余數據點的擬合直線，并求解各點與該直線的Y軸坐標偏差作為判定直線度的標準。根據擬合所得下邊緣線方程，求解與X軸的夾角，得到下邊緣線的平行度。

求解刀片底部和刀柄基準線之間的距離主要利用各點集中Y軸坐標。由于刀柄回位誤差較小，首先在圖片中設置固定的區域2，剔除區域2中的刀片豎直邊緣后求解刀柄基準線的Y軸坐標均值，再求解區域1中下邊緣線的Y坐標均值，得到兩條平行于X軸的直線方程，兩方程的Y軸坐標差dhb即為刀片底部到刀柄基準線的距離，求出刻傷前后dhb的差值Δdhb即為刀片的損耗量。

2 刻傷機系統

2.1 刻傷機系統動作設計

刻傷機系統的動作流程如圖6所示。

圖6 系統動作流程圖

刻傷動作劃分為初始校準、刻傷執行和測量反饋3個步驟?？虃麍绦胁襟E采用1.2節中的刻傷方法。每層刻傷結束后進入測量反饋步驟，測量刀片底部直線度和平行度是否在公差范圍內并計算本層刀片損耗和刻槽總深度。測量反饋步驟結束后，將刀片損耗量代入到下一層的單層刻傷深度的計算中進行下一層的刻傷作業。重復上述過程直至刻傷完成。

初始校準包括對刀校準和外形校準。對刀校準測量刀片的直線度以及與工件表面是否平行，外形校準測量刀片棱邊的直線度及圓角弧度，若兩側圓角對稱、底部邊緣直線度在公差范圍內則進入刻傷階段；不合格則直接進入修刀動作，之后重復校準流程。

刻傷執行時，為了保證刻傷精度、提高刻傷速度，參考機械加工中的粗加工與精加工方式，將整個刻傷過程分為以下兩個階段。

(1) 快速刻傷階段。

該階段參考機械加工中的粗加工方式，每層加工時的單層刻傷深度hi為

hi=hs1+Δdhb

(1)

式中：hi為該層的單層刻傷深度(mm)，即該層需要加工的深度；hs1為粗加工的單層設定刻傷深度(mm)，其數值為目標刻傷深度H的20%，最大不超過200 μm；Δhhb為上一層刻傷執行完成后測量系統測得的刀片損耗量(mm)，對于第1層，取Δdhb=0。

粗加工時，系統將每一層的單層刻傷深度hi進行累加，根據以下公式計算出粗加工剩余目標深度sR(mm)為

sR=H-∑hi

(2)

式中：H為目標刻傷深度(mm)。

(2) 精密刻傷階段。

當粗加工剩余目標深度滿足：

sR≤hs1

(3)

系統進入精密刻傷階段。該階段參考機械加工中的精加工方式，每層的單層刻傷深度hj和精加工剩余目標深度sf分別為

hj=hs2+Δdhb

(4)

sf=sR-∑hj

(5)

式中:hs2為精加工的單層設定刻傷深度(mm)，滿足下式且最大值不超過0.05 mm：

(6)

當sf小于測量精度時，系統認為刻傷作業完成，停止刻傷。之后系統將會計算加工的刻槽總深度D為

D=∑hi+∑hj+Δh

(7)

式中：D為刻傷作業完畢后的計算刻槽深度(mm)；Δh為系統補償值(mm)，只與目標刻傷深度H有關。

2.2 刻傷系統結構設計

基于視覺輔助測量的電火花刻傷系統結構如圖7所示，包括刻傷模塊和測量模塊。

圖7 基于視覺測量的電火花刻傷系統結構圖

刻傷模塊包括編碼器步進電機(伺服電機)、刀柄、刀片、控制器，執行進刀、退刀動作。模塊中的電機控制框圖如圖8所示。采用測量模塊中的工業相機反饋刀片位置，使電機位置反饋精度和刀片損耗測量的精度一致；閉環電機的編碼器用于反饋電機轉速，用于調整進刀速度，保證電火花的打火質量。

圖8 電機控制框圖

測量模塊包括工業相機、信號采集器和計算機，主要執行位置反饋、刻槽深度測量和刀片損耗量測量。

3 實驗驗證及分析

使用第2節中設計的刻傷系統對平整鋼板樣件進行刻傷作業。鋼板樣件尺寸為199 mm×60 mm×9 mm，表面銑平后磨削，保證待刻傷表面的平面度為0.01 mm。系統所使用的相機為大恒MER-1520-7GC-P工業相機，像元尺寸1.4 μm；使用的鏡頭為基恩士遠心鏡頭CA-LM0510，放大倍率為1.0；使用厚度為0.5 mm的石墨片作為刻傷電極，長10 mm?？虃戤吅髽擞洺隹滩鄄⒕幪?，如圖9所示。

3.1 刀片損耗計算值與實測值一致性實驗驗證

本實驗中，使用刻傷系統對樣件進行多次刻傷，每次刻傷的輸入刻槽深度分別為0.1 mm和0.2 mm。刻傷前后均使用千分表在刀柄最左側、中間和最右側測量刀片底部到基準線的距離，并將對應位置的刻傷前后的測量數值做差后求平均值作為刀片磨損的千分表測量值(即實測值)。本實驗刻槽為圖9中右側方框中的刻槽，從左至右依次編號為1～5。表1為刀片損耗計算值與實測值一致性實驗記錄表。

表1 刀片損耗計算值與實測值一致性實驗記錄表 單位：mm

3.2 計算深度和實測深度一致性實驗驗證

本實驗中，使用刻傷機對樣件進行多次刻傷，并記錄系統的計算刻槽深度D；刻槽加工完畢后，使用基恩士LJX-8080線激光測距儀測量各刻槽深度x，其在Z軸方向上重復精度為0.5 μm，如圖10所示。本實驗刻槽為圖9中左側方框中的刻槽，從上至下依次編號為6～8。計算深度和實測深度一致性實驗記錄如表2所示。本實驗中目標刻傷深度設定為0.5 mm，為漏磁探傷國家標準中規定的最小外傷深度。

圖10 刻槽激光掃描示意圖

表2 計算深度和實測深度一致性實驗記錄表 單位：mm

3.3 實驗數據分析

3.3.1 刀片損耗計算值與實測值一致性實驗分析

由表1可以看出，當輸入刻槽深度在0.1 mm以上時，使用本文中的刻傷系統計算出的刀片損耗量與實際測量的刀片損耗量的誤差均在±5 μm以內，證明在輸入刻槽深度大于0.1 mm時，本刻傷系統能夠有效地測量出刀片的損耗量。

針對刻槽深度在0.1 mm以下時的刀片損耗量的測量，可以通過更換具有更小的像元尺寸的相機或更高放大倍率的鏡頭來實現。

3.3.2 計算深度和實測深度一致性實驗分析

由表2可以看出，使用本文的刻傷方法制作的0.5 mm刻槽，系統測量值和實測值的差分別為-7 μm、-5 μm和9 μm，且均在(0.5±0.01) mm范圍內，具有較好的一致性。

4 結束語

本文提出一種基于視覺測量的電火花刻傷方法，并基于此刻傷方法設計出了一套電火花刻傷系統。實驗中，使用該刻傷系統加工深度在0.1 mm以上的刻槽時，其計算的刀片損耗量和實際測量值的誤差在±5 μm以內；且使用該刻傷系統加工完刻槽后，系統的測量值和實際測量值的誤差在±10 μm以內。