數控機床檢測功能管理論文

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0.引言

隨著現代工業技術的發展，數控機床的應用越來越廣泛,使得產品的加工精度有了極大的提高。在這種形勢下,傳統的測量工具及測量方法已不能滿足檢測需求。在精密測量中,三坐標測量機扮演了重要角色。然而由于三坐標測量機價格昂貴,絕大多數中小型企業無能力購買使用?？紤]到NC機床結構上與三坐標測量機相似,有可能利用其進行坐標測量。數控機床和三坐標測量機均是機電一體化的數字控制自動化機械。數控機床是將被加工對象進行數字化處理,然后,利用數字信息進行控制,從而加工出合格產品。而三坐標測量機則是在已加工好的產品上,利用測頭與工件型面接觸測得一系列點的坐標值,進而計算出尺寸、形位誤差值的測量設備。數控機床與三坐標測量機均利用坐標軸移動實現自身功能?；谶@一共同點,本文試圖在不改變數控機床CNC控制系統的條件下(直接從CNC經光電隔離得到X、Y、Z二進制數值,必須改變機床CNC系統),將數控機床功能加以擴展,附加適當裝置組成檢測系統,實現利用數控機床進行測量的功能。

1.總體方案

本文設計的檢測系統是利用數控機床及其控制系統,附加測頭、攝像頭、控制盒、計算機等裝置組成的檢測系統,其組成如圖1所示。利用這個系統進行測量,其工作原理是利用攝像頭捕捉數控機床屏幕上顯示有坐標值的圖像畫面,再對捕捉到的圖像進行處理,識別出坐標數值,間接得到被測點坐標,并在此基礎上求得尺寸、形位誤差值,以完成數據采集與數據處理,實現精密測量的功能。

本文選用圖1所示的檢測系統,是完全獨立于機床之外的附加檢測裝置,對機床本身的性能沒有影響。它是在不改變機床本體和原有功能的基礎上,利用機床的X、Y、Z坐標移動性能,將刀具換成測量頭測出工件上某點的位置。例如,要測量工件上A點到B點的距離,就相當于用對刀的方法確定A點坐標(xA,yA,zA)、B點坐標(xB,yB,zB),則A、B兩點的距離為d=√x2+y2+z2,其中x=xA-xB;y=yA-yB;z=zA-zB。顯然,這是一種通過測量點的坐標獲取測量結果的方法。

2.硬件配置

系統的硬件包括測量頭、控制盒及攝像頭。

2.1測頭

測頭的基本功能是觸發、瞄準和過零發訊。測頭分為機械式、光電式、電氣式三種。測頭性能的好壞,決定著測量方式的難易、測量精度的高低。本文選用我國生產的應用極為廣泛的硬線連接式導電式測頭,它屬于接觸式測頭,為通用型球頭測頭,能測定高度、槽寬、孔徑和輪廓形狀等。使用時,可以將測頭半徑和測出的數據輸入到計算機中進行數據處理,然后自動輸出被測值。測量方便、準確,易操作。

2.2控制盒

控制盒是本測量系統重要的硬件配置,是實現測量控制和數控機床與測量系統接口的關鍵裝置。其性能的好壞直接影響測量系統的功能和可靠性。從測量系統的功能完善和先進性、實用性考慮,控制盒的核心控制部分選用80C51單片機與8255A接口芯片,通過編程實現測量系統的控制與通訊?？刂坪泄ぷ鬟^程如圖2所示。當觸頭接觸工件時,產生觸發信號,觸發器D接收到低電平信號,向單片機發出中斷請求,通過程序實現延時功能,并通過8255A接口,使繼電器1接通,打開攝像頭,進行拍照。拍照完畢,繼電器1斷開,繼電器2接通,控制伺服系統動作進行下一次測量。

2.3攝像頭

將數控機床屏幕上帶有坐標值的圖像導入到計算機中,需要圖像采集裝置。本文選用的是Logitech快看視訊版TM網絡攝像頭,它具有高質量CMOS感應器,其靜態和動態分辨率均達到640×480像素(VGA)。幀速度為:最高30幀/秒,圖像清晰,可以滿足測量系統的要求。

3.軟件設計

軟件設計的兩個關鍵內容是字符識別及數據處理。

3.1字符識別

從數控機床屏幕圖像中獲取的坐標數值,首先須將攝像頭拍到的圖片文件轉化為計算機可以處理的文本信息,此過程需要通過字符識別技術完成。字符識別算法分為三種:模板匹配法、特征法和筆畫結構法。由于需識別的字符種類少,本文開發的軟件系統中用了模板匹配法及特征法,借助VB編程實現。算法的主要過程如圖3所示。

其中,預處理的目的是為特征提取及字符學習提供方便,主要運用平滑去噪、圖像的二值化處理,使圖像更清晰、準確。特征提取即提取字符特征模式作為區分字符的特征量。主要方法是利用細化骨架的方法提取字符骨架,然后利用穿線法獲得單個字符的特征。運用此系統檢測時,先對機床屏幕的顯示字體進行學習,建立標準模板。將每一個單獨的字符劃分成A×B個像素(Pixels),字符的一些特征像素與標準模板比較,如果相似程度達到95%,那么,就可以認為該標準模板上的字符為所要識別的字符,逐一將要識別的這些字符進行判斷分類和確認,最后得到識別結果。將其存入計算機,待數據處理時取用。

3.2數據處理

數據處理是針對離散采樣數據點的集合,用一定的數學模型進行計算以獲得測量結果的過程。由于應用本測量系統測得值均為一些要素表面離散點的坐標,要測出需要的幾何元素誤差值,需進行相應的數學推導。在評定尺寸誤差時,借助了空間解析幾何及向量知識對各種幾何要素的測量給出了準確的計算公式。對于形位誤差的測量,依據的原則為最小條件及最小二乘法。例如:對直線度誤差的評定,依據最小二乘原理,根據測得的若干點的坐標,建立最小二乘線的方程y=ax+b,其中最小二乘線的參數a,b由式(1)求得:

將此直線方程化為一般式:

ax-y+b=0(2)

然后,求得各個測量點到該最小二乘線的距離

取Δ=2dmax,此為任意方向上的直線度誤差。從而實現直線度檢測功能。檢測系統計算項目如圖4所示。

4.測量實例

圖5所示,待測公差項目是φ25孔軸線的直線度公差為φ0.005mm。利用此系統檢測時,先將孔沿軸向劃分為N個截面(本例取N=5),測得每一截面上,孔內表面上的三個點的坐標(見表1),根據三點定圓的原則,可以求得各截面圓對應的孔心位置,將此N個孔心的坐標xi,yi代入式(1),擬合最小二乘直線y=ax+b,將各圓心點的坐標代入式(3),即可求出各中心點到該直線的距離,那么,誤差Δ2dmax。

數據處理結果Δ=2dmax=φ0.008mm>φ0.005mm,因此該孔不合格。

5.結論

本文利用NC機床的三坐標軸移動功能,將NC機床附加適當裝置,使其具有一定檢測功能,是對NC機床功能的擴展。應用本檢測系統能同時測量工件的幾何尺寸和形狀、位置綜合誤差。試驗表明,本測量系統的測量精度可以達到±3～5μm,較常規測量更精確。這一功能的實現不僅為眾多的中小型企業充分利用數控機床、節約購置三坐標測量機的投入,提供了經驗,同時,也為缺乏精密測量設備的各類職業學校的實驗室提供了經驗。