蘇州市職業(yè)大學(xué)（江蘇 215104）陳雪芳 吳 倩

現(xiàn)代制造業(yè)要求在制造過(guò)程中能更快速、更精確地對(duì)加工工件進(jìn)行檢測(cè)。由于傳統(tǒng)的手工檢測(cè)和離線檢測(cè)效率低、檢測(cè)精度差、檢測(cè)過(guò)程繁瑣費(fèi)力等原因，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到生產(chǎn)過(guò)程對(duì)檢測(cè)速度和精度的要求。在線檢測(cè)也稱實(shí)時(shí)檢測(cè)，是在加工的過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)刀具或加工尺寸進(jìn)行檢測(cè)，并依據(jù)檢測(cè)的結(jié)果做出相應(yīng)的處理。

在線檢測(cè)相對(duì)于離線測(cè)量有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①對(duì)工件的測(cè)量無(wú)須從工作區(qū)移走，節(jié)省了重新安裝工件的時(shí)間，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。②避免由于離線測(cè)量將工件在工作臺(tái)上反復(fù)拆裝而產(chǎn)生的誤差。在線測(cè)量根據(jù)采集數(shù)據(jù)時(shí)與工件的接觸與否，分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。目前，基于專(zhuān)用測(cè)頭及檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床在線接觸式檢測(cè)技術(shù)在一定程度上已被采用。但是由于測(cè)頭類(lèi)型和品種繁多，對(duì)于工件的測(cè)量就需要有不同的測(cè)頭，如果是自動(dòng)檢測(cè)，預(yù)先進(jìn)行測(cè)量路徑的規(guī)劃和測(cè)量程序的編制，不同的工件測(cè)量路徑規(guī)劃和測(cè)量程序不同。如果是手工在線檢測(cè)，測(cè)量效率低。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展，圖像測(cè)量技術(shù)作為非接觸測(cè)量手段有了較大的進(jìn)展。圖像測(cè)量方法具有非接觸、高速度、動(dòng)態(tài)范圍大、信息量豐富等優(yōu)點(diǎn)，非常適合傳統(tǒng)方法難以測(cè)量的場(chǎng)合，如易變形零件尺寸、微小尺寸及零件孔心距等的測(cè)量。

1.非接觸在線檢測(cè)系統(tǒng)原理及功能結(jié)構(gòu)

非接觸在線檢測(cè)原理如圖1所示，通過(guò)CCD采集圖像，并經(jīng)過(guò)圖像處理，以獲得零件的幾何參數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)框架主要由照明系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、CCD攝像機(jī)、圖像處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)及外設(shè)五部分組成。由視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)、圖像輸入設(shè)備和計(jì)算機(jī)，在線非接觸式獲取大量的被測(cè)工件的原始圖像，應(yīng)用邊緣檢測(cè)算子對(duì)原始圖像進(jìn)行處理，檢測(cè)出圖像的邊緣點(diǎn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得物體的幾何參數(shù)，并根據(jù)測(cè)量數(shù)學(xué)模型和測(cè)量要求，計(jì)算處理得到零件幾何參數(shù)的測(cè)量，并應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)量塊零件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照，從而獲得高精度的測(cè)量結(jié)果，為誤差補(bǔ)償作準(zhǔn)備。

圖1 非接觸在線檢測(cè)原理

按檢測(cè)系統(tǒng)功能要求，將軟件系統(tǒng)分為四個(gè)功能模塊：外部控制模塊、圖像的采集與處理模塊、誤差計(jì)算模塊和誤差補(bǔ)償模塊。

（1）外部控制模塊，完成系統(tǒng)、圖像接口卡及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的初始化配置。導(dǎo)入所加工零件圖樣，錄入零件加工尺寸和精度等數(shù)據(jù)，采集并保存灰度圖像，捕獲圖像到內(nèi)存。通過(guò)CCD對(duì)圖像進(jìn)行采集、停止等操作，采集并保存灰度圖像，捕獲圖像到內(nèi)存。

（2）圖像的采集及處理模塊，這是軟件系統(tǒng)中比較最為關(guān)鍵的一個(gè)模塊，采用圖像預(yù)處理，用結(jié)合圖像特點(diǎn)的快速濾波方法，采用亞像素技術(shù)對(duì)邊界進(jìn)行細(xì)分，并用圖像邊緣檢測(cè)方法，提取圖像邊緣信息，計(jì)算圖像尺寸和獲取加工精度。

（3）誤差計(jì)算模塊，主要對(duì)圖像處理結(jié)果與加工零件尺寸進(jìn)行對(duì)照，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和精度分析。即把基于圖像計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)比較得到的差值保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算和分析。

（4）誤差補(bǔ)償模塊，負(fù)責(zé)將計(jì)算所得的誤差參數(shù)自動(dòng)生成補(bǔ)償程序，對(duì)加工后誤差超出公差范圍的零件進(jìn)行重新加工，達(dá)到消除誤差的目的。在本系統(tǒng)中主要對(duì)加工長(zhǎng)度和直徑的數(shù)控程序進(jìn)行調(diào)整以滿足加工尺寸要求。在線檢測(cè)的流程如圖2所示。

圖2 在線檢測(cè)流程

2.在線檢測(cè)誤差補(bǔ)償方法

在線檢測(cè)的誤差補(bǔ)償一般是通過(guò)數(shù)據(jù)檢測(cè)，獲得補(bǔ)償量，對(duì)零件數(shù)控加工代碼進(jìn)行補(bǔ)償和修正，提高零件的一次裝夾加工的合格率。利用加工的補(bǔ)償量，對(duì)零件數(shù)控加工代碼進(jìn)行補(bǔ)償和修正，提高零件的一次裝夾加工的合格率，但實(shí)時(shí)性比較差；根據(jù)得到的誤差值進(jìn)行刀具補(bǔ)償值的設(shè)置，但僅是靜態(tài)補(bǔ)償。對(duì)于數(shù)控機(jī)床按程序自動(dòng)加工，質(zhì)量穩(wěn)定，但由于零件的每次裝夾誤差、加工過(guò)程中熱誤差、切削力誤差及刀具磨損誤差等，這些誤差影響了產(chǎn)品精度的穩(wěn)定性。

設(shè)Dmin為工件的最小直徑，Dmax為工件的最大直徑，D測(cè)直徑，產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果有以下三種情況：①DminDmax（外輪廓）或D測(cè)Dmax（內(nèi)輪廓），報(bào)廢。對(duì)在線檢測(cè)第二種情況，在零件不下線的情況下，通過(guò)測(cè)量誤差自動(dòng)生成補(bǔ)償加工的程序，從上位機(jī)通過(guò)RS232接口傳送至數(shù)控機(jī)床，對(duì)零件進(jìn)行二次加工，一次切除多余的余量。該方法不需修改原來(lái)的G代碼，不需修改原來(lái)的刀補(bǔ)值，避免了在零件二次加工時(shí)的空走刀，只是在零件的表面再走一刀，在有效保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，提高了生產(chǎn)效率。

（1）零件編程參數(shù)界面。為了更直觀反映零件的實(shí)際情況，在零件的參數(shù)輸入界面中，通過(guò)文本框輸入零件的各基點(diǎn)坐標(biāo)（X、Y、Z）、輪廓特征信息（“L”代表直線，“CW”代表順圓弧，“CCW”代表逆圓?。?、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、刀具號(hào)及程序號(hào)。以軸類(lèi)零件的加工為例，零件參數(shù)的輸入界面如圖3所示，當(dāng)圖形窗口的零件改變時(shí)，清空文本框的數(shù)據(jù)，重新輸入零件的基點(diǎn)坐標(biāo)、輪廓特征信息及工藝信息等。

圖3 零件參數(shù)輸入界面

（2）補(bǔ)償加工程序。本系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和各輪廓段的基點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)的計(jì)算，與圖3零件編程參數(shù)界面相應(yīng)的各基點(diǎn)坐標(biāo)的理論值Xi、Yi、Zi比較，得到相應(yīng)的誤差ΔXi=X測(cè)－Xi，ΔYi=Y測(cè)－Yi，ΔZi=Z測(cè)－Zi，根據(jù)誤差控制刀位點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)比較窗口如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)比較窗口

以圓柱面、錐面、圓弧面車(chē)削為例，基于FANUC 0i T系統(tǒng)，自動(dòng)生成補(bǔ)償加工程序的流程如圖5所示，成補(bǔ)償加工的NC程序窗口如圖6所示。

3.結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)的基于機(jī)器視覺(jué)的數(shù)控機(jī)床非接觸在線智能檢測(cè)系統(tǒng)，在數(shù)控車(chē)床上的零件加工中進(jìn)行了測(cè)試與應(yīng)用。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)使用方便、靈活，能夠較好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、圖像的采集及處理、顯示測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行補(bǔ)償加工，提高數(shù)控加工的產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率。

圖5 補(bǔ)償加工程序自動(dòng)生成的流程

圖6 NC程序調(diào)整窗口