陳運(yùn)勝，劉 杰，李 映，孫令真

（廣州華立科技職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 511325）

引言

在使用數(shù)控機(jī)床加工零件的過(guò)程中，操作人員需要不斷地進(jìn)行工件的安裝、拆卸以及刀具的調(diào)整、對(duì)刀等操作[1]。而對(duì)刀作為機(jī)床加工的第一步，對(duì)工件整體加工的精度有著重要影響[2]。過(guò)去，人們采用的都是人工對(duì)刀的方法，這樣使得對(duì)刀的過(guò)程較為復(fù)雜[3]，且需要人工不斷進(jìn)行測(cè)量以及數(shù)值的輸入，對(duì)刀效率和對(duì)刀質(zhì)量都難以保障。為提高對(duì)刀的效率，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，電子對(duì)刀儀應(yīng)運(yùn)而生。而傳統(tǒng)的對(duì)刀技術(shù)存在局限性，對(duì)刀儀對(duì)刀時(shí)誤差較大，且仍需要人工修正[4-6]。為此，本文提出基于宏程序的對(duì)刀儀自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)研究。

1 設(shè)計(jì)宏程序?qū)Φ秲x基礎(chǔ)的機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)

1.1 組合自動(dòng)對(duì)刀設(shè)備的硬件框架

為保證對(duì)刀準(zhǔn)確，本文設(shè)計(jì)增加為機(jī)床增加機(jī)器視覺(jué)設(shè)備，組合成高精度測(cè)量的硬件框架。在此，本文使用工業(yè)CCD 相機(jī)進(jìn)行對(duì)刀圖像的采集[7]，考慮到經(jīng)濟(jì)適用性，本文選用的工業(yè)CCD 相機(jī)為SONY 公司型號(hào)為XC-77 的工業(yè)相機(jī)。該相機(jī)的分辨率為1 600*1 200，能夠滿足對(duì)刀圖像的質(zhì)量要求。為了能夠很好地結(jié)合圖像與機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制，本文將相機(jī)設(shè)備與數(shù)控機(jī)床硬件框架進(jìn)行組合。本文設(shè)計(jì)在垂直方向放置電子對(duì)刀儀，以校正刀具的長(zhǎng)度誤差。該電子對(duì)刀儀包括信號(hào)接收器，以及對(duì)刀儀機(jī)身，將對(duì)刀儀機(jī)身直接安裝在機(jī)床的執(zhí)行單元上。為保證信號(hào)接收的穩(wěn)定，我們將信號(hào)接收設(shè)備固定在機(jī)床的外防護(hù)罩上，以保證實(shí)時(shí)穩(wěn)定地接收對(duì)刀儀無(wú)線傳輸?shù)膶?duì)刀信號(hào)[8-9]。

1.2 工件圖像處理

在組合好硬件框架之后，本文基于CCD 相機(jī)，獲取了工件以及刀具的位置圖像，為了能夠獲取清晰的對(duì)刀定位的圖像數(shù)據(jù)，需要將采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，處理圖像的具體操作流程，見(jiàn)圖1。

如圖1 所示，首先，我們需要將圖像進(jìn)行灰度化處理，由于彩色圖像所包含的顏色信息較多，對(duì)于對(duì)刀定位程序來(lái)說(shuō)會(huì)產(chǎn)生干擾影響，因此，我們將圖像進(jìn)行灰度化，以提高程序?qū)Φ短幚淼倪\(yùn)算速度。

圖1 對(duì)刀圖像處理流程圖

其次，還需要將處理好的灰度圖像進(jìn)行去噪處理。由于在機(jī)床運(yùn)行的過(guò)程中，受機(jī)械的振動(dòng)環(huán)境的影響，我們所捕捉到的圖像會(huì)存在噪聲的干擾，影響圖像整體的清晰程度。為此，本文使用均值濾波的方法，對(duì)灰度圖像進(jìn)行濾波處理，以提高整體的平滑度，使得圖像邊緣更為清晰。

在去噪處理后，為了進(jìn)一步增強(qiáng)加工工件的邊緣輪廓，我們可以將圖像進(jìn)行均衡化處理，調(diào)整亮、暗灰度的平衡性，使得圖像的像素灰度細(xì)節(jié)能夠更好地展現(xiàn)出來(lái)。

1.3 確定工件對(duì)刀點(diǎn)

首先，我們需要計(jì)算出在二維平面中X 軸、Y 軸上，工件圖像相應(yīng)的像素當(dāng)量參數(shù)，假設(shè)X 軸上的當(dāng)量參數(shù)為A，其計(jì)算公式可以表示為：

式中，n 表示的是像素點(diǎn)的數(shù)量參數(shù)；i 表示的是X 軸其中的某一像素點(diǎn)；（xi，yi）表示的是該像素點(diǎn)在二維平面的坐標(biāo)參數(shù)，（xi+1，yi+1）為相鄰的坐標(biāo)參數(shù)；（ai，bi）表示的是像素特征的坐標(biāo)參數(shù)，（ai+1，bi+1）為相鄰特征的坐標(biāo)參數(shù)。基于此，我們也能夠求出Y 軸上的當(dāng)量參數(shù)B，其計(jì)算公式可以表示為

其中，j 表示的是Y 軸上的某一像素點(diǎn)。

在確定好當(dāng)量參數(shù)之后，我們就能夠?qū)D像中的坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，關(guān)聯(lián)到對(duì)刀儀的對(duì)刀信號(hào)當(dāng)中，從而獲取機(jī)床操作構(gòu)件的坐標(biāo)定位。對(duì)刀的標(biāo)定原始點(diǎn)有很多，既可以固定在工件上，也可以固定在機(jī)床邊緣。為了提高對(duì)刀的精準(zhǔn)度，本文選擇將上述計(jì)算出的特征點(diǎn)，作為對(duì)刀需要的標(biāo)定原始點(diǎn)。通過(guò)機(jī)器視覺(jué)與程序，共同提高對(duì)刀精度。

1.4 基于宏程序控制自動(dòng)對(duì)刀

首先，需要確定工件邊緣的坐標(biāo)點(diǎn)，由于傳統(tǒng)的邊緣定點(diǎn)需要不斷的觸碰檢測(cè)，使用人工讀取的方法，這樣使得每切換一個(gè)加工工件，就需要重新進(jìn)行該操作，復(fù)雜度直線上升。

其次，我們需要確定宏程序的變量。在此，我們主要確定的是局部變量以及公共變量。局部變量能夠輔助程序進(jìn)行控制刀具位置調(diào)動(dòng)的操作，公共變量則能夠輔助程序根據(jù)坐標(biāo)位置信息計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)牡毒唛L(zhǎng)度參數(shù)。

最后，在考慮到對(duì)刀安全性問(wèn)題的基礎(chǔ)上，我們?yōu)楹瓿绦蜻M(jìn)行優(yōu)化，以保護(hù)機(jī)床、刀具、相關(guān)設(shè)備以及施工環(huán)境的安全。

1.5 對(duì)刀儀監(jiān)測(cè)自動(dòng)對(duì)刀信號(hào)

本文設(shè)計(jì)對(duì)刀儀是安裝在機(jī)床執(zhí)行單元的Y 軸上的，而信號(hào)傳感器則是安裝在機(jī)床的外防護(hù)罩上，因此，對(duì)于刀具的具體所在位置進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)，以確定是否到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，取消偏移量。

在傳感器傳動(dòng)信號(hào)的過(guò)程中，我們還需要將獲得的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，減少其中的噪聲干擾。假設(shè)加工工件的體積參數(shù)為V，工件材料的定長(zhǎng)應(yīng)力參數(shù)為S，定長(zhǎng)應(yīng)變參數(shù)為E，那么我們能夠求取所獲波值信號(hào)與對(duì)刀儀與刀具的Z 軸距離參數(shù)的關(guān)系，其計(jì)算公式可以表示為：

式中，K 表示的是信號(hào)波的均方根參數(shù)，通過(guò)上述關(guān)系式，我們能夠分析出工件表面距離刀具的垂直距離參數(shù)，通過(guò)對(duì)刀儀實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。

1.6 補(bǔ)償對(duì)刀誤差

首先，解決工件中心與刀具桿軸的高度差問(wèn)題。為避免出現(xiàn)刀具超程的情況，需要提前對(duì)刀具的誤差進(jìn)行計(jì)算。我們假設(shè)刀具在Z 軸的起始位置為z0，那么依據(jù)刀具超程的判斷條件，使得刀具在對(duì)刀精度要求的范圍內(nèi)，對(duì)于誤差z1來(lái)說(shuō)，其計(jì)算公式表示如下：

式中，Δz 表示的是起始點(diǎn)距工件表面的垂直距離參數(shù)；h 表示的是正整數(shù)，且滿足h≥3，該數(shù)值依據(jù)實(shí)際對(duì)刀量倍數(shù)取值；g 表示的是工件中心與邊緣平面的高度差參數(shù)；zd表示的是待補(bǔ)償?shù)牡毒唛L(zhǎng)度參數(shù)。

在解決自動(dòng)對(duì)刀的誤差計(jì)算問(wèn)題之后，需要依靠宏程序控制機(jī)床進(jìn)行對(duì)刀補(bǔ)償，基于此，本文設(shè)計(jì)了對(duì)刀誤差補(bǔ)償?shù)闹噶畛绦?。在?duì)刀儀與機(jī)器視覺(jué)組合對(duì)刀的過(guò)程中，盡量縮減誤差。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)技術(shù)，在實(shí)際自動(dòng)對(duì)刀過(guò)程中的應(yīng)用效果，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，具體的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

考慮到對(duì)刀實(shí)驗(yàn)的測(cè)量與計(jì)算要求，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用對(duì)刀試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)為某研究機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的試驗(yàn)臺(tái)，其硬件配置情況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)臺(tái)硬件配置表

該試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠滿足實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，自動(dòng)對(duì)刀操作的性能要求。將試驗(yàn)臺(tái)組裝好后，在水平方向布設(shè)了一臺(tái)SONY XC-77 工業(yè)CCD 相機(jī)，并搭配M1703-MP1 鏡頭對(duì)對(duì)刀作業(yè)進(jìn)行定位拍攝。拍攝的圖像由國(guó)產(chǎn)的DG-CR475 采集卡進(jìn)行采集。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，本文使用傳統(tǒng)觸碰對(duì)刀技術(shù)作為對(duì)照，對(duì)比兩種對(duì)刀技術(shù)下的對(duì)刀效率。

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，本文記錄了兩種對(duì)刀技術(shù)下，對(duì)刀速度的對(duì)比結(jié)果，繪制成了曲線圖，見(jiàn)圖2。

圖2 兩種技術(shù)對(duì)刀速度對(duì)比曲線圖

由圖2 可以看出，本文設(shè)計(jì)方法在對(duì)刀速度方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)對(duì)刀技術(shù)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)傳統(tǒng)對(duì)刀技術(shù)以及設(shè)計(jì)的對(duì)刀技術(shù)進(jìn)行多角度連續(xù)對(duì)刀實(shí)驗(yàn)，記錄兩種方法下，對(duì)刀的位移差值，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩種技術(shù)連續(xù)對(duì)刀位移數(shù)據(jù)表

如表2 所示，本文設(shè)計(jì)對(duì)刀技術(shù)在對(duì)刀精度方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)對(duì)刀技術(shù)。

3 結(jié)論

為了提高對(duì)刀儀自動(dòng)對(duì)刀的精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)對(duì)刀，本文設(shè)計(jì)了基于宏程序的對(duì)刀儀基礎(chǔ)的機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)。實(shí)驗(yàn)論證表明，本文設(shè)計(jì)的技術(shù)能夠減少對(duì)刀誤差量，對(duì)刀精度有很大提高，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)刀，提高了對(duì)刀效率。受技術(shù)限制，本文研究仍有部分問(wèn)題需要深入解決，在今后的研究中，本文將努力研究，突破局限，與學(xué)者們共同推進(jìn)自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)的完善發(fā)展。