大尺寸凸轮非圆磨削智能寻位及在线测量方法.pdf

本发明涉及一种凸轮非圆磨削智能寻位及在线测量方法。此方法利用视觉传感技术，通过计算机控制图像采集系统在每个采样周期内采集凸轮上激光线的图像，经过预处理后，计算出相应的凸轮轮廓上点的坐标。凸轮旋转一圈后，就能得到在当前安装位置下凸轮轮廓上若干点的坐标，进而得到实际凸轮轮廓曲线。采用“敏感点法”遵循“最小条件”原则进行处理，即可得到最优的凸轮加工零位以及准确的凸轮轮廓误差。本发明避免了径向位移传感器对量程的高要求，使测量装置结构简单，便于凸轮非圆磨削的智能寻位和在线检测，提高了凸轮非圆磨削的加工效率及加工精度。

1.  一种凸轮非圆磨削智能寻位及在线测量方法，其特征在于操作步骤为：
1)根据计算机视觉检测原理设计检测系统硬件平台方案，确定具体的硬件组成及安装方案；
2)计算机控制图像采集系统在每个采样周期内采集凸轮上激光线的图像；
3)在不同阈值下进行图像分割并在不同卷积掩模下进行图像平滑，对比结果选择最好的效果图；
4)轮廓上点的坐标值求解。凸轮边缘轮廓点对应于图像上端面和侧面光条的交点。只要用光条中心提取后的像素点分别拟和出凸轮端面和侧面的光条直线，再求出两条直线的交点，即为凸轮端面轮廓点在图像上的对应点；
5)凸轮回转中心坐标标定。固定摄像机的安装位置，保证激光器发出的光平面通过凸轮回转中心的前提下，调整激光器的照射角度，对应每一个照射角度，用摄像机采集一幅图像，这样可以得到一组采集图像，在这一组采集图像中激光平面与凸轮端面相交形成的光条都通过一个公共点，这个公共点就是凸轮回转中心；
6)轮廓点的向径求解。视觉系统是经过标定的，通过已经标定好的视觉系统，就可以将图像坐标系中的坐标转换到工件坐标系，求出轮廓点和回转中心在工件坐标系的坐标，进而求出轮廓点的向径；
7)通过曲线拟合得到实际凸轮轮廓曲线，结合凸轮理论轮廓曲线，根据凸轮的定位原理确定凸轮的加工零位，实现凸轮在线自动定位；
8)依据凸轮在线自动定位的过程，对磨削完成的工件进行在线的测量，采用敏感点法，遵循最小条件原则对测量得到的数据进行处理，即可对凸轮轮廓实现在线检测。

2.  根据权利要求1所述的凸轮非圆磨削智能寻位及在线测量方法，其特征在所述步骤4)中轮廓点的坐标求解，采用最小二乘法求解坐标值，对光条中心提取后得到的像素点的坐标序列(x_i，y_i)(i＝0，1.，...，m)用直线y＝kx+b拟合可得：
Xc＝Y    (1)
X=x01x11······xm1]]>c=kb]]>Y=y0y1···ym---(2)]]>
可解出：
c＝(X^TX)^-1X^TY    (3)
其中，各个像素点横坐标构造矩阵X，纵坐标构造矩阵Y，X^T是X的转置。
从而确定出拟合光条直线的斜率k和截踞b。分别由凸轮图像上端面和侧面光条拟合出两条直线，两条直线的交点即为轮廓点的坐标值。

3.  根据权利要求1所述的凸轮非圆磨削智能定位及在线测量方法，其特征在于所述步骤5)中凸轮回转中心坐标标定是通过如下步骤完成：
a)利用最小二乘法提取对应激光器不同照射角度的一组光条直线，得到一组直线方程：
y1=k1x1+b1y2=k2x2+b2······yn=knxn+bn---(4)]]>
式(4)中直线方程式分别代表激光器第1、2、3……n个照射角度的光条直线方程，y_n＝k_nx_x+b_n为对应于激光器第n个照射角度得到的光条直线方程。其中，k_n和b_n为第n个照射角度的光条直线方程的斜率和截踞。
b)利用式(4)中求出的n个光条直线方程，两两求交，可以得到n(n-1)/2个交点，这些交点的坐标(x_ij，y_ij)可表示为：
xij=-bi-bjki-kjyij=biki-bjkjki-kji,j=1,2,...,n(n-1)/2---(5)]]>
式中，x_ij、y_ij分别为第i条光条直线与第j条光条直线交点的横坐标和纵坐标；k_i、b_i分别为第i条光条直线的斜率和截距；k_j、b_j分别为第j条光条直线的斜率和截距；
c)分别计算横坐标x_ij的算术平均值x₀和纵坐标y_ij的算术平均值y₀，即得到凸轮回转中心的坐标：
x0‾=Σij=0n(n-1)/2xijn(n-1)/2y0‾=Σij=0n(n-1)/2yijn(n-1)/2---(6)]]>

4.  根据权利要求3所述的凸轮非圆磨削智能寻位及在线测量方法，其特征在于所述步骤6)中凸轮轮廓点的向径求解是通过下式计算轮廓各点到回转中心的距离得到：
di=(xdi-x0‾)2+(ydi-y0‾)2---(7)]]>
其中，d_i是凸轮上第i个采样角处的向径，(x_di，y_di)凸轮轮廓上第i个采样点的坐标，(x₀，y₀)凸轮回转中心的坐标。

大尺寸凸轮非圆磨削智能寻位及在线测量方法
技术领域
本发明涉及一种凸轮非圆磨削的智能寻位及在线测量方法。
背景技术
所谓非圆磨削即为C-X同步磨削技术，是发达国家近年新开发的一种跟踪磨削技术，它采用磨床头架即C轴带动工件旋转，磨床砂轮架即X轴根据头架指令随动跟踪进行磨削的一种技术。凸轮非圆磨削过程如图1所示。其运动模型以凸轮的设计零点为初始角度，然而磨削时装夹的起始位置是随机任意的，而且还存在毛坯余量不均匀等问题，这些会导致磨削时的实际零点并不是设计的理论零点，从而造成凸轮工件的尺寸精度超差，甚至报废。在传统的凸轮磨削加工中，特别是在单件、小批量生产过程中，凸轮的找零点是手工进行的，找零点的精度和效率完全取决于操作者的技术水平。因此，找准凸轮零点的过程消耗了大量时间，而且每次找到的加工零点与设计零点的误差无法保证，大大降低了凸轮非圆磨削的综合效率。另一方面，目前对于凸轮轮廓误差的检测基本采用专用凸轮测量仪。这种专用测量仪通常用作最终产品的机械加工误差检测，其量程很小，而对处于加工过程中的半成品来说，其误差及表面粗糙度可能较大，不适合使用这种专用高精度测量仪来检测。而且离线测量使得凸轮设计基准、加工基准、测量基准互不相干，这对于最终保证凸轮的加工质量不利。申请人在前期研究中曾提出通过位移传感器及旋转气缸等辅助机构根据凸轮非圆磨削运动模型控制测量过程，使测量头始终与工件接触，进行在线凸轮轮廓定位及测量的方法，但实验表明：该方法定位和检测精度不能达到预先的要求，且接触式测量方案存在测量头易磨损的缺点。因此，如何实现凸轮非圆磨削中的快速找零和轮廓检测成为限制凸轮非圆磨削效率和加工质量的瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种凸轮非圆磨削智能寻位及在线测量方法，实现智能寻位和在线测量，降低人为干预程度和工作强度，提高其加工效率和加工精度。
为达到上述目的，本发明的构思是：基于机器视觉大尺寸凸轮片非圆磨削自动定位和在线检测系统主要由CCD摄像头、激光线光源和数据处理计算机组成。数控系统控制凸轮毛坯按照指定的速度旋转、激光线光源发出的光平面与平面凸轮的端面和工作表面相交得到两条直线，两条直线的交点即为平面凸轮轮廓上的点，该点到回转中心的距离为该点的向径。通过这样的方法进行大尺寸凸轮片非圆磨削的智能寻位和在线检测。该方法不仅降低了找零时的人为干预程度、工作强度，而且克服了传统测量方法需要保证测头形状尺寸必须与凸轮从动轮一致、以及量程较小无法测量大尺寸变化凸轮的、接触式测量方案存在测量头易磨损等弊端；具有机械结构简单、体积小，适用性强，进行测量时无须更换测头的特点。
计算机控制图像采集系统在每个采样周期内采集凸轮上激光线的图像，经过预处理后，计算出相应的凸轮轮廓上点的坐标。凸轮旋转一圈后，就能得到在当前安装位置下凸轮轮廓上若干点的坐标，进而得到实际凸轮轮廓曲线。对于凸轮的自动定位，需按照定位原理的算法计算出凸轮毛坯需要转过的角度。对于凸轮轮廓的在线检测，对磨削完成的工件轮廓进行在线测量，凸轮的初始相位是已知的，只需把测得的实际凸轮轮廓曲线与计算机中保存的设计凸轮轮廓的数据通过最小条件准则的评价模型进行比较，就可得到实际凸轮轮廓的误差。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种凸轮非圆磨削自动定位及在线测量方法，其特征在于操作步骤为：
1)根据计算机视觉检测原理设计检测系统硬件平台方案，确定具体的硬件组成及安装方案。
2)计算机控制图像采集系统在每个采样周期内采集凸轮上激光线的图像。
3)在不同阈值下进行图像分割并在不同卷积掩模下进行图像平滑，对比结果选择最好的效果图。
4)轮廓上点的坐标值求解。凸轮边缘轮廓点对应于图像上端面和侧面光条的交点。只要用光条中心提取后的像素点分别拟和出凸轮端面和侧面的光条直线，再求出两条直线的交点，即为凸轮端面轮廓点在图像上的对应点。
5)凸轮回转中心坐标标定。固定摄像机的安装位置，保证激光器发出的光平面通过凸轮回转中心的前提下，调整激光器的照射角度，对应每一个照射角度，用摄像机采集一幅图像，这样可以得到一组采集图像，在这一组采集图像中激光平面与凸轮端面相交形成的光条都通过一个公共点，这个公共点就是凸轮回转中心。
6)轮廓点的向径求解。视觉系统是经过标定的，通过已经标定好的视觉系统，就可以将图像坐标系中的坐标转换到工件坐标系，求出轮廓点和回转中心在工件坐标系的坐标，进而求出轮廓点的向径。
7)通过曲线拟合得到实际凸轮轮廓曲线，结合凸轮理论轮廓曲线，根据凸轮的定位原理确定凸轮的加工零位，实现凸轮在线自动定位。
8)依据凸轮在线自动定位的过程，对磨削完成的工件进行在线的测量，采用敏感点法，遵循最小条件原则对测量得到的数据进行处理，即可对凸轮轮廓实现在线检测。
其中，上述步骤4)中轮廓点的坐标求解，采用最小二乘法求解坐标值。对光条中心提取后得到的像素点的坐标序列(x_i，y_i)(i＝0，1.，...，m)用直线y＝kx+b拟合可得：
Xc＝Y            (1)
X=x01x11......xm1]]>c=kb]]>Y=y0y1...ym---(2)]]>
可解出：
c＝(X^TX)^-1X^TY    (3)
其中，各个像素点横坐标构造矩阵X，纵坐标构造矩阵Y，X^T是X的转置。
从而确定出拟合光条直线的斜率k和截踞b。分别由凸轮图像上端面和侧面光条拟合出两条直线，两条直线的交点即为轮廓点的坐标值。
上述步骤5)中凸轮回转中心坐标标定可以通过如下步骤完成：
a)利用最小二乘法提取对应激光器不同照射角度的一组光条直线，得到一组直线方程：
y1=k1x1+b1y2=k2x2+b2......yn=knxn+bn---(4)]]>
式(4)中直线方程式分别代表激光器第1、2、3……n个照射角度的光条直线方程，y_n＝k_nx_x+b_n为对应于激光器第n个照射角度得到的光条直线方程。其中，k_n和b_n为第n个照射角度的光条直线方程的斜率和截踞。
b)利用式(4)中求出的n个光条直线方程，两两求交，可以得到n(n-1)/2个交点，这些交点的坐标(x_ij，y_ij)可表示为：
xij=-bi-bjki-kjyij=biki-bjkjki-kj,i,j=1,2,...,n(n-1)/2---(5)]]>
式中，x_ij、y_ij分别为第i条光条直线与第j条光条直线交点的横坐标和纵坐标；k_i、b_i分别为第i条光条直线的斜率和截距；k_j、b_j分别为第j条光条直线的斜率和截距。
c)分别计算横坐标x_ij的算术平均值x₀和纵坐标y_ij的算术平均值y₀，即得到凸轮回转中心的坐标：
x0‾=Σij=0n(n-1)/2xijn(n-1)/2y0‾=Σij=0n(n-1)/2yijn(n-1)/2---(6)]]>
由前面的步骤已知凸轮轮廓点和回转中心的坐标，上述步骤6)中凸轮轮廓点的向径求解可以通过公式(7)计算轮廓各点到回转中心的距离得到。
di=(xdi-x0‾)2+(ydi-y0‾)2---(7)]]>
其中，d_i是凸轮上第i个采样角处的向径，(x_di，y_di)凸轮轮廓上第i个采样点的坐标，(x₀，y₀)凸轮回转中心的坐标。
本发明所用测量装置，如图2所示，包括一个CCD摄像头、半导体激光器、图像采集卡及计算机。其特征在于：
1.摄像机和激光器从凸轮正面绕y_p轴旋转一个角度θ，三者的相对位置如图2所示。激光同时照射在凸轮的端面和侧面上，光平面通过凸轮的回转中心，在光平面与凸轮端面以及侧面的交线上形成光条，摄像机采集凸轮端面和侧面的图像。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明用视觉传感器技术来弥补了径向位移传感器量程不足的缺点，通过计算机控制图像采集系统在每个采样周期内采集凸轮上激光线的图像，经过处理计算获得轮廓点向径，按照“敏感点法”遵循“最小条件”原理进行处理，即得到最优的凸轮加工零位和准确的凸轮轮廓误差，有利于实现凸轮非圆磨削的自动定位和在线检测。本发明方法不仅降低了找零时的人为干预程度、工作强度，而且克服了传统测量方法需要保证测头形状尺寸必须与凸轮从动轮一致、以及量程较小无法测量大尺寸变化凸轮、接触式测量方案存在测量头易磨损等弊端。
附图说明
图1凸轮非圆磨削示意图。
图2是本发明中所述测量过程示意图。
图3本发明所述测量方法的操作流程图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：参见图1，凸轮非圆磨削如图所示，1为凸轮，2为滚子，3为砂轮。参见图2，本凸轮非圆磨削的自动定位及在线测量装置包括一个CCD摄像机4、激光器8、图像采集卡及计算机，摄像机4和激光器8从凸轮正面绕y_p轴旋转一个角度θ，三者的相对位置如图2所示。激光同时照射在凸轮的端面6和侧面5上，光平面8通过凸轮的回转中心，在光平面与凸轮端面以及侧面的交线上形成光条，摄像机4采集凸轮端面6和侧面5的图像。
参见图1和图3，本凸轮非圆磨削的智能寻位及在线测量方法是：
1.根据计算机视觉检测原理设计检测系统硬件平台方案，确定出如图2所示的测量装置安装方案。
2.计算机控制图像采集系统在每个采样周期内采集凸轮上激光线的图像。
3.在不同阈值下进行图像分割并在不同卷积掩模下进行图像平滑，对比结果选择最好的效果图。
4.轮廓点的坐标求解，采用最小二乘法求解坐标值。对光条中心提取后得到的像素点的坐标序列(x_i，y_i)(i＝0，1.，...，m)用直线y＝kx+b拟合可得：
Xc＝Y            (1)
X=x01x11......xm1]]>c=kb]]>Y=y0y1...ym---(2)]]>
可解出：
c＝(X^TX)^-1X^TY    (3)
其中，各个像素点横坐标构造矩阵X，纵坐标构造矩阵Y，X^T是X的转置。
从而确定出拟合光条直线的斜率k和截踞b。分别由凸轮图像上端面和侧面光条拟合出两条直线，两条直线的交点即为轮廓点的坐标值。
5.凸轮回转中心坐标标定可以通过如下步骤完成：
a)利用最小二乘法提取对应激光器不同照射角度的一组光条直线，得到一组直线方程：
y1=k1x1+b1y2=k2x2+b2......yn=knxn+bn---(4)]]>
式(4)中直线方程式分别代表激光器第1、2、3……n个照射角度的光条直线方程，y_n＝k_nx_x+b_n为对应于激光器第n个照射角度得到的光条直线方程。其中，k_n和b_n为第n个照射角度的光条直线方程的斜率和截踞。
b)利用式(4)中求出的n个光条直线方程，两两求交，可以得到n(n-1)/2个交点，这些交点的坐标(x_ij，y_ij)可表示为：
xij=-bi-bjki-kjyij=biki-bjkjki-kj,i,j=1,2,...,n(n-1)/2---(5)]]>
式中，x_ij、y_ij分别为第i条光条直线与第j条光条直线交点的横坐标和纵坐标；k_i、b_i分别为第i条光条直线的斜率和截距；k_j、b_j分别为第j条光条直线的斜率和截距。
c)分别计算横坐标x_ij的算术平均值x₀和纵坐标y_ij的算术平均值y₀，即得到凸轮回转中心的坐标：
x0‾=Σij=0n(n-1)/2xijn(n-1)/2y0‾=Σij=0n(n-1)/2yijn(n-1)/2---(6)]]>
6.由前面的步骤已知凸轮轮廓点和回转中心的坐标，凸轮轮廓点的向径求解可以通过下式计算轮廓各点到回转中心的距离得到：
di=(xdi-x0‾)2+(ydi-y0‾)2---(7)]]>
其中，d_i是凸轮上第i个采样角处的向径，(x_di，y_di)凸轮轮廓上第i个采样点的坐标，(x₀，y₀)凸轮回转中心的坐标。
7.通过曲线拟合得到实际凸轮轮廓曲线，结合凸轮理论轮廓曲线，根据凸轮的定位原理确定凸轮的加工零位，实现凸轮在线自动定位。
8.依据凸轮在线自动定位的过程，对磨削完成的工件进行在线的测量，采用敏感点法，遵循最小条件原则对测量得到的数据进行处理，即可获得准确的凸轮轮廓加工误差。