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關(guān)于數(shù)控機(jī)床檢測功能管理論文
0.引言
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來越廣泛,使得產(chǎn)品的加工精度有了極大的提高。在這種形勢下,傳統(tǒng)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(biāo)測量機(jī)扮演了重要角色。然而由于三坐標(biāo)測量機(jī)價(jià)格昂貴,絕大多數(shù)中小型企業(yè)無能力購買使用�？紤]到NC機(jī)床結(jié)構(gòu)上與三坐標(biāo)測量機(jī)相似,有可能利用其進(jìn)行坐標(biāo)測量。數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測量機(jī)均是機(jī)電一體化的數(shù)字控制自動化機(jī)械。數(shù)控機(jī)床是將被加工對象進(jìn)行數(shù)字化處理,然后,利用數(shù)字信息進(jìn)行控制,從而加工出合格產(chǎn)品。而三坐標(biāo)測量機(jī)則是在已加工好的產(chǎn)品上,利用測頭與工件型面接觸測得一系列點(diǎn)的坐標(biāo)值,進(jìn)而計(jì)算出尺寸、形位誤差值的測量設(shè)備。數(shù)控機(jī)床與三坐標(biāo)測量機(jī)均利用坐標(biāo)軸移動實(shí)現(xiàn)自身功能�；谶@一共同點(diǎn),本文試圖在不改變數(shù)控機(jī)床CNC控制系統(tǒng)的條件下(直接從CNC經(jīng)光電隔離得到X、Y、Z二進(jìn)制數(shù)值,必須改變機(jī)床CNC系統(tǒng)),將數(shù)控機(jī)床功能加以擴(kuò)展,附加適當(dāng)裝置組成檢測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行測量的功能。
1.總體方案
本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)是利用數(shù)控機(jī)床及其控制系統(tǒng),附加測頭、攝像頭、控制盒、計(jì)算機(jī)等裝置組成的檢測系統(tǒng),其組成如圖1所示。利用這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測量,其工作原理是利用攝像頭捕捉數(shù)控機(jī)床屏幕上顯示有坐標(biāo)值的圖像畫面,再對捕捉到的圖像進(jìn)行處理,識別出坐標(biāo)數(shù)值,間接得到被測點(diǎn)坐標(biāo),并在此基礎(chǔ)上求得尺寸、形位誤差值,以完成數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)精密測量的功能。
本文選用圖1所示的檢測系統(tǒng),是完全獨(dú)立于機(jī)床之外的附加檢測裝置,對機(jī)床本身的性能沒有影響。它是在不改變機(jī)床本體和原有功能的基礎(chǔ)上,利用機(jī)床的X、Y、Z坐標(biāo)移動性能,將刀具換成測量頭測出工件上某點(diǎn)的位置。例如,要測量工件上A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離,就相當(dāng)于用對刀的方法確定A點(diǎn)坐標(biāo)(xA,yA,zA)、B點(diǎn)坐標(biāo)(xB,yB,zB),則A、B兩點(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo)獲取測量結(jié)果的方法。
2.硬件配置
系統(tǒng)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(fā)、瞄準(zhǔn)和過零發(fā)訊。測頭分為機(jī)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(chǎn)的應(yīng)用極為廣泛的硬線連接式導(dǎo)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(shí),可以將測頭半徑和測出的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,然后自動輸出被測值。測量方便、準(zhǔn)確,易操作。
2.2控制盒
控制盒是本測量系統(tǒng)重要的硬件配置,是實(shí)現(xiàn)測量控制和數(shù)控機(jī)床與測量系統(tǒng)接口的關(guān)鍵裝置。其性能的好壞直接影響測量系統(tǒng)的功能和可靠性。從測量系統(tǒng)的功能完善和先進(jìn)性、實(shí)用性考慮,控制盒的核心控制部分選用80C51單片機(jī)與8255A接口芯片,通過編程實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的控制與通訊�？刂坪泄ぷ鬟^程如圖2所示。當(dāng)觸頭接觸工件時(shí),產(chǎn)生觸發(fā)信號,觸發(fā)器D接收到低電平信號,向單片機(jī)發(fā)出中斷請求,通過程序?qū)崿F(xiàn)延時(shí)功能,并通過8255A接口,使繼電器1接通,打開攝像頭,進(jìn)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(tǒng)動作進(jìn)行下一次測量。
2.3攝像頭
將數(shù)控機(jī)床屏幕上帶有坐標(biāo)值的圖像導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中,需要圖像采集裝置。本文選用的是Logitech快看視訊版TM網(wǎng)絡(luò)攝像頭,它具有高質(zhì)量CMOS感應(yīng)器,其靜態(tài)和動態(tài)分辨率均達(dá)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(tǒng)的要求。
3.軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容是字符識別及數(shù)據(jù)處理。
3.1字符識別
從數(shù)控機(jī)床屏幕圖像中獲取的坐標(biāo)數(shù)值,首先須將攝像頭拍到的圖片文件轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的文本信息,此過程需要通過字符識別技術(shù)完成。字符識別算法分為三種:模板匹配法、特征法和筆畫結(jié)構(gòu)法。由于需識別的字符種類少,本文開發(fā)的軟件系統(tǒng)中用了模板匹配法及特征法,借助VB編程實(shí)現(xiàn)。算法的主要過程如圖3所示。
其中,預(yù)處理的目的是為特征提取及字符學(xué)習(xí)提供方便,主要運(yùn)用平滑去噪、圖像的二值化處理,使圖像更清晰、準(zhǔn)確。特征提取即提取字符特征模式作為區(qū)分字符的特征量。主要方法是利用細(xì)化骨架的方法提取字符骨架,然后利用穿線法獲得單個(gè)字符的特征。運(yùn)用此系統(tǒng)檢測時(shí),先對機(jī)床屏幕的顯示字體進(jìn)行學(xué)習(xí),建立標(biāo)準(zhǔn)模板。將每一個(gè)單獨(dú)的字符劃分成A×B個(gè)像素(Pixels),字符的一些特征像素與標(biāo)準(zhǔn)模板比較,如果相似程度達(dá)到95%,那么,就可以認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行判斷分類和確認(rèn),最后得到識別結(jié)果。將其存入計(jì)算機(jī),待數(shù)據(jù)處理時(shí)取用。
3.2數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理是針對離散采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合,用一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算以獲得測量結(jié)果的過程。由于應(yīng)用本測量系統(tǒng)測得值均為一些要素表面離散點(diǎn)的坐標(biāo),要測出需要的幾何元素誤差值,需進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。在評定尺寸誤差時(shí),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(zhǔn)確的計(jì)算公式。對于形位誤差的測量,依據(jù)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(jù)最小二乘原理,根據(jù)測得的若干點(diǎn)的坐標(biāo),建立最小二乘線的方程y=ax+b,其中最小二乘線的參數(shù)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(gè)測量點(diǎn)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(shí)現(xiàn)直線度檢測功能。檢測系統(tǒng)計(jì)算項(xiàng)目如圖4所示。
4.測量實(shí)例
圖5所示,待測公差項(xiàng)目是φ25孔軸線的直線度公差為φ0.005mm。利用此系統(tǒng)檢測時(shí),先將孔沿軸向劃分為N個(gè)截面(本例取N=5),測得每一截面上,孔內(nèi)表面上的三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(見表1),根據(jù)三點(diǎn)定圓的原則,可以求得各截面圓對應(yīng)的孔心位置,將此N個(gè)孔心的坐標(biāo)xi,yi代入式(1),擬合最小二乘直線y=ax+b,將各圓心點(diǎn)的坐標(biāo)代入式(3),即可求出各中心點(diǎn)到該直線的距離,那么,誤差Δ2dmax。
數(shù)據(jù)處理結(jié)果Δ=2dmax=φ0.008mm>φ0.005mm,因此該孔不合格。
5.結(jié)論
本文利用NC機(jī)床的三坐標(biāo)軸移動功能,將NC機(jī)床附加適當(dāng)裝置,使其具有一定檢測功能,是對NC機(jī)床功能的擴(kuò)展。應(yīng)用本檢測系統(tǒng)能同時(shí)測量工件的幾何尺寸和形狀、位置綜合誤差。試驗(yàn)表明,本測量系統(tǒng)的測量精度可以達(dá)到±3～5μm,較常規(guī)測量更精確。這一功能的實(shí)現(xiàn)不僅為眾多的中小型企業(yè)充分利用數(shù)控機(jī)床、節(jié)約購置三坐標(biāo)測量機(jī)的投入,提供了經(jīng)驗(yàn),同時(shí),也為缺乏精密測量設(shè)備的各類職業(yè)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室提供了經(jīng)驗(yàn)。
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