專利名稱：大尺寸凸輪非圓磨削智能尋位及在線測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種凸輪非圓磨削的智能尋位及在線測量方法。
背景技術(shù)：
所謂非圓磨削即為c-x同步磨削技術(shù)，是發(fā)達國家近年新開發(fā)的一種跟蹤磨削技術(shù)，它
采用磨床頭架即c軸帶動工件旋轉(zhuǎn)，磨床砂輪架即x軸根據(jù)頭架指令隨動跟蹤進行磨削的一
種技術(shù)。凸輪非圓磨削過程如圖1所示。其運動模型以凸輪的設(shè)計零點為初始角度，然而磨 削時裝夾的起始位置是隨機任意的，而且還存在毛坯余量不均勻等問題，這些會導(dǎo)致磨削時 的實際零點并不是設(shè)計的理論零點，從而造成凸輪工件的尺寸精度超差，甚至報廢。在傳統(tǒng) 的凸輪磨削加工中，特別是在單件、小批量生產(chǎn)過程中，凸輪的找零點是手工進行的，找零 點的精度和效率完全取決于操作者的技術(shù)水平。因此，找準凸輪零點的過程消耗了大量時間， 而且每次找到的加工零點與設(shè)計零點的誤差無法保證，大大降低了凸輪非圓磨削的綜合效率。 另一方面，目前對于凸輪輪廓誤差的檢測基本采用專用凸輪測量儀。這種專用測量儀通常用 作最終產(chǎn)品的機械加工誤差檢測，其量程很小，而對處于加工過程中的半成品來說，其誤差 及表面粗糙度可能較大，不適合使用這種專用高精度測量儀來檢測。而且離線測量使得凸輪 設(shè)計基準、加工基準、測量基準互不相干，這對于最終保證凸輪的加工質(zhì)量不利。申請人在 前期研究中曾提出通過位移傳感器及旋轉(zhuǎn)氣缸等輔助機構(gòu)根據(jù)凸輪非圓磨削運動模型控制測
量過程，使測量頭始終與工件接觸，進行在線凸輪輪廓定位及測量的方法，但實驗表明該 方法定位和檢測精度不能達到預(yù)先的要求，且接觸式測量方案存在測量頭易磨損的缺點。因 此，如何實現(xiàn)凸輪非圓磨削中的快速找零和輪廓檢測成為限制凸輪非圓磨削效率和加工質(zhì)量 的瓶頸問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種凸輪非圓磨削智能尋位及在線測 量方法，實現(xiàn)智能尋位和在線測量，降低人為干預(yù)程度和工作強度，提高其加工效率和加工 精度。
為達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是基于機器視覺大尺寸凸輪片非圓磨削自動定位和在 線檢測系統(tǒng)主要由CCD攝像頭、激光線光源和數(shù)據(jù)處理計算機組成。數(shù)控系統(tǒng)控制凸輪毛坯 按照指定的速度旋轉(zhuǎn)、激光線光源發(fā)出的光平面與平面凸輪的端面和工作表面相交得到兩條 直線，兩條直線的交點即為平面凸輪輪廓上的點，該點到回轉(zhuǎn)中心的距離為該點的向徑。通 過這樣的方法進行大尺寸凸輪片非圓磨削的智能尋位和在線檢測。該方法不僅降低了找零時的人為干預(yù)程度、工作強度，而且克服了傳統(tǒng)測量方法需要保證測頭形狀尺寸必須與凸輪從 動輪一致、以及量程較小無法測量大尺寸變化凸輪的、接觸式測量方案存在測量頭易磨損等 弊端；具有機械結(jié)構(gòu)簡單、體積小，適用性強，進行測量時無須更換測頭的特點。
計算機控制圖像采集系統(tǒng)在每個采樣周期內(nèi)采集凸輪上激光線的圖像，經(jīng)過預(yù)處理后， 計算出相應(yīng)的凸輪輪廓上點的坐標。凸輪旋轉(zhuǎn)一圈后，就能得到在當(dāng)前安裝位置下凸輪輪廓 上若干點的坐標，進而得到實際凸輪輪廓曲線。對于凸輪的自動定位，需按照定位原理的算 法計算出凸輪毛坯需要轉(zhuǎn)過的角度。對于凸輪輪廓的在線檢測，對磨削完成的工件輪廓進行 在線測量，凸輪的初始相位是已知的，只需把測得的實際凸輪輪廓曲線與計算機中保存的設(shè) 計凸輪輪廓的數(shù)據(jù)通過最小條件準則的評價模型進行比較，就可得到實際凸輪輪廓的誤差。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種凸輪非圓磨削自動定位及在線測量方法，其特征在于操作步驟為-
1) 根據(jù)計算機視覺檢測原理設(shè)計檢測系統(tǒng)硬件平臺方案，確定具體的硬件組成及安裝方案。
2) 計算機控制圖像采集系統(tǒng)在每個采樣周期內(nèi)采集凸輪上激光線的圖像。
3) 在不同閾值下進行圖像分割并在不同巻積掩模下進行圖像平滑，對比結(jié)果選擇最好的 效果圖。
4) 輪廓上點的坐標值求解。凸輪邊緣輪廓點對應(yīng)于圖像上端面和側(cè)面光條的交點。只要 用光條中心提取后的像素點分別擬和出凸輪端面和側(cè)面的光條直線，再求出兩條直線的交點， 即為凸輪端面輪廓點在圖像上的對應(yīng)點。
5) 凸輪回轉(zhuǎn)中心坐標標定。固定攝像機的安裝位置，保證激光器發(fā)出的光平面通過凸輪 回轉(zhuǎn)中心的前提下，調(diào)整激光器的照射角度，對應(yīng)每一個照射角度，用攝像機采集一幅圖像， 這樣可以得到一組采集圖像，在這一組采集圖像中激光平面與凸輪端面相交形成的光條都通 過一個公共點，這個公共點就是凸輪回轉(zhuǎn)中心。
6) 輪廓點的向徑求解。視覺系統(tǒng)是經(jīng)過標定的，通過已經(jīng)標定好的視覺系統(tǒng)，就可以將 圖像坐標系中的坐標轉(zhuǎn)換到工件坐標系，求出輪廓點和回轉(zhuǎn)中心在工件坐標系的坐標，進而 求出輪廓點的向徑。
7) 通過曲線擬合得到實際凸輪輪廓曲線，結(jié)合凸輪理論輪廓曲線，根據(jù)凸輪的定位原理 確定凸輪的加工零位，實現(xiàn)凸輪在線自動定位。
8) 依據(jù)凸輪在線自動定位的過程，對磨削完成的工件進行在線的測量，采用敏感點法， 遵循最小條件原則對測量得到的數(shù)據(jù)進行處理，即可對凸輪輪廓實現(xiàn)在線檢測。其中，上述步驟4)中輪廓點的坐標求解，采用最小二乘法求解坐標值。對光條中心提 取后得到的像素點的坐標序列(! = O,l.,...，m)用直線y = ^ + 6擬合可得
X。 i
X！ 1 L 1
(1)
y0
(2)
可解出:
(3)
其中，各個像素點橫坐標構(gòu)造矩陣Z，縱坐標構(gòu)造矩陣y， I"是I的轉(zhuǎn)置。
從而確定出擬合光條直線的斜率)t和截踞6 。分別由凸輪圖像上端面和側(cè)面光條擬合出 兩條直線，兩條直線的交點即為輪廓點的坐標值。
上述步驟5)中凸輪回轉(zhuǎn)中心坐標標定可以通過如下步驟完成
a)利用最小二乘法提取對應(yīng)激光器不同照射角度的一組光條直線，得到一組直線方程
少1 = &x+、
少2 = ^2兀2 "2
(4)
少"=A:"x" +6
式(4)中直線方程式分別代表激光器第1、 2、 3……n個照射角度的光條直線方程， K =、、+6 為對應(yīng)于激光器第"個照射角度得到的光條直線方程。其中，、和& 為第
"個照射角度的光條直線方程的斜率和截踞。
b)利用式(4)中求出的/7個光條直線方程，兩兩求交，可以得到n(n-1)/2個交點，這 些交點的坐標(、，^ )可表示為
5
、-化 & -、 化-辦A
一
!',"l,2,…,w("-1)/2
(5)
式中， .、^分別為第f條光條直線與第/條光條直線交點的橫坐標和縱坐標；&、 6,分 別為第Z'條光條直線的斜率和截距；、、^分別為第y條光條直線的斜率和截距。C)分別計算橫坐標 .的算術(shù)平均值^和縱坐標^的算術(shù)平均值K，即得到凸輪回轉(zhuǎn) 中心的坐標
1)/2 、
X。=^4 (6)
2>〃
0 "("-1)/2
由前面的步驟已知凸輪輪廓點和回轉(zhuǎn)中心的坐標，上述步驟6)中凸輪輪廓點的向徑求 解可以通過公式(7)計算輪廓各點到回轉(zhuǎn)中心的距離得到。
其中，《是凸輪上第/個采樣角處的向徑，(&,:^,)凸輪輪廓上第/個采樣點的坐標， (5，K)凸輪回轉(zhuǎn)中心的坐標。
本發(fā)明所用測量裝置，如圖2所示，包括一個CCD攝像頭、半導(dǎo)體激光器、圖像采集卡 及計算機。其特征在于
1.攝像機和激光器從凸輪正面繞^軸旋轉(zhuǎn)一個角度0，三者的相對位置如圖2所示。激
光同時照射在凸輪的端面和側(cè)面上，光平面通過凸輪的回轉(zhuǎn)中心，在光平面與凸輪端面以及 側(cè)面的交線上形成光條，攝像機采集凸輪端面和側(cè)面的圖像。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點本發(fā)明用
視覺傳感器技術(shù)來彌補了徑向位移傳感器量程不足的缺點，通過計算機控制圖像采集系統(tǒng)在 每個采樣周期內(nèi)采集凸輪上激光線的圖像，經(jīng)過處理計算獲得輪廓點向徑，按照"敏感點法" 遵循"最小條件"原理進行處理，即得到最優(yōu)的凸輪加工零位和準確的凸輪輪廓誤差，有利 于實現(xiàn)凸輪非圓磨削的自動定位和在線檢測。本發(fā)明方法不僅降低了找零時的人為干預(yù)程度、 工作強度，而且克服了傳統(tǒng)測量方法需要保證測頭形狀尺寸必須與凸輪從動輪一致、以及量 程較小無法測量大尺寸變化凸輪、接觸式測量方案存在測量頭易磨損等弊端。


圖1凸輪非圓磨削示意圖。
圖2是本發(fā)明中所述測量過程示意圖。 圖3本發(fā)明所述測量方法的操作流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結(jié)合

如下參見圖1 ，凸輪非圓磨削如圖所示，1為 凸輪，2為滾子，3為砂輪。參見圖2，本凸輪非圓磨削的自動定位及在線測量裝置包括一個 CCD攝像機4、激光器8、圖像采集卡及計算機，攝像機4和激光器8從凸輪正面繞^軸旋轉(zhuǎn)
一個角度0，三者的相對位置如圖2所示。激光同時照射在凸輪的端面6和側(cè)面5上，光平 面8通過凸輪的回轉(zhuǎn)中心，在光平面與凸輪端面以及側(cè)面的交線上形成光條，攝像機4采集 凸輪端面6和側(cè)面5的圖像。
參見圖1和圖3,本凸輪非圓磨削的智能尋位及在線測量方法是
1. 根據(jù)計算機視覺檢測原理設(shè)計檢測系統(tǒng)硬件平臺方案，確定出如圖2所示的測量裝置 安裝方案。
2. 計算機控制圖像采集系統(tǒng)在每個采樣周期內(nèi)采集凸輪上激光線的圖像。
3. 在不同閾值下進行圖像分割并在不同巻積掩模下進行圖像平滑，對比結(jié)果選擇最好的 效果圖。
4. 輪廓點的坐標求解，采用最小二乘法求解坐標值。對光條中心提取后得到的像素點的 坐標序列O,，凡)(/ = O,l.,...,m)用直線y = fcc + 6擬合可得-
Zc = :r (1)
C :
少o
(2)
可解出
c = (XT^)—'J^y (3)
其中，各個像素點橫坐標構(gòu)造矩陣^，縱坐標構(gòu)造矩陣r， ；r是義的轉(zhuǎn)置。
從而確定出擬合光條直線的斜率;t和截踞6 。分別由凸輪圖像上端面和側(cè)面光條擬合出
兩條直線，兩條直線的交點即為輪廓點的坐標值。 5.凸輪回轉(zhuǎn)中心坐標標定可以通過如下步驟完成
a)利用最小二乘法提取對應(yīng)激光器不同照射角度的一組光條直線，得到一組直線方程
力=+^
少2 =A:2X2 +辦2 少"=
(4)
9式(4)中直線方程式分別代表激光器第1、 2、 3……n個照射角度的光條直線方程，
^=、、+6 為對應(yīng)于激光器第/7個照射角度得到的光條直線方程。其中，、和、為第
/ 個照射角度的光條直線方程的斜率和截踞。
b)利用式(4)中求出的/7個光條直線方程，兩兩求交，可以得到"(n-l)/2個交點，這些 交點的坐標( ,a )可表示為

A - ~ /k, 一、
6人
,_/ = l,2v.""(w —1)/2
(5)
式中，、、^分別為第/條光條直線與第y條光條直線交點的橫坐標和縱坐標;
別為第Z'條光條直線的斜率和截距；、、^分別為第7條光條直線的斜率和截距。
<formula>formula see original document page 10</formula>
c)分別計算橫坐標Xy的算術(shù)平均值^和縱坐標^.的算術(shù)平均值K，即得到凸輪回轉(zhuǎn)中
心的坐標
<formula>formula see original document page 10</formula>
6.由前面的步驟已知凸輪輪廓點和回轉(zhuǎn)中心的坐標，凸輪輪廓點的向徑求解可以通過下
式計算輪廓各點到回轉(zhuǎn)中心的距離得到
其中，《是凸輪上第/個采樣角處的向徑，(&,:^)凸輪輪廓上第z'個采樣點的坐標，
(^,K)凸輪回轉(zhuǎn)中心的坐標。
7. 通過曲線擬合得到實際凸輪輪廓曲線，結(jié)合凸輪理論輪廓曲線，根據(jù)凸輪的定位原理 確定凸輪的加工零位，實現(xiàn)凸輪在線自動定位。
8. 依據(jù)凸輪在線自動定位的過程，對磨削完成的工件進行在線的測量，采用敏感點法，
遵循最小條件原則對測量得到的數(shù)據(jù)進行處理，即可獲得準確的凸輪輪廓加工誤差。
權(quán)利要求
1.一種凸輪非圓磨削智能尋位及在線測量方法，其特征在于操作步驟為1)根據(jù)計算機視覺檢測原理設(shè)計檢測系統(tǒng)硬件平臺方案，確定具體的硬件組成及安裝方案；2)計算機控制圖像采集系統(tǒng)在每個采樣周期內(nèi)采集凸輪上激光線的圖像；3)在不同閾值下進行圖像分割并在不同卷積掩模下進行圖像平滑，對比結(jié)果選擇最好的效果圖；4)輪廓上點的坐標值求解。凸輪邊緣輪廓點對應(yīng)于圖像上端面和側(cè)面光條的交點。只要用光條中心提取后的像素點分別擬和出凸輪端面和側(cè)面的光條直線，再求出兩條直線的交點，即為凸輪端面輪廓點在圖像上的對應(yīng)點；5)凸輪回轉(zhuǎn)中心坐標標定。固定攝像機的安裝位置，保證激光器發(fā)出的光平面通過凸輪回轉(zhuǎn)中心的前提下，調(diào)整激光器的照射角度，對應(yīng)每一個照射角度，用攝像機采集一幅圖像，這樣可以得到一組采集圖像，在這一組采集圖像中激光平面與凸輪端面相交形成的光條都通過一個公共點，這個公共點就是凸輪回轉(zhuǎn)中心；6)輪廓點的向徑求解。視覺系統(tǒng)是經(jīng)過標定的，通過已經(jīng)標定好的視覺系統(tǒng)，就可以將圖像坐標系中的坐標轉(zhuǎn)換到工件坐標系，求出輪廓點和回轉(zhuǎn)中心在工件坐標系的坐標，進而求出輪廓點的向徑；7)通過曲線擬合得到實際凸輪輪廓曲線，結(jié)合凸輪理論輪廓曲線，根據(jù)凸輪的定位原理確定凸輪的加工零位，實現(xiàn)凸輪在線自動定位；8)依據(jù)凸輪在線自動定位的過程，對磨削完成的工件進行在線的測量，采用敏感點法，遵循最小條件原則對測量得到的數(shù)據(jù)進行處理，即可對凸輪輪廓實現(xiàn)在線檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的凸輪非圓磨削智能尋位及在線測量方法，其特征在所述步驟4)中 輪廓點的坐標求解，釆用最小二乘法求解坐標值，對光條中心提取后得到的像素點的坐標 序列",力)(! = O,l".."m)用直線y = fcc + 6擬合可得義c = I7 (1)乂~》0人(2)可解出:(3)其中，各個像素點橫坐標構(gòu)造矩陣x，縱坐標構(gòu)造矩陣y， x^是i的轉(zhuǎn)置。從而確定出擬合光條直線的斜率A:和截踞6 。分別由凸輪圖像上端面和側(cè)面光條擬合出 兩條直線，兩條直線的交點即為輪廓點的坐標值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸輪非圓磨削智能定位及在線測量方法，其特征在于所述步驟5) 中凸輪回轉(zhuǎn)中心坐標標定是通過如下步驟完成a)利用最小二乘法提取對應(yīng)激光器不同照射角度的一組光條直線，得到一組直線方程<formula>formula see original document page 3</formula>式(4)中直線方程式分別代表激光器第1、 2、 3……n個照射角度的光條直線方程，凡=、、+6 為對應(yīng)于激光器第/7個照射角度得到的光條直線方程。其中，、和6"為第/7個照射角度的光條直線方程的斜率和截踞。b)利用式(4)中求出的"個光條直線方程，兩兩求交，可以得到w("-l)/2個交點，這 些交點的坐標( ,& )可表示為<formula>formula see original document page 3</formula>式中， 、々分別為第z'條光條直線與第y'條光條直線交點的橫坐標和縱坐標；it,、 6,分別為第/條光條直線的斜率和截距；、、^分別為第/條光條直線的斜率和截距；c)分別計算橫坐標 的算術(shù)平均值^和縱坐標^的算術(shù)平均值^，即得到凸輪回轉(zhuǎn) 中心的坐標<formula>formula see original document page 3</formula>
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的凸輪非圓磨削智能尋位及在線測量方法，其特征在于所述步驟6)中凸輪輪廓點的向徑求解是通過下式計算輪廓各點到回轉(zhuǎn)中心的距離得到:<formula>formula see original document page 4</formula>其中，《是凸輪上第/個采樣角處的向徑，(&，;^)凸輪輪廓上第/個采樣點的坐標，5，K) 凸輪回轉(zhuǎn)中心的坐標。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種凸輪非圓磨削智能尋位及在線測量方法。此方法利用視覺傳感技術(shù)，通過計算機控制圖像采集系統(tǒng)在每個采樣周期內(nèi)采集凸輪上激光線的圖像，經(jīng)過預(yù)處理后，計算出相應(yīng)的凸輪輪廓上點的坐標。凸輪旋轉(zhuǎn)一圈后，就能得到在當(dāng)前安裝位置下凸輪輪廓上若干點的坐標，進而得到實際凸輪輪廓曲線。采用“敏感點法”遵循“最小條件”原則進行處理，即可得到最優(yōu)的凸輪加工零位以及準確的凸輪輪廓誤差。本發(fā)明避免了徑向位移傳感器對量程的高要求，使測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于凸輪非圓磨削的智能尋位和在線檢測，提高了凸輪非圓磨削的加工效率及加工精度。
文檔編號G01B11/00GK101561250SQ20091005204
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者拯 于, 何永義, 俊 姚, 靜 李, 沈南燕 申請人:上海大學(xué)