数控机床检测功能管理论文

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0.引言

随着现代工业技术的发展，数控机床的应用越来越广泛,使得产品的加工精度有了极大的提高。在这种形势下,传统的测量工具及测量方法已不能满足检测需求。在精密测量中,三坐标测量机扮演了重要角色。然而由于三坐标测量机价格昂贵,绝大多数中小型企业无能力购买使用。考虑到NC机床结构上与三坐标测量机相似,有可能利用其进行坐标测量。数控机床和三坐标测量机均是机电一体化的数字控制自动化机械。数控机床是将被加工对象进行数字化处理,然后,利用数字信息进行控制,从而加工出合格产品。而三坐标测量机则是在已加工好的产品上,利用测头与工件型面接触测得一系列点的坐标值,进而计算出尺寸、形位误差值的测量设备。数控机床与三坐标测量机均利用坐标轴移动实现自身功能。基于这一共同点,本文试图在不改变数控机床CNC控制系统的条件下(直接从CNC经光电隔离得到X、Y、Z二进制数值,必须改变机床CNC系统),将数控机床功能加以扩展,附加适当装置组成检测系统,实现利用数控机床进行测量的功能。

1.总体方案

本文设计的检测系统是利用数控机床及其控制系统,附加测头、摄像头、控制盒、计算机等装置组成的检测系统,其组成如图1所示。利用这个系统进行测量,其工作原理是利用摄像头捕捉数控机床屏幕上显示有坐标值的图像画面,再对捕捉到的图像进行处理,识别出坐标数值,间接得到被测点坐标,并在此基础上求得尺寸、形位误差值,以完成数据采集与数据处理,实现精密测量的功能。

本文选用图1所示的检测系统,是完全独立于机床之外的附加检测装置,对机床本身的性能没有影响。它是在不改变机床本体和原有功能的基础上,利用机床的X、Y、Z坐标移动性能,将刀具换成测量头测出工件上某点的位置。例如,要测量工件上A点到B点的距离,就相当于用对刀的方法确定A点坐标(xA,yA,zA)、B点坐标(xB,yB,zB),则A、B两点的距离为d=√x2+y2+z2,其中x=xA-xB;y=yA-yB;z=zA-zB。显然,这是一种通过测量点的坐标获取测量结果的方法。

2.硬件配置

系统的硬件包括测量头、控制盒及摄像头。

2.1测头

测头的基本功能是触发、瞄准和过零发讯。测头分为机械式、光电式、电气式三种。测头性能的好坏,决定着测量方式的难易、测量精度的高低。本文选用我国生产的应用极为广泛的硬线连接式导电式测头,它属于接触式测头,为通用型球头测头,能测定高度、槽宽、孔径和轮廓形状等。使用时,可以将测头半径和测出的数据输入到计算机中进行数据处理,然后自动输出被测值。测量方便、准确,易操作。

2.2控制盒

控制盒是本测量系统重要的硬件配置,是实现测量控制和数控机床与测量系统接口的关键装置。其性能的好坏直接影响测量系统的功能和可靠性。从测量系统的功能完善和先进性、实用性考虑,控制盒的核心控制部分选用80C51单片机与8255A接口芯片,通过编程实现测量系统的控制与通讯。控制盒工作过程如图2所示。当触头接触工件时,产生触发信号,触发器D接收到低电平信号,向单片机发出中断请求,通过程序实现延时功能,并通过8255A接口,使继电器1接通,打开摄像头,进行拍照。拍照完毕,继电器1断开,继电器2接通,控制伺服系统动作进行下一次测量。

2.3摄像头

将数控机床屏幕上带有坐标值的图像导入到计算机中,需要图像采集装置。本文选用的是Logitech快看视讯版TM网络摄像头,它具有高质量CMOS感应器,其静态和动态分辨率均达到640×480像素(VGA)。帧速度为:最高30帧/秒,图像清晰,可以满足测量系统的要求。

3.软件设计

软件设计的两个关键内容是字符识别及数据处理。

3.1字符识别

从数控机床屏幕图像中获取的坐标数值,首先须将摄像头拍到的图片文件转化为计算机可以处理的文本信息,此过程需要通过字符识别技术完成。字符识别算法分为三种:模板匹配法、特征法和笔画结构法。由于需识别的字符种类少,本文开发的软件系统中用了模板匹配法及特征法,借助VB编程实现。算法的主要过程如图3所示。

其中,预处理的目的是为特征提取及字符学习提供方便,主要运用平滑去噪、图像的二值化处理,使图像更清晰、准确。特征提取即提取字符特征模式作为区分字符的特征量。主要方法是利用细化骨架的方法提取字符骨架,然后利用穿线法获得单个字符的特征。运用此系统检测时,先对机床屏幕的显示字体进行学习,建立标准模板。将每一个单独的字符划分成A×B个像素(Pixels),字符的一些特征像素与标准模板比较,如果相似程度达到95%,那么,就可以认为该标准模板上的字符为所要识别的字符,逐一将要识别的这些字符进行判断分类和确认,最后得到识别结果。将其存入计算机,待数据处理时取用。

3.2数据处理

数据处理是针对离散采样数据点的集合,用一定的数学模型进行计算以获得测量结果的过程。由于应用本测量系统测得值均为一些要素表面离散点的坐标,要测出需要的几何元素误差值,需进行相应的数学推导。在评定尺寸误差时,借助了空间解析几何及向量知识对各种几何要素的测量给出了准确的计算公式。对于形位误差的测量,依据的原则为最小条件及最小二乘法。例如:对直线度误差的评定,依据最小二乘原理,根据测得的若干点的坐标,建立最小二乘线的方程y=ax+b,其中最小二乘线的参数a,b由式(1)求得:

将此直线方程化为一般式:

ax-y+b=0(2)

然后,求得各个测量点到该最小二乘线的距离

取Δ=2dmax,此为任意方向上的直线度误差。从而实现直线度检测功能。检测系统计算项目如图4所示。

4.测量实例

图5所示,待测公差项目是φ25孔轴线的直线度公差为φ0.005mm。利用此系统检测时,先将孔沿轴向划分为N个截面(本例取N=5),测得每一截面上,孔内表面上的三个点的坐标(见表1),根据三点定圆的原则,可以求得各截面圆对应的孔心位置,将此N个孔心的坐标xi,yi代入式(1),拟合最小二乘直线y=ax+b,将各圆心点的坐标代入式(3),即可求出各中心点到该直线的距离,那么,误差Δ2dmax。

数据处理结果Δ=2dmax=φ0.008mm>φ0.005mm,因此该孔不合格。

5.结论

本文利用NC机床的三坐标轴移动功能,将NC机床附加适当装置,使其具有一定检测功能,是对NC机床功能的扩展。应用本检测系统能同时测量工件的几何尺寸和形状、位置综合误差。试验表明,本测量系统的测量精度可以达到±3～5μm,较常规测量更精确。这一功能的实现不仅为众多的中小型企业充分利用数控机床、节约购置三坐标测量机的投入,提供了经验,同时,也为缺乏精密测量设备的各类职业学校的实验室提供了经验。