馮珊珊

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，遼陽 111000）

0 引言

機(jī)械制造是工業(yè)生產(chǎn)的支柱，廣泛滲透于采礦、航空、地質(zhì)、汽車、石化等領(lǐng)域，數(shù)控加工是機(jī)械制造的核心技術(shù)，結(jié)合數(shù)控技術(shù)、圖像處理技術(shù)、傳感器技術(shù)等，對裝備進(jìn)行精密加工或超精密加工。隨著裝備小批量、多樣性生產(chǎn)，零件加工精度的允許誤差越來越小，使得市場對數(shù)控機(jī)床提出了更高要求，機(jī)床功能部件可靠性得到重點(diǎn)關(guān)注，包括高速切削刀具、模塊化刀具等。刀具變形誤差直接影響了數(shù)控機(jī)床加工精度，對零件表面加工質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面作用，這就需要人工拆卸刀具，但該過程較為復(fù)雜、耗時(shí)耗力，因此，研究刀具變形誤差檢測系統(tǒng)，自動校準(zhǔn)刀具，通過刀具變形誤差的有效控制，為零件表面質(zhì)量、形狀精度、位置精度提供保障，具有重要意義。

現(xiàn)階段，國外刀具變形誤差檢測相關(guān)研究較為成熟，把誤差檢測劃分為直接檢測、間接檢測兩種方式，間接檢測將電機(jī)電流信號、振動信號、刀具切削力變化、聲發(fā)射信號等作為特征參量，構(gòu)造刀具變形與特征參量之間的關(guān)系，定性計(jì)算刀具變形誤差，直接檢測利用傳感器和光學(xué)顯微鏡，拍攝刀具圖像，獲取刀具像素點(diǎn)，提取像素邊緣的有效頂點(diǎn)，自動監(jiān)測刀具變形程度[1]。國內(nèi)刀具變形誤差檢測相關(guān)研究同樣取得較大進(jìn)展，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器視覺，采集刀具變形前后圖像，使用亞像素水平的模板，結(jié)合刀具角度等幾何參數(shù)，分割刀具變形區(qū)域，判斷刀具變形程度[2]。但常規(guī)系統(tǒng)刀具變形誤差自動檢測值與實(shí)際測量值偏差較大，針對這一情況，結(jié)合現(xiàn)有的研究理論，提出基于模糊數(shù)的數(shù)控機(jī)床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)。

1 基于模糊數(shù)的數(shù)控機(jī)床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)控機(jī)床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)刀具變形誤差檢測系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電感測頭核心控制器的外圍信號電路。利用轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)和三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，組成系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，確保機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠滿足旋轉(zhuǎn)空間坐標(biāo)系的要求。三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)包括垂直軸、中心軸、水平軸，把電感測頭安裝在垂直軸上，固定中心軸，對水平軸和垂直軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)位移，帶動電感測頭運(yùn)動。根據(jù)數(shù)控機(jī)床設(shè)定的運(yùn)動方式，下達(dá)刀具運(yùn)動狀態(tài)的控制指令，利用角度傳感器，采集刀具位置信息，確定刀具運(yùn)動參數(shù)，將光柵信號作為反饋信號，使用光柵尺，采集刀具導(dǎo)軌信息，高精度定位三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)中的電感測頭，令電感測頭跟隨刀具的運(yùn)動狀態(tài)[3]。

把電感測頭作為系統(tǒng)核心裝置，采集刀具運(yùn)動狀態(tài)的光柵信號和圖像信息。利用執(zhí)行單元、電氣轉(zhuǎn)換通用模塊、核心控制單元，組成電感測頭硬件結(jié)構(gòu)。通過電氣轉(zhuǎn)換通用模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算、供電、數(shù)據(jù)通信、供電保護(hù)等功能。選取霍爾信號處理模塊、光柵數(shù)據(jù)讀取模塊，構(gòu)成執(zhí)行單元，將時(shí)柵位移傳感器、光柵位移傳感器作為反饋元件，形成系統(tǒng)的閉環(huán)控制，把霍爾傳感器作為限位開關(guān)，防止數(shù)控機(jī)床過量程運(yùn)動。利用動態(tài)傾角傳感器、激光位移傳感器、CDD相機(jī)、線激光器等，組成光柵數(shù)據(jù)讀取模塊，將激光位移傳感器和線激光器固定在垂直軸的兩側(cè)，令線激光器面向深孔發(fā)射線激光，獲得深孔截面的光弧，把CDD相機(jī)放置在深孔一端，拍攝數(shù)控機(jī)床刀具變形的圖像信息，再把動態(tài)傾角傳感器安裝在三坐標(biāo)的水平軸上，實(shí)時(shí)獲取線激光器發(fā)射線激光的傾角信息。電感測頭的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 刀具變形誤差檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

優(yōu)化電感測頭核心控制器的外圍信號處理電路，包括傳感器信號處理電路、電源供應(yīng)電路、串口電路。核心控制器采用3.3V供電，為電源供應(yīng)電路配置電源監(jiān)測復(fù)位芯片，集成一定容量的串行存儲器，把復(fù)位信號連接到復(fù)位芯片的復(fù)位引腳，使電源供應(yīng)電路具有帶掉電保護(hù)功能。為保持時(shí)柵傳感器和光柵傳感器的輸出信號一致，為傳感器信號處理電路配置差分處理芯片，將X軸、Y軸、Z軸光柵尺采集的原始信號，輸入差分處理芯片，把三路差分電信號轉(zhuǎn)換為三路單端電信號，其中X軸、Y軸兩路信號被處理成單端光柵信號，Z軸信號被處理成清零信號，再對三路信號進(jìn)行反相處理，確保光柵信號與差分處理芯片引腳的電壓相匹配。差分處理芯片輸出三路邏輯電信號后，把信號傳輸至串口電路，為串口電路配置穩(wěn)壓芯片，對三路邏輯電信號進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)處理，在串口處安裝靜態(tài)寄存器和時(shí)鐘備份寄存器，利用兩種寄存器從穩(wěn)壓芯片引腳獲取電壓，為串口電路提供可靠的電源供應(yīng)，并聯(lián)電容至核心控制器輸出端，對三路光柵信號進(jìn)行電容濾波，改善信號瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。至此完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

1.2 數(shù)控機(jī)床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 基于模糊數(shù)分割刀具圖像

導(dǎo)出電感測頭采集的圖像信息，提取疑似邊緣點(diǎn)的模糊集，分割刀具邊緣點(diǎn)的模糊數(shù)，得到刀具目標(biāo)圖像。選擇一個(gè)含有奇數(shù)點(diǎn)的滑動窗口，設(shè)窗口中心像素為A(x，y)，A(x，y)灰度值為B(x，y)，(x，y)為像素位置，刀具圖像噪聲點(diǎn)判別條件為：

其中ex(x，y)、ey(x，y)分別為平滑圖像在x方向、y方向一階偏導(dǎo)。設(shè)定E(x，y)的高閾值和低閾值，當(dāng)E(x，y)大于高閾值，判定像素點(diǎn)是邊緣點(diǎn)，當(dāng)E(x，y)小于低閾值，判定像素點(diǎn)不是邊緣點(diǎn)，若E(x，y)小于高閾值、大于低閾值，判斷像素點(diǎn)為模糊數(shù)，得到疑似邊緣點(diǎn)的模糊集。采用亞像素算法，利用邊緣灰度空間矩，定義模糊集的邊緣像素，設(shè)平滑圖像的背景灰度值為a，邊緣對比度為d，計(jì)算模糊像素點(diǎn)的灰度空間矩D，公式為：

擬合平滑圖像法線方向的灰度梯度，得到梯度變化的曲線方程，一階求導(dǎo)曲線方程，把一階導(dǎo)數(shù)的極值點(diǎn)，作為模糊集的亞像素邊緣點(diǎn)?？紤]邊緣像素點(diǎn)灰度變化符合高斯分布，針對這一特點(diǎn)，取像素點(diǎn)灰度空間矩的對數(shù)，若對數(shù)與亞像素邊緣點(diǎn)灰度空間矩對數(shù)接近，判斷模糊數(shù)為刀具邊緣點(diǎn)，若對數(shù)與亞像素邊緣點(diǎn)灰度空間矩對數(shù)差異過大，判斷模糊數(shù)不是刀具邊緣點(diǎn)。分割刀具邊緣輪廓，得到刀具目標(biāo)圖像序列。至此完成基于模糊數(shù)的刀具圖像分割。

1.2.2 自動檢測刀具變形誤差

根據(jù)分割圖像的二維像素，計(jì)算刀具運(yùn)動狀態(tài)的基面長度，結(jié)合切削力，確定刀尖水平方向的變形量，自動檢測變形量引起的加工誤差。設(shè)刀具三維坐標(biāo)為(X，Y，Z)，像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為：

其中h為比例系數(shù)，H、I分別為內(nèi)參矩陣和外參矩陣。讀取電感測頭采集的光柵信號，調(diào)制光柵信號的脈沖長度和波形周期，利用三坐標(biāo)導(dǎo)軌編碼器，獲取刀具運(yùn)動狀態(tài)的光柵信息，通過光柵信息驗(yàn)證刀具三維坐標(biāo)[4]。當(dāng)?shù)毒呤芮邢髁ψ饔靡鹱冃螘r(shí)，刀具基面長度也會產(chǎn)生變化，根據(jù)基面像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)，確定刀具基面實(shí)際長度G，當(dāng)線激光器發(fā)射線激光時(shí)，令線激光沿著激光平面照射刀面，把激光平面與刀尖的距離作為測量深度F，計(jì)算運(yùn)動過程中的刀具前角f，公式為：

把切削力統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到加工零件坐標(biāo)系，將刀刃切向作為x軸，加工零件水平方向作為y軸，切削力垂直方向作為z軸，計(jì)算x、y、z方向上的瞬時(shí)切削力jx、jy、jz，公式為：

其中K為切削半徑，l為切削厚度，kx、ky、kz分別為刃單元法線與x軸、y軸、z軸的夾角，L為刃口系數(shù)，m為刀具轉(zhuǎn)角，M為刀具半徑，N為刀具彈性模量。計(jì)算距離刀尖z處x和y方向的變形量Ox、Oy式為：

在以大數(shù)據(jù)作為背景的媒體發(fā)展主要呈現(xiàn)出一種新媒體與傳統(tǒng)媒體相融合的現(xiàn)象，媒體的融合發(fā)展成為了媒體行業(yè)的重要任務(wù)。根據(jù)我國當(dāng)下的媒體融合現(xiàn)狀，媒體融合這一重要工作仍存在較多問題，尤其是對新媒體與傳統(tǒng)媒體融合的意義以及重要性的領(lǐng)悟上存在缺陷。首先，有極大一部分媒體工作者對于媒體融合的目標(biāo)不清晰，阻礙了媒體融合的高速發(fā)展；其次，媒體工作者對大數(shù)據(jù)時(shí)代的認(rèn)識較為欠缺，對大數(shù)據(jù)技術(shù)的掌握不到位，媒體工作者的綜合能力水平需要提高；最后，對媒體融合的管理體系、管理制度等不夠完善，需要進(jìn)一步加強(qiáng)和改進(jìn)，對傳統(tǒng)的管理模式做出適當(dāng)、有效的調(diào)整。

其中m為刀具應(yīng)力系數(shù)[5]。刀具水平方向的變形量為，引起的加工誤差P為：

其中Q為刀具變形量，q為零件表面曲率半徑，p為零件表面法矢與z軸的夾角。通過誤差P的補(bǔ)償，減小機(jī)床誤差。至此完成刀具變形誤差的自動檢測，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，完成基于模糊數(shù)的數(shù)控機(jī)床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

將此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)，與基于光學(xué)自由曲面的刀具變形誤差檢測系統(tǒng)、基于光視覺技術(shù)的刀具變形誤差檢測系統(tǒng)，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，比較三種系統(tǒng)誤差檢測值與實(shí)測值的偏差大小。

2.1 系統(tǒng)測試環(huán)境

采用鋁合金材料的圓柱凸面，作為數(shù)控機(jī)床加工零件，以兩刃立銑刀為例，刀具切削參數(shù)如表1所示。

表1 刀具切削參數(shù)

加工圓柱凸面時(shí)，刀具分別采用直線加工和曲線加工兩種走刀方式。

2.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)測試

設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物圖

如上圖所示，線激光器和CDD相機(jī)安裝在光源安置座上，通過基座、水平導(dǎo)軌、聯(lián)軸節(jié)、光柵尺、滾珠絲桿、步進(jìn)電機(jī)，組成三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的每個(gè)坐標(biāo)軸，利用步進(jìn)電機(jī)，為系統(tǒng)提供動力，使用聯(lián)軸節(jié)，連接電感測頭和滾珠絲桿，拖動電感測頭跟隨刀具導(dǎo)軌運(yùn)動，把時(shí)柵轉(zhuǎn)臺作為回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，由時(shí)柵傳感器和光柵尺，分別檢測和反饋電感測頭的位置信息，把兩刃立銑刀具安裝在滾齒機(jī)上，確保刀具位于三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的測量坐標(biāo)系中，利用水平導(dǎo)軌，校準(zhǔn)坐標(biāo)系，圓柱通過磁鐵吸附在被測平面，刀具在滾齒機(jī)的一端對零件進(jìn)行高精度加工。

為時(shí)柵傳感器和光柵傳感器提供8.0V電壓，輸出頻率為400Hz左右的三相電源信號，經(jīng)過復(fù)位芯片、差分處理芯片、穩(wěn)壓芯片處理后，得到輸出頻率相等的時(shí)柵信號和光柵信號，得到的矩形脈沖信號具有一定相位差。底光源被放置在刀具下方，線激光器放置在底光源的右側(cè)，分別獲得兩刃立銑刀的側(cè)面圖像和底面圖像，系統(tǒng)采集圖像的像元尺寸為4.5u，分辨率為1653×1362，預(yù)處理后的圖像有效抑制了噪聲點(diǎn)，分割后的刀具圖像細(xì)節(jié)信息完整，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出刀具基面長度。建立的零件加工坐標(biāo)系如圖3所示。

圖3 圓柱零件加工坐標(biāo)系

根據(jù)刀具基面長度，分別計(jì)算x方向和y方向的刀尖形變量，得到銑刀變形加工誤差檢測值。

2.3 測試結(jié)果分析

銑刀曲線加工時(shí)，沿著圖3中x軸負(fù)方向橫向進(jìn)給，因此，刀具變形誤差在y軸上，沿著x軸方向取7個(gè)采樣點(diǎn)，三種系統(tǒng)自動檢測采樣點(diǎn)加工誤差，得到各個(gè)采樣點(diǎn)刀具變形誤差檢測值，然后人工拆卸刀具，使用量具測量加工誤差，測量完畢后重新對刀，得到各個(gè)采樣點(diǎn)刀具變形誤差測量值，檢測值和測量值如圖4所示。

圖4 曲線加工的檢測值和測量值對比

由上圖可知，設(shè)計(jì)系統(tǒng)刀具變形誤差檢測均值為0.148mm，基于光學(xué)自由曲面的系統(tǒng)檢測均值為0.195mm，基于光視覺技術(shù)的系統(tǒng)檢測均值為0.217mm，實(shí)際測量均值為0.145mm，設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測值與測量值最為接近。

銑刀直線加工時(shí)，刀具變形誤差在x軸上，沿著y軸方向取7個(gè)采樣點(diǎn)，三種系統(tǒng)檢測值和測量值如圖5所示。

圖5 直線加工的檢測值和測量值對比

由上圖可知，設(shè)計(jì)系統(tǒng)刀具變形誤差檢測均值為0.224mm，另外兩種系統(tǒng)檢測均值分別為0.261mm、0.269mm，實(shí)際測量均值為0.219mm，設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測值與測量值的偏差最小。

3 結(jié)語

此次研究設(shè)計(jì)了一種數(shù)控機(jī)床刀具變形誤差自動檢測系統(tǒng)，通過模糊數(shù)，分割圖像中的刀具像素區(qū)域，計(jì)算刀具變形量和加工誤差，誤差自動檢測值和實(shí)際測量值基本一致。但此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)仍存在一定不足，在今后的研究中，會深入分析數(shù)控機(jī)床誤差規(guī)律，采集大量刀具變形樣本數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)擬合，找到刀具變形誤差產(chǎn)生的源頭，為機(jī)床誤差建立動力學(xué)模型，進(jìn)一步提高機(jī)床加工精度。