專利名稱：火花識(shí)別對(duì)刀方法及磨削加工自動(dòng)化系統(tǒng)的制作方法
火花識(shí)別對(duì)刀方法及磨削加工自動(dòng)化系統(tǒng)
(一) 技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明屬于金屬磨削加工技術(shù)的智能自動(dòng)化裝置
(二)
背景技術(shù)：
現(xiàn)代的制造技術(shù)正朝著柔性制造(FMS)、計(jì)算機(jī)集成制造(CIM)和智能制造(IM) 等方向發(fā)展。其中智能制造(IM)更作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要內(nèi)容而日益成為研究的 熱點(diǎn)。它旨在將智能控制的理論和方法引入制造過(guò)程，通過(guò)模擬人類專家的思維和 推理活動(dòng)，取代和延伸制造環(huán)境中的部分腦力，從而使制造系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)其運(yùn)行 狀態(tài)和環(huán)境變化，在收到外界和內(nèi)部激勵(lì)時(shí)，能作出正確的判斷和決策，以保證系 統(tǒng)獲得穩(wěn)健的加工效果。
目前，磨削加工正朝自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。但是，眾多的影響因素為數(shù)學(xué) 模型的建立造成了極大的困難，致使依賴于數(shù)學(xué)模型的自動(dòng)化控制方法無(wú)能為力。 我國(guó)目前磨床品種雖已達(dá)400種左右，但對(duì)于數(shù)控生產(chǎn)型及自動(dòng)化生產(chǎn)型的產(chǎn)品還 感不足，
磨削加工的精度控制包括尺寸精度、形狀與位置精度、表面質(zhì)量等多方面。同 其他的機(jī)械加工相比，磨削加工工藝具有獨(dú)^^的特點(diǎn)，磨削機(jī)理更為復(fù)雜，要求的 精度更高，尤其表現(xiàn)在表面質(zhì)量上。在磨削加工中，砂輪的磨損狀態(tài)是砂輪磨削性 能好壞的重要指標(biāo)之一，它影響著磨削加工效率和加工質(zhì)量。然而，影響磨削過(guò)程 的因素較多，如磨削過(guò)程中砂輪的磨損、對(duì)刀精度等，僅靠操作者來(lái)獲得較好的磨 削效果難度較大，迫切需要找到一種對(duì)磨削加工進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的方法。在磨削過(guò)程 中影響工作表面質(zhì)量的因素非常多而且各個(gè)因素之間相互影響，表面質(zhì)量完整性指 標(biāo)的在線測(cè)量也非常難，這就為數(shù)學(xué)模型的建立造成了極大的困難。工件表面質(zhì)量 完整性的評(píng)價(jià)又是靠人為經(jīng)驗(yàn)來(lái)判定的，主觀因素占很大的比重，為加工結(jié)果的評(píng) 價(jià)造成了很大的困難。
在磨削過(guò)程中由于砂輪的不斷磨損會(huì)造成磨削精度和效率的下降，傳統(tǒng)的磨削 系統(tǒng)只是對(duì)砂輪尺寸的變化進(jìn)行補(bǔ)償，卻并不修正磨削參數(shù)。目前，大多數(shù)研究都 是采取一定的手段對(duì)砂輪的磨損量進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償，在砂輪修磨完成后，砂輪將又 回到初始狀態(tài)開(kāi)始新的一輪循環(huán)。借以修正磨削參數(shù)減低磨削結(jié)果誤差。針對(duì)傳統(tǒng) 磨削加工過(guò)程精度控制遇到的種種困難，在控制加工工藝參數(shù)方面出現(xiàn)了將傳統(tǒng)的 專家推理機(jī)構(gòu)同模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的智能型磨削參數(shù)決策系統(tǒng)。在系統(tǒng)中利用專家系統(tǒng)對(duì)磨削參數(shù)初步?jīng)Q策，并在加工間隙及加工結(jié)束時(shí)對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以及 對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行修正，使系統(tǒng)具有了很強(qiáng)的自適應(yīng)能力和自學(xué)習(xí)能力，提高了磨削的 精度和磨削效率并減小了磨削加工的誤差。當(dāng)機(jī)床和環(huán)境發(fā)生改變時(shí)能保證始終獲 得理想的加工效果。也有人將聲發(fā)射技術(shù)、變頻調(diào)速裝置的微力矩測(cè)量技術(shù)等應(yīng)用 于這一領(lǐng)域。
上述許多控制方法都必須解決砂輪磨損量的測(cè)量問(wèn)題，而砂輪磨損量的準(zhǔn)確在 線測(cè)量是不容易實(shí)現(xiàn)的， 一般都要在非加工狀態(tài)完成這些工作，至今尚未見(jiàn)在動(dòng)態(tài) 加工中測(cè)量和修正砂輪磨損量的方法。這也就制約了真正意義上的全自動(dòng)智能化磨 削加工。有些技術(shù)則在抗環(huán)境及供電系統(tǒng)部穩(wěn)定因素的干擾方面存在一定的問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是公開(kāi)火花識(shí)別對(duì)刀方法及磨削加工自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)磨削加工全 過(guò)程智能化自動(dòng)控制，重點(diǎn)是準(zhǔn)確、可靠的解決自動(dòng)對(duì)刀問(wèn)題、由砂輪磨損導(dǎo)致的 尺寸補(bǔ)償問(wèn)題、磨削過(guò)程的在線尺寸測(cè)量和運(yùn)動(dòng)伺服控制問(wèn)題。將視覺(jué)技術(shù)、PLC 技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，提出了利用視覺(jué)技術(shù)解決對(duì)刀問(wèn)題；在線尺寸測(cè) 量和砂輪磨損補(bǔ)償問(wèn)題；用PLC技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)解決運(yùn)動(dòng)伺服控制問(wèn)題的解決 方案。利用視覺(jué)技術(shù)在砂輪向磨削表面進(jìn)給的動(dòng)態(tài)下自動(dòng)識(shí)別與工件接近的工況， 并瞬間自動(dòng)轉(zhuǎn)換至磨削加工狀態(tài)，解決自動(dòng)對(duì)刀問(wèn)題。在后續(xù)的加工過(guò)程中，同樣 利用視覺(jué)技術(shù)解決工件尺寸的在線自動(dòng)測(cè)量問(wèn)題，并結(jié)合多軸控制系統(tǒng)自動(dòng)完成整 個(gè)磨削加工過(guò)程。
本發(fā)明方法是利用火花識(shí)別法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀，利用視覺(jué)技術(shù)完善磨削加工的 自動(dòng)控制?；鸹▽?duì)刀的技術(shù)關(guān)鍵是實(shí)時(shí)捕捉砂輪與加工表面接觸時(shí)瞬間的磨擦火花 信息首先用攝像方法實(shí)時(shí)采集檢測(cè)工件表面狀態(tài)，圖像處理軟件對(duì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí) 閾值甄別， 一旦檢測(cè)到砂輪接觸工件表面產(chǎn)生的摩擦火花，圖象最高閾值瞬間躍升 至設(shè)定的門(mén)檻閾值，控制軟件便發(fā)出信號(hào)，同時(shí)停止砂輪運(yùn)動(dòng)和啟動(dòng)相應(yīng)的程序和 伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始正常磨削過(guò)程。
本發(fā)明系統(tǒng)主要包括照明系統(tǒng)、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡及相關(guān)聯(lián)的處理設(shè) 備。所述的照明系統(tǒng)光源選擇多個(gè)LED發(fā)光二極管組合而成的組合光源。被測(cè)部分 的特征清楚地與周圍的背景區(qū)分開(kāi)，使兩者的灰度值的差別盡可能地大，盡量增強(qiáng) 被測(cè)部分或特征邊緣的對(duì)比度，釆用小角度軸向光照明的方式。所述的CCD攝像機(jī) 裝有與光源裝調(diào)裝置攝像頭處在一個(gè)密封的裝置中，可作相機(jī)方位的微量調(diào)節(jié)。
圖像采集卡接收從CCD攝像頭中輸入的模擬電信號(hào)，由AZD轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，將離散的信號(hào)存儲(chǔ)在圖像的一個(gè)或者多個(gè)存儲(chǔ)單元中，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出傳送指 令時(shí)，經(jīng)過(guò)PCI總線將圖像信息傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)存以便于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理，或者直 接送到顯示卡上進(jìn)行顯示。輸出四路模擬信號(hào)，還具有外部觸發(fā)功能，并且可以通 過(guò)RTSI (實(shí)時(shí)系統(tǒng)總線)與運(yùn)動(dòng)控制卡連在一起相互觸發(fā)，從而完成視覺(jué)系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)
控制系統(tǒng)的相互的數(shù)據(jù)信號(hào)交換功能。
圖像采集卡輸入的視頻信號(hào)經(jīng)數(shù)字解碼器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，比例縮放，裁減，色
空變換等處理，通過(guò)PCI總線傳到VGA卡，實(shí)時(shí)顯示或傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)存實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。 它由三個(gè)Scatter-gather DMA控制器，可以不經(jīng)過(guò)CPU直接由PCI總線將視頻數(shù)據(jù) 輸入到連續(xù)的或者分開(kāi)內(nèi)存中。其采集圖像深度為8Bit，可支持的分辨率為 2048Pixel(H) X 1024 Pixel (V)，支持的視頻輸入的制式PAL， NTSC，具有消色濾波 功能，可實(shí)現(xiàn)RTSI同步采集。計(jì)算機(jī)配置滿足圖像處理的速度和畫(huà)面質(zhì)量的要求， 包含大量通用指令，增強(qiáng)了PC的處理能力，完全兼容于現(xiàn)存的各類操作系統(tǒng)與應(yīng)用 軟件。對(duì)大多數(shù)圖像采集視覺(jué)函數(shù)，如濾波、閾值處理、運(yùn)算、邏輯和形態(tài)學(xué)都有 顯著的性能增益。
本發(fā)明系統(tǒng)的流程為系統(tǒng)啟動(dòng)后，機(jī)械手啟動(dòng)等待執(zhí)行信息，受到信息后， 自動(dòng)自原料庫(kù)抓取工件并向工作臺(tái)遞送，送料到位后釋放工件，同時(shí)電磁吸盤(pán)啟動(dòng) 吸住工件，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，磨頭啟動(dòng)砂輪開(kāi)始下行，同時(shí)啟動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，CCD攝 像機(jī)實(shí)時(shí)采集工件表面環(huán)境圖像，通過(guò)圖像采集卡把原始圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息 并傳入計(jì)算機(jī)，用圖像處理軟件對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理并得到環(huán)境圖像變化的閾值信 號(hào)，并隨時(shí)與設(shè)定的閾值門(mén)檻值進(jìn)行比較，如閾值低于門(mén)檻值則砂輪繼續(xù)下行，一 旦閾值達(dá)到門(mén)檻值，則砂輪立即停止下行，對(duì)刀程序結(jié)束，向磨削加工運(yùn)控系統(tǒng)發(fā) 出信息開(kāi)始加工過(guò)程。進(jìn)入加工程序后，工作臺(tái)啟動(dòng)、開(kāi)始第一次磨削，磨削結(jié)束 給出完成信息，啟動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與預(yù)設(shè)的尺寸指標(biāo)比對(duì)，如果未達(dá)標(biāo)則砂 輪根據(jù)加工余量與標(biāo)準(zhǔn)值的差值僅給，進(jìn)行下次磨削加工過(guò)程，檢測(cè)和加工循環(huán)進(jìn) 行， 一旦尺寸達(dá)標(biāo)則停止加工過(guò)程，電磁吸盤(pán)釋放，磨頭提起，工作臺(tái)復(fù)位，給出 磨削結(jié)束信息，進(jìn)入下一批工件加工的準(zhǔn)備狀態(tài)。，
本發(fā)明的集成控制系統(tǒng)為將Labview軟件平臺(tái)、視覺(jué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及PLC技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，按照檢測(cè)與控制的不同要求設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)統(tǒng)一 的繼承系統(tǒng)，其中攝像頭、圖像采集卡與圖像處理軟件完成火花識(shí)別，結(jié)合運(yùn)動(dòng)控 制系統(tǒng)完成自動(dòng)對(duì)刀工作。伺服控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)走刀、工作臺(tái)進(jìn)給和機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)得的 精密控制。采取多線程方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制與火花檢測(cè)的并行運(yùn)行，程序啟動(dòng)后，一
6方面，由move模塊前9個(gè)相關(guān)模塊組成的運(yùn)動(dòng)控制程序控制砂輪下行，同時(shí)，由圖 像灰度值獲取模塊前的8個(gè)模塊組成的視覺(jué)檢測(cè)程序完成對(duì)工件表面環(huán)境圖像的監(jiān) 測(cè)和處理，給出工件表面的動(dòng)態(tài)環(huán)境狀態(tài)，并與預(yù)設(shè)的火花灰度門(mén)檻值進(jìn)行比對(duì)， 一旦出現(xiàn)火花，且火花閾值達(dá)到設(shè)定的檢測(cè)門(mén)檻值，便產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，傳至st叩模 塊，停止砂輪下行運(yùn)動(dòng)，結(jié)束自動(dòng)對(duì)刀過(guò)程。
(四)


圖1為本發(fā)明視覺(jué)對(duì)刀及平面磨削控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明自動(dòng)對(duì)刀磨削加工工藝流程及控制關(guān)系圖； 圖3為本發(fā)明集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖4為本發(fā)明自動(dòng)對(duì)刀及磨削加工圖形化程序圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
視覺(jué)對(duì)刀及磨削控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖.l所示。在對(duì)刀時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以 適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)砂輪向磨削面靠近，視覺(jué)火花監(jiān)視系統(tǒng)適時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)砂輪與加 工面接觸并產(chǎn)生微小的火花，敏感的視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)現(xiàn)這一信息，向運(yùn)控系統(tǒng)發(fā) 出停止進(jìn)給的指令，結(jié)束對(duì)刀過(guò)程。由于判斷對(duì)刀情況的信息是磨擦火花，整個(gè)對(duì) 刀過(guò)程與砂輪的實(shí)際尺寸和進(jìn)給的行程無(wú)關(guān)，因而完全避免了砂輪磨損補(bǔ)償?shù)碾y題。 對(duì)刀結(jié)束既確定了磨削運(yùn)動(dòng)控制基點(diǎn)(零點(diǎn))，運(yùn)控系統(tǒng)立即機(jī)進(jìn)入磨削加工程序， 利用確定的初始加工量完成第一次磨削。然后，視覺(jué)尺寸檢測(cè)程序啟動(dòng)，測(cè)量工件 的尺寸，將尺寸測(cè)量結(jié)果與目標(biāo)尺寸進(jìn)行比較，得出兩者的差值，作為下次加工的 進(jìn)給量?？傮w控制程序按照預(yù)先設(shè)計(jì)的加工方案確定加工程序，自動(dòng)完成整個(gè)加工 過(guò)程。視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件由光源、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)組成；運(yùn)動(dòng) 控制硬件由運(yùn)動(dòng)控制卡、PLC可編程控制器及伺服執(zhí)行系統(tǒng)組成。軟件由圖形化編 程語(yǔ)言LabVIEW及圖像工具軟件包IMAQ Vision、 NI-Motion運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)及Motion Assistant組成。系統(tǒng)的工作時(shí)首先由CCD攝像機(jī)攝取圖像信息，圖像釆集卡把CCD 攝像機(jī)上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即把原始圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，然后對(duì)數(shù)字圖像 進(jìn)行處理，繼而顯示出測(cè)量結(jié)果與判斷信息，并通過(guò)接口將信息與運(yùn)控交換，運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng)根據(jù)判斷信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。
系統(tǒng)控制及流程如圖.2所示照明系統(tǒng)的光源選擇，光源設(shè)備的選擇必須符合 所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性，同時(shí)還要考慮光源的發(fā)光 效率和使用壽命。常見(jiàn)的可見(jiàn)光源有白熾燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈、LED等。 相對(duì)來(lái)說(shuō)，LED光源的壽命更長(zhǎng)，光源穩(wěn)定工作壽命達(dá)到6000h~10000h; LED光源是由許多單個(gè)LED發(fā)光二極管組合而成的，因而比其他光源更加容易做成更多的形 狀，更容易針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需要來(lái)設(shè)計(jì)光源的形狀和尺寸，而且LED光源具有多種顏 色可供選擇，具有功耗小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，因此，本視覺(jué)系統(tǒng)中采用LED光源。 照明方案照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般遵循以下原則
(1) 確定被測(cè)部分或特征，使被測(cè)部分或特征清楚地與周圍的背景區(qū)分開(kāi)來(lái)。 例如，使兩者的灰度值的差別盡可能地大，盡量增強(qiáng)被測(cè)部分或特征邊緣的對(duì)比度 等。視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)必須使用預(yù)先定義好的程序，例如濾波、圖像減運(yùn)算、邊緣增強(qiáng) 等技術(shù)從圖像中找到所需的信息，如果可以把待檢測(cè)的物體和背景清楚地分開(kāi)，那 么就可以大大減少圖像處理算法的復(fù)雜性，從而減少圖像處理的運(yùn)算時(shí)間，也可以 減少軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)間和難度。
(2) 減少反射，這樣可以減少由于光照而給圖像帶來(lái)的額外的噪聲，使客觀景
物盡量以不失真的面貌成像，減少圖像處理算法的步驟。盡量屏蔽環(huán)境光線的影響
在實(shí)驗(yàn)室中周圍環(huán)境光線是基本恒定的，而在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)則是一個(gè)時(shí)變的噪聲，白天 和晚上環(huán)境光線就會(huì)發(fā)生很大的變化。采用封閉的照明方案或者增強(qiáng)光照強(qiáng)度就可 以屏蔽周圍環(huán)境光線的影響。
本發(fā)明四種照明的方案，分別為小角度軸向光照明、前向光照明、低角度照 明和背光照明。前向光對(duì)零件表面的劃痕有突出作用；低角度照明雖然能突出邊緣， 但是對(duì)比度不明顯，且對(duì)豎直劃痕有明顯的放大作用；背景光照明存在明顯的衍射 光，容易錯(cuò)判試樣的邊緣，而且當(dāng)背景光照明時(shí)，需要把光源安置在待檢測(cè)沖擊試 樣的背面，該處正是刀具活動(dòng)的區(qū)域，所以不能采用背景光照明方案；軸向小角度 照明能使被測(cè)部分的特征與周圍的背景區(qū)分開(kāi)來(lái)，且能夠突出沖擊式樣的邊緣特征， 所以本發(fā)明采用的是小角度軸向光照明的方式?？梢?jiàn)采用小角度軸向光照明比較適 合試樣的尺寸檢測(cè)，對(duì)比度明顯且能夠突出沖擊試樣的邊緣，能夠提高檢測(cè)精度。 CCD原理及選擇CCD是電荷耦合器(Charge Coupled Device)的簡(jiǎn)稱，是一種利用 光電效應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像攝取的專門(mén)用途芯片。CCD器件的結(jié)構(gòu)就是將許多基本獨(dú) 立的光電轉(zhuǎn)換單元排列在一個(gè)平面上，這些縱橫排列的單元集成有幾十萬(wàn)、幾百萬(wàn) 甚至幾千萬(wàn)個(gè)光電二極管及譯碼尋址電路。這些基本微小單元稱之為像素，像素的 數(shù)目越多則成像的清晰度越高，成像的質(zhì)量就越好。
為了避免攝像頭污染，應(yīng)該保證攝像頭處在一個(gè)密封的裝置中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制系 統(tǒng)給出采集圖像的信號(hào)時(shí)，攝像頭前方的保護(hù)屏打開(kāi)，進(jìn)行圖像的采集。同時(shí)將光 源也放置在此裝置中。為使每次檢測(cè)焦距相同，裝置中設(shè)計(jì)了可保持焦距為定值的機(jī)構(gòu)，該裝置也可作相機(jī)方位的微量調(diào)節(jié)。
圖像采集卡接收從CCD攝像頭中輸入的模擬電信號(hào)，由A/D轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字 信號(hào)，將離散的信號(hào)存儲(chǔ)在圖像的一個(gè)或者多個(gè)存儲(chǔ)單元中，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出傳送指 令時(shí)，經(jīng)過(guò)PCI總線將圖像信息傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)存以便于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理，或者直 接送到顯示卡上進(jìn)行顯示。
考慮到兼容性和系統(tǒng)的要求，本發(fā)明使用NI公司的IMAQ-PCI-1409圖像采集卡。 此采集卡支持多種視頻制式PAL， NTSC等。它不但能夠輸出四路模擬信號(hào)，還具 有外部觸發(fā)功能，并且可以通過(guò)RTSI (實(shí)時(shí)系統(tǒng)總線)與運(yùn)動(dòng)控制卡連在一起相互觸 發(fā)，從而完成視覺(jué)系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的相互的數(shù)據(jù)信號(hào)交換功能。
IMAQ-PCI-1409圖像采集卡輸入的視頻信號(hào)經(jīng)數(shù)字解碼器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，比例 縮放，裁減，色空變換等處理，通過(guò)PCI總線傳到VGA卡，實(shí)時(shí)顯示或傳到計(jì)算機(jī) 內(nèi)存實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。它由三個(gè)Scatter-gather DMA控制器，可以不經(jīng)過(guò)CPU直接由PCI 總線將視頻數(shù)據(jù)輸入到連續(xù)的或者分開(kāi)內(nèi)存中。其采集圖像深度為8Bit，可支持的 分辨率為2048Pixel(H) X 1024 Pixel (V)，支持的視頻輸入的制式PAL， NTSC，具有 消色濾波功能，可實(shí)現(xiàn)RTSI同步采集。
另外系統(tǒng)還用到了 NI公司的IMAQ-A6804，它作為擴(kuò)展的視頻輸入線，可以連 接多個(gè)攝像頭。它可以連接到圖像采集卡MAQ-PCI-1409的多路視頻輸入通道68針 的連接口上。采用兩個(gè)攝像頭，檢測(cè)尺寸的攝像頭C1，與檢測(cè)V槽參數(shù)的攝像頭C2， 這兩個(gè)攝像頭與采集卡的連接形式為IMAQ-A6804，它有四個(gè)外接端口，分別為V1， V2， V3， TO，選擇通道V2， V3分別連接兩個(gè)攝像頭。
為了滿足圖像處理的速度和畫(huà)面質(zhì)量的要求，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的配置為選用CPU為 Pml.8G以上，內(nèi)存256MB以上的兼容機(jī)或品牌機(jī)，硬盤(pán)在20G以上，32M以上的 VGA顯卡，選擇奔騰系列，因?yàn)樵诒简v系列的PC機(jī)采用了最新的MMX技術(shù)，它 不僅包含大量通用指令，增強(qiáng)了 PC的處理能力，而且MMX技術(shù)也完全兼容于現(xiàn) 存的各類操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件。利用MMX技術(shù)對(duì)于^C多數(shù)圖像采集視覺(jué)函數(shù)，如 濾波、閾值處理、運(yùn)算、邏輯和形態(tài)學(xué)都有顯著的性能增益。
圖像采集的參數(shù)設(shè)置
NI系統(tǒng)配置采用了簡(jiǎn)單易用的MAX (Measurement and Automation)進(jìn)行底部通 道及采集參數(shù)的相關(guān)設(shè)置。首先打開(kāi)MAX,在安裝好1409卡之后，會(huì)在其中出現(xiàn) PCI-1409的選項(xiàng)，新建之后會(huì)在IMAQ data文件夾中產(chǎn)生一個(gè).icd文件，相關(guān)設(shè)置 在會(huì)保存此文件之下。新建.icd文件并給以合適的命名之后，可以在Pr叩erties中進(jìn)行采集設(shè)置。在其中配置查找表(Look-Up Table,縮寫(xiě)為L(zhǎng)UT)，設(shè)置LUT為常 規(guī)模式(即線性模式)。選擇采集的通道及相應(yīng)的采集模式為Standard,啟動(dòng)采集 (grab),調(diào)整其中的參數(shù)，包括上下左右邊界的尺寸，合適的白平衡電壓及合適的 快門(mén)速度，使采集的圖像達(dá)到良好的圖像效果。 本發(fā)明對(duì)圖像卡的統(tǒng)一參數(shù)設(shè)置如下
(1) 設(shè)置輸入信號(hào)模式為PAL制式
(2) 設(shè)置采集窗口的最大范圍768X576
(3) 設(shè)置圖像顯示方式按幀顯示
(4) 設(shè)置圖像保存格式BMP格式
(5) 縮放的比例為1: 1
(6) 圖像深度為8Bit
采集尺寸時(shí)對(duì)圖像采集卡的設(shè)置如下-
(1) 輸入信號(hào)源為Channel2
(2) 設(shè)置輸入信道觸發(fā)模式為外部觸發(fā)
(3) 參考電壓為白0.68，黑O. 10
(4) 設(shè)置采集圖像的偏移位置(150,30) 圖像預(yù)處理
獲取和傳輸圖像的過(guò)程往往會(huì)發(fā)生圖像失真，所得到圖像和原始圖像有某種程 度的差別。這些都是因?yàn)橛型饨绲脑肼暭尤氲綀D像中，因此在對(duì)采集到的圖像進(jìn)行 處理前，需要先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，就是要對(duì)噪聲圖像進(jìn)行濾波，平滑噪聲圖像。 根據(jù)不同的要求，濾波的方法有很多種，每一種都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足之處。采用 適合的濾波方法去除噪聲是本檢測(cè)系統(tǒng)不可忽視的重要因素。有兩種對(duì)空間域內(nèi)模 板操進(jìn)行濾波的方法——均值濾波和中值濾波。中值濾波的輸出與輸入噪聲的密度 分布有關(guān)。而均值濾波的輸出與輸入分布無(wú)關(guān)。對(duì)隨機(jī)噪聲的抑制能力方面來(lái)看， 中值濾波性能要比均值濾波差一些。而對(duì)脈沖干擾來(lái)講，中值濾波是很有效的。在 去噪濾波方法中，中值濾波和均值濾波各有特點(diǎn)，都是常用的濾波算法。其中均值 平滑法很好實(shí)現(xiàn)，而中值濾波法需要較長(zhǎng)的運(yùn)算時(shí)間。若中值濾波采用方型窗口， 在傳統(tǒng)的中值濾波算法中，需要對(duì)窗口中的所有像素進(jìn)行排序操作。經(jīng)過(guò)比較采用 3X3， 5X5， 7X7模板時(shí)的均值濾波和中值濾波的平均耗時(shí)如表1所示。可見(jiàn)隨著 模板的增大，濾波時(shí)間會(huì)明顯地增加，特別是在中值濾波中，會(huì)隨著模板成幾何技 術(shù)增長(zhǎng)。圖像分割
圖像分割是將一幅圖像分成互不交疊的區(qū)域，通過(guò)分割把目標(biāo)從背景中提取出 來(lái)。圖像分割是由圖像處理進(jìn)到圖像分析的關(guān)鍵步驟，也是一種基本的計(jì)算機(jī)視覺(jué) 技術(shù)。它利用了圖像中要提取的目標(biāo)物與其背景在灰度特性上的差異，把圖像視為 具有不同灰度級(jí)的兩類區(qū)域(目標(biāo)和背景)的組合，選取一個(gè)合適的閾值，以確定圖 像中每一個(gè)象素點(diǎn)應(yīng)該屬于目標(biāo)還是背景區(qū)域，從而分割成相應(yīng)的二值圖像。閾值
分割不僅可以大量壓縮數(shù)據(jù)，減少存儲(chǔ)容量，而且大大簡(jiǎn)化在其后的分析和處理步 驟。
對(duì)于對(duì)刀和尺寸檢測(cè)都要求從復(fù)雜的背景中分辨出信號(hào)或目標(biāo)，因此，閾值的 選擇是關(guān)鍵，閾值選擇的過(guò)高，過(guò)多的背景被當(dāng)作目標(biāo)，如果閾值選擇的過(guò)低，過(guò) 多的目標(biāo)被當(dāng)作是背景。 二值化
閾值選取方法很多，利用直方圖進(jìn)行闡值分割一種簡(jiǎn)便的圖像分割方法。在圖 像內(nèi)容不太復(fù)雜、灰度分布較集中的情況下，利用這種方法可獲得很好的分割效果。 圖.7(a)所示為采集的零件原圖經(jīng)過(guò)中值濾波后的灰度直方圖，其中橫坐標(biāo)為灰度級(jí) 別，縱坐標(biāo)表示某一灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)?？梢钥闯觯矬w和背景的灰度差別 較大，灰度直方圖呈現(xiàn)明顯的雙峰。
上述閾值選取方法只有在事先確定了灰度直方圖的情況下才能應(yīng)用，而在線的檢測(cè) 系統(tǒng)中，隨著外界條件的變化，閾值確定不可能靠手動(dòng)選擇，本發(fā)明對(duì)常用的兩種 閾值選取方法——直方圖波谷法和最大類間方差法，進(jìn)行比較最終選擇了比較適合 于本發(fā)明的最大類間方差法。
本發(fā)明軟件采用先進(jìn)的圖形化編程軟件LabVIEW7.0編制，在Windows系統(tǒng)下 運(yùn)行，Windows具有清晰、直觀的圖形界面特點(diǎn)、設(shè)備無(wú)關(guān)性和多任務(wù)性等優(yōu)點(diǎn)， 而LabVIEW是一個(gè)32位的編譯環(huán)境，其數(shù)據(jù)流的編程機(jī)制為人們提供了一種全新 的能更自然、更直接、更充分表達(dá)顯示世界的方法。采用Windows編程機(jī)制，使系 統(tǒng)具有Windows功能特點(diǎn)，完全脫離傳統(tǒng)順序執(zhí)行程序的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)消息驅(qū)動(dòng) 的方式控制系統(tǒng)的動(dòng)作，使程序再運(yùn)行期間充分接受用戶的控制，具有良好的人機(jī) 交互功能。軟件設(shè)計(jì)釆用模塊式設(shè)計(jì)思路，各功能模塊都以主程序界面為初始啟動(dòng) 界面，并通過(guò)主程序界面相聯(lián)系。
系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想及流程
軟件系統(tǒng)為兩個(gè)串行的程序流，它們分別是火花識(shí)別和測(cè)量零件尺寸的程序。
11程序運(yùn)行后，等待運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)給圖像采集卡的觸發(fā)信號(hào)，如果沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)，則 執(zhí)行等待檢測(cè)模塊，系統(tǒng)提示處于等待檢測(cè)狀態(tài)并回到初始等待信號(hào)狀態(tài)。如果收 到了觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)開(kāi)始采集信號(hào)，并且將信號(hào)數(shù)字化后，進(jìn)行處理、分析、最后 顯示出測(cè)量值，根據(jù)測(cè)量值與要求值進(jìn)行判斷，顯示出判斷結(jié)果，此結(jié)果將傳遞給 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行刀具進(jìn)給，這樣就完成了一個(gè)工作循環(huán)，重新回到了等待運(yùn)動(dòng)控 制系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)的狀態(tài)。
本發(fā)明充分利用了 LabVIEW模塊化的先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，化整為零，將各個(gè)流 程用相應(yīng)的模塊來(lái)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)功能模塊集成在一起而成:聚焦子模塊，標(biāo) 定子模塊，檢測(cè)顯示子模塊(自動(dòng)與手動(dòng)檢測(cè))，傳輸通訊子模塊，由一個(gè)主界面來(lái) 實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)與調(diào)用。每個(gè)子模塊又由更小的模塊構(gòu)成，將每個(gè)子模塊都做 成子VI。每一級(jí)的模塊都可以圖表的形式放置在程序流程圖中，這樣不但增加了程 序的可讀性，也增加了程序的可維護(hù)性，使流程圖更加清晰明了，同時(shí)避免了大量 的重復(fù)編程工作。
系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊 (1)圖像采集模塊
系統(tǒng)中首先對(duì)圖像采集卡初始化，配置Buffer菜單，然后是抽出一小塊內(nèi)存， 并且為Buffer命名相應(yīng)的不重復(fù)的名稱，因?yàn)橄到y(tǒng)檢測(cè)時(shí)需要用到相應(yīng)的觸發(fā) (Trigger)信號(hào)，接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，才開(kāi)始采集圖像到相應(yīng)的寄存器地址，所以要為 圖像采集配置相應(yīng)動(dòng)作的觸發(fā)信號(hào)。比如當(dāng)每一幀圖像采集且信號(hào)來(lái)臨，才能將此 幀圖像采集到內(nèi)存中，并對(duì)圖像進(jìn)行下一步的動(dòng)作。配置Buffer是很有技巧的，本 發(fā)明為每個(gè)通道配置的5個(gè)Buffer為循環(huán)的Ring Buffer,當(dāng)分別命名為0、 1、 2、 3、 4,只要抽走其中的一個(gè)Buffer,就會(huì)有相應(yīng)的位置的Buffer來(lái)填滿，如圖所示當(dāng) 采集圖像的命令開(kāi)始后，圖像就會(huì)源源不斷地送到指定的寄存器，只有當(dāng)程序發(fā)出 Copy或者Extract命令時(shí)，圖像才能送到指定的內(nèi)存段并顯示。
圖像聚焦模塊
為了提高測(cè)量精度，系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)焦?？紤]到調(diào)焦誤差相對(duì)于系統(tǒng)的要求精度較 小，我們提出一種用圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)一灰度差分函數(shù)，判定調(diào)焦位置的手動(dòng)調(diào) 焦方法，經(jīng)過(guò)粗調(diào)和微調(diào)的過(guò)程完成。
(a)粗調(diào)過(guò)程首先將攝像機(jī)盒在導(dǎo)軌上移動(dòng)到固定的視野位置，然后前后拉 動(dòng)鏡頭，使圖像經(jīng)歷模糊一清晰一模糊，即調(diào)焦不足一齊焦一調(diào)焦過(guò)度的過(guò)程。對(duì) 評(píng)價(jià)函數(shù)值F(/)經(jīng)歷由大到小，再由小到大的過(guò)程，粗調(diào)只能保證聚焦在合適的范圍內(nèi)。
(b)微調(diào)過(guò)程采取微調(diào)方法，即轉(zhuǎn)動(dòng)鏡頭的微調(diào)機(jī)構(gòu)，采集連續(xù)圖像，比較圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值F(/)，逐漸找到評(píng)價(jià)函數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的位置。此時(shí)的位置即為系統(tǒng)齊焦位置。然后用鎖緊螺母將鏡頭的鎖緊。
本發(fā)明編寫(xiě)了完整的聚焦程序，分別采用了兩個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)確定調(diào)焦的正確位置邊緣梯度函數(shù)法，F(xiàn)FT函數(shù)法。聚焦模塊的程序框圖見(jiàn)附錄。(3)檢測(cè)顯示模塊
檢測(cè)顯示模塊是本發(fā)明的重點(diǎn)模塊，它是由區(qū)域定位模塊圖像處理模塊、圖像測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、誤差修正模塊等一系列的子模塊組成。同時(shí)檢測(cè)顯示模塊可以分為自動(dòng)檢測(cè)和離線檢測(cè)互不干擾的兩部分。 一般零件的檢測(cè)是靠自動(dòng)檢測(cè)來(lái)完成的，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)部分可以完成自動(dòng)化的在線檢測(cè)。離線檢測(cè)說(shuō)明本檢測(cè)系統(tǒng)也可以采用人工手動(dòng)的檢測(cè)，拓展了檢測(cè)系統(tǒng)的功能。同時(shí)離線檢測(cè)的參數(shù)設(shè)定的改變可以通過(guò)動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的方式傳到自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程，不會(huì)影響到再次啟動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)時(shí)的參數(shù)設(shè)置。
本發(fā)明針對(duì)模板匹配和坐標(biāo)變換分別編寫(xiě)了程序并定位區(qū)域參考點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行測(cè)量，比較了他們的定位誤差，并進(jìn)行了時(shí)間比較。
通過(guò)驗(yàn)證可以看出，在定位精度方面，坐標(biāo)變換和模式匹配的定位精度差不多，但是在耗時(shí)方面，坐標(biāo)變換所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)比模板匹配少。坐標(biāo)變換的區(qū)域定位方法達(dá)到了較高的定位精度，且節(jié)省了圖像定位的時(shí)間。
(4)圖像處理與測(cè)量子模塊圖像處理測(cè)量包括下列功能子模塊中值濾波，閾
值分割，二值圖像的閉運(yùn)算，邊界提取，邊緣檢側(cè)，尺寸測(cè)量。為了進(jìn)行邊緣檢測(cè)，首先在圖像中設(shè)定出搜索區(qū)域，可以根據(jù)要檢測(cè)的邊緣形狀來(lái)選擇搜索區(qū)域。用一定數(shù)量的搜索線組成的區(qū)域來(lái)覆蓋待檢測(cè)的區(qū)域，然后設(shè)置搜
索線的距離(Distance),搜索線強(qiáng)度對(duì)比值(Contrast)，平均值(Smoothing)，陡峭度(Ste印ness)。設(shè)定這些值之后可以檢測(cè)出希望得到的邊緣。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和誤差修正模塊當(dāng)需要對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工查看和分析的時(shí)候，可以調(diào)用已經(jīng)存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式為文本格式，并且?guī)в屑o(jì)錄的時(shí)間。為防止存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量過(guò)大導(dǎo)致文件打開(kāi)困難，設(shè)定了按照存儲(chǔ)時(shí)間保存數(shù)據(jù)的方法。程序框圖見(jiàn)附錄。
通過(guò)對(duì)誤差事先檢定，用多項(xiàng)式插值法得出誤差公式，在測(cè)量時(shí)調(diào)出誤差結(jié)果，代入公式進(jìn)行補(bǔ)償?；鸹ㄗR(shí)別及磨削控制程序
火花識(shí)別流程是系統(tǒng)啟動(dòng)后視覺(jué)裝置同時(shí)進(jìn)入等待狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測(cè)檢測(cè)區(qū)域,火花識(shí)別程序啟動(dòng)，當(dāng)砂輪與工件表面接觸并產(chǎn)生摩擦火花后，圖像區(qū)域內(nèi)的亮度突然增高，直方圖出現(xiàn)突發(fā)高峰，瞬間就會(huì)達(dá)到設(shè)定的對(duì)刀判定閾值，程序會(huì)立即發(fā)出對(duì)刀完結(jié)的信號(hào)，該信號(hào)立即停止砂輪的繼續(xù)下行，并進(jìn)入正常磨削程序。
對(duì)刀轉(zhuǎn)至磨削加工以及伺服控制的流程對(duì)刀結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入磨削加工階段。砂輪主軸精確快速地運(yùn)行到設(shè)定的位置，到位后，工作臺(tái)按正常磨削參數(shù)運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始磨削工作。 一個(gè)磨削過(guò)程結(jié)束后，視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)入尺寸測(cè)量程序，對(duì)磨削后的工件進(jìn)行檢測(cè)并與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)比較，程序會(huì)自動(dòng)判別工件是否達(dá)到了預(yù)設(shè)指標(biāo)，是則系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)，完成加工程序，否則自動(dòng)計(jì)算出實(shí)際尺寸與預(yù)設(shè)指標(biāo)的差值，并送給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)差值進(jìn)行刀具進(jìn)給，斯福機(jī)構(gòu)按預(yù)定的進(jìn)給量完成砂輪的一次進(jìn)給，繼續(xù)磨削加工。以上過(guò)程會(huì)自己動(dòng)循環(huán)進(jìn)行，直至加工達(dá)標(biāo)。加工結(jié)束信號(hào)傳給運(yùn)控系統(tǒng)，啟動(dòng)機(jī)械手移走工件。
自動(dòng)對(duì)刀系統(tǒng)的集成控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要對(duì)加工過(guò)程中的各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行控制，而視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)則負(fù)責(zé)對(duì)試樣尺寸及形狀進(jìn)行檢測(cè)，它們之間需要同步協(xié)調(diào)工作。
運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)要對(duì)包括各種電機(jī)、電磁閥、液壓泵在內(nèi)的多種控制對(duì)象進(jìn)行控制，負(fù)責(zé)的控制任務(wù)如下主要為試樣的輸送、夾緊機(jī)構(gòu)的控制、機(jī)械手動(dòng)作控制、刀具精確進(jìn)給控制、冷卻液控制、工作臺(tái)變速控制等。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的大部分控制環(huán)節(jié)是順序控制，運(yùn)動(dòng)精度要求不高，通過(guò)常規(guī)的手段就可以實(shí)現(xiàn)，比如工件輸送和翻轉(zhuǎn)等，只要利用PLC控制普通直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)就能實(shí)現(xiàn)；但是試樣的尺寸有較高的精度要求，刀具進(jìn)給精度必須達(dá)到要求，故采用高精度的伺服系統(tǒng)來(lái)控制。因此，可將運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分 一部分為PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工件輸送、裝夾定位等加工流程的順序控制；另一部分為伺服控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)砂輪進(jìn)給精度的控制以及工作臺(tái)的變速控制。在磨削加工過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在某個(gè)動(dòng)作結(jié)束時(shí)實(shí)時(shí)觸發(fā)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)；視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)也要及時(shí)發(fā)覺(jué)對(duì)刀狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測(cè)試樣尺寸及形狀，并及時(shí)把信息反饋給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，它們之間必須能實(shí)時(shí)通訊、協(xié)調(diào)工作。因此，采用NI虛擬儀器技術(shù)來(lái)無(wú)縫地集成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)。
可編程控制器(Programmable Logic Controller)是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。它的定義如下PLC是一種專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝200810173182.7
說(shuō)明書(shū)第12/14
置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。
PLC的通信包括PLC之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)之間以及PLC與其他智能設(shè)備間的通信。PLC與計(jì)算機(jī)可以直接或通過(guò)通信處理單元、通信轉(zhuǎn)接器相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)信息的交換。在本發(fā)明中，松下F'POPLC利用專用電纜通過(guò)RS-232串口連接計(jì)算機(jī)，根據(jù)松下電工的通信協(xié)議(MEWT0C0L)在FP沐INGR的通信模板上配置串口通信參數(shù)，基于LabVIEW軟件及VISA函數(shù)庫(kù)開(kāi)發(fā)PLC的通信程序。
在圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW環(huán)境下，利用高效的測(cè)試控制直觀性圖形開(kāi)發(fā)功能輔以NI-Motion運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)及Motion Assistant,極大的簡(jiǎn)化了伺服系統(tǒng)軟件的編寫(xiě)，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。
(1) NI-Motion函數(shù)庫(kù)簡(jiǎn)介NI-Motion是NI公司733x、 734x、 735x系列運(yùn)動(dòng)控制器的驅(qū)動(dòng)軟件包，它支持多種開(kāi)發(fā)工具，對(duì)NI運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品提供了近乎完美的軟件支持。NI-Motion模塊中封裝了大量子VI，包含了所有針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的諸如數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)動(dòng)控制等基本控制功能，以及用于與NI運(yùn)動(dòng)控制器通信的高級(jí)軟件命令集，能方便實(shí)現(xiàn)軌跡生成、樣條插值、位置/速度PID控制等。利用NI-Motion自帶的子VI，配合LabVIEW軟件環(huán)境，我們可以很容易地設(shè)計(jì)出伺服電機(jī)的控制程序。
(2) Motion Assistant Motion Assistant (運(yùn)動(dòng)助手)是解決運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用難題的一個(gè)交互式原型化環(huán)境。它是一個(gè)靈活的、簡(jiǎn)單易用的開(kāi)發(fā)工具，可用來(lái)建立和構(gòu)造控制應(yīng)用，具有快速解決運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的重要特性，包括LabVIEW代碼生成和預(yù)覽窗口，該預(yù)覽窗口可以在實(shí)際運(yùn)行之前幫助您理解運(yùn)動(dòng)是如何進(jìn)行的。在Motion Assistant工作環(huán)境下，根據(jù)控制需要一步一步添加運(yùn)動(dòng)過(guò)程，再設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，就可以在預(yù)覽窗口看到運(yùn)行效果；要生成LabVIEW程序代碼，只要通過(guò)以下幾個(gè)簡(jiǎn)單步驟Motion Assistant/Tools/Generate Code/LabVIEW Diagram。伺服系統(tǒng)軟件伺服系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)工作臺(tái)的變速控制與砂輪直線進(jìn)給位置精度的控制，伺服程序只是作為控制集成系統(tǒng)的子程序而存在。故伺服程序可分為以下幾個(gè)主要子模塊控制卡初始化程序、平面磨削程序(包括砂輪對(duì)刀子程序、砂輪Z向與Y向進(jìn)給子程序)、伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置程序、砂輪修磨程序、控制狀態(tài)顯示程序、伺服系統(tǒng)報(bào)警程序等。
系統(tǒng)集成是整個(gè)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)分為幾個(gè)功能子模塊，先采用具體的物理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)集成系統(tǒng)中的功能子模塊要求，然后在信息層面上由應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)子模塊 間的相互通信，從而達(dá)到系統(tǒng)的有機(jī)集成。
對(duì)刀及運(yùn)動(dòng)集成控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(包括PLC子系統(tǒng)與伺服子系統(tǒng))及視覺(jué) 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。要實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的實(shí)時(shí)控制，就必須把運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與視覺(jué) 檢測(cè)系統(tǒng)有機(jī)集成，它們之間必須能夠?qū)崟r(shí)通訊、同步協(xié)調(diào)運(yùn)行，故利用虛擬儀器 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW及RTSI技術(shù)來(lái)無(wú)縫地集成系統(tǒng)。
作為一個(gè)集送料、加工、檢測(cè)為一體的全自動(dòng)化多工序加工設(shè)備，它的控制軟 件必須能夠滿足實(shí)時(shí)采集外部信號(hào)、控制指令實(shí)時(shí)輸出、系統(tǒng)報(bào)警、加工過(guò)程監(jiān)視 等要求。本發(fā)明根據(jù)Windows系統(tǒng)及LabVIEW軟件的多線程機(jī)制，建立磨削加工中心 集成系統(tǒng)控制軟件的多線程模型,將系統(tǒng)中管理、控制功能實(shí)現(xiàn)分作若干個(gè)模塊,分 別置于獨(dú)立的線程中。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的要求，將系統(tǒng)控制軟件分成以下模塊硬件 初始化模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、外部信號(hào)采集模塊、系統(tǒng)控制模塊、故障診斷模塊、 數(shù)據(jù)保存模塊、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)顯示模塊。
系統(tǒng)控制模塊是軟件系統(tǒng)的調(diào)度核心，該模塊每循環(huán)一次就對(duì)外部輸入數(shù)據(jù)進(jìn) 行處理，根據(jù)處理結(jié)果調(diào)用對(duì)應(yīng)的子任務(wù)；而不受它控制的任務(wù)則作為并行的子任 務(wù)運(yùn)行。系統(tǒng)工作過(guò)程中的許多子任務(wù)都不是簡(jiǎn)單的順序控制，而是多任務(wù)并行的 控制過(guò)程，故必須在軟件系統(tǒng)中進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度研究、設(shè)計(jì)合理的多任務(wù)調(diào)度策略， 保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性。
如果需要，尺寸測(cè)量可在加工過(guò)程的任意環(huán)節(jié)進(jìn)行在線測(cè)量并反饋給運(yùn)控系統(tǒng)。
整個(gè)監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)都建立在Labview虛擬儀器軟件平臺(tái)上，在PC機(jī)上以人 機(jī)對(duì)話方式。進(jìn)行控制操作，需要操作者要完成的僅是在圖形化的界面上設(shè)定和調(diào) 整必要的參數(shù)。 技術(shù)效果
本發(fā)明的新特在于首次提出了火花識(shí)別對(duì)刀方法并開(kāi)發(fā)了適于實(shí)際應(yīng)用的軟硬 件系統(tǒng)。正確的確定一種能夠準(zhǔn)確表征磨削砂輪與工件表面接觸狀態(tài)的可靠鑒別信 息、對(duì)該信息的識(shí)別方法，得到理想的結(jié)果，就可以將許多成熟的相關(guān)技術(shù)有機(jī)的 結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)集檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)控制與一體的自動(dòng)化系統(tǒng)。
本發(fā)明采用多線程信息傳遞模式，使加工過(guò)程中任意時(shí)刻的火花信息和運(yùn)控系 統(tǒng)得到了良好的同步運(yùn)行和無(wú)縫連接，從而提高了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
本發(fā)明突破了以往的研究思路，采取了一種全新的方法?；乇芰松拜喣p量的 測(cè)量，砂輪的瞬時(shí)尺寸不再作為對(duì)刀過(guò)程的控制參數(shù)，無(wú)論砂輪有多大的磨損，都可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的自動(dòng)對(duì)刀，徹底解決了砂輪磨損測(cè)量及補(bǔ)償問(wèn)題，為磨削過(guò)程的全自 動(dòng)智能化控制開(kāi)辟了新路。發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀過(guò)程和后續(xù)磨削加工過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡。 在線非接觸測(cè)量為全過(guò)程自動(dòng)加工創(chuàng)造了條件。機(jī)械手的應(yīng)用使磨削加工全程自動(dòng) 化成為可能。
權(quán)利要求
1. 火花識(shí)別對(duì)刀方法及磨削加工自動(dòng)化系統(tǒng)，利用基于視覺(jué)技術(shù)的火花識(shí)別法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀和磨削加工的自動(dòng)化。該技術(shù)中對(duì)刀部分的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)捕捉砂輪與加工表面接觸時(shí)瞬間的磨擦火花信息，并將其作為對(duì)刀信息首先用攝像方法實(shí)時(shí)采集檢測(cè)工件表面環(huán)境狀態(tài)，圖像處理軟件對(duì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)閾值甄別，一旦檢測(cè)到砂輪接觸工件表面產(chǎn)生的摩擦火花，圖象最高閾值瞬間躍升至設(shè)定的門(mén)檻閾值，控制軟件便發(fā)出信號(hào)，同時(shí)停止砂輪運(yùn)動(dòng)和啟動(dòng)相應(yīng)的程序和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始正常磨削過(guò)程。
2. 如權(quán)利要求1所述的火花識(shí)別對(duì)刀方法及磨削加工自動(dòng)化系統(tǒng),包括:照明系統(tǒng)、 CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡及相關(guān)的處理設(shè)備。所述的照明系統(tǒng)用于 尺寸測(cè)量，光源選擇由多個(gè)LED發(fā)光二極管組合而成的組合光源；被測(cè)部分或特征 清楚地與周圍的背景區(qū)分開(kāi)，使兩者的灰度值的差別盡可能地大，盡量增強(qiáng)被測(cè)部分 或特征邊緣的對(duì)比度，采用小角度軸向光照明的方式；所述的CCD攝像機(jī)裝有與光 源裝調(diào)裝置攝像頭處在一個(gè)密封的裝置中，可作相機(jī)方位的微量調(diào)節(jié)；圖像采集卡接 收從CCD攝像頭中輸入的模擬電信號(hào)，由A/D轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，將離散的信 號(hào)存儲(chǔ)在圖像的一個(gè)或者多個(gè)存儲(chǔ)單元中，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出傳送指令時(shí)，經(jīng)過(guò)PCI總線 將圖像信息傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)存以便于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理，或者直接送到顯示卡上進(jìn)行顯 示；輸出四路模擬信號(hào)，還具有外部觸發(fā)功能，并且可以通過(guò)RTSI(實(shí)時(shí)系統(tǒng)總線) 與運(yùn)動(dòng)控制卡連在一起相互觸發(fā)，完成視覺(jué)系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的相互的數(shù)據(jù)信號(hào)交 換；圖像采集卡輸入的視頻信號(hào)經(jīng)數(shù)字解碼器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，比例縮放，裁減，色空 變換處理，通過(guò)PCI總線傳到VGA卡，實(shí)時(shí)顯示或傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)存實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；它由 三個(gè)Scatter-gather DMA控制器，可以不經(jīng)過(guò)CPU直接由PCI總線將視頻數(shù)據(jù)輸入到 連續(xù)的或者分開(kāi)內(nèi)存中；其采集圖像深度為8Bit，可支持的分辨率為2048Pixel(H)X 1024Pixel(V)，支持的視頻輸入的制式PAL， NTSC，具有消色濾波功能，可實(shí)現(xiàn)RTSI 同步采集；計(jì)算機(jī)配置滿足圖像處理的速度和畫(huà)面質(zhì)量的要求，包含大量通用指令， 增強(qiáng)了PC的處理能力，完全兼容于現(xiàn)存的各類操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件；對(duì)大多數(shù)圖像 采集視覺(jué)函數(shù)，如濾波、閾值處理、運(yùn)算、邏輯和形態(tài)學(xué)都有顯著的性能增益。
3. 如權(quán)利要求1所述的火花識(shí)別對(duì)刀方法及磨削加工自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)的流程為 啟動(dòng)后，機(jī)械手啟動(dòng)等待執(zhí)行信息，受到信息后，自動(dòng)自原料庫(kù)抓取工件并向工作臺(tái) 遞送，送料到位后釋放工件，同時(shí)電磁吸盤(pán)啟動(dòng)吸住工件，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，磨頭啟動(dòng)砂 輪開(kāi)始下行，同時(shí)啟動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集工件表面環(huán)境圖像，通過(guò)圖像采集卡把原始圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息并傳入計(jì)算機(jī)，用圖像處理軟件對(duì)數(shù)字圖 像進(jìn)行處理并得到環(huán)境圖像變化的閾值信號(hào)，并隨時(shí)與設(shè)定的閾值門(mén)檻值進(jìn)行比較， 如閾值低于門(mén)檻值則砂輪繼續(xù)下行， 一旦閾值達(dá)到門(mén)檻值，則砂輪立即停止下行，對(duì) 刀程序結(jié)束，向磨削加工運(yùn)控系統(tǒng)發(fā)出信息開(kāi)始加工過(guò)程；進(jìn)入加工程序后，工作臺(tái) 啟動(dòng)、開(kāi)始第一次磨削，磨削結(jié)束給出完成信息，啟動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與預(yù)設(shè)的 尺寸指標(biāo)比對(duì)，如果未達(dá)標(biāo)則砂輪根據(jù)加工余量與標(biāo)準(zhǔn)值的差值僅給，進(jìn)行下次磨削 加工過(guò)程，檢測(cè)和加工循環(huán)進(jìn)行， 一旦尺寸達(dá)標(biāo)則停止加工過(guò)程，電磁吸盤(pán)釋放，磨 頭提起，工作臺(tái)復(fù)位，給出磨削結(jié)束信息，進(jìn)入下一批工件加工的準(zhǔn)備狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求2所述的火花識(shí)別對(duì)刀方法及磨削加工自動(dòng)化系統(tǒng)，集成控制系統(tǒng) 為將Labview軟件平臺(tái)、視覺(jué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及PLC技術(shù)有機(jī) 的結(jié)合，按照檢測(cè)與控制的不同要求設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)統(tǒng)一的繼承系統(tǒng)，其中攝像頭、圖像 采集卡與圖像處理軟件完成火花識(shí)別，結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)完成自動(dòng)對(duì)刀工作；伺服控 制系統(tǒng)負(fù)責(zé)走刀、工作臺(tái)進(jìn)給和機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)得的精密控制；采取多線程方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng) 控制與火花檢測(cè)的并行運(yùn)行，程序啟動(dòng)后， 一方面，由move模塊前9個(gè)相關(guān)模塊組 成的運(yùn)動(dòng)控制程序控制砂輪下行，同時(shí)，由圖像灰度值獲取模塊前的8個(gè)模塊組成的 視覺(jué)檢測(cè)程序完成對(duì)工件表面環(huán)境圖像的監(jiān)測(cè)和處理，給出工件表面的動(dòng)態(tài)環(huán)境狀 態(tài)，并與預(yù)設(shè)的火花灰度門(mén)檻值進(jìn)行比對(duì)， 一旦出現(xiàn)火花，且火花閾值達(dá)到設(shè)定的檢 測(cè)門(mén)檻值，便產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，傳至stop模塊，停止砂輪下行運(yùn)動(dòng)，結(jié)束自動(dòng)對(duì)刀過(guò) 程。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)火花識(shí)別對(duì)刀方法及磨削加工自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)磨削加工全過(guò)程智能化自動(dòng)控制，準(zhǔn)確、可靠的解決自動(dòng)對(duì)刀問(wèn)題、由砂輪磨損導(dǎo)致的尺寸補(bǔ)償問(wèn)題、磨削過(guò)程的在線尺寸測(cè)量和運(yùn)動(dòng)伺服控制問(wèn)題。將視覺(jué)技術(shù)、PLC技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，提出了利用視覺(jué)技術(shù)解決對(duì)刀問(wèn)題；在線尺寸測(cè)量和砂輪磨損補(bǔ)償問(wèn)題；用PLC技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)解決運(yùn)動(dòng)伺服控制問(wèn)題的解決方案。利用視覺(jué)技術(shù)自動(dòng)識(shí)別與工件接觸的工況，并瞬間自動(dòng)轉(zhuǎn)換至磨削加工狀態(tài)，解決自動(dòng)對(duì)刀問(wèn)題，就可以將許多成熟的相關(guān)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)集檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)控制與一體的自動(dòng)化系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的自動(dòng)對(duì)刀，解決了砂輪磨損測(cè)量及補(bǔ)償問(wèn)題，為磨削過(guò)程全自動(dòng)智能化控制開(kāi)辟了新路。
文檔編號(hào)B24B49/12GK101456159SQ20081017318
公開(kāi)日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日
發(fā)明者劉祥峰, 周立富, 周立民, 林寅彬, 王長(zhǎng)利, 壯 范, 俊 黃 申請(qǐng)人:齊齊哈爾華工機(jī)床制造有限公司;哈爾濱工業(yè)大學(xué)