CN102699359A - 微小车床对刀装置及方法 - Google Patents

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Abstract

微小车床对刀装置及方法属于机械自动化技术领域，该装置包括：机床卡盘、刀架、刀具、导轨、第一CCD相机、反射镜、第一光源、第二CCD相机、第二光源和外部计算机；方法步骤为将水平方向的像素和垂直方向的像素分别进行标定，把含有实际距离信息的图像实时传输到外部计算机上；监控并调节刀具，使其靠近工件端面；通过技术和软件即可显示刀尖与工件端面回转中心的距离；根据得到的三个方向上的距离，手动调节工件和刀具间的距离或者利用计算机输出相应信号控制刀具与工件的相对运动，实现微小机床的高精度对刀。本发明利用图像测量技术实现对刀间隙的自动检测，以及对刀间隙的实时测量，降低了对刀的难度且能对加工过程进行更好的监测。

Description

微小车床对刀装置及方法
技术领域
本发明属于机械自动化技术领域，具体涉及一种微小车床对刀装置及方法。
背景技术
在高精度加工的过程中，对刀精度直接影响工件的面形加工精度。由于目前待加工的工件尺寸越来越小，对车床的对刀精度越来越高，现有技术中常用的加工方式主要有普通车床和数控车床，而这两种方式中常用的对刀方法有试切法和自动对刀仪对刀。在高精度加工的过程中，如果采用传统的试切法，无论是X方向对刀还是Z方向对刀，在试车后，工件都会发生塑性变形，而且试车车削量越大，变形越大。使用自动对刀仪对刀时，其传感器的精度直接影响自动对刀仪的精度，要满足对刀的高精度要求，仅传感器的成本就很高。实际中所能得到的测量精度不完全取决于所配套数控***的分辨率，还和机床传动***误差、对刀棒的几何形状、加工精度以及装配质量等因素有关。所以，要将自动对刀仪达到高精度的效果，难度很高。
在对刀的过程中，普通车床和数控车床中只在X和Z方向对刀，Y方向靠安装刀具时手动调节刀尖的高度，来保证Y方向的要求。在安装刀具时，尽量使刀具进给方向经过工件回转中心。试着对工件端面进行车削，观察端面是否平整。若端面存有明显的突起，需要调整刀具的高度即刀具在Y方向的位置。而在高精密加过的过程中，存在以下问题：首先，难以通过肉眼观察车削后的端面是否平整，来确定刀具的调节量。其次，即使用放大镜能观察到被车端面是否平整，但手动调节难以保证很小的刀具调节量。最后，由于存在塑性变形，仅凭端面是否平整难以确定刀尖进给方向是否经过回转中心。
在微小车床加工***中，刀尖进给方向即刀具所在X方向，必须经过工件的回转中心。否则，刀具沿X方向进给量与工件半径实际切削量会不一致,将难以保证小型工件的形状精度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种微小车床对刀装置及方法。本发明不对工件进行车削，即不需要刀尖与工件的实际接触，通过图像处理技术，保证各个方向的要求即微小车床中各个方向的对刀。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
微小车床对刀装置，该装置包括：机床卡盘、刀架、刀具和导轨，该装置还包括：第一CCD相机、反射镜、第一光源、第二CCD相机、第二光源和外部计算机；待加工的工件装卡在机床卡盘上，刀具固定在刀架上；外部计算机控制机床卡盘和刀架沿导轨进行相对运动；反射镜位于待加工的工件端面的正下方，第一光源发射出的光线经由反射镜反射至第一CCD相机中；第二光源发射出的光线照在待加工的工件的端面，经反射后由第二CCD相机接收；第一CCD相机和第二CCD相机采集到的图像传输到外部计算机上。
微小车床对刀方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：将第一CCD相机获得图像的水平和竖直方向的像素以及第二CCD相机获得图像的水平和竖直方向的像素都进行标定，把两个CCD相机采集到的具有水平和垂直方向实际距离的图像实时传输到外部计算机上；
步骤二：通过外部计算机监控并调节刀具，使其靠近工件端面；通过图像处理技术和编制的相应软件，图像上即可显示刀尖与工件端面回转中心的距离；
步骤三:根据得到的刀尖与工件端面回转中心的距离，手动调节工件和刀具间的距离或者利用计算机输出相应信号控制刀具与工件的相对运动，实现微小机床的高精度对刀。
本发明的有益效果是：本发明实现了微小车床三维空间上的高精度对刀。不需要刀尖与工件实际的接触，利用图像测量技术实现对刀间隙的自动检测，避免了试切时，刀具与工件接触引起变形造成的误差，且能实现对刀间隙的实时测量。其中，CCD相机的应用，代替了人眼，提高了对刀精度的稳定性，降低了对刀的难度且能对加工过程进行更好的监测。本发明适用于任何类型微小车床的对刀，例如微小型纵切车床的对刀，也适用于普通车床和数控车床。
附图说明
图1本发明微小车床对刀装置的结构示意图。
图2本发明微小车床对刀装置中反射镜光路图。
图3本发明微小车床对刀方法Z向间隙检测流程图。
图4本发明微小车床对刀方法X和Y向间隙检测流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，微小车床对刀装置，该装置包括：机床卡盘1、刀架3、刀具4和导轨，该装置还包括：第一CCD相机5、反射镜6、第一光源7、第二CCD相机8、第二光源9和外部计算机；车床中平行于工件2主轴方向为Z轴，工件水平径向为X轴，取刀具远离工件方向为正方向。按右手定则，垂直于X轴且垂直于Z轴的方向为Y方向。待加工的工件2装卡在机床卡盘1上，刀具4固定在刀架3上；外部计算机控制机床卡盘1和刀架3在相应的导轨滑台上进行相对运动；两个CCD相机采用正交布置方式，如图2所示，第一CCD相机5位于工件2的正上方，沿Y轴布置，第二CCD相机8沿Z方向正对于工件端面布置；反射镜6位于待加工的工件2端面的正下方，与Z轴夹角约成45°，第一光源7沿Z负方向照射，使光线通过反射镜6反射，被CCD相机8接收，采用背光照明，形成清晰的图像；第二光源9发射出的光线照在待加工的工件2的端面后，经反射由第二CCD相机8接收；第一CCD相机5和第二CCD相机8采集到的图像传输到外部计算机上。
微小车床对刀方法，包括如下步骤：
步骤一：将第一CCD相机5获得图像的水平和竖直方向的像素以及第二CCD相机8获得图像的水平和竖直方向的像素都进行标定，即获得一个像素在水平和垂直方向代表的实际距离。把两个CCD相机采集到的具有水平和垂直方向实际距离的图像实时传输到外部计算机上；
步骤二：通过外部计算机监控并调节刀具4，使其靠近工件2端面；当看到刀尖出现时，点击软件上的Z向对刀，如图3所示，第一CCD相机5在图像中心取一灰度像素，采用区域生长方式对工件2的轮廓进行跟踪和提取，拟合工件2端面所在的直线；根据工件2与刀具4的位置信息，确定工件2端面所在直线；通过工件2轮廓对图像进行分割，求出刀具上距工件2端面所在直线最近的点，并计算其距离，得出刀尖点距离工件2端面沿轴向即Z向的间隙值，图像上即可显示刀尖与工件2端面的距离；如图4所示，第二CCD相机8在图像中心取一高灰度像素，采用区域生长方式对工件2进行区域定位，提取工件2轮廓，进行最小外接圆拟合，获得工件2的回转中心和半径；同时对图像进行Sobel梯度变换并分割，利用工件2定位信息，对非刀具像素进行排除，获得刀具4粗定位，提取刀面直线，并进行拟合获得交点，作为刀具尖点，从而得到刀尖点距离工件中心沿Y向和X向的间隙值；
步骤三:根据得到的三个方向上，即X、Y和Z方向上的距离，手动调节工件2和刀具4间的距离或者利用计算机输出相应信号控制刀具4与工件2的相对运动，实现微小机床的高精度对刀。

Claims (3)

1.微小车床对刀装置，该装置包括：机床卡盘（1）、刀架（3）、刀具（4）和导轨，其特征在于，该装置还包括：第一CCD相机（5）、反射镜（6）、第一光源（7）、第二CCD相机（8）、第二光源（9）和外部计算机；待加工的工件（2）装卡在机床卡盘（1）上，刀具（4）固定在刀架（3）上；外部计算机控制机床卡盘（1）和刀架（3）之间的进行相对运动；反射镜（6）位于待加工的工件（2）端面的正下方，第一光源（7）发射出的光线经由反射镜（6）反射至第一CCD相机（5）中；第二光源（9）发射出的光线照在待加工的工件（2）的端面后，经反射由第二CCD相机（8）接收；第一CCD相机（5）和第二CCD相机（8）采集到的图像传输到外部计算机上。
2.基于要求1所述的微小车床对刀方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：将第一CCD相机（5）获得图像的水平和竖直方向的像素以及第二CCD相机（8）获得图像的水平和竖直方向的像素都进行标定，把两个CCD相机采集到的具有水平和垂直方向实际距离的图像实时传输到外部计算机上；
步骤二：通过外部计算机监控并调节刀具（4），使其靠近工件（2）端面；通过图像处理技术和编制的相应软件，图像上即可显示刀尖与工件（2）端面回转中心的距离；
步骤三:根据得到的刀尖与工件（2）端面回转中心的距离，手动调节工件（2）和刀具（4）间的距离或者利用计算机输出相应信号控制刀具（4）与工件（2）的相对运动，实现微小机床的高精度对刀。
3.如权利要求2所述的微小车床对刀方法，其特征在于，所述步骤二包括如下内容：第一CCD相机（5）在图像中心取一灰度像素，对工件（2）的轮廓进行跟踪和提取，拟合工件（2）端面所在的直线；根据工件（2）与刀具（4）的位置信息，确定工件（2）端面所在直线；通过工件（2）轮廓对图像进行分割，计算出刀具上距工件（2）端面所在直线最近的点，并求出其距离得出刀尖点距离工件（2）端面沿轴向即Z向的间隙值；第二CCD相机（8）在图像中心取一高灰度像素，对工件（2）进行区域定位，提取工件（2）轮廓，获得工件（2）的回转中心和半径；同时对图像进行梯度变换并分割，利用工件（2）定位信息，对非刀具像素进行排除，获得刀具（4）粗定位，提取刀面直线，并进行拟合获得交点，作为刀具尖点，从而得到刀尖点距离工件中心沿Y向和X向的间隙值。
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