CN108747825A - 一种基于视觉检测激光修整成型砂轮装置及其修整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于投影***廓检测激光修整成型砂轮装置，具体包括计算机(1)，背光源(2)，三维移动台(3)，光纤激光器(4)，激光烧蚀头(5)，成型砂轮(6)，磨床(7)，远心镜头(8)、CCD相机(9)，图像采集卡(10)，通过将视觉检测与激光修整进行结合，能够实现高效高精度自动化成型砂轮修整过程，运行稳定,后期装备维持和操作费用非常低，可以节省大量的人工成本,为企业带来可观利益大大节约生产成本。同时该方法具备很大的灵活性，能够快速拆卸与安装，对被检测对象环境要求极低，操作简便，并且能够适应不同种类测量，柔性极高。

Description

一种基于视觉检测激光修整成型砂轮装置及其修整方法
技术领域
本发明涉及一种砂轮修整方法，特别是涉及一种基于视觉检测激光修整成型砂轮装置及其修整方法。
背景技术
随着工程陶瓷、光学玻璃和硬质合金等难加工材料器件广泛应用于各类关键设备，各种复杂型面零件的磨削加工逐渐增多，同时各种复杂型面零件又是通过超硬成型砂轮进行磨削加工。超硬成型砂轮是指立方氮化硼、金刚石成型砂轮，如图1所示。它具有非常好的磨削特性，如:抗磨损能力强、导热性好、极高的硬度等，但是正是由于超硬成型砂轮具有以上特性致使其修整加工变得非常困难。因此，为了使超硬成型砂轮在磨削加工过程中能够保持正确的几何形状精度和一定磨粒锐利性，就需要对超硬成型砂轮进行定期修整。
由于成型砂轮种类繁多，所采用的修整方法也大不相同，目前最为普遍的成型砂轮修整方法还是采用人工修整的方法，但是该方法修整效率低下，而且很难保证修整之后的轮廓精度。虽然出现了很多新的修整加工方法，如：车削修整法、磨削修整法、滚轮修整法、电火花修整法、在线电解修整法等，但是依然还存在许多缺点，如：磨削性能差、砂轮形状精度低、修整效率低、成本相对较高、加工环境要求高，并且无法做到实时检测成型砂轮修整是否达标，修整精度低，不适合成型砂轮高效高精密修整。
同时，成型砂轮轮廓检测技术主要通过超景深三维扫描显微镜或者直接对工件进行磨削加工观察磨削后的效果，其缺点是：前者对使用环境要求较高，通常要求在无尘的环境进行，因此还需要将砂轮从磨床拆除后，才能进行观察，使用过程麻烦，并且该设备价格昂贵，使用维护成本较高。后者虽然较前者的使用成本低，操作实施起来相对容易，但是实际情况是成型砂轮轮廓修整不可能在第一次修整就能够达到精度要求，因此还需要将砂轮从磨床上拆除，重新修整，然后将其安装在磨床上进行再次磨削加工观察磨削后工件的效果，该方法操作上虽然相对简单，但是具体实施时工作量巨大，不方便工厂高效生产加工，同时还影响生产进度。
目前，随着视觉检测技术进步发展，通过光学元器件使被检测物体成像于相机的感光元件上，可以实现对图像数字化，然后通过计算机对图像进行处理与检测，可以做到非接触精密测量，排除人为检测的主观因素干扰，通过集成自动设备可以进一步提高生产效率。同时通过结合激光修整可以实现成型砂轮非接触式的在线成型砂轮修整，通过CCD相机采集成型砂轮边缘轮廓信息，利用计算机控制算法对成型砂轮的特征轮廓信息进行识别与提取，然后与标准的成型砂轮边缘轮廓特征进行相似度比对，检测出被修整成型砂轮的缺陷区域，计算机通过自动规划输出相应NC控制指令，使装载着激光烧蚀头的三维移动台沿着特定的轨迹进行运动，利用聚焦后的高能激光束将成型砂轮的缺陷区域进行激光烧蚀去除，从而使成型砂轮达到规定的几何形状，实现成型砂轮的修整。
随着计算机控制技术的发展，通过视觉检测技术与激光精密加工两者相结合，可以实现高效率、高精度、全自动化成型砂轮在机修整过程，并且成型砂轮激光修整技术也不仅仅局限于超硬磨料和精密化方向发展，而是逐渐迈向智能化方向发展。
发明内容
本发明的目的提供一种非接触式的测量方法，即采用CCD相机对成型砂轮进行边缘轮廓特征提取，排除接触式测量对被检测工件的人为干扰等外力的影响。同时采用数字图像进行处理，因而采集速度快，工作稳定,可长时间稳定工作。
本发明的技术方案是提供一种基于投影***廓检测激光修整成型砂轮装置，具体包括计算机，背光源，三维移动台，光纤激光器，激光烧蚀头，成型砂轮，磨床，远心镜头，CCD相机，图像采集卡；其特征在于：
光纤激光器上激光烧蚀头，安装磨床带动成型砂轮转动，远心镜头竖直放置于成型砂轮右上方，并且远心镜头光轴与成型砂轮外周相切，且切点正好处于远心镜头的焦点位置；
背光源位于远心镜头的右下方，CCD相机和远心镜头通过接口连接在一起，组成一个图像采集***；
图像采集卡通过信号线与CCD相机连接，计算机接收来自图像采集卡的数据，对成型砂轮边缘轮廓信息进行处理、并提取出轮廓特征信息，然后与标准的成型砂轮边缘轮廓特征进行相似度比对，检测出被修整成型砂轮的缺陷区域，计算机依次计算出待成型砂轮误差余量，进行实时补偿，自动规划激光修整成型砂轮运动轨迹并生成相应的NC控制指令；
激光烧蚀头安装固定三维移动台上面，并水平放置于砂轮的左边，计算机控制三维移动台，使激光烧蚀头能够沿着x、y、z三个方向上预定的轨迹进行运动。
本发明还提供了一种基于视觉检测检测激光修整成型砂轮装置修整砂轮的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：首先将砂轮安装在磨床上，并将磨床调整到预设的转速；
步骤2：通过计算机启动光纤激光器发射激光，并设置激光修整参数，使激光烧蚀头发射激光束照射在砂轮表面；
步骤3：三维移动台接受来自计算机NC控制指令，带动激光烧蚀头沿着激光修整成型砂轮轨迹进行运动，使聚焦后的激光光斑沿着成型砂轮的轴向和径向方向进行移动，实现对成型砂轮粗修整；
步骤4：打开背光源，使背光源能够照射在成型砂轮的切向轮廓面上，并启动CCD相机实现对成型砂轮的切向边缘轮廓的图像采集；
步骤5：图像采集卡接收来自CCD相机的信号，通过数字采样之后，转换成数字图像信号；
步骤6：计算机接收来自图像采集卡的数字图像信号，并完成图像去噪预处理工作；
步骤7：计算机对经过数字滤波等预处理的图像进行分割和边缘提取，将成型砂轮的切向轮廓的边缘信息提取出来，并且转换为相应的矢量图；
步骤8：计算机将提取出来的成型砂轮边缘轮廓特征匹配到特定坐标系内。
步骤9：计算机将提取出的成型砂轮边缘轮廓特征与提前加载到坐标系内标准的成型砂轮轮廓特征进行相似度比对，判断被检测成型砂轮边缘轮廓形状是否达到预定的修整形状精度要求，如果已经达到预期精度要求，则完成本次激光修整成型砂轮过程，反之，将继续进行成型砂轮的精修整过程
本发明的有益效果：
本专利所描述的方法由于采用CCD相机对成型砂轮进行边缘轮廓特征提取，属于一种非接触式的测量方法，排除接触式测量对被检测工件的人为干扰等外力的影响。同时采用数字图像进行处理，因而采集速度快，工作稳定,可长时间稳定工作,是人工无法做到的。而激光修整法作为一种高效砂轮修整的方法，具有无机械力作用、效率高、易于集成控制等优点，具备其他传统砂轮修整技术无法比拟的优点。通过将视觉检测与激光修整进行结合，能够实现高效高精度自动化成型砂轮修整过程，运行稳定,后期装备维持和操作费用非常低，可以节省大量的人工成本,为企业带来可观利益大大节约生产成本。同时该方法具备很大的灵活性，能够快速拆卸与安装，对被检测对象环境要求极低，操作简便，并且能够适应不同种类测量，柔性极高。
附图说明
图1为本发明基于视觉检测检测激光修整成型砂轮装置的示意图；
图2为本发明基于视觉检测检测激光修整成型砂轮装置进行砂轮修整的流程图；
图3为待修整成型砂轮轮廓特征示意图。
其中：1、计算机，2、背光源，3、三维移动台，4、光纤激光器，5、激光烧蚀头，6、成型砂轮，7、磨床，8、远心镜头，9、CCD相机，10、图像采集卡。
具体实施方式
以下将结合附图1-3对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明所描述的一种基于投影***廓检测激光修整成型砂轮装置，具体包括计算机1，背光源2，三维移动台3，光纤激光器4，激光烧蚀头5，成型砂轮6，磨床7，远心镜头8、CCD相机9，图像采集卡10；
光纤激光器4上激光烧蚀头5，成型砂轮6安装在可以控制的磨床7上面，通过磨床7带动成型砂轮6转动，远心镜头8竖直放置于成型砂轮6右上方并且其光轴与成型砂轮外周相切，同时保证切点正好处于远心镜头的焦点位置上，背光源2位于远心镜头的正下方，成型砂轮6放置在远心镜头8和背光源2之间，CCD相机9和远心镜头8通过接口连接在一起，组成一个图像采集***，图像采集卡10通过信号线与CCD相机9连接，计算机1接收来自图像采集卡10的数据、并对成型砂轮6边缘轮廓信息进行处理、提取出轮廓特征信息，并进行相应的坐标转换，然后与标准的成型砂轮边缘轮廓特征进行相似度比对，检测出被修整成型砂轮的缺陷区域，计算机1依次计算出待成型砂轮误差余量，进行实时补偿，自动规划激光修整成型砂轮运动轨迹并生成相应的NC控制指令，激光烧蚀头5安装固定三维移动台3上面，按照切向方向水平放置于砂轮的左边，计算机1控制三维移动台3，使激光烧蚀头5能够沿着x、y、z三个方向上预定的轨迹进行运动，同时计算机1可以对光纤激光器2的功率密度和脉冲频率进行控制，实现对成型砂轮6的成型修整过程，当完成上述过程时计算机将再次通过CCD相机拍摄成型砂轮轮廓照片，并判断提取出的成型砂轮轮廓是否合格。如果不合格，计算机将再次输出相应的数控控制信号控制激光烧蚀头完成对应激光修整过程，直至成型砂轮达到规定的几何形状精度，最终完成对成型砂轮的修整。
如图2-3所示，本发明的实施例还提供了一种基于视觉检测检测激光修整成型砂轮装置修整砂轮的方法，其具体包括：
步骤1：首先将砂轮安装在磨床上，并将磨床调整到预设的转速，
该步骤中将调节磨床转速设置为300r/min，使其带动砂轮以300r/min的速度匀速转动。
步骤2：通过计算机启动光纤激光器发射激光，并设置激光修整参数，使激光烧蚀头发射激光束照射在砂轮表面；
该步骤中将光纤激光机的平均功率设置为100W，重复频率设置为50khz。
步骤3：三维移动台接受来自计算机NC控制指令，带动激光烧蚀头沿着激光修整成型砂轮轨迹进行运动，使聚焦后的激光光斑沿着成型砂轮的轴向和径向方向进行移动，实现对成型砂轮粗修整；
该步骤中将聚焦后的激光沿着成型砂轮的轴向和径向进行移动，实现对砂轮磨粒和结合剂的同时去除，完成成型砂轮的粗修整过程，同时保留一定修整余量便于下一步的精修整；
步骤4：打开背光源，使其能够照射在成型砂轮的切向轮廓面上，并启动CCD相机实现对成型砂轮的切向边缘轮廓的图像采集；
该步骤中被检测成型砂轮放置于远心镜头的左下方,同时使成型砂轮的圆周和远心镜头的光轴相切，并且使切点位于远心镜头的焦平面位置上，同时将平行背光源的亮度设置到一个合适的范围，使CCD相机能够采集一个画面清晰的图像，完成成型砂轮的切向边缘轮廓的图像采集。
步骤5：图像采集卡接收来自CCD相机的信号，通过数字采样之后，转换成数字图像信号；
该步骤中图像采集卡接收来自CCD相机的信号，通过数字采样之后，转换成可供计算机进行处理的数字图像信号。
步骤6：计算机接收来自图像采集卡的数字图像信号，并完成图像去噪等预处理工作；
该步骤主要作用是通过数字滤波等预处理去除来自图像采集卡的数字图像信号中含有的各种环境噪声信号的影响，因为数字图像在数字化、传输和处理的过程中，不可避免受到成像设备等各种环境噪声的干扰，得到含噪图像。为了降低环境噪声对于后续图像处理带来的影响，因此需要对CCD相机采集的图像进行去噪处理。清除图像中不必要的干扰信息，恢复和改善图像信息。
步骤7：计算机对经过数字滤波等预处理的图像进行分割和边缘提取，将成型砂轮的切向轮廓的边缘信息提取出来，并且转换为相应的矢量图；
该步骤中将成型砂轮的边缘轮廓图像从经过数字滤波等预处理的图像中分割出来，然后通过边缘提取再将成型砂轮的边缘轮廓特征提取出来，最后就是对于成型砂轮的边缘轮廓特征进行相应的描述，主要包括长度、曲率、直径等几何特征。
步骤8：计算机将提取出来的成型砂轮边缘轮廓特征匹配到特定坐标系内。
该步骤具体实现方法可以通过选取砂轮边缘轮廓的某个具体特征进行特征匹配，例如砂轮的端面，然后对已提取成型砂轮边缘轮廓特征进行整体坐标变换，实现对成型砂轮边缘轮廓特征坐标匹配。
步骤9：计算机将提取出的成型砂轮边缘轮廓特征与提前加载到坐标系内标准的成型砂轮轮廓特征进行相似度比对，判断被检测成型砂轮边缘轮廓形状是否达到预定的修整形状精度要求，如果被提取成型砂轮边缘轮廓特征与标准的成型砂轮轮廓特征相似度已经达到预期的形状精度要求，则完成本次激光修整成型砂轮过程，反之，将继续进行成型砂轮的精修整过程。
该步骤主要是检测本次成型砂轮激光修整过程，其边缘轮廓形状是否达到预期的形状精度要求，以便确认是否还需要进一步的激光修整。
步骤10：将被提取成型砂轮边缘轮廓特征与标准的成型砂轮轮廓特征进行比较，通过计算机计算出待成型砂轮误差余量，计算机进行实时补偿，自动规划激光修整成型砂轮远动轨迹并生成相应的NC控制指令。重复步骤3-10，直到成型砂轮的轮廓形状精度达到预期的要求。
该步骤主要通过计算机计算出成型砂轮有待进一步修整的余量，同时输出激光烧蚀头精修整成型砂轮的运动控制代码，完成成型砂轮精修整过程。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于投影***廓检测激光修整成型砂轮装置，具体包括计算机(1)，背光源(2)，三维移动台(3)，光纤激光器(4)，激光烧蚀头(5)，成型砂轮(6)，磨床(7)，远心镜头(8)、CCD相机(9)，图像采集卡(10)；其特征在于其特征在于：
光纤激光器(4)上激光烧蚀头(5)，安装磨床(7)带动成型砂轮(6)转动，远心镜头(8)竖直放置于成型砂轮(6)右上方，并且远心镜头(8)光轴与成型砂轮外周相切，且切点正好处于远心镜头的焦点位置；
背光源(2)位于远心镜头(8)的右下方，CCD相机(9)和远心镜头(8)通过接口连接在一起，组成一个图像采集***；
图像采集卡(10)通过信号线与CCD相机(9)连接，计算机(1)接收来自图像采集卡(10)的数据，对成型砂轮(6)边缘轮廓信息进行处理、并提取出轮廓特征信息，然后与标准的成型砂轮边缘轮廓特征进行相似度比对，检测出被修整成型砂轮的缺陷区域，计算机(1)依次计算出待成型砂轮误差余量，进行实时补偿，自动规划激光修整成型砂轮运动轨迹并生成相应的NC控制指令；
激光烧蚀头(5)安装固定三维移动台(3)上面，并水平放置于砂轮的左边，计算机(1)控制三维移动台(3)，使激光烧蚀头(5)能够沿着x、y、z三个方向上预定的轨迹进行运动。
2.根据权利要求1所述的基于投影***廓检测激光修整成型砂轮装置，其特征在于：计算机1能够对光纤激光器2的功率密度和脉冲频率进行控制。
3.根据权利要求1所述的基于投影***廓检测激光修整成型砂轮装置，其特征在于：通过CCD相机拍摄成型砂轮轮廓照片，并判断提取出的成型砂轮轮廓是否合格；如果不合格，计算机将再次输出相应的数控控制信号控制激光烧蚀头完成对应激光修整过程。
4.一种基于视觉检测检测激光修整成型砂轮装置修整砂轮的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：首先将砂轮安装在磨床上，并将磨床调整到预设的转速；
步骤2：通过计算机启动光纤激光器发射激光，并设置激光修整参数，使激光烧蚀头发射激光束照射在砂轮表面；
步骤3：三维移动台接受来自计算机NC控制指令，带动激光烧蚀头沿着激光修整成型砂轮轨迹进行运动，使聚焦后的激光光斑沿着成型砂轮的轴向和径向方向进行移动，实现对成型砂轮粗修整；
步骤4：打开背光源，使背光源能够照射在成型砂轮的切向轮廓面上，并启动CCD相机实现对成型砂轮的切向边缘轮廓的图像采集；
步骤5：图像采集卡接收来自CCD相机的信号，通过数字采样之后，转换成数字图像信号；
步骤6：计算机接收来自图像采集卡的数字图像信号，并完成图像去噪预处理工作；
步骤7：计算机对经过数字滤波等预处理的图像进行分割和边缘提取，将成型砂轮的切向轮廓的边缘信息提取出来，并且转换为相应的矢量图；
步骤8：计算机将提取出来的成型砂轮边缘轮廓特征匹配到特定坐标系内。
步骤9：计算机将提取出的成型砂轮边缘轮廓特征与提前加载到坐标系内标准的成型砂轮轮廓特征进行相似度比对，判断被检测成型砂轮边缘轮廓形状是否达到预定的修整形状精度要求，如果已经达到预期精度要求，则完成本次激光修整成型砂轮过程，反之，将继续进行成型砂轮的精修整过程。
5.根据权利要求4所述的基于视觉检测检测激光修整成型砂轮装置修整砂轮的方法，该步骤1中，将调节磨床转速设置为300r/min，使其带动砂轮以300r/min的速度匀速转动。
6.根据权利要求4所述的基于视觉检测检测激光修整成型砂轮装置修整砂轮的方法，该步骤2中，该步骤中将光纤激光机的平均功率设置为100W，重复频率设置为50khz。
7.根据权利要求4所述的基于视觉检测检测激光修整成型砂轮装置修整砂轮的方法，该步骤4中，被检测成型砂轮放置于远心镜头的左下方,同时使成型砂轮的圆周和远心镜头的光轴相切，并且使切点位于远心镜头的焦平面位置上，使CCD相机能够采集图像，完成成型砂轮的切向边缘轮廓的图像采集。
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