毕业设计论文数字图像刀具测量机的设计论文.docx

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毕业设计论文数字图像刀具测量机的设计论文

1前言

目前数控加工技术的精度已达到微米级,这就对刀具精度要求越来越高。

在数控加工过程中，我们需要将所用刀具的尺寸参数，如刀具的长度、直径等，输入到数控系统中，以减少机床撞刀的可能,降低工件的废品率,从而提高机床的加工效率和精度。

传统的刀具测量有试切法、投影法和线阵CCD测量法，这些测量方法都存在效率低、可靠性差的缺点。

为了满足数控加工的需要，研制高精度，高效率刀具测量系统是非常必要的。

1.1国内外刀具预调仪研究现状

1.1.1国外研究现状

目前国外大多数国家，特别是德国，都拥有多种不同型号的基于图像处理的计算机检测技术的刀具测量产品。

这些基于图像处理技术的刀具测量机基本都是通过面CCD摄像机采集刀具图像送入计算机进行处理，这种处理方法不但能迅速进行瞄准测量，而且还能形成相应的刀具信息库从而便于对刀具进行管理。

在制造方面，这些机器也采用了很多先进的制造加工技术，如采用铸铁机体，其刚性好，稳定性好，所以能够降低刀具测量误差提高精度。

图1.1是德国ZOLLER公司的一种产品，其优点是精确可靠，快捷方便，刀具的加紧和分开是通过薄膜按键实现，操作界面图形化和刀具测量程序专用化都使测量软件易学易用。

其采用CCD数字摄像以及Saturn影响处理技术可自动识别刀具切削刃形状，当被测刀具的切削刃进入摄像区域，切削刃的几何参数如长度和半径即可被自动测量出。

该机器能够实现微米级的测量精度，能够消除操作者的人为误差。

图1.2是德国凯狮公司生产的KALIMAT系列刀具测量机的一款。

这是该公司推出的高端立式刀具测量机之一，可以满足最高标准的测量要求，采用模块式高精度主轴，拉紧方式与机床相同，可安装各种型号的高精度模块式转换套，具有目前世界上最先进的技术性能。

图1.1德国ZOLLER公司产品图1.2德国凯狮KALIMAT系列刀调仪

1.1.2国内研究现状

虽然目前我国正在快速引进刀具测量系统的先进技术。

但我国大部分的刀具测量系统仍然停留在机械光学投影式，这种测量方法主要是依靠人眼通过影屏将刀具放大后进行瞄准测量。

比如天津的DTJⅡ1540型刀具预调测量仪（图1.3），其在使用时将刀尖轮廓成像到固定的投影屏上，利用光学投影屏的十字线对刀具进行瞄准，从而完成刀具在机床坐标系中X、Y向两极值点的测量。

这种依靠人眼的测量会带来主观误差，而且测量速度也相对比较低，测量的效率不高，同时刀具测量的数据还需要经过人工整理后才能形成刀具库信息，因此光学投影式瞄准的刀具预调测量仪系统已不能适应目前高速发展的数控机床及数控加工中心的测量要求。

图1.3天津的DTJⅡ1540型刀具预调测量仪

综上所述，目前国内对于刀具预调仪的研究与国外还有一定的差距，国外的先进不仅在于它利用了数据图像识别技术，将刀具轮廓通过摄像机直接成像并转化为数据形式，利用计算机直接识别处理，消除了人为的主观误差，而且测量结果还可以不需要人为整理就可以直接形成刀具库信息，测量效率大大地提高。

国内的测量技术不仅远远落后于此，而且对于此类的技术的研究也比较少。

基于此，本文将对数字图像刀具测量机进入相对深入的研究。

1.2数字图处理刀具预调仪研究开发意义

先进技术的发展日新月异，测量技术也应该适应这种发展，精密测试技术在机械科学中的作用是为先进制造技术所服务，担负起质量技术保证的重任。

刀具预调仪的研究开发正是服务于先进数技术的发展。

由于光电系统能充分发挥光学与电子两方面技术的优越性，所以在生产过程中的自动监控、图像分析、信息处理传输、能源利用等各个领域发挥着越来越重要的作用。

因此，现代化的生产和科学实验迫切要求开发更多的光、机、点、算一体化的非接触测量仪器和设备。

数字图像刀具测量技术就是一种先进的非测量技术。

它通过摄取被测目标的图像，利用数字图像技术进行分析，从而得到被测刀具的结构尺寸。

在刀具测量过程中，利用图像测量技术，通过选取高精度的摄像系统，并采取先进的图像处理方法，可以对刀具进行高精度测量，避免人为的差错，利用图像处理软件还可实现刀具测量的自动化，大大减少了刀具测量的时间，从而提高了测量效率和加工效率。

综上所述，数字图像刀具测量机具有良好的应用前景，研制该系统将会产生一定的经济效益。

1.3本课题研究内容

本课题的研究目的是实现数控加工中心刀具几何参数（长度、直径等）的机外非接触自动测量，并将其形成刀具库信息反馈给机床控制系统，以便机床进行精确对刀。

该课题中本人将研究一下内容：

（1）确定数字图像刀具测量机的整体方案，包括系统整体架构、硬件设计等方案。

（2）斜轮传动机构的设计。

（3）确定数字图像处理的算法，包括图像预处理、轮廓跟踪等。

（4）确定系统的数据输入输出接口电路的设计方案。

（5）确定测量系统的误差源，并从理论上对实际测量结果的精度进行分析。

2数字图像测量机总体设计

本章依据数字图像刀具测量机系统的各部分组成以及作用的情况，将仪器系统划分成三大部分：

机械系统，光电系统和软件系统。

下面依据设计指标和设计的原理对各组成部分进行具体分析设计。

刀具预调的测量原理是：

由CCD摄像机采集刀具图像，经过光电转换后，再通过图像采集卡把信号实时传输到计算机中，在通过相应的软件，由计算机对被测刀具图像进行处理，最终确定刀具参数，显示出来。

2.1设计指标

2.1.1设计指标

在非接触情况下，在X×Z为350mm×400mm行程内，实现对数控加工中心刀具的长度、半径以及角度等几何参数的测量与调整。

要求测量过程可视化，测量结果要求显示和打印。

测量结果的精密度为±0.002mm。

2.1.2指标分析

（1）非接触状态

即在非加工状态中，将数控加工刀具取出刀库，在相对静止的状态下对其进行测量。

这样便于获得测量的相对较高的测量精度，也能缩短测量时间，提高测量效率。

（2）刀具固定，摄像机移动

采用支架固定刀具的水平和竖直方向，刀具固定。

将摄像机安装在滑块上，通过移动滑块来调节摄像机的位置，使得刀具能够处于合适的相对位置。

（3）刀具几何参数

本设计的刀具测量机所测量的刀具几何参数包括刀具长度和半径。

这些参数具有二维特性，可将这些特征放在同一个平面上对其进行测量。

（4）快速移动与微调移动

本设计对于成像单元的移动分为快速移动和微调移动。

快速移动速度相对比较快，实现大距离的移动，当刀刃进入成像区域就需要进行手动微调，微调目的在于寻找成像的最佳清晰点。

（5）自动测量

自动测量需要测量系统具备自动智能特征，自动测量可以避免人为的主管误差。

同时自动测量还需要选择一个合适的测量方法尽量减少人员在测量过程中的参与，从而可以增加其精确性。

（6）测量误差

本设计中所要求的测量误差在±0.002mm。

它表示在多次测量中其所有的测量结果变动范围都在±0.002mm。

它表示系统测量的可靠性。

2.2机械系统

机械系统是刀具预调仪的主体，主要是用于保证成像部件的定位和固定和被测刀具的固定。

本文设计刀具预调仪是将刀具固定在夹持器上而成像部件位置能够调节改变。

主要由立柱和底座组成。

其三维设计如下图2.1、2.2所示：

图2.1底座三维设计模拟

图2.2立柱三维模拟

2.2.1底座的设计

如图3所示，底座为仪器基础部分主要由导轨、光杆、微调齿轮传动机构、气动锁紧装置组成。

实现系统X轴方向的移动。

X轴方向的移动有快速移动和微调移动。

当按住去连锁按钮就可以打开气缸，解除锁住阻力，用手动就可以实现X方向的快速移动。

当需要微调时，可以利用快速调节手柄，利用齿轮传动和带齿轮传动实现光杆的转动，从而实现其X方向移动。

2.2.2立柱的设计

立柱是实现成像系统Z向定位的部分。

主要有导轨、微调齿轮传动机构、光杆、配置块和与CCD摄像机连接的气动锁紧装置组成。

其调节方式同X轴的调节方式相同。

通过配置块将气动锁紧装置连接起来，当打开去连锁装置就可以实现快速移动。

通过手轮实现微调。

2.2.3X、Y方向气动动力设计

X、Z方向移动采用的是气压传动控制。

这是由于气压传动具有以下优点：

（1）工作介质是空气，它来源方便，取之不尽，用之不竭，使用后直接排入大气而无污染，不需要专门的设置和回收装置。

（2）空气的粘度较小，所以流动时压力损失较小，节能，高效，适用于集中供气和远距离输送。

（3）动作迅速，反应快，调节方便，维护简单，系统有故障时容易排除，无神秘感。

（4）工作环境适应性好。

特别适合在易燃、易爆、潮湿、多尘、强磁、振动、辐射等恶劣环境下工作，排气不污染环境。

（5）成本低，具有过载保护功能。

气动设计图如下图2.3所示：

图2.3X、Z轴气动设计图

本设计气泵选择静音空气压缩机其参数如下：

表1气泵参数

型号：

550H-9

工作压力：

0.75MPa

功率：

0.55kw

储气容积：

9L

转速：

1440r.p.m

排气量：

110L/min

2.2.4斜轮传动机构

常见的将转动转化成直线运动有：

螺杆螺母、齿轮齿条、凸轮顶杆机构和曲柄滑块机构等。

本设计采用的是斜轮传动机构来实现将转动转化成直线运动。

由设计指标，本装置要实现成像部分快速移动和微调移动两种定位结合的定位方式。

螺杆螺母传动机构相对而言有一定的缺点：

1、不能采用气动动力，不利于快速移动和微调的同时设计；2、螺母螺杆传动的加工比较困难；3、螺杆螺母传动需要加润滑油，易计入灰尘，加剧磨损，不利于精密测量的要求。

而本设计不需要有准确的传动比，故可以采用斜轮传动机构。

斜轮传动机构是一种利用光轴和斜轮实现旋转运动转化为直线运动的机构，不仅能避免上述螺杆螺母的缺点而且还具有过载保护、微米级移动、正反向微动时无间隙无空回、开合顺畅、不产生卡滞等的优点。

其原理如下：

当两个摩擦滚轮轴线不平行而成一个角度α时，此时两摩擦轮的相互作用力就不是沿两轮作用点处与轴线垂直的切线方向，而是成一个角度，即有一个沿轴线方向的分力，如图2.4，利用这个分力就可以使得旋转运动转化为直线运动。

图2.4斜轮传动原理图

本设计要求既要能实现快速移动，又要能实现微调定位，结合上述气动传动的优点，故可将斜轮传动机构与气动传动结合起来，设计图如下图2.5所示当需要快速移动时，打开气阀即按住去连锁按钮，使气体通入，推动顶杆，此时就可撑开压紧的斜轮，用手动即可轻松将其沿光杆移动。

当松开气阀，由于弹簧力的作用，作为斜轮的轴承又将光杆压紧，此时不可轻松移动机构，但可以转动光杆，由上述原理，六个轴承由于有向上的分力，即可使机构沿着光杆直线移动。

图2.5斜轮机构装配图

光杆转动时,斜轮即轴承的移动量与其倾斜角α和光杆的直径有关，机构导程为。

本设计D=10mm，倾斜角α虽然在实际加工中不容易控制，但大约可控制在3°以内。

故每转动手柄一周就可以将斜轮的移动量控制住1.65mm，从而实现了微调的作用。

2.3光电系统

光电系统为数字图像刀具测量机的工作过渡单元，是实现刀具准确测量的重要前题。

主要有照明系统、成像系统、图像采集卡和控制电路模块等组成组成。

其作用有:

1、提供光源，为被测刀具提高均匀的光线照明；2、获取准确的被测刀具的图像；3、将图像转化为数据传输到工控机中待进一步处理。

2.3.1光源

数字图像刀具测量机首先是需要将刀刃部分（即待测量部分）通过摄像机进行成像，为了提高成像效果，就需要提供一种高亮度、均匀和稳定的光源。

常用的图像检测光源有白炽灯、闪光灯、钠灯、荧光灯、氖灯、LED、激光二极管、石英卤素灯、钨灯等。

光源对图像检测系统的质量影响很大，有诸多要求。

综合比较，LED灯光源寿命长，稳定性强，具有高速闪光能力，可以保证图像系统能够长时间地获得稳定的图像输入。

本设计选取LED光源。

2.3.2CCD摄像机

目前CCD成像系统有两种，一种是CCD相机，一种是CCD摄像机。

由于CCD相机主要用于静态景物拍摄，不适合实时监测刀具图像