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基于机器视觉的车床主轴径向跳动误差测量方法研究

2020年03月06日14:26
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       摘 要: 非接触测量是解决主轴在线测量的途径。为此研究一种机器视觉系统用于机床主轴径向跳动误差的测量。该系统由面阵 CCD 相机、镜头、光源、计算机和图像处理软件组成。CCD 传感器记录主轴边缘点的跳动图像,经过图像数据处理得到边缘点的跳动数值。设计长像距镜头,使得物象比例接近 1,结合亚像素定位算法,提高边缘实际定位精度。经过分析验证,系统测量得到的径向跳动误差达亚微米级。表明该方法可以用于检测机床径向跳动精度,适用于转速较低的加工机床主轴跳动误差在线测量。
  
       关键词: 主轴; 径向跳动误差; CCD; 亚像素

       主轴是机床整机系统中极其重要的部件,对于主轴的研究、测试及实验[1-3],就是为了主轴系统能达到基本设计要求。机床主轴的运动误差是评价机床动态性能的一项重要指标,直接影响其加工工件的几何精度和表面粗糙度。对于机床主轴径向跳动误差的测试,可以判断机床在理想加工条件下的加工精度等级。测试结果在线反馈给数控系统则能够部分补偿回转误差带来的精度损失。因此主轴径向跳动误差测试方法一直为广大学者和工程技术人员所关注。

       在 20 世纪 60 年代,日本的大园成夫提出了基于三点法测量回转误差,即对安装在主轴上的标准球进行单点或多点测量,采集的数据受到标准球的安装和形状误差的干扰,需进行误差分离才能得到主轴回转误差,其关键技术在于误差分离[4-7]。基于误差分离技术的传统测量方法很多,基本以圆度误差检测与误差分离方法应用最广,随着现代测量技术的发展已经相当完善。基于机器视觉的测量方法,尽管精度相对较低,但是其非接触测量,测量系统结构简单,为部分研究人员所关注,并设计了一些机器视觉方法测量主轴回转误差的系统,通过在主轴上设置标志点,实现离线的主轴回转误差测量[8-9]。
  
       本文在此基础上提出边缘聚焦测量主轴跳动误差,并且可以在线进行该误差测量。

  
       1 、测量原理
  
       主轴的跳动误差从宏观表象即是主轴绕轴线转动过程中存在一定的跳动,该跳动可以从主轴边缘的跳动观察到。因此只需要能观察到边缘跳动的数据,即可计算得到主轴跳动的误差。机器视觉是模拟人眼观察外界场景的变化,主轴的跳动测量可以转化为主轴边缘图像的测量,通过测定主轴在回转过程中主轴边缘位置的变化得到跳动误差。

       摄像机成像测量基本原理是针孔成像,即物像关系满足高斯公式( 1) :

  
     
  
       相机拍摄的物距一般远大于像距,因此往往成像要比实际物体小,为了获得边缘的高精度定位,需要增加像距,则物距变短,对应的景深也会减小。经过测算,物距与像距相等时,景深值大约 2 mm 左右,所以在构建测量系统时,调整镜头与物像位置将比较困难。

       2 、实验系统构建
  
       系统结构图如图 1 所示。

  
  
       实验系统由机床,平行投影光源,面阵 CCD 摄像机和带数据处理软件的计算机组成。CCD 摄像机采用高速相机,能抓拍主轴旋转时的清晰图像; 镜头在标准 50 mm 镜头的基础上增加增距环,使得像距 150mm,这样使得 CCD 相机能成清晰的像时,物距也接近80 mm,物像放大率接近 1。照明采用背光投影方式,可以保证主轴边缘与背景有最大的对比度,便于实现边缘的高精度定位。即使得相机与单色平行光源布置于标准心轴两侧,调节相机的位置和镜头焦距,将成像共轭平面调整至主轴最大直径边缘位置,拍摄主轴边缘图像如图 2 所示。

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