基于机器视觉辅助测量的精密电火花刻伤方法与系统_王闽.pdf

计算机与控制系统测控技术2023 年第 42 卷第 2 期收稿日期:2022 04 11基金项目:国家自然科学基金面上项目(51875226)引用格式:王闽，汤恒，汪圣涵，等 基于机器视觉辅助测量的精密电火花刻伤方法与系统 J 测控技术，2023，42(2):123 128WANG M，TANG H，WANG S H，et al Precise Electrical Discharge Engraving Grooves Method and System Based on Machine Vi-sion Aided Measurement J Measurement Control Technology，2023，42(2):123 128基于机器视觉辅助测量的精密电火花刻伤方法与系统王闽1，汤恒1，汪圣涵2*，洪宁3，康宜华1，2(1 华工制造装备数字化国家工程中心有限公司，湖北 武汉430074;2 华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉430074;3 鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁 鞍山114001)摘要:传统电火花刻伤机在工作时只对电机动作进行反馈，刀片损耗带来的误差通常靠人为增加进给量进行补偿，难以保证刻槽的形状与尺寸公差。为了更精确地获得刻伤过程中的刀片损耗量，提升闭环控制的电机精度，提出了一种基于机器视觉辅助测量刀片损耗的电火花刻伤方法，并依此设计了一套刻伤系统。实验中使用该系统计算出的刀片损耗量和实际测量值的误差在 5 m 以内，同时得到的刻槽实际测量深度与系统计算的刻槽深度的误差在 10 m 内。关键词:机器视觉;电火花;刻伤;刻槽;深度中图分类号:TP391文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)02 0123 06doi:10 19708/j ckjs 2022 07 276Precise Electrical Discharge Engraving Grooves Method and SystemBased on Machine Vision Aided MeasurementWANG Min1，TANG Heng1，WANG Sheng-han2*，HONG Ning3，KANG Yi-hua1，2(1 Huagong Manufacturing Equipment Digitalization National Engineering Center Co，Ltd，Wuhan 430074，China;2 School of Mechanical Science Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China;3 Ansteel Engineering Technology Corporation Limited，Anshan 114001，China)Abstract:Traditional electric discharge engraving machine only gives feedback on the motor，and usually addsthe feed rate manually to compensate for the error caused by tool loss，which is hard to guarantee the shape andthe dimension tolerance of the grooves In order to obtain the tool loss during the engraving process and improvethe motor accuracy of the closed-loop control，an electric discharge engraving method based on machine visionaided measurement is proposed and a engraving system is designed The experimental result shows that the er-ror between tool loss calculated by the system and the measured value is within 5 m，the error between thedepth of grooves calculated by the system and the measured value is within 10 mKey words:machine vision;electric discharge;engraving grooves;grooves;depth在无损检测中，通常需要加工具有标准刻槽的对比样件，其中平底槽型缺陷多用于验证设备检测裂纹类缺陷的能力，是一种非常重要的标准刻槽样式，通常由激光加工、机械加工或电火花加工等方式获得。其中，电火花加工作为一种特种加工方式，在高硬度、高强度材料上以及在复杂、微小的表面进行刻伤作业时有着良好的表现，在刻槽制作方面应用最为广泛1 2，例如:北京德源博汇科技有限公司研制的 DYBH-321NEW-II 型电火花刻伤机，能够满足微小刻槽的制作1;天津钢管制造有限公司研制的一款电火花刻伤机如图 1 所示，能够在小口径钢管中实现特殊平底孔的制作;武汉华宇一目检测装备有限公司开发的HYEDM-I 型数控电火花刻伤机如图 2 所示，能够对内径大于 60 mm 的钢管进行刻伤作业，深度方向误差不超过 5%。图 1电火花刻伤机图 2数控电火花刻伤机通常采用电火花加工的刻槽在长度和宽度方向的精度良好，但由于刻伤过程中刀片电极会产生损耗，导致刻槽在深度方向的精度通常难以保证。而多数无损检测方法的缺陷深度与检测信号强度直接相关，因此得到精确深度尺寸的缺陷非常关键。目前，在刻伤过程中，一般通过建立电热模型预测端部损耗，调节电机进给量实现补偿3，同时结合人工目检的方法来解决端面损耗问题，此方法补偿精度较低(3%5%)，不易操作和理解，且人工目检带来的人为误差大、工作效率低。针对上述问题，本文提出了一种利用机器视觉测量刀片损耗量来辅助电火花刻伤的方法，并开发了一套基于此方法的系统。利用机器视觉测量刀片轮廓尺寸并补偿电机进给量及监测刀片轮廓状态，保证刻槽的尺寸公差和形状公差。1原理1 1电火花刻伤时刀片的损耗分析电火花刻伤时，主要运动方向垂直于工件表面。由于尖端放电效应，刻伤过程中刀片底部和两侧棱边产生的损耗明显大于其他部位4 5。底部损耗将导致刻槽深度不足;两侧的损耗则影响刻槽边缘的形状，损耗逐渐积累将影响刀片底部轮廓的直线度，也容易产生不对称圆角影响刻槽形状，如图 3 所示。因此，为保证刻槽的加工精度，在刻伤过程中需实时对刀片的尺寸和轮廓进行测量。根据国家标准6 8，在刻槽制作时允许在槽根处有一定规格的圆角，因此本文的研究重点为刀片底部边缘的直线度与损耗。图 3正常刀片和圆角不对称刀片的形状对比1 2单层大切深分步刻伤方法根据国家标准6 8，人工刻伤深度通常不超过1.5 mm，为了保证刻伤深度和形状，提出一种基于机器视觉辅助测量的单层大切深分步刻伤方法，该方法的工作原理如图 4 所示。主要设备包含相机测量系统、伺服电机和电火花加工刀片。图 4刻伤机工作原理图刻伤时，单层切深值是一个重要参数，切深值过小则刻伤效率低且累计误差大，切深值过大则影响残渣排除，降低刻伤精度。在不采用等损耗加工方式下，200 m 的单层切深值可以得到较好的刻伤效果9。由于刻伤刀片通常长度远大于宽度，等损耗加工方法难以应用，为了控制刀片的两侧损耗，采用机器视觉辅助测量的方法。单次刻伤完成后，抬刀至刀片底部完全高于工件表面，由机器视觉系统测量刀片底部边缘的形状公差并进行损耗评估，合格则继续下一次刻伤，不合格则对刀片进行修形后再继续刻伤，控制刀片的两侧损耗以确保人工缺陷的形状公差。同时机器421测控技术 2023 年第 42 卷第 2 期视觉测量系统也对刀片整体高度进行测量，若底部损耗使刀片尺寸超出公差范围，根据测量值调整电机进给量再进行刻伤作业，以此保证人工缺陷的深度。传统的电火花刻伤通过脉冲计数或电机编码器反馈控制刀片进给量，但两种方法均存在原理上难以避免的误差。刻伤时，利用机器视觉直接测量刀柄的位置，经过数据计算和处理后作为下一阶段电机控制的位置输入，可以进一步提高深度方向的加工精度。1 3机器视觉辅助测量方法在上述方法中，机器视觉辅助测量是保证加工精度的核心步骤，测量的核心部件为安装有远心镜头的工业相机，并开发了一种基于轮廓拟合的直线度、平行度和距离测量算法实现对刀片损耗的判断。测量时相机采集图片如图 5(a)所示。图片中主要包含刀片和刀柄 2 个部分，其中在刀柄的底部设计一条用于测量刀片损耗的测量基准线。在图片中选取包含全部刀片特征和基准线特征区域为感兴趣区域(egion of Interest，OI)。图中定义了 X 和 Y 方向坐标系，其中 Y 方向为刀片进给方向，X 为刀片长度方向，坐标原点放置在 OI 最左下角。在 OI 中，利用灰度值差异将刀片与刀柄基准线分离，再利用 Canny 算子依次识别上述两部件的边缘并获取边缘线坐标点集，并将刀片和刀柄基准线坐标点转化为图 5(b)中所示的坐标系中。系统使用远心镜头避免图像局部畸变，保证图片中的像素点大小与实际尺寸存在唯一对应关系，可实现对实际距离的求解。图 5相机采集及处理后图片对于刀片坐标点集，首先求解下边缘的直线度。直线度求解算法依据最小二乘评定法。首先根据点分布密度自动定位处理区域 1;在区域 1 中，再利用基于密度的聚类算法 DBSCAN(Density-Based Spatial Clus-tering of Applications with Noise)，设置合适的扫描半径和最小包含点数剔除区域 1 中可能存在的噪点;最后使用最小二乘法得到剩余数据点的拟合直线，并求解各点与该直线的 Y 轴坐标偏差作为判定直线度的标准。根据拟合所得下边缘线方程，求解与 X 轴的夹角，得到下边缘线的平行度。求解刀片底部和刀柄基准线之间的距离主要利用各点集中 Y 轴坐标。由于刀柄回位误差较小，首先在图片中设置固定的区域 2，剔除区域 2 中的刀片竖直边缘后求解刀柄基准线的 Y 轴坐标均值，再求解区域1 中下边缘线的 Y 坐标均值，得到两条平行于 X 轴的直线方程，两方程的 Y 轴坐标差 dhb即为刀片底部到刀柄基准线的距离，求出刻伤前后 dhb的差值 dhb即为刀片的损耗量。2刻伤机系统2 1刻伤机系统动作设计刻伤机系统的动作流程如图 6 所示。图 6系统动作流程图刻伤动作划分为初始校准、刻伤执行和测量反馈3 个步骤。刻伤执行步骤采用 1.2 节中的刻伤方法。每层刻伤结束后进入测量反馈步骤，测量刀片底部直线度和平行度是否在公差范围内并计算本层刀片损耗和刻槽总深度。测量反馈步骤结束后，将刀片损耗量521基于机器视觉辅助测量的精密电火花刻伤方法与系统代入到下一层的单层刻伤深度的计算中进行下一层的刻伤作业。重复上述过程直至刻伤完成。初始校准包括对刀校准和外形校准。对刀校准测量刀片的直线度以及与工件表面是否平行，外形校准测量刀片棱边的直线度及圆角弧度，若两侧圆角对称、底部边缘直线度在公差范围内则进入刻伤阶段;不合格则直接进入修刀动作，之后重复校准流程。刻伤执行时，为了保证刻伤精度、提高刻伤速度，参考机械加工中的粗加工与精加工方式，将整个刻伤过程分为以下两个阶段。(1)快速刻伤阶段。该阶段参考机械加工中的粗加工方式，每层加工时的单层刻伤深度 hi为hi=hs1+dhb(1)式中:hi为该层的单层刻伤深度(mm)，即该层需要加工的深度;hs1为粗加工的单层设定刻伤深度(mm)，其数值为目标刻伤深度 H 的 20%，最大不超过 200 m;hhb为上一层刻