基于機(jī)器視覺輔助測(cè)量的精密電火花刻傷方法與系統(tǒng)

王 閩， 湯 恒, 汪圣涵， 洪 寧， 康宜華,2

(1.華工制造裝備數(shù)字化國(guó)家工程中心有限公司,湖北 武漢 430074； 2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074； 3.鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山 114001)

在無(wú)損檢測(cè)中，通常需要加工具有標(biāo)準(zhǔn)刻槽的對(duì)比樣件，其中平底槽型缺陷多用于驗(yàn)證設(shè)備檢測(cè)裂紋類缺陷的能力，是一種非常重要的標(biāo)準(zhǔn)刻槽樣式，通常由激光加工、機(jī)械加工或電火花加工等方式獲得。其中，電火花加工作為一種特種加工方式，在高硬度、高強(qiáng)度材料上以及在復(fù)雜、微小的表面進(jìn)行刻傷作業(yè)時(shí)有著良好的表現(xiàn)，在刻槽制作方面應(yīng)用最為廣泛[1-2]，例如：北京德源博匯科技有限公司研制的DYBH-NEW-II型電火花刻傷機(jī)，能夠滿足微小刻槽的制作[1]；天津鋼管制造有限公司研制的一款電火花刻傷機(jī)如圖1所示，能夠在小口徑鋼管中實(shí)現(xiàn)特殊平底孔的制作；武漢華宇一目檢測(cè)裝備有限公司開發(fā)的HYEDM-I型數(shù)控電火花刻傷機(jī)如圖2所示，能夠?qū)?nèi)徑大于60 mm的鋼管進(jìn)行刻傷作業(yè)，深度方向誤差不超過5%。

圖1 電火花刻傷機(jī)

圖2 數(shù)控電火花刻傷機(jī)

通常采用電火花加工的刻槽在長(zhǎng)度和寬度方向的精度良好，但由于刻傷過程中刀片電極會(huì)產(chǎn)生損耗，導(dǎo)致刻槽在深度方向的精度通常難以保證。而多數(shù)無(wú)損檢測(cè)方法的缺陷深度與檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度直接相關(guān)，因此得到精確深度尺寸的缺陷非常關(guān)鍵。目前，在刻傷過程中，一般通過建立電熱模型預(yù)測(cè)端部損耗，調(diào)節(jié)電機(jī)進(jìn)給量實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償[3]，同時(shí)結(jié)合人工目檢的方法來(lái)解決端面損耗問題，此方法補(bǔ)償精度較低(3%～5%)，不易操作和理解，且人工目檢帶來(lái)的人為誤差大、工作效率低。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種利用機(jī)器視覺測(cè)量刀片損耗量來(lái)輔助電火花刻傷的方法，并開發(fā)了一套基于此方法的系統(tǒng)。利用機(jī)器視覺測(cè)量刀片輪廓尺寸并補(bǔ)償電機(jī)進(jìn)給量及監(jiān)測(cè)刀片輪廓狀態(tài)，保證刻槽的尺寸公差和形狀公差。

1 原理

1.1 電火花刻傷時(shí)刀片的損耗分析

電火花刻傷時(shí)，主要運(yùn)動(dòng)方向垂直于工件表面。由于尖端放電效應(yīng)，刻傷過程中刀片底部和兩側(cè)棱邊產(chǎn)生的損耗明顯大于其他部位[4-5]。底部損耗將導(dǎo)致刻槽深度不足；兩側(cè)的損耗則影響刻槽邊緣的形狀，損耗逐漸積累將影響刀片底部輪廓的直線度，也容易產(chǎn)生不對(duì)稱圓角影響刻槽形狀，如圖3所示。因此，為保證刻槽的加工精度，在刻傷過程中需實(shí)時(shí)對(duì)刀片的尺寸和輪廓進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[6-8]，在刻槽制作時(shí)允許在槽根處有一定規(guī)格的圓角，因此本文的研究重點(diǎn)為刀片底部邊緣的直線度與損耗。

圖3 正常刀片和圓角不對(duì)稱刀片的形狀對(duì)比

1.2 單層大切深分步刻傷方法

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[6-8]，人工刻傷深度通常不超過1.5 mm，為了保證刻傷深度和形狀，提出一種基于機(jī)器視覺輔助測(cè)量的單層大切深分步刻傷方法，該方法的工作原理如圖4所示。主要設(shè)備包含相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、伺服電機(jī)和電火花加工刀片。

圖4 刻傷機(jī)工作原理圖

刻傷時(shí)，單層切深值是一個(gè)重要參數(shù)，切深值過小則刻傷效率低且累計(jì)誤差大，切深值過大則影響殘?jiān)懦?，降低刻傷精度。在不采用等損耗加工方式下，200 μm的單層切深值可以得到較好的刻傷效果[9]。

由于刻傷刀片通常長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度，等損耗加工方法難以應(yīng)用，為了控制刀片的兩側(cè)損耗，采用機(jī)器視覺輔助測(cè)量的方法。單次刻傷完成后，抬刀至刀片底部完全高于工件表面，由機(jī)器視覺系統(tǒng)測(cè)量刀片底部邊緣的形狀公差并進(jìn)行損耗評(píng)估，合格則繼續(xù)下一次刻傷，不合格則對(duì)刀片進(jìn)行修形后再繼續(xù)刻傷，控制刀片的兩側(cè)損耗以確保人工缺陷的形狀公差。同時(shí)機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)也對(duì)刀片整體高度進(jìn)行測(cè)量，若底部損耗使刀片尺寸超出公差范圍，根據(jù)測(cè)量值調(diào)整電機(jī)進(jìn)給量再進(jìn)行刻傷作業(yè)，以此保證人工缺陷的深度。

傳統(tǒng)的電火花刻傷通過脈沖計(jì)數(shù)或電機(jī)編碼器反饋控制刀片進(jìn)給量，但兩種方法均存在原理上難以避免的誤差?？虃麜r(shí)，利用機(jī)器視覺直接測(cè)量刀柄的位置，經(jīng)過數(shù)據(jù)計(jì)算和處理后作為下一階段電機(jī)控制的位置輸入，可以進(jìn)一步提高深度方向的加工精度。

1.3 機(jī)器視覺輔助測(cè)量方法

在上述方法中，機(jī)器視覺輔助測(cè)量是保證加工精度的核心步驟，測(cè)量的核心部件為安裝有遠(yuǎn)心鏡頭的工業(yè)相機(jī)，并開發(fā)了一種基于輪廓擬合的直線度、平行度和距離測(cè)量算法實(shí)現(xiàn)對(duì)刀片損耗的判斷。

測(cè)量時(shí)相機(jī)采集圖片如圖5(a)所示。圖片中主要包含刀片和刀柄2個(gè)部分，其中在刀柄的底部設(shè)計(jì)一條用于測(cè)量刀片損耗的測(cè)量基準(zhǔn)線。在圖片中選取包含全部刀片特征和基準(zhǔn)線特征區(qū)域?yàn)楦信d趣區(qū)域(Region of Interest,ROI)。圖中定義了X和Y方向坐標(biāo)系，其中Y方向?yàn)榈镀M(jìn)給方向，X為刀片長(zhǎng)度方向，坐標(biāo)原點(diǎn)放置在ROI最左下角。

在ROI中，利用灰度值差異將刀片與刀柄基準(zhǔn)線分離，再利用Canny算子依次識(shí)別上述兩部件的邊緣并獲取邊緣線坐標(biāo)點(diǎn)集，并將刀片和刀柄基準(zhǔn)線坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為圖5(b)中所示的坐標(biāo)系中。系統(tǒng)使用遠(yuǎn)心鏡頭避免圖像局部畸變，保證圖片中的像素點(diǎn)大小與實(shí)際尺寸存在唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際距離的求解。

圖5 相機(jī)采集及處理后圖片

對(duì)于刀片坐標(biāo)點(diǎn)集，首先求解下邊緣的直線度。直線度求解算法依據(jù)最小二乘評(píng)定法。首先根據(jù)點(diǎn)分布密度自動(dòng)定位處理區(qū)域1；在區(qū)域1中，再利用基于密度的聚類算法DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)，設(shè)置合適的掃描半徑和最小包含點(diǎn)數(shù)剔除區(qū)域1中可能存在的噪點(diǎn)；最后使用最小二乘法得到剩余數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合直線，并求解各點(diǎn)與該直線的Y軸坐標(biāo)偏差作為判定直線度的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)擬合所得下邊緣線方程，求解與X軸的夾角，得到下邊緣線的平行度。

求解刀片底部和刀柄基準(zhǔn)線之間的距離主要利用各點(diǎn)集中Y軸坐標(biāo)。由于刀柄回位誤差較小，首先在圖片中設(shè)置固定的區(qū)域2，剔除區(qū)域2中的刀片豎直邊緣后求解刀柄基準(zhǔn)線的Y軸坐標(biāo)均值，再求解區(qū)域1中下邊緣線的Y坐標(biāo)均值，得到兩條平行于X軸的直線方程，兩方程的Y軸坐標(biāo)差dhb即為刀片底部到刀柄基準(zhǔn)線的距離，求出刻傷前后dhb的差值Δdhb即為刀片的損耗量。

2 刻傷機(jī)系統(tǒng)

2.1 刻傷機(jī)系統(tǒng)動(dòng)作設(shè)計(jì)

刻傷機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)作流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)動(dòng)作流程圖

刻傷動(dòng)作劃分為初始校準(zhǔn)、刻傷執(zhí)行和測(cè)量反饋3個(gè)步驟?？虃麍?zhí)行步驟采用1.2節(jié)中的刻傷方法。每層刻傷結(jié)束后進(jìn)入測(cè)量反饋步驟，測(cè)量刀片底部直線度和平行度是否在公差范圍內(nèi)并計(jì)算本層刀片損耗和刻槽總深度。測(cè)量反饋步驟結(jié)束后，將刀片損耗量代入到下一層的單層刻傷深度的計(jì)算中進(jìn)行下一層的刻傷作業(yè)。重復(fù)上述過程直至刻傷完成。

初始校準(zhǔn)包括對(duì)刀校準(zhǔn)和外形校準(zhǔn)。對(duì)刀校準(zhǔn)測(cè)量刀片的直線度以及與工件表面是否平行，外形校準(zhǔn)測(cè)量刀片棱邊的直線度及圓角弧度，若兩側(cè)圓角對(duì)稱、底部邊緣直線度在公差范圍內(nèi)則進(jìn)入刻傷階段；不合格則直接進(jìn)入修刀動(dòng)作，之后重復(fù)校準(zhǔn)流程。

刻傷執(zhí)行時(shí)，為了保證刻傷精度、提高刻傷速度，參考機(jī)械加工中的粗加工與精加工方式，將整個(gè)刻傷過程分為以下兩個(gè)階段。

(1) 快速刻傷階段。

該階段參考機(jī)械加工中的粗加工方式，每層加工時(shí)的單層刻傷深度hi為

hi=hs1+Δdhb

(1)

式中：hi為該層的單層刻傷深度(mm)，即該層需要加工的深度；hs1為粗加工的單層設(shè)定刻傷深度(mm)，其數(shù)值為目標(biāo)刻傷深度H的20%，最大不超過200 μm；Δhhb為上一層刻傷執(zhí)行完成后測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的刀片損耗量(mm)，對(duì)于第1層，取Δdhb=0。

粗加工時(shí)，系統(tǒng)將每一層的單層刻傷深度hi進(jìn)行累加，根據(jù)以下公式計(jì)算出粗加工剩余目標(biāo)深度sR(mm)為

sR=H-∑hi

(2)

式中：H為目標(biāo)刻傷深度(mm)。

(2) 精密刻傷階段。

當(dāng)粗加工剩余目標(biāo)深度滿足：

sR≤hs1

(3)

系統(tǒng)進(jìn)入精密刻傷階段。該階段參考機(jī)械加工中的精加工方式，每層的單層刻傷深度hj和精加工剩余目標(biāo)深度sf分別為

hj=hs2+Δdhb

(4)

sf=sR-∑hj

(5)

式中:hs2為精加工的單層設(shè)定刻傷深度(mm)，滿足下式且最大值不超過0.05 mm：

(6)

當(dāng)sf小于測(cè)量精度時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為刻傷作業(yè)完成，停止刻傷。之后系統(tǒng)將會(huì)計(jì)算加工的刻槽總深度D為

D=∑hi+∑hj+Δh

(7)

式中：D為刻傷作業(yè)完畢后的計(jì)算刻槽深度(mm)；Δh為系統(tǒng)補(bǔ)償值(mm)，只與目標(biāo)刻傷深度H有關(guān)。

2.2 刻傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于視覺輔助測(cè)量的電火花刻傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括刻傷模塊和測(cè)量模塊。

圖7 基于視覺測(cè)量的電火花刻傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

刻傷模塊包括編碼器步進(jìn)電機(jī)(伺服電機(jī))、刀柄、刀片、控制器，執(zhí)行進(jìn)刀、退刀動(dòng)作。模塊中的電機(jī)控制框圖如圖8所示。采用測(cè)量模塊中的工業(yè)相機(jī)反饋刀片位置，使電機(jī)位置反饋精度和刀片損耗測(cè)量的精度一致；閉環(huán)電機(jī)的編碼器用于反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速，用于調(diào)整進(jìn)刀速度，保證電火花的打火質(zhì)量。

圖8 電機(jī)控制框圖

測(cè)量模塊包括工業(yè)相機(jī)、信號(hào)采集器和計(jì)算機(jī)，主要執(zhí)行位置反饋、刻槽深度測(cè)量和刀片損耗量測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

使用第2節(jié)中設(shè)計(jì)的刻傷系統(tǒng)對(duì)平整鋼板樣件進(jìn)行刻傷作業(yè)。鋼板樣件尺寸為199 mm×60 mm×9 mm，表面銑平后磨削，保證待刻傷表面的平面度為0.01 mm。系統(tǒng)所使用的相機(jī)為大恒MER-1520-7GC-P工業(yè)相機(jī)，像元尺寸1.4 μm；使用的鏡頭為基恩士遠(yuǎn)心鏡頭CA-LM0510，放大倍率為1.0；使用厚度為0.5 mm的石墨片作為刻傷電極，長(zhǎng)10 mm?？虃戤吅髽?biāo)記出刻槽并編號(hào)，如圖9所示。

3.1 刀片損耗計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)中，使用刻傷系統(tǒng)對(duì)樣件進(jìn)行多次刻傷，每次刻傷的輸入刻槽深度分別為0.1 mm和0.2 mm?？虃昂缶褂们Х直碓诘侗钭髠?cè)、中間和最右側(cè)測(cè)量刀片底部到基準(zhǔn)線的距離，并將對(duì)應(yīng)位置的刻傷前后的測(cè)量數(shù)值做差后求平均值作為刀片磨損的千分表測(cè)量值(即實(shí)測(cè)值)。本實(shí)驗(yàn)刻槽為圖9中右側(cè)方框中的刻槽，從左至右依次編號(hào)為1～5。表1為刀片損耗計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致性實(shí)驗(yàn)記錄表。

表1 刀片損耗計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致性實(shí)驗(yàn)記錄表 單位：mm

3.2 計(jì)算深度和實(shí)測(cè)深度一致性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)中，使用刻傷機(jī)對(duì)樣件進(jìn)行多次刻傷，并記錄系統(tǒng)的計(jì)算刻槽深度D；刻槽加工完畢后，使用基恩士LJX-8080線激光測(cè)距儀測(cè)量各刻槽深度x，其在Z軸方向上重復(fù)精度為0.5 μm，如圖10所示。本實(shí)驗(yàn)刻槽為圖9中左側(cè)方框中的刻槽，從上至下依次編號(hào)為6～8。計(jì)算深度和實(shí)測(cè)深度一致性實(shí)驗(yàn)記錄如表2所示。本實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)刻傷深度設(shè)定為0.5 mm，為漏磁探傷國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小外傷深度。

圖10 刻槽激光掃描示意圖

表2 計(jì)算深度和實(shí)測(cè)深度一致性實(shí)驗(yàn)記錄表 單位：mm

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.3.1 刀片損耗計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致性實(shí)驗(yàn)分析

由表1可以看出，當(dāng)輸入刻槽深度在0.1 mm以上時(shí)，使用本文中的刻傷系統(tǒng)計(jì)算出的刀片損耗量與實(shí)際測(cè)量的刀片損耗量的誤差均在±5 μm以內(nèi)，證明在輸入刻槽深度大于0.1 mm時(shí)，本刻傷系統(tǒng)能夠有效地測(cè)量出刀片的損耗量。

針對(duì)刻槽深度在0.1 mm以下時(shí)的刀片損耗量的測(cè)量，可以通過更換具有更小的像元尺寸的相機(jī)或更高放大倍率的鏡頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3.2 計(jì)算深度和實(shí)測(cè)深度一致性實(shí)驗(yàn)分析

由表2可以看出，使用本文的刻傷方法制作的0.5 mm刻槽，系統(tǒng)測(cè)量值和實(shí)測(cè)值的差分別為-7 μm、-5 μm和9 μm，且均在(0.5±0.01) mm范圍內(nèi)，具有較好的一致性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于視覺測(cè)量的電火花刻傷方法，并基于此刻傷方法設(shè)計(jì)出了一套電火花刻傷系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中，使用該刻傷系統(tǒng)加工深度在0.1 mm以上的刻槽時(shí)，其計(jì)算的刀片損耗量和實(shí)際測(cè)量值的誤差在±5 μm以內(nèi)；且使用該刻傷系統(tǒng)加工完刻槽后，系統(tǒng)的測(cè)量值和實(shí)際測(cè)量值的誤差在±10 μm以內(nèi)。