磨削表面形貌仿真及其在機器視覺粗糙度測量中的應(yīng)用

發(fā)布時間：2020-05-30 19:53

【摘要】：磨削是加工機械零件的一種重要技術(shù),而表面粗糙度是評價工件表面質(zhì)量的重要指標(biāo),直接影響工件的使用性能、壽命等,因此磨削表面粗糙度的研究與測量具有重要意義。與傳統(tǒng)磨削表面粗糙度測量方法相比,基于機器視覺的磨削表面粗糙度測量方法具有非接觸、測量范圍大、效率高等優(yōu)點,并可實現(xiàn)在線檢測,但在建立圖像指標(biāo)過程中,需要制備大量磨削樣塊用于實驗驗證,然而磨削樣塊制作費時、費力、可控性差,同時視覺實驗構(gòu)建耗時、成本較高、易受外界環(huán)境干擾等。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展,磨削表面形貌仿真成為可能,為解決磨削樣塊制作難題提供了新的途徑,同時可將仿真樣塊應(yīng)用于計算機仿真成像系統(tǒng),模擬基于機器視覺的磨削表面粗糙度測量過程,不僅可以減少現(xiàn)實實驗成本以及外界壞境的干擾,同時可提高實驗效率,縮短機器視覺粗糙度檢測系統(tǒng)的開發(fā)周期。為了對磨削表面形貌仿真及其在機器視覺粗糙度測量中的應(yīng)用進行研究,本文從仿真角度出發(fā),分別從砂輪形貌、磨削表面形貌進行仿真研究,解決了不同粗糙度等級磨削樣塊獲取較難的問題,并從定性和定量兩個角度比較仿真形貌與實測形貌,驗證了仿真方法的有效性,最后將磨削表面仿真形貌應(yīng)用于基于機器視覺的表面粗糙度測量中,通過與實際實驗對比,驗證了仿真樣塊以及仿真成像系統(tǒng)的有效性。論文主要研究工作有:首先,介紹了磨削加工工藝技術(shù)、分類以及優(yōu)勢,并對表面粗糙度的定義、評定參數(shù)、計算方法進行了闡述與解釋,為下一步仿真磨削表面形貌提供了理論基礎(chǔ),同時基于粗糙表面成像機理,對基于機器視覺粗糙度檢測系統(tǒng)的整體硬件方案進行了設(shè)計、選型,為后續(xù)的實驗驗證提供了基礎(chǔ)。其次,磨削工藝中砂輪是加工刀具,參與磨削表面形貌的形成過程,因此對磨削砂輪的表面形貌進行仿真。首先通過實測獲得砂輪表面形貌數(shù)據(jù),通過繪制頻數(shù)分布直方圖及基于Kolmogorov-Smirnov(K-S)方法的數(shù)據(jù)分析,得出砂輪表面高度服從非高斯分布;然后通過濾波與傅里葉變換等方法步驟生成砂輪表面仿真形貌;最后分別計算仿真砂輪形貌與實際砂輪形貌的粗糙度參數(shù)R_a、R_q、R_(sk)、R_(ku),并進行統(tǒng)計特性對比,結(jié)果表明仿真砂輪形貌與實測砂輪形貌統(tǒng)計特性具有較高的一致性,驗證了仿真方法的有效性,為磨削表面形貌的仿真奠定了基礎(chǔ)。然后,對磨削表面形貌的仿真進行了研究。首先通過HR-618S平面磨床獲取不同粗糙度等級的實驗?zāi)ハ鳂訅K;然后基于多磨粒磨削運動軌跡建立磨削表面形貌的數(shù)學(xué)模型,并考慮多次磨削以及砂輪磨損等因素,對數(shù)學(xué)模型進行修正,模擬獲得磨削表面仿真形貌;最后對比了仿真磨削表面與實際磨削表面的一維、二維、三維形貌圖,并計算對比兩者的粗糙度參數(shù)值,實驗結(jié)果表明磨削表面仿真形貌與磨削表面實際形貌具有較好的相似性,驗證了磨削表面形貌仿真方法的有效性與可行性。最后,對磨削表面形貌仿真在基于機器視覺的表面粗糙度測量中的應(yīng)用進行了研究。首先分析了基于機器視覺測量表面粗糙度的機理,并通過對E_P、CD、S_(CY)三個指標(biāo)的研究,提出了一種新的結(jié)構(gòu)指標(biāo)SS_(CY);其次對磨削表面形貌點云數(shù)據(jù)進行擬合拉伸形成三維磨削樣塊,將拉伸形成的三維磨削樣塊導(dǎo)入Tracepro光學(xué)仿真軟件中并進行仿真成像環(huán)境的設(shè)計,獲得紅綠光源在不同粗糙度等級仿真樣塊表面形成的仿真圖片;然后通過搭建相同的實際實驗平臺,采集在相同紅綠背景光源下實際磨削表面形成的實際圖片;最后分別計算仿真圖片和實際圖片的不同指標(biāo)值,繪制指標(biāo)與粗糙度的關(guān)系曲線,并采用皮爾遜線性相關(guān)系數(shù)(PLCC)評價了不同指標(biāo)性能,實驗結(jié)果表明,仿真成像實驗與實際成像實驗結(jié)果具有一致性,驗證了仿真成像方法的可行性,同時通過對比預(yù)處理前后圖片指標(biāo)的PLCC,驗證了本文所提預(yù)處理方法的有效性,表明了指標(biāo)SS_(CY)具有良好的可行性。
【圖文】：

方式,工作表面,砂輪