[发明专利]一种小球头工具单转台研抛加工装置及刀具对刀方法

权利要求书

1.一种小球头工具单转台研抛加工装置刀具的对刀方法，它包括水平台(1)、工件主轴(3)、第一CCD相机(5)、小球头研抛工具(6)、研抛工具主轴(7)、主轴夹持件(8)、斜角固定座(9)、对中调整位移台(10)、转台(11)、连接板(13)、V向滚柱导轨(14)、U向滚柱导轨(15)、U向调节测微头(16)、V向调节测微头(17)、第二CCD相机(18)和两个放大镜头(4)；一个放大镜头(4)安装在第一CCD相机(5)上，另一个放大镜头(4)安装在第二CCD相机(18)上，工件(2)安装在工件主轴(3)上，第一CCD相机(5)、第二CCD相机(18)和工件主轴(3)设置在水平台面上，第二CCD相机(18)和工件(2)相对设置，第二CCD相机(18)的中心线与工件(2)的中心线平行设置，第一CCD相机(5)的中心线与第二CCD相机(18)的中心线相互垂直设置，转台(11)悬挂设置于机床的垂直运动轴上，对中调整位移台(10)设置在转台(11)的下方，V向调节测微头(17)安装在对中调整位移台(10)的V向滚柱导轨(14)承载的滑台上，U向调节测微头(16)安装在对中调整位移台(10)的U向滚柱导轨(15)承载的滑台上，斜角固定座(9)安装在对中调整位移台(10)下方，小球头研抛工具(6)安装在研抛工具主轴(7)上，研抛工具主轴(7)安装在主轴夹持件(8)上，主轴夹持件(8)安装在斜角固定座(9)上,其特征在于：所述其刀具相对转台的对中调整对刀方法是按下述步骤实现的：

通过第一CCD相机(5)获取小球头研抛工具(6)在对刀区域的对刀图像，首先设定转台(11)的摆角θ为90°和-90°，处理第一CCD相机(5)获取的对刀图像，得到小球头研抛工具(6)球心点在图像中的像素坐标，并根据图像系统的标定系数得到小球头研抛工具(6)球心在V向滚柱导轨(14)方向的对中偏差值δ，并通过微调V向调节测微头(17)的移动消除该偏差值以实现小球头研抛工具(6)沿转台径向的对中调整；其次设定转台的摆角θ为0°和180°，根据第一CCD相机(5)获取的图像得到小球头研抛工具(6)球心在U向滚柱导轨(15)方向的对中偏差值σ，并通过微调U向调节测微头(16)的移动以实现研抛工具沿转台切向的对中调整，具体步骤为：

步骤一：在转台(11)上建立机床的(X，Y，Z)坐标系，工件主轴(3)的中心线平行于水平台面并与X轴平行，垂直于水平台(1)的竖直方向定义为Z轴方向；

步骤二：调整第一CCD相机(5)使其视线平行于水平台面并与机床的Y轴方向平行，并将第一CCD相机(5)获得图像的水平和竖直方向的像素进行标定，即获得一个像素在水平和竖直方向代表的实际距离，把第一CCD相机(5)采集到的具有水平和竖直方向实际距离的图像实时传输到外部计算机上；

步骤三：设定第一CCD相机(5)采用最大视野范围，利用对中调整位移台(10)进行粗调并配合平移第一CCD相机(5)的位置，使当转台(11)回转时，小球头研抛工具(6)的工具头能一直保持在第一CCD相机(5)的成像范围内，调整第一CCD相机(5)的焦距使小球头研抛工具(6)的工具头清晰地显示在控制计算机的屏幕上，同时增大相机的放大倍数，使小球头研抛工具(6)的工具头在第一CCD相机(5)中所成像的圆弧段充满视野范围；

步骤四：通过数控系统调整转台(11)回转至θ＝90°角度位置，捕获此时小球头研抛工具(6)的工具头在第一CCD相机(5)中的成像图像，利用编制的计算机软件对图像进行处理，首先灰度化将第一CCD相机(5)捕获的24位灰度图像转化为8位灰度图，再基于灰度分布直方图的峰谷法将图像二值化使小球头研抛工具(6)的工具头与背景分离开，然后利用边缘检测算子对小球头研抛工具(6)的工具头的圆弧轮廓边缘进行提取，最后采用Hough变换方法根据圆弧轮廓点迭代计算，获得图像中小球头研抛工具(6)的工具头的球心位置坐标O₁(x₁，z₁)；

步骤五：调整转台(11)回转至θ＝-90°角度位置，捕获此时小球头研抛工具(6)的工具头在第一CCD相机(5)中的成像图像，利用编制的计算机软件对图像进行处理，获得图像中小球头研抛工具(6)的工具头的球心位置坐标O₂(x₂，z₂)；

步骤六：记步骤二中得到的图像系统标定系数为K，那么工具头球心在V向滚柱导轨(14)方向的对中偏差值δ可表示为δ＝K(x₂–x₁)/2，根据得到的偏差值δ调整V向调节测微头(17)使工具头沿V向滚柱导轨(14)直线方向进给δ距离，则可将V向滚柱导轨(14)方向的对中偏差消除，实现研抛工具沿转台径向的对中调整；

步骤七：通过数控系统调整转台(11)回转至θ＝0°位置，捕获此时小球头研抛工具(6)的工具头在第一CCD相机(5)中的成像图像，利用编制的计算机软件对图像进行处理，获得图像中小球头研抛工具(6)的工具头的球心位置坐标O₃(x₃，z₃)；

步骤八：调整转台(11)回转至θ＝180°位置，捕获此时小球头研抛工具(6)的工具头在第一CCD相机(5)中的成像图像，利用编制的计算机软件对图像进行处理，获得图像中小球头研抛工具(6)的工具头的球心位置坐标O₄(x₄，z₄)；

步骤九：记步骤二中得到的图像系统标定系数为K，那么工具头球心在U向滚柱导轨(15)方向的对中偏差值σ可表示为σ＝K(x₄–x₃)/2，根据得到的偏差值σ调整U向调节测微头(16)使工具头沿U向滚柱导轨(15)直线方向进给σ距离，则可将U向滚柱导轨(15)方向的对中偏差消除，实现研抛工具沿转台径向的对中调整；

步骤十：重复步骤四至步骤九，对小球头研抛工具(6)的工具头在相对转台(11)径向和切向的位置进行多次交叉调整，至其对刀位置精度达到使用要求。

2.一种小球头工具单转台研抛加工装置刀具的对刀方法，它包括水平台(1)、工件主轴(3)、第一CCD相机(5)、小球头研抛工具(6)、研抛工具主轴(7)、主轴夹持件(8)、斜角固定座(9)、对中调整位移台(10)、转台(11)、连接板(13)、V向滚柱导轨(14)、U向滚柱导轨(15)、U向调节测微头(16)、V向调节测微头(17)、第二CCD相机(18)和两个放大镜头(4)；一个放大镜头(4)安装在第一CCD相机(5)上，另一个放大镜头(4)安装在第二CCD相机(18)上，工件(2)安装在工件主轴(3)上，第一CCD相机(5)、第二CCD相机(18)和工件主轴(3)设置在水平台面上，第二CCD相机(18)和工件(2)相对设置，第二CCD相机(18)的中心线与工件(2)的中心线平行设置，第一CCD相机(5)的中心线与第二CCD相机(18)的中心线相互垂直设置，转台(11)悬挂设置于机床的垂直运动轴上，对中调整位移台(10)设置在转台(11)的下方，V向调节测微头(17)安装在对中调整位移台(10)的V向滚柱导轨(14)承载的滑台上，U向调节测微头(16)安装在对中调整位移台(10)的U向滚柱导轨(15)承载的滑台上，斜角固定座(9)安装在对中调整位移台(10)下方，小球头研抛工具(6)安装在研抛工具主轴(7)上，研抛工具主轴(7)安装在主轴夹持件(8)上，主轴夹持件(8)安装在斜角固定座(9)上,其特征在于：所述其刀具相对工件的对刀方法是按下述步骤实现的：

首先通过第二CCD相机(18)由X轴方向获取对刀区域图像以得到工具头中心与工件轴心在Y、Z两方向上的相对位置偏差，再通过第一CCD相机(5)由Y轴方向获取工具头中心相对工件端面在X方向上的位置偏差，然后由机床数控轴的带动工件(2)与刀具系统分别沿X、Y、Z方向运动调整刀具与工件(2)至加工程序原点完成对刀操作，具体步骤为：

步骤一：在转台(11)上建立机床的(X，Y，Z)坐标系，工件主轴(3)的中心线平行于水平台面并与X轴平行，垂直于水平台(1)的竖直方向定义为Z轴方向；

步骤二：调整第一CCD相机(5)和第二CCD相机(18)使其视线平行于水平台面并分别沿机床的Y轴与X轴方向观测对刀区域，并将第一CCD相机(5)和第二CCD相机(18)获得图像的水平和竖直方向的像素进行标定；

步骤三：利用第二CCD相机(18)获取对刀区域的刀具与工件(2)的图像，在调整相机焦距使小球头研抛工具(6)的工具头清晰地显示在图像中的基础上，通过机床水平工作台带动工件主轴(3)向小球头研抛工具(6)的工具头运动，使工件(2)轮廓与小球头研抛工具(6)的工具头轮廓同时在第二CCD相机(18)的图像中达到清晰，然后利用编制的图像处理软件获得此时图像中小球头研抛工具(6)的工具头球心位置坐标O_o(y_o，z_o)和工件(2)的轴心位置坐标O_w(y_w，z_w)；

步骤四：根据步骤二中得到的图像系统标定系数为K，那么工具头球心与工件轴心线在Y轴方向的对刀偏差值ε_y表示为ε_y＝K(y_w–y_o)，在Z轴方向的对刀偏差值ε_z表示为ε_z＝K(z_w–z_o)，根据得到的偏差值ε_y和ε_z通过机床Y轴和Z轴的运动消除对刀偏差，使小球头研抛工具(6)的工具头球心与工件(2)的轴心重合；

步骤五：再利用第一CCD相机(5)获取对刀区域的刀具与工件(2)的图像，调整相机焦距使小球头研抛工具(6)的工具头轮廓与工件轮廓在CCD图像中达到最清晰，利用图像处理得到此时图像中小球头研抛工具(6)的工具头球心位置坐标O_o(x_o，z_o)和工件(2)端面轮廓上的特征点位置坐标Q(x_q，z_q)；

步骤六：根据步骤二中得到的图像系统标定系数为K，小球头研抛工具(6)的工具头半径尺寸为R，若加工程序要求的对刀间隙尺寸为e，则刀具相对工件在X轴方向的对刀偏差值Δ表示为Δ＝ε_x–R–e＝K(x_q–x_o)–R–e，根据得到的偏差值通过机床X轴带动工件运动指定距离Δ使小球头研抛工具(6)的工具头与工件端面的距离偏差达到对刀要求的间隙值，完成小球头研抛工具(6)的工具头相对工件位置的对刀调整，进而使对刀位置精度达到使用要求。