[发明专利]基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于精密加工机床技术领域，具体涉及一种基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置和方法。

背景技术

精密机床在运转的过程中，主轴轴向热伸长会影响机床的加工精度，尤其在航空航天、精密模具等复杂曲面进行加工时主轴热伸长将严重影响加工工件质量，同时会进一步加剧轴承等零部件发热，导致更为严重的热变形，如能对主轴轴向热伸长进行测量，及时调整主轴转速、进给量等参数，便能有效降低废品率，并有效延长机床使用寿命。其中，主轴轴向热伸长测量技术已成为当前研究热点之一。

对主轴轴向热伸长的测量大多采用位移传感器或触发式测头。使用位移传感器时一般在主轴前端插入超精加工后的棒材，然后将位移传感器测头与棒材前端贴近，一方面，棒材加工精度可达纳米级，价格十分昂贵，传感器测头与棒材如若发生碰撞易导致棒材表面缺陷，影响棒材下次使用，甚至造成棒材报废；另一方面，棒材与位移传感器的安装以及校准过程较为繁琐。触发式测头成本较低，但由于是接触式测量，不宜进行高速以及长时间测量。

机器视觉技术不断成熟与发展，在机械工程检测领域可作为一种非接触式测量手段，能够长时间稳定工作，适合于在线工业检测。但是，机器视觉采用CCD相机或CMOS相机采集图像信号，主轴轴向热伸长通常为几个微米，现在市场上的CCD或CMOS相机难以检测如此微小的尺寸改变。

因此，有必要提供一种结构简单且适合长时间在线监测的主轴轴向热伸长测量装置和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置和方法，其将CCD相机与体视显微镜配合，实现了微米级尺寸检测。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置，包括白色背景板、黑色标志件、透明薄板、体视显微镜、CCD相机和上位机；黑色标志件贴在主轴前端；白色背景板和透明薄板相对设置于主轴前端两侧；透明薄板上画有黑色线段，黑色线段与主轴轴心共平面；体视显微镜位于透明薄板另一侧，其物镜对准黑色线段，其目镜与CCD相机连接；CCD相机用于采集图像信息并将图像信息传输给上位机；上位机用于对图像信息进行处理。

优选地，黑色线段在透明薄板中心，黑色标志件在透明薄板上的投影与黑色线段相交。

优选地，所述黑色标志件为黑色贴纸或黑色胶带。

优选地，白色背景板置于主轴前端下方，透明薄板置于主轴前端的正上方；体视显微镜处于透明薄板的正上方。

优选地，透明薄板与主轴前端圆柱外表面距离不大于8mm。

一种借助所述测量装置测量主轴轴向热伸长量的方法，包括步骤：

1)打开上位机，通过上位机观察主轴前端黑色标志件与透明薄板上黑色线段交错位置所成图像，对体视显微镜进行调焦，直至所成图像清晰可见；

2)启动机床，机床运行5～10min后CCD相机采集第一次图像信息，第一次图像信息传输给上位机；上位机通过图像处理程序计算黑色线段的剩余露出部分的长度作为主轴基准长度A；

其中，黑色线段被黑色标志件的外边缘分成两部分，其中不在主轴一侧的黑色线段部分为黑色线段的剩余露出部分；

3)在目标测量时间，CCD相机采集目标图像信息，目标图像信息传输给上位机；上位机通过图像处理程序计算黑色线段的剩余露出部分的长度作为主轴测量长度B；

4)上位机计算出在目标测量时间时，主轴轴向热伸长量为主轴基准长度A-主轴测量长度B。

优选地，在步骤2)中，在机床运行稳定以后CCD相机再采集第一次图像信息。

优选地，在步骤3)中，设置多个目标测量时间，并分别获得每个目标测量时间对应的主轴测量长度B；在步骤4)中，计算出每个目标测量时间对应的主轴轴向热伸长量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种基于图像处理技术的主轴轴向热伸长测量装置，其包括白色背景板、黑色标志件、透明薄板、体视显微镜、CCD相机和上位机。其中，CCD相机与体视显微镜配合解决了CCD相机难以辨识微米级尺寸以及普通显微镜景深范围过小的问题，实现了微米级尺寸的测量，利用白色背景板，主轴前端黑色标志件以及透明薄板上黑色线段三者的配合降低了图像处理的难度。该装置结构简单，不需要使用昂贵的高精度棒材，同时克服了触发式测头不宜进行高速以及长时间测量缺陷，且装置调试简单，只需简单调焦获得清晰图像，无需进行繁琐的安装校准等工作。其能够以较低的成本实现高速、长时间且微米级的测量，并且复用性高。