（机械设计及理论专业论文）数控车床工艺系统的检测与控制.pdf

两华大学硕士学位论文数控车床工艺系统的检测与控制机械设计及理论专业研究生倪绍流指导教师邓志平鉴于我国国情，相对廉价的经济型数控车床仍被大量生产、使用。此类数控车床也能达到一定的加工精度，却越来越满足不了人们对零件的加工精度日新月异的要求。因此，提高经济型数控车床的加工精度的研究将成为势之所趋。即使目前具有闭环控制系统的数控车床，也因其控制系统的控制和检测终端在工作台上，不能消减刀具的磨损和热变形及工件的热变形等因素对加工精度的影响，而难以满足零件的精密加工的要求。为此，本文建设性地提出把控制和检测终端放在被加工工件上，创新了闭环控制的理念，为提高数控机床的加工精度开辟了一条新的途径。要实现数控车床工艺系统的全闭环控制功能，离不开在线检测技术和数控技术结合。基于现代检测技术，应用c c d 传感器对正在加工的工件轴径进行实时在线检测，将检测值反馈给数控系统，然后将检测值和理论值进行比较，当检测值与理论值相差在规定数值之内时继续进行下一步进给车削，反之，数控系统发送指令，调整刀具的进给量，把工件的轴径值加工在允许的范围内，从而实现数控车床工艺系统的闭环控制。然而此工艺系统中的c c d 光学系统及其安装方式和数控车床的振动成为影响检测精度的主要因素。在光源的选择上，由于激光能满足单色性好、相干性好、光束准直度高等要求。而普通光源发出的光既不是平行光，又不是点光源发出的光，即使采用经过透镜系统准直形成近似平行光。所以本系统采用激光作为光源。在此基础上，为了使光源的光线高度的平行，在光学系统中的合适的位置添加一光阑，形成远心光路，这样就矫正了平行光存在着一定的发散角，从而进一步提高测量精度。c c d 器件在数控车床上的安装方式保证了工件在空间六个自由度里只有在z 轴的转动以及在y 轴的平动的方向上的振动才西华大学硕士学位论文影响成像质量。然后通过m t f 法分析得出：工件的角位移对像质的影响远远大于线位移的影响。以上措施及设计方法无不以提高数控车床的加工精度为中心，从而最大限度保证了车床的精密加工。文中还对实际存在的误差进行详细分析，然后一一指出各造成误差的因素并给出减小误差的措施。文章最后在把线检测技术和数控技术结合起来对经济型数控车床进行全闭环总体设计，建立了数学模型，并从控制论观点出发对系统进行了动态和稳态性能分析。数控车床全闭环系统的研究和分析为开发高精度数控机床提供了理论基础。本文突破了现有的闭环控制的思维，开创性地提出了包括被加工工件全闭环控制的数控车床工艺系统，实现了对被加工工件的实时、在线检测。进一步地提高了数控车床的检测和加工精度。这样对数控机床的发展也有较好的推动与启示作用。关键词：数控车床工艺系统检测技术c c d 传感器全闭环控制西华大学硕士学位论文d e t e c t i o na n dc o n t r o lo nc n cl a t h ep r o c e s s i n gs y s t e mm a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r yp o s t g r a d u a t en is h a o l i ua d v i s o rd e n gz h i p i n gi nv i e wo fc h i n a sn a t i o n a lc o n d i t i o n s ，r e l a t i v e l yl o w - c o s te c o n o m yc n cl a t h ei ss t i l lp r o d u c e da n du s e dw i d e l y t h ec n cl a t h ea l s oa c h i e v e sm a c h i n i n ga c c u r a c y ，b u tc a l ln o tm e e tt h ep r e c i s i o nm a c h i n i n gr e q u i r e m e n t s s oi m p r o v i n gm a c h i n i n ga c c u r a c yo fc n cl a t h ew i l lb e c o m en e c e s s a r y n o w , t h ec n cl a t h ew i t hc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mh a sb e e ne x i s t e d ，b u tt h a tt h et e r m i n a lo fc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mi so nw o r k t a b l er e s u l t si nt h a tn o tt or e d u c et o o lw e a ra n dt h e r m a ld e f o r m a t i o na n dt h e r m a ld e f o r m a t i o no ft h ew o r k p i e c ea n do t h e rf a c t o r sa f f e c tt h ea c c u r a c yo fp r o c e s s i n g t ot h i se n d ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dac o n s t r u c t i v em a n n e rt oc h a r g et h et e r m i n a lo fc o n t r o la n dd e t e c t i o nd e v i c e si n t ot h ew o r k p i e c eb e i n gm a c h i n e d ，a n dw i l lo p e nu pan e ww a yt oi m p r o v et h em a c h i n i n ga c c u r a c yo fc n cm a c h i n et o o l s t oa c h i e v et h ew h o l ec l o s e d - l o o pf u n c t i o no ft h ec n cl a t h et e c h n o l o g ys y s t e m , i ti sm u s td e p e n do nt h ec o m b i n eo ft h eo n l i n et e s t i n gt e c h n i c sa n dt h en u m e r i c a lc o n t r 0 1 b a s e do nm o d e md e t e c t i o nt e c h n i c s ，u t i l i z i n gc c ds e n s o ri n s p e c t st h ew o r k p i e c e sb e i n gp r o c e s s e di nr e a l t i m eo n l i n e ，a n df e e dt h er e p o r tb a c kt on cs y s t e m t h e n ，c o m p a r e i n gd i s c r e p a n c yo ft h ea c t u r a lv a l u ea n dt h et h e o r e t i c a lv a l u e i fi ti s i si nt h eg i v e nv a l u eb o u n d ，t h en cs y s t e mw i l lc o n t i n u en e x ts t e p ；a n dv i c ev e r s a ，s y s t e ms e n do d e rr e g u l a t i n gt h et o o l sf e e dt og e tt h ev a l u eo f l ed i a m e t e ro fw o r k p i e c ei nt h ea l l o w e db o u n d t oa c h i e v et h ew h o l ec l o s e d - l o o pc o n t r o lo ft h ec n cl a t h es y s t e m t h ec c ds y s t e ma n di t si n s t a l l a t i o na n dc n cl a t h ev i b r a t i o nb e c o m eam a j o r1 1 i 西华大学硕士学位论文f a c t o ri nm e a s u r e m e n ta c c u r a c y i nt h ec h o i c eo fl i g h ts o u r c e ，m o n o c h r o m el a s e rc a nm e e tag o o dc o h e r e n c e ，a n dh i g hd e g r e eo fb e a mc o l l i m a t i o nr e q u i r e m e n t s ，a n dg e n e r a ll i g h ts o u r c ei sn e i t h e rap a r a l l e ll i g h ts o u r c ei sn o tp o i n tt h el i g h t ，t h e r e f o r e ，t h es y s t e mu s e sl a s e ra sal i g h ts o u r c e o nt h i sb a s i s ，i no r d e rt ol i g h tah i g hd e g r e eo fp a r a l l e ll i g h ti nt h eo p t i c a ls y s t e m , ad i a p h r a g mi sa d d e di nt h ea p p r o p r i a t el o c a t i o nt of o r mat e l e c e n t r i co p t i c a lp a t h ，s ot h a tt h er a d i a t i o na n g l eo ft h ep a r a l l e ll i g h ta n df u r t h e rt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yi si m p r o v e d c c dd e v i c ei n s t a l l a t i o nw a yi nt h ec n cl a t h ee n s u r e st h a tt h ew o r k p i e c ei nt h es p a c eo fs i xd e g r e e so ff r e e d o mo n l yi nt h eza x i sa n dy - a x i sr o t a t i o no ft h ed i r e c t i o no fm o v i n gb e f o r et h ei m p a c to fv i b r a t i o no nt h ei m a g eq u a l i t y a n dt h e nt h r o u g ht h em 1 1 fa n a l y s i sm e t h o d ：t h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n to ft h ew o r k p i e c eo nt h ei m p a c to fi m a g eq u a l i t yi sf a rg r e a t e rt h a nt h ei m p a c to fl i n e a rd i s p l a c e m e n t a n dt h ed e s i g nm e t h o d so ft h ea b o v em e a s u r e sa r et oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fc n cl a t h ef o rm a c h i n i n gc e n t e r s ，t h u se n s u r i n gt h em a x i m u mp r e c i s i o nl a t h ep r o c e s s i n g t h ea r t i c l ea l s oe x i s t so nt h ea c t u a l d e t a i l e da n a l y s i so fe r r o r s ，a n dt h e np o i n t e do u tt h ef a c t o r st h a tc a u s e dt h ee r r o ra n dg i v e sm e a s u r e st or e d u c et h ee r r o r t h ea u t h o rs e tu pm a t h e m a t i cm o d e lb a s e do nc o n t r o lt h e o r y , a n da n a l y s et h ed y n a m i ca n ds t e a d y - s t a t ep r o f o r m a n c eo fs y s t e m t h er e s e a r c ha n da n a l y s eo fs y s t e mp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s ef o re x p l o i t a t i o no fh i g ha c c u r a c yn cm a c h i n e s i nt h i sp a p e r , t h ee x i s t i n gc l o s e d l o o pc o n t r o lt h i n k i n gi sb r e a k t h r o u g h e d ，a n dan e wn cl a t h ep r o c e s ss y s t e m , i n c l u d i n gw o r k p i e c ew h o l ec l o s e d - l o o pc o n t r o l ，h a sb e e nc r e a t i v e l yp r o p o s e d m e a n w h i l e ，a c c u r a c yo fd e t e c t i o na n dp r o c e s s i n go ft h en cl a t h ei si m p r o v e dg r e a t l y i ti sa l s og o o dp r o m o t i o n a la n dr e v e l a t o r ya c t i o nf o rt h en cl a t h e sd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：n cl a t h et e c h n i c ss y s t e m ，d e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，c c ds e n s o r ，w h o l ec l o s e d l o o pc o n t r 0 1西华大学硕士学位论文声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同学对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确地说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。作者繇沉形彩j 节名月姻刷噬孙中钎叩“肋日西华大学硕士学位论文西华大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书；2 、不保密羽角本授权书。( 请在以上口内划4 )键筹= ：妒辛日期：多咖口汐两华大学硕士学位论文1绪论1 课题的意义及来源先进的技术装备与先进的制造技术在国民经济中起着重要的作用。随着科学技术的迅猛发展，特别是机械制造与微机技术的紧密结合，使现代制造技术和制造系统向着高度的自动化、集成化和智能化的方向发展。机械工业是基础工业，机械制造技术是机械工业为国民经济各部门提供产品和技术装备的重要手段。因此，机械工业技术装备的提高对制造质量、劳动效率和经济效益都有直接影响。机械制造技术发展的长远目标是：不断提高产品的制造质量，提高加工效率，降低成本。现代机械制造技术发展的趋势可以归纳为以下几点：向更高精度的方向发展；向高速度、高效率、自动化、特别是向数控化、柔性化和集成化的方向发展；向少切削和非传统加工的方向发展。为了适应现代化机械制造技术的发展趋势，实现加工制造过程高度自动化、柔性化和集成化，数控技术在生产各个部门得到了广泛应用。随着科学技术的飞跃发展，机械制造技术发生了深刻的变化。传统的普通) j n - r 设备已难以适应市场对产品多样性的要求，难以适应市场竞争的高效率、高质量的要求。而以数控技术为核心的现代制造技术，以微电子技术为基础，将传统的机械制造技术与现代控制技术、传感测量技术、信息处理技术以及网络通信技术有机结合在一起，构成高度信息化、高度柔性化、高度自动化的制造系统。近年来，由于市场竞争日趋激烈，为在竞争中求得生存和发展，各生产企业不仅要提高产品的质量，而且必须频繁的改型，缩短生产周期，以满足市场上不断变化的需求。微机控制的数控机床、数控加工中心的高精度、高度柔性及适合加工复杂零件的性能，正好满足当今市场竞争和工艺发展的需要。可以说，微机数字控制技术的应用是机械制造行业现代化的标志，它在很大程度上决定企业在市场竞争中的成败。1 。特别是在相继出现了柔性制造系统1 西华大学硕士学位论文f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、智能制造系统i m s ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 等，这进一步说明数控技术已经成为现代制造技术的基础，其水平的高低是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。专家们预言：2 1 世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争船3 。数控化加工是机械加工行业朝高质量，高精度，高成品率，高效率发展的趋势。结合我国实际国情，经济型数控车床是我国从普通车床向数控车床发展的极其重要的台阶。对经济型数控车床加工工件进行在线检测并进行反馈，形成包括工件在内的闭环控制是提高经济型数控车床加工精度的有效措施之一，其关键是加工件的在线检测装置的设计和对检测信号进行处理、分析和反馈。本课题的意义在于通过在线测量，在加工机床上设置在线测量装置和闭环控制，可以提高零件的加工精度，缩短制造周期，同时也提高劳动生产率，减少废品率，从而降低加工成本。将测量闭环控制有机地融入工艺系统中，这样不仅可以纠正加工方法，而且还可以对一些工艺参数的变化进行适时地监测，使这些参数通过在不同阶段进行反馈和实时控制，使被加工的工件保持在预定的最佳范围内。本课题来源：重点学科项目1 2 课题的研究现状及应用发展1 2 1 数控车床发展现状与趋势我国数控车床发展协3 ，始于上世纪7 0 年代，通过3 0 余年的经历，我国生产的数控车床，按中国需求的特色，形成经济型卧式数控车床( 平床身卧式数控车床) 、普及型数控车床( 斜床身数控卧式车床和数控立式车床) 和中高档数控车床( 3 轴控制以上) 三种形式。经济型卧式数控车床，普遍采用平床身结构和立轴四工位方刀架，约占数控车床产量9 0 。普及型数控车床生产量不到数控车床产量的1 0 。中高档数控车床，即车削中心和车铣复合中心，约占数控车床生产0 0 2 。西华大学硕士学位论文经济型数控车床，价格低廉，售价仅1 0 万元人民币左右，不到普及型数控车床的1 3 ，设备费用投入较少，可以广泛的满足企业发展初期的需要，特别是受到民营企业的欢迎，仍是我国当前数控车床的主流产品。我国已有十余家企业生产规模达到年产千台以上，普及型数控车床，即2 轴控制的卧式数控车床( 斜床身) 和立式数控车床，国产产品得到了用户认可，基本可以满足用户需要。车削中心等3 轴控制以上的中高档数控车床，国内用户选购的大部分是进口的产品或合资、独资企业如大连因代克斯、宁夏小巨人、杭州友佳、上海哈挺等机床有限公司生产的产品，国产机床市场占有率较低。近几年，虽然，我国开发了不少中高档数控车床新品种，如具有y 轴功能的车削中心、双主轴双刀架车削中心、倒置顺置主轴立式车削单元、车铣复合中心等等。但是，高级型数控车床的重点是要进一步开发市场，取得国内用户广泛认可。“十五 期间国产数控机床发展很快。从技术上看，数控车床技术比较成熟，通过技术引进和合作生产、消化吸收和自主创新，我国已掌握了数控车床设计和制造技术。从产品水平上看，我国已能自行开发设计各种中高档数控车床，国际上最热门的、水平最高的双主轴、双刀架9 轴控制车铣复合中心，我国已有多家企业开发试制成功，有的已被国内用户选购和出口国外。从品种上看，我国生产的数控车床品种比较齐全，每年都有1 0 0 多个数控车床新品种，可供各方面用户选用。从生产规模上看，国产经济型数控车床已形成规模生产，有十余家企业生产规模达到年干台以上。国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。实现上述目的之手段是实现机床多功能化和工序工种集成，开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔( 双刀塔或四刀塔)数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速的发展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。对于某些依赖于进口的高档数控车床，如高精度数控车床和车削中心( 主轴圆跳动0 0 0 1 m m ) 、适用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、高扭矩数控车床和车削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心西华大学硕士学位论文技术。国产的大多为经济型数控车床，多功能数控车床和车削中心生产量较少；而国外生产的基本上是多功能数控车床和车削中心。国外车削中心具有双主轴、双刀塔、y 轴、c 轴，甚至还装有b 轴，功能多，可供用户选择。国外数控车床的主轴转速和主轴功率一般都高于国产数控车床。另外还能生产提供适合于高强度耐热合金力n - r _ 和钛合金加工的大功率、高刚度数控车床和车削中心以及以车代磨的精密数控车床和车削中心，而国内此类产品基本处于空白。未来的车床面对三项挑战：零件复杂程度提高；尺寸和粗糙度允差减小：成本降低。顾客总是喜欢购买质量好寿命长的产品。作为整个工作链中的一个环节，顾客的要求应纳入制造的考虑之中。因此，制造工程师选用耐用的材料，提高加工精度，力图生产出高质量的产品。1 2 2 检测技术检测技术是现代制造业的基础技术之一，是保证产品质量的关键。随着现代制造业的发展，许多传统的检测技术己不能满足其需要，表现在：现代制造产品种类有很大的扩充，现代制造强调实时、在线、非接触检测，现代产品的制造精度大大提高。现代加工工业正在向高速、精密、自动化、大批量生产的方向发展，传统的制造技术及生产管理模式正发生巨大变革。六十年代到七十年代，加工精度在1 1 0u m 内，而到九十年代，加工精度己经达到1 0 9 m 的纳米级超精密加工技术时代，在一、二十年的时间里，加工精度提高了1 2 个数量级。目前，在工业发达的国家里，一般工厂能稳定掌握l u m 的加工精度，通常将加工精度在0 1 l u m 的加工方法称为精密加工，而将0 1 u m 的加工方法称为超精密加工。由于精密加工和超精密加工技术是固体电子元件、航天机械、激光用光学元件、核聚变装置零件等加工的主要技术，许多工业发达国家都极为重视精密和超精密加工技术的发展，如英国成立了纳米技术战略委员会，日本把纳米技术列为六大先进技术的探索课题之一。在我国，精密加工与超精密加工技术越来越受到重视，同时，制造过程中的自动化与高速化程度也越来越得到提高，这就要求与之相适应的高精度、高速度的自动化检测设备和先进的检测手段。我国机械行业中测量技术大部分限于静态测量，缺乏动态检测技术，尤其在大、微、特殊形状、特殊位置的测试上与国际先进水平相差较大。如东芝机西华大学硕士学位论文械的空气轴承的回转精度，在半径方向为0 0 2u r n ，轴向为0 0 21 1 m ；德国p e r t h o m e t e rs s p 及英国t a l ys u r i s 轮廓计可测粗糙度等各种参数，测量结果数字显示并可绘图记录，显示范围为0 0 0 1 1 2 5t i m 4 1 ，国内生产的轮廓仪可测量参数较少，最高测到r a0 0 5 - 4 ) 0 2 5u m ；德国克林贝格公司制造的p n c 6 5型齿轮测量中心，可适应d i n ，a g m a ，i s o 及自定义的评定标准，该机是直接在机上自动校调三维测头，使测量元件绝对位置精确，具有较高的机械精度和良好的稳定性。由此可见，我国在测量方面综合利用新技术、新原理、新方法上不如先进的国家，为了赶超国际先进水平，我国的不少科研机构和院校都在积极地探索先进的检测原理和方法，如由天津大学和南京依维柯汽车有限公司联合研制的“依维柯白车身三维激光视觉检测系统 采用激光技术、c c d 技术，利用基于三角法的主动和被动视觉检测技术实现被测点三维坐标尺寸的准确测量，其性能指标达到国际先进水平。近年来，仪器仪表与计量检测技术正朝着智能化发展，传感器技术、微电子技术、自动化技术、计算机技术和信息处理技术被广泛应用于工业在线检测中，使测量过程实现自动化、信息处理智能化、仪器功能仿人化等功能，成为以一般单片机为信息处理核心的自动测试系统。自然科学是人类认识世界和改造世界的强有力的武器，而自然科学的产生与发展都离不开测量。元素周期表的发明者门捷列夫说过：“从开始有测量的时候起，才开始有科学。没有测量，精密科学就没有意义。 新的测量方法标志着真正的进步，测试技术的水平是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。十八世纪末期，由于欧洲工业的发展，要求统一长度单位。经过一百年的变迁，在1 8 8 9 年第一届国际计量大会上，规定了铂铱合金制成的具有刻线的基准尺( 含铂9 0 ，铱1 0 ) 作为国际米原器。1 9 6 0 年第十一届国际计量大会规定了采用x 8 6 在真空中的波长定义米。随着激光技术的发展，光速测量精确度的提高，现已用光速来定义米，即米是平面电磁波在真空中1 2 9 9 7 9 2 4 5 8 s内所行进的距离。伴随着长度基准的发展，几何量测量器具也在不断改进。在十九世纪中叶以前，机械制造业中的主要测量工具是钢板刻线尺，测量精度为1m m 。机械式测量器具，如游标卡尺和千分尺的出现，将测量精度提高到了0 0 1 m m 。量西华大学硕士学位论文块出现以后，采用量块作为长度基准，大大推动了微差测量法的发展，将测量精度提高到了微米级。进入二十世纪以后，加工精度到3 0 年代达到了1u m ，到5 0 年代达到了0 1 u m ，除继续使用机械式测量器具以外，还逐渐采用了基于几何光学与物理光学原理的光学量仪，与此同时，电动量仪和气动量仪的出现也为几何量测量开辟了新路。随着科学技术的发展，特别是近代电子技术的发展，使几何量测量技术向着高精度、高效率、自动化、数字化量仪以及动态检测和自适应控制方向发展。在原有的机械量仪、光学量仪和电动量仪的基础上，又出现了先进的光、电结合，机、电结合，以及光、机、电相结合的测量仪器。在仪器的某些重要部位如瞄准定位系统、信息处理系统、显示读数系统，大多采用了电子技术。电子技术是现代测量中必不可少的组成部分，占有十分重要的地位。把非电量变换成电量进行测量是测量技术的一个重要发展趋势。检测主要有下面三种基本形式口1 ：( 1 ) 手工检测：手工检测是使用千分尺、卡尺等常规量具、量仪人工校正测量，其效率低下，精度容易受到人为因素的影响，而且还导致了宝贵的机床机时的浪费，影响机床的利用及产品的加工质量。( 2 ) 离线检测：加工工序之间、加工完成之后，将工件从机床上取下，利用其它检测设备( 如三坐标测量机) 进行检测。该方法一方面所采用的检测设备投资较大，由于我国大部分企业财力有限，因而难以具备高精度检测设备，这就给企业带来许多不变。另一方面，工件的多次装夹降低了生产效率，增加了重复定位误差，给生产和检测带来了诸多不变。( 3 ) 在线检测：通过为机床配备一个触发式测头以及相应的检测宏程序，构成机床在线检测系统。该技术将加工和检测集成在一起，实现了加工过程中的自动检测，是一项很有发展潜力的检测技术。1 2 2 1 在线检测技术在线检测技术的发展为数控) j n - r 过程的质量检测提高了一套行之有效的方法。数控机床目前广泛应用的是触发式测头，具有价格低、可靠性强、自身精度高等特点。加工与检测在同一台设备上完成，避免了多次装夹、重复定位精度差及辅助时间长等问题。更为重要的是，其检测过程由数控程序来控制，西华大学硕+ 学位论文实现了检测的自动化，是一种基于计算机自动控制的在线检测技术。随着数控机床在生产中的广泛应用，在线检测技术将会成为一项很有发展前景的技术。在线检测是一个动态测试过程。动态测试的工作条件和工作环境比静态测试要恶劣得多，而对测试技术的要求则很高，涉及到如传感器技术、通信技术、自动控制技术及计算机应用技术等多学科、多技术领域，同时也需建立新的测试理论和测试方法。国内外从事精密计量的学者、专家自七十年代后期开始进行研究，对其测试方法、评定准则、评定理论提出了自己的看法，并建立了数学模型、理论研究日臻完善和成熟。目前国内外在线检测技术发展的趋势主要有：在线检测系统的研究。从单参数检测向多参数综合检测：从单机检测向全生产线以及全车间全厂的在线检测，从单纯检测向检测与控制的闭环系统，从应用于大批量生产向应用于中小批量生产的柔性检测系统发展：微机化智能化。采用微机智能功能来保证在线检测系统能满足生产线上各种参数变化及外界条件干扰时，系统能迅速适应变化和排除干扰；在线检测系统的可靠性。生产线要求长期连续运行，因此要求从可靠性设计开始，保证元器件制造、调试安装各环节的可靠性，并在系统中加入故障自检自诊断功能，从而提高在线检测系统的可靠度；在线检测装置产业化。使装置模块化、通用化、标准化，以利于降低成本，推广应用；我国的在线检测技术，特别是光学、光电在线检测的应用，虽然起步较晚，但是随着光机电一体化仪器和装置及光电技术、计算技术的发展，在线检测技术已获得重大进展。采用微电子技术装备及改造新、老机床设备是当今科学技术发展的趋势，是用新技术改造传统工业的主攻方向，也是符合我国国情的一项有力措施。我国金属切削机床的拥有量已超过3 0 0 万台，在数量上居世界第二位，但其技术状态很差，老机床、普通机床多，高效、精密机床少。作为工业生产过程中最重要生产手段的机床设备处于这种状况则难以提高产品质量、劳动生产效率和经济效益。因此利用在线检测技术可在现有的设备上提高产品的质量，提高生产率。随着c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 技术的发展，c c d 图像检测技术在尺寸检测领域中得到了广泛的应用 4 。目前，c c d 应用技术己在航空航天、西华大学硕士学位论文卫星侦察、遥感遥测、天文测量、传真、静电复印、非接触工业测量、光学图像处理、图文识别、数据存储等领域得到了广泛的应用，尤其是动态非接触的在线尺寸检测更引起人们高度的重视。c c d 器件正是一种光、电相结合的器件，它能通过光电转换，将非电量的光学图像变换成电信号，这对于后续的信号处理极为有利。利用c c d 器件本身所具有的自扫描、高分辨率、高灵敏度、结构紧凑、像素位置准确等特性进行测量时，无需配置复杂的机械运动结构，从而减小了产生系统误差的来源。将c c d 应用于几何量测量中具有测量精度高、价格低廉、易于维护、操作容易等优点，可以实现高效率、自动化、动态检测、非接触测量等要求，在工程实际检测中，尤其是对小尺寸的测量方面具有很强的优势。c c d 器件应用于几何量测量适应测量技术发展的潮流，是今后几何量测量的重要发展方向之一1 2 3 机床在线检测技术发展概况就目前来看，机床在线检测技术的应用在国内尚处于普及阶段，还未得到大规模应用，这既与我国企业目前的技术水平和经济条件有关，又与该技术在发展中所遇到的一些问题有关。我国企业目前面临的一些主要问题包括：企业的技术管理水平低，在设备的购置与使用上缺乏系统的观念，如企业花费了大量资金用于购置数控机床，但在一些附件上却不愿意继续投资，例如对刀仪、测头等，结果导致高性能的数控设备在使用上极其不方便，现代化的设备却采用传统的操作方式，这是对资源的极大浪费；企业资金的匮乏削弱其采用先进技术的积极性，由于一些附属设备的价格昂贵，使企业在进行技术经济方面的分析时，企业宁可效率低一些，也不愿意在这些附件上再进行投资。从机床在线检测技术本身的情况来看，也存在一些问题：在使用上不够方便，不易被使用者所掌握，一旦在实用中出了一点差错，容易损坏整套检测系统：检测功能比较薄弱，目前在线检测基本上都用于简单几何量检测方面，基本上停留于数控系统本身所提供的一些功能，相对于这套检测系统昂贵的价格，这一技术对于一般企业的确显得有些奢侈；现代的设计制造理论及先进的技术装备在在线检测方面没有得到应有的体现，致使在线检测技术在发展上处于落后阶段，同时在这方面研究的滞后，也会成为相关领域发展的瓶颈。当然挑战与机遇是并两华大学硕士学位论文存的，挑战说明该技术处于变革阶段，一旦在实质问题上有所突破，将会极大促进该技术的应用范围，同时会促进相关领域技术的进步盯31 2 4 图像处理技术“图是物体透射光或反射光的分布，“像”是人的视觉系统对图的接收在大脑中形成的印象或认识。前者是客观存在的，而后者为人的感觉，图像是两者的结合。如果把图像仅仅看成是二维平面上或三维立体空间中具有暗亮或色彩变化的光分布，是不严格的，它还应包括人的心理因素，所以图像处理也应该要考虑这点。人们可以通过各种观测系统从被观察的场景获得图像。观测系统包括：拍摄各种场景的照相机和摄像系统：观察微小细胞的显微图像摄像系统：考察地球表面的卫星多光谱扫描成像系统：在工业生产流水线上监控的工业机器人视觉系统：检查人体内脏或材料内部结构的超声、x 射线计算机断层摄影系统( c t ) 等等。观测系统使用的光波段可以从可见光、红外、x 射线、微波、超声到r 射线，以适应不同物理介质、材料和状态的场景。一幅黑白图像可用二维函数f ( x ，y ) 表示，其中x ，y 是平面的二维坐标，f ( x ，y ) 表示点( x ，y ) 的亮度值( 灰度值) 。对模拟图像来讲，f ( x ，少) 显然是连续函数。为了适应数字计算机的处理，必须对连续图像函数进行空间的幅值数字化。空间坐标( x ，y ) 的数字化成为图像采样，而幅值数字化被称为灰度级量化。经过数字化后的图像称为数字图像( 或离散图像) ( d i g i t a li m a g e ) 。我们知道，普通的显示器屏幕是由许许多多的点构成的，我们称之为像素。显示时采用扫描的方法：电子枪每次从左到右扫描一行，为每个像素着色，然后从上到下这样扫描若干行，就扫过了整屏。为了防止闪烁，每秒要重复上述过程几十次。例如我们常说的屏幕分辨率为6 4 0 x 4 8 0 ，刷新频率为7 0 h z ，意思是说每行要扫描6 4 0 个像素，一共有4 8 0 行，每秒重复扫描屏幕7 0 次。我们称这种显示器为位映像设备。所谓位映像，就是指一个二维的像素矩阵，而位图就是采用位映像方法显示和存储的图像。数字图像一般有两中常用表示方法：1 ) 灰度图像的阵列表示法设连续图像f ( x ，y ) 经数字化后，可以用一个离散量组成的矩阵g ( i ，) 来西华大学硕士学位论文表示，如式( 1 一1 ) 。g ( i ，) =f ( o ，0 )f ( o ，1 )f ( o ，n 一1 )f ( 1 ，0 )f ( 1 ，1 )f ( 1 ，n 一1 )f ( m - 1 ，0 ) f ( m - 1 ，1 ) f ( m 一1 ，n 一1 )矩阵中每一个元素都是离散值，称为像素( p i x e l ) 。而g ( i ，j ) 代表( f ，) 点的灰度值。灰度图是指只含有亮度信息，不含有色彩信息的图像，就象我们平时看到的亮度由暗到明的黑白照片，亮度变化是连续的。因此，要表示灰度图，就需要把亮度值进行量化，通常划分成0 2 5 5 共2 5 6 个级别，0 最暗( 全黑) ，2 5 5 最亮( 全白) 。灰度图比较方便。首先，r g b 的值一样；其次，图像数据即调色板索引值，也就是实际的r g b 的亮度值；另外因为是2 5 6 色的调色板，图像数据中的一个字节代表一个像素。所以，在数字图像处理中，一般都选用灰度图。2 ) - 值图像表示法在数字图像处理中，为减少计算量，常把灰度图像转为二值图像，所谓的二值图像就是只有黑白两个灰度级，即像素灰度级非1 即0 ，0 是灰度图像中亮度最小的级别，即灰度值为0 ，1 是灰度图像中亮度最大的级别，即灰度值为2 5 5 。其数字图像可用每个像素lb i t 的矩阵表示。二值图像可采用链码( 又称f r e e m a n 码1 表示。1 2 4 1 图像处理技术应用现状从7 0 年代中期开始，随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理向更高、更深层次发展。很多国家，特别是发达国家投入更多的人力、物力研究计算机视觉( 图像理解) 领域，取得了不少重要的研究成果。现在，数字图像处理在许多领域得到十分广泛的应用。( 1 ) 航空和航天技术方面的应用数字图像处理在飞机遥感和卫星遥感技术中有着广泛的应用。许多国家每天派出很多侦察飞机对地球上有兴趣的地区进行大量的空中摄影。对由此得到的照片进行处理分析，以前需要雇用几千人，而现在改用配备有高级计算机的图像处理系统来判读分析，既节省人力，又加快了速度，还可以从照片中提取西华大学硕士学位论文人工所不能发现的大量有用情报。现在世界各国都在利用陆地卫星所获得的图像进行资源调查( 如森林调查、海洋泥沙和渔业调查、水资源调查等) ，灾害监测( 如病虫害监测、水火监测、环境污染监测等) ，资源勘探( 石油勘探、矿产量探测、大型工程地理位置勘探分析等) ，农业规划( 如土壤营养、水份和农作物生长、产量的估算等) ，城市规划( 如地质结构、水源及环境分析等) 。我国也陆续开展了以上诸方面的一些应用，并获得了良好的效果。在气象预报和对太空其他星球研究方面，数字图像处理技术也发挥了相当大的作用。( 2 ) 生物医学工程方面的应用数字图像处理在医用显微图像的处理分析，如红细胞、白细胞分类，染色体分析，癌细胞识别等以及x 光肺部图像增晰、超声波图像处理、心电图分析、立体定向放射治疗等医学诊断方面都有广泛的应用。( 3 ) 通讯工程方面的应用当前通讯的主要发展方向是声音、文字、图像和数据结合的多媒体通讯。具体地讲是将电话、电视和计算机以三网合一的方式在数字通讯网上传输。其中以图像通讯最为复杂和困难，因为图像的数据量十分巨大，要采用图像编码技术来进行信，息压缩。( 4 ) 1 业和工程方面的应用在工业和工程领域中图像处理有着广泛的应用，如自动装配线中检测零件的质量、并对零件进行分类，印刷电路板疵病检查，弹性力学照片的应力分析，流体力学图片的阻力和升力分析，邮政信件的自动分拣，在一些有毒、放射性环境内识别工件及物体的形状和排列状态，先进的设计和制造技术中采用工业视觉等等。( 5 ) 军事公安方面的应用在军事方面图像处理和识别主要是用于导弹的精确末制导，各种侦察照片的判读，具有图像传输、存储和显示的军事自动化指挥系统，飞机、坦克和军舰模拟训练系统等；公安业务图片的判读分析，指纹识别，人脸鉴别，不完整图片的复原，以及交通监控、事故分析等。目前已投入运行的高速公路不停车自动收费系统中的车辆和车牌的自动识别都是图像处理技术成功应用的例子。( 6 ) 文化艺术方面的应用目前这类应用有电视画面的数字编辑，动画片的制作，电子图工艺品设计，西华大学硕十学位论文服装设计与制作，发型设计，文物资料照片的复制和分析和评分等等，现在逐渐形成一门新的艺术一一计算机美术。1 2 4 2 图像处理技术最新发展趋势自从计算机问世以来，数字图像处理和分析的方法不断发展，与早期相比己不可同日而语。首先计算机在运算速度和存储能力两方面明显增加。千兆字节磁盘的问世使早期计算机认为复杂的难以实现的方法重显生机，并可付诸应用。在开发t v 摄像机和c c d 传感器等方面也取得很大的进展，现代的传感器其空间分辨力和强度分辨力比早期系统有很大提高。早期应用多在单个图像的分析上，现今多模图像的分析变得越来越重要。多谱成像的应用使来自不同成像模式的信息融合成为可能( 如在医学中x 线和磁共振成像的融合) 。甚至三维分析( 如序列图像或随时间的图像变化) 以及四维分析( 如随时间变化的序列断面图像) ，现在已成为可实现的目标。就软件而言，知识引导方法己变得日趋重要。当自上而下( t o p d o w n d i r e c t i n n ) 应用这些方法时，研究对象( 如肝脏) 计算机模型引导图像处理操作集中到图像( 如肝扫描图像) 中我们感兴趣的部位：图像处理所获得有关细节的信息可参照该模型加以核查，以确定相互之间的关系。1 3 本论文的主要研究内容本文根据