超精密车床的光学对刀仪设计与实验测试

摘要

在超精密加工领域中，零件的尺寸误差在亚微米内，表面粗糙度达到纳米级。为了提高工件的加工质量，不断应用新技术的同时，也加大了对刀精度的研究，其原因是，对刀精度将直接决定产品的质量，是实现超精密加工的首要条件。
　　当单点金刚石车刀加工球面或非球面光学零件或模具时，刀具在水平和高度方向的对刀误差以及刀尖圆弧半径的测量误差会直接影响工件的尺寸和面形精度。光学对刀仪基于计算机视觉检测技术，其利用工业相机采集刀具图像，并对图像进行处理，进而获取刀尖圆弧半径和圆心坐标等参数对刀具进行预调，以实现刀具的精密对刀以及刀尖圆弧半径的精密测量。因此，本文展开了光学对刀仪设计与测量算法研究，具体做了以下几个方面的工作:
　　1、针对自动聚焦搜索中的往返运动带来的定位误差，提出用于光学对刀仪的自动聚焦模块的二阶段搜索聚焦策略，以提高自动聚焦的速度和精度。
　　2、针对刀尖图像的特点，研究并分析图像处理算法，其包括图像的预处理、像素以及亚像素边缘检测、直线检测、图像拼接以及特征参数的获取，以确定能满足对刀精度与实时性要求的图像处理算法。
　　3、基于课题的应用要求，设计光学对刀仪的整体架构，并进行相关的软件系统设计，以实现光学对刀仪的自动对刀。
　　4、针对现有棋盘格的大小无法满足光学对刀仪的高倍率显微镜的视场的问题，提出一种使用虚拟棋盘格的张正友标定方法，以实现光学对刀仪的内参数标定。
　　5、深入研究单应矩阵以及坐标系之间的转换理论，求取光学对刀仪与机床坐标系之间的相对位置关系，以实现刀具在机床上的精确定位。
　　6、实验与误差分析。在Nanotech350FG机床上通过实验检验对刀仪在Y方向和XZ平面的定位精度，以此对本论文方法的有效性进行验证。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 对刀仪的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 总结

1．3 本课题的主要研究内容

1．3．1 本文的主要内容

1．3．2 本文的结构安排

第二章 刀尖图像的自动聚焦

2．1 引言

2．2 刀尖图像的清晰度评价

2．2．1 清晰度评价函数的研究

2．2．2 刀尖图像的清晰度评价实验

2．3 刀尖图像的聚焦点搜索

2．3．1 聚焦点搜索算法

2．3．2 刀尖图像的聚焦搜索实验

2．4 本章小结

第三章 刀尖圆弧的检测

3．1 引言

3．2 刀尖图像的预处理研究

3．2．1 彩色图像灰度化

3．2．2 图像滤波

3．2．3 灰度阈值变换

3．3 刀尖图像的边缘检测

3．3．1 像素级边缘检测

3．3．2 像素级边缘检测算法的检测结果

3．3．3 亚像素级边缘检测

3．3．4 Zernike矩亚像素边缘检测结果

3．4 刀尖参数的计算

3．4．1 霍夫(Hough)变换检测刀尖图像的直线

3．4．2 获取刀尖圆弧

3．4．3 最小二乘法拟合圆弧

3．5 刀尖图像拼接

3．6 本章小结

第四章 光学对刀仪的设计

4．1 光学对刀仪的总体方案设计

4．2 光学对刀仪的硬件设计

4．2．1 定位装置的设计

4．2．2 摆角微调装置的设计

4．2．3 支撑装置的设计

4．2．4 视觉检测系统的硬件选型与搭配

4．2．5 光学对刀仪

4．3 软件系统设计

4．3．1 程序框架设计

4．3．2 软件功能分析

4．3．2 人机交互界面设计

4．4 本章小结

第五章 光学对刀仪标定及实验测试

5．1 引言

5．2 光学对刀仪的内外参数标定

5．2．1 光学对刀仪的内参数标定

5．2．2 光学对刀仪的外参数标定

5．3 对比实验与误差分析

5．3．1 刀尖位置的验证

5．3．2 刀尖圆弧的半径验证

5．4 本章小结

总结与展望

课题总结

课题展望

攻读硕士学位期间取得的研究成果

声明

参考文献

致谢