基于邊緣檢測的顫抖自動補償精密加工儀的設計

魏連鎖，陳長春

(齊齊哈爾大學計算機與控制工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006)

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基于邊緣檢測的顫抖自動補償精密加工儀的設計

魏連鎖，陳長春

(齊齊哈爾大學計算機與控制工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006)

文中設計了一種在精密加工操作中，對操作人員及外界非正常顫抖信號進行檢測并自動補償的微型操作儀。儀器結構精巧，具有可拆卸及更換的加工探頭，方便不同精密加工的使用；采用激光干涉儀對精密加工位置信號進行檢測，基于經典PID閉環控制和邊緣檢測原理，對干擾信號進行判斷并做出相應補償措施；采用壓電陶瓷微電動機PM的逆向運動自動補償顫抖產生的誤差，從而保證精密加工的可靠性和精確度。實驗表明，該微型儀器能自動補償顫抖干擾信號，精度可達到1 μm，對精密加工的精度提高及誤差補償研究有一定借鑒價值。

顫抖；自動補償；精密加工；邊緣檢測

0 引言

目前，在工業發達國家中，一般精密加工能穩定掌握的加工精度是1 μm，而精密切削可將精度控制在0.1 μm以下，表面粗糙度Ra在0.02～0.1 μm范圍內[3]。精密加工自動化、機械化程度日益提高，但手工精密加工依然在很多領域有著不可或缺的地位，例如手工精密雕塑雕刻、手工表面處理(拋光、研磨等)、集成電路、制表等[4]。精密加工在我國起步晚，水平較低，需要大力發展。而達到提高加工精度的目的，必須通過消除或抵消誤差本身的影響來實現[5]。

1 系統設計

1.1 系統結構

自動補償式微型精密加工儀主要由5部分構成：傳遞激光干涉檢測信號的通道，可拆卸精密加工探頭，壓電陶瓷微電動機，與探頭相連的電機驅動桿以及探頭與驅動桿的連接鎖。其結構如圖1所示。

圖1 顫抖自動補償式微型精密加工儀內部結構圖

精密加工儀的前端為可拆卸探頭基座，可設計多種能與基座相連的不同種類探頭更替使用，以方便完成不同種類的精密加工。儀器主體為和陶瓷壓電微電機相連的中空驅動桿，驅動桿前端帶有連接鎖扣并與探頭基座相連，中空腔作為光學檢測信號的光纖通道。加工儀工作時，通過前端光纖傳遞的檢測信號來確定補償量值，經外圍控制系統分析后作出決策來驅動微電動機，使其進行相應的補償運動，達到精密加工的要求。

1.2 系統操作原理

圖2 系統結構圖

精密加工儀的系統結構如圖2所示。精密加工儀工作時和外圍PID閉環控制系統相連[6-7]，工作前精密加工儀一直處于初始化狀態，當接收到光學檢測部分傳遞的工作信號以后，系統進行邊緣檢測，采用Sobel算子[8-9]對工作對象進行提取，并將得到的信號值與系統臨界值進行比較[10]，當信號值大于臨界值時，開始啟動補償系統。位置誤差大于零，閉環控制系統采用PD調節方式對電機進行控制和驅動[11-12]，通過對電機速度和步距兩個參數的調整控制微壓電陶瓷電機的補償運動，從而達到消除顫抖的作用。具體工作流程見圖3。

圖3 系統工作流程圖

1.3 邊緣檢測

對數字圖像{f(x,y)}的每個像素，記為圖像的梯度，它包含灰度變化信息。記e(x,y)為f(x,y)的梯度，用作邊緣檢測算子。為簡化計算，將e(x,y)定義為偏導數fx與fy的絕對值之和e(x,y)=|fx(x,y)|+|fy(x,y)|。

本系統的邊緣檢測部分采用Sobel梯度算子[13]，先做成加權平均再微分，然后求梯度，考察它上、下、左、右鄰點灰度的加權差，與之接近的鄰點的權大。即：

G[f(x,y)]=|Δxf(x,y)|+|Δyf(x,y)|

(1)

式中：

Δxf(x,y)=f(x-1,y+1)+2f(x,y+1)+f(x+1,y+1)-f(x-1,y-1)-2f(x,y-1)-f(x+1,y-1)

(2)

Δyf(x,y)=f(x-1,y+1)+2f(x-1,y)+f(x-1,y+1)-f(x+1,y-1)-2f(x+1,y)-f(x+1,y+1)

(3)

則對數字圖像{f(i,j)}的每個像素，Sobel算子有如下表示:

G[i，j]=|f[i-1，j+1]+2f[i,,j+1]+f[i+1，j+1]-f[i-1，j-1]-2f[i，j-1]-f[i+1，j-1]|+ |f[i-1，j-1]+2f[i-1，j]+f[i-1，j+1]-f[i+1，j-1]-2f[i+1，j]-f[i+1，j+1]|

(4)

適當取門限TH，作如下判斷：s(i，j)>TH,(i，j)為階躍狀邊緣點，{s(i，j)}為邊緣圖像。

2 系統實驗

為證明精密加工儀對顫抖的自動補償作用，對系統進行實驗。采用手持加工儀分別工作60 s及10 s兩個時長，對精密加工儀不采取補償功能及采用自動補償功能分別進行實驗。并提取部分記錄采樣點數據(見表1和表2)及工作曲線，如圖4和圖5所示。圖中實線為無補償時工作曲線，虛線為自動補償后工作曲線。

表1 精密加工儀工作60 s采樣數據

表2 精密加工儀工作10 s采樣數據

圖4 精密加工儀工作60 s工作曲線

圖5 精密加工儀工作10 s工作曲線

實驗結果表明，手持精密加工儀工作60 s時，顫抖的最大位置誤差達到90 μm，經自動補償后，基本穩定在工作位置，誤差僅為5 μm；手持精密加工儀工作10 s時，顫抖的最大位置誤差達到30 μm，經自動補償后基本穩定在工作位置，誤差僅為1 μm。該儀器可實現對手部顫抖和外界震動的補償，能保證加工的精確性。

3 結束語

針對精密加工中顫抖信號對加工精度的影響，設計了一種可實現自動補償功能的微型精密加工儀。將光學精密檢測與壓電陶瓷微電動機的反向補償巧妙結合起來，通過邊緣檢測算法，提取加工對象位置信號，并對顫抖誤差信號進行分辨及相應補償，保證了精密加工的精確度，將為微型精密加工的精度提高提供可借鑒的方法。

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Precision Machining Instrument Design of Trembling Automatic Compensation Based on Edge Detection

WEI Lian-suo，CHEN Chang-chun

(Department of Computer and Automation,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China)

A micro operation instrument which can detect the abnormal trembling signal of operators and outside world,and can compensate the signal automatically was designed in this paper.The structure of the instrument was ingenious with processing probe that can be removed and replaced.This instrument can be used in different precision machining with the laser interferometer adopted to detect the position signal of precision machining and its detection was based on the principle of classical PID closed-loop control and edge detection.It can detect the interference signal and thus make the corresponding compensation.The backward motion of the piezoelectric ceramic micro motor PM was used to compensate the error automatically produced by trembling which can ensure the reliability and accuracy of processing machining.The experiments show that the interference signal can be compensate automatically by the micro instrument and the accuracy reaches 1,so it has certain reference value in the research of accuracy improvement and error compensation.

trembling;automatic compensation;precision machining;edge detection

國家自然科學基金資助項目(60672015)；黑龍江省自然科學基金面上項目(F201219)；黑龍江省教育廳資助項目(12521600)；齊齊哈爾大學青年重點基金資助項目(2011K-02)

2014-04-07 收修改稿日期：2014-11-06

TM359.4

A

1002-1841(2015)04-0031-02

魏連鎖(1975—)，副教授，在讀博士，主要從事智能算法與傳感器研究。E-mail：jkxy173@126.com