一种基于拉刀实体基准的V型缺口自动对中拉削装置及其方法与流程

本发明属于金属材料力学性能试样加工，尤其涉及一种用于夏比冲击试样v型缺口制备的自动对中拉削装置及方法。

背景技术：

1、夏比冲击试验用于评价金属材料在冲击载荷作用下的韧性，v型缺口的位置、角度、深度以及缺口根部几何形状会直接影响试验结果。本技术所述试样在加工时沿其长度方向横向布置，v型缺口位于试样长度方向的中部名义缺口加工区域，并由拉刀从该区域的纵向侧表面逐级切入形成。对于焊缝中心、热影响区或其他要求缺口位于特定组织区域的试样，试样v型缺口中心相对于焊缝中心或目标区域的位置精度尤为重要。

2、现有冲击试样缺口拉床通常利用拉刀作直线拉削，在横向支承的试样长度方向中部的一处纵向侧表面拉削形成v型缺口。目前金属材料检测实验室使用的夏比冲击试验缺口拉床，拉刀总长约322 mm，设置有多个逐级切入的工作齿和末端修整齿，工作齿之间通过齿升量逐步加深切削；在传统操作中，操作者往往借助拉床支座上的标识或首个工作齿与夏比冲击试样中部刻线进行人工对准。对于焊缝宽度较小的试样，人工判断很容易受到观察角度、刀齿宽度、照明、操作经验以及装夹位移的影响，从而容易导致实际加工v型缺口的中心偏离试样目标拉削中心，造成冲击试验结果数据不准确。

3、为了改善人工对准，已有方案在拉刀上增设较窄的导向齿或对中齿，使其靠近试样并与试样上的刻线进行对准。这类实体基准直接与拉刀关联，相比机架上的远端标识更接近实际切削中心，能够提高人工对准的直观性。但是，单纯的固定导向齿或人工视觉方式仍存在以下问题：其一，仍需操作者判读基准与目标线是否重合，缺少机器视觉的量化闭环；其二，试样在初步对准后进行夹紧时可能发生微小位移，若不在夹紧后重新校验，最终切削位置仍可能偏移；其三，若实体基准为了降低视差而接近试样，进入正式拉削后需要可靠退离切削包络，否则可能与试样、夹具或切屑发生干涉。

4、对于焊缝宽度较窄的高频焊管焊缝中心试样，试样表面可见焊缝仅仅表现为很窄的亮线（约0.2mm），宽度极小；当缺口要求对应焊缝中心或特定熔合线位置时，人工观察误差和装夹微移对最终缺口位置的影响更加显著。此外，如果实体基准仅固定设置在拉刀上而不能退让，为了避免与正式切削干涉，通常需要增大其与试样之间的距离；该距离又会放大视觉视差。因而，实体基准需要在对中阶段靠近实际加工位置，在切削阶段可靠离开加工包络。

5、基于此，需要一种以与拉刀实际v型缺口切削中心具有确定且可重复几何关系的、独立可退让实体基准件作为视觉测量基准，能够对试样进行自动闭环对中，并通过纯机械行程关联确保实体基准件在首个工作齿切削前完成强制退出，同时在拉削期间持续保持退让、回程后自动回到由同一硬限位确定的重复基准位置，并在夹紧后执行二次视觉校验的装置及方法，以提升位置一致性、降低人工依赖并增强拉削安全性。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于：如何以与拉刀本体分立设置、可退让的实体基准件替代机架外部标识，作为视觉对中可直接识别且可重复建立的实体参照，使视觉测量的基准贴近实际切削中心；如何在试样夹紧前后形成可量化的视觉闭环，消除人工机械夹紧引起的微小位移对缺口位置的影响；如何使靠近试样的实体基准件具有稳定、可重复的机械回位基准，在正式拉削时不依赖独立退让执行器的软件时序，而由拉刀行程的相对运动机械触发退让，保证首个工作齿开始切削之前实体基准件已经退出、整个拉削期间不发生干涉，并在拉刀组件回程过程中自动复位。上述问题彼此制约，造成以下情况：实体基准件越靠近试样越有利于降低视觉视差和基准链误差，但切削干涉风险越高；实体基准件采用可退让结构后，必须保证每次回位均返回同一机械位置，否则视觉基准本身会发生漂移；若退让动作依赖独立气缸、电缸或程序延时，其完成时刻与首个工作齿开始切削之间仍存在响应不确定性。

2、一种基于拉刀实体基准的v型缺口自动对中拉削装置，包括机架、可沿拉削方向运动的拉刀组件、用于承载夏比冲击试样的试样承载定位组件、夹紧机构、视觉模块以及与试样承载定位组件和拉刀组件信号连接的控制器；夏比冲击试样沿其长度方向横向布置于试样承载定位组件，试样长度方向的中部名义缺口加工区域位于拉刀组件的切削工位；拉刀组件沿拉削方向运动，其工作齿组面向试样的纵向侧表面，从该中部名义缺口加工区域的纵向侧表面逐级切入形成v型缺口；

3、试样承载定位组件含有可沿试样长度方向作小范围精密补偿的定位滑台，试样承载台与夹紧机构整体安装于定位滑台上并随其一起移动。拉刀组件由拉刀本体及设置于其上的工作齿组和修整齿组构成；

4、还包括与拉刀本体分立设置的可退让实体基准组件：其安装基体与拉刀载座、拉刀组件或能够重复建立相对位置的安装结构保持确定且可重复的几何关系；可退让实体基准组件中的实体基准件具有可被视觉模块识别的实体基准边或实体基准面，并可在对中工作位与退让位之间转换，对中工作位由硬限位结构确定，弹簧预紧结构将实体基准件持续压向硬限位结构；

5、还包括由拉刀行程相对运动触发的凸轮退让机构，凸轮退让机构与实体基准件机械联动：在首个工作齿对中部名义缺口加工区域发生切削之前将实体基准件强制驱动至退让位，在拉削期间将其保持在退让位，并在拉刀回程时解除退让作用，使实体基准件在弹簧预紧作用下自动复位至硬限位结构；

6、视觉模块在实体基准件处于对中工作位并受弹簧预紧结构作用压靠硬限位结构的状态下，获取实体基准边或实体基准面的图像信息以及试样中部名义缺口加工区域目标位置基准的图像信息；图像信息来自同一幅图像，或来自处于同一视觉坐标系、经坐标配准后能够相互比较的多幅图像；

7、控制器依据实体基准的位置以及实体基准与拉刀实际v型缺口切削中心之间的已知几何关系，换算拉刀实际v型缺口切削中心位置，再依据该位置与目标位置基准之间的位置偏差驱动定位滑台沿试样长度方向进行闭环对中调节；在夹紧机构完成夹紧且实体基准件仍保持对中工作位的状态下，控制器再次获取图像信息进行二次视觉校验，仅在二次视觉校验满足预设允许偏差条件时建立拉削启动许可；建立拉削启动许可后，拉刀组件的初始拉削行程通过凸轮退让机构形成先退让后切削的机械时序，使实体基准件在首个工作齿进入试样中部名义缺口加工区域之前完成强制退让。

8、在一种实施方式中，实体基准边或实体基准面的几何中心线在实体基准件处于对中工作位时，与拉刀本体的v型缺口切削中心平面具有预先确定的固定偏置关系或重合关系；该关系由可退让实体基准组件的安装基体、硬限位结构及其与拉刀组件之间的装配基准和/或经标定获得的几何参数共同确定，视觉测得的实体基准位置由此能够换算为实际v型缺口切削中心位置。

9、在一种实施方式中，实体基准件与拉刀本体及其工作齿组、修整齿组在结构上分立，可为窄片式基准片、钝刃基准片、基准指、基准块或具有直线基准边的组合件；在对中工作位时，实体基准边靠近或贴近试样长度方向中部名义缺口加工区域的纵向侧表面，以减小视觉测量视差，且实体基准边不承担v型缺口的主切削加工。

10、在一种实施方式中，可退让实体基准组件采用摆动式或直线滑移式结构；硬限位结构设置在实体基准件的回位终点处，可采用可更换止挡块、精密止挡螺钉、硬质镶块或成对限位面形成；弹簧预紧结构为压簧、拉簧、扭簧、碟簧或弹性件，使实体基准件在无凸轮外力时稳定贴合硬限位结构。

11、在一种实施方式中，凸轮退让机构包括与机架相对固定的凸轮轨道以及与实体基准件联动的滚轮从动件，或者包括与拉刀组件相对固定的凸轮件以及与机架相对固定的从动件；凸轮轨道或凸轮件沿拉削行程依次形成退让导入段、退让保持段和回程复位段。

12、在一种实施方式中，退让导入段的起始位置和轮廓斜率按照拉刀行程、首个工作齿相对实体基准件的位置以及试样外形尺寸设定，使实体基准件在首个工作齿的切削刃进入试样中部名义缺口加工区域的纵向侧表面或其加工投影区域之前达到预定退让距离，由机械几何关系实现强制退出而不依赖视觉算法的实时响应。

13、在一种实施方式中，退让保持段在工作齿组以及修整齿组通过试样的有效拉削区间内连续保持对实体基准件的退让约束，使实体基准件与试样、夹具以及切屑排出区域之间保持预设安全间隙。

14、在一种实施方式中，回程复位段在拉刀组件完成切削并反向回程至对中准备位置的过程中逐渐解除对滚轮从动件或实体基准件的外力，弹簧预紧结构推动实体基准件回到对中工作位并抵接硬限位结构，使每一加工循环的实体基准位置由同一机械硬基准重复建立。

15、在一种实施方式中，还设置用于检测实体基准件处于对中工作位和/或退让位的第一位置传感器，以及用于检测夹紧状态、拉刀原点状态和拉削行程状态中的至少一种的第二传感器；控制器据此建立安全联锁，在实体基准件未确认退让到位、二次视觉校验不合格或夹紧状态不合格时，禁止首个工作齿进入试样中部名义缺口加工区域。

16、在一种实施方式中，视觉模块包括工业相机、成像镜头和照明单元，在保持已标定视觉坐标关系的条件下对实体基准边或实体基准面与位于试样中部名义缺口加工区域的目标位置基准共同成像或分时成像；共同成像时相机视场或视觉roi同时覆盖二者且视觉roi位于试样中部待加工区域，分时成像时各幅图像通过固定相机坐标、共同标定特征或预先获得的坐标变换关系配准至同一视觉坐标系。

17、在一种实施方式中，目标位置基准为焊缝中心线、预制刻线、激光标记线、几何边缘或由多个可识别特征计算得到的目标中心线中的至少一种。

18、在一种实施方式中，试样承载定位组件包括沿试样长度方向设置的直线导轨、定位滑台以及由伺服电机或步进电机驱动的丝杠机构、直线电机机构或压电微动机构；控制器根据视觉模块获得的像素偏差以及像素坐标至机械坐标的标定关系计算补偿量，以一次或多次迭代方式驱动定位滑台沿试样长度方向作小范围补偿，使焊缝中心、熔合线、热影响区目标线或其他目标位置基准与当前拉刀实际v型缺口切削中心平面重合或进入预设对中容差范围。

19、在一种实施方式中，夹紧机构为设置于定位滑台上的人工机械夹紧机构，包括手轮、与手轮传动连接的丝杆、由丝杆驱动的压紧件以及与压紧件相对设置的固定支承，操作者转动手轮使压紧件将试样压向固定支承完成夹紧；夹紧机构与试样承载台作为整体随定位滑台沿试样长度方向作小范围补偿。首次视觉闭环对中完成后，在人工夹紧状态稳定且实体基准件仍在弹簧预紧作用下压靠同一硬限位结构的状态下执行二次视觉校验，使夹紧前后的视觉测量采用同一实体机械基准；当二次视觉校验的残余偏差超过预设阈值时，可选择提示松夹或降低夹紧力后重新对中并再次夹紧、在允许的微调结构范围内补偿校正，或保持禁止拉削状态。

20、本技术还提供一种利用上述装置进行夏比冲击试样v型缺口加工的视觉闭环自动对中拉削方法，包括以下步骤：

21、s1将夏比冲击试样沿其长度方向横向布置于试样承载定位组件上，使试样长度方向的中部名义缺口加工区域位于拉刀组件的切削工位，并使拉刀工作齿组面向该中部名义缺口加工区域的纵向侧表面；使拉刀组件处于对中准备位置，由弹簧预紧结构将可退让实体基准组件的实体基准件压靠在硬限位结构上，建立与拉刀实际切削中心具有确定几何关系的实体基准；

22、s2获取实体基准的图像信息和位于试样中部名义缺口加工区域的目标位置基准的图像信息，图像信息来自同一幅图像或来自处于同一视觉坐标系、经坐标配准后能够相互比较的多幅图像；

23、s3根据实体基准的位置及实体基准与拉刀实际v型缺口切削中心之间的已知几何关系换算拉刀实际v型缺口切削中心位置，并根据该切削中心位置与目标位置基准之间的位置偏差控制定位滑台沿试样长度方向进行小范围闭环位置调整，直至目标位置基准与当前拉刀实际v型缺口切削中心平面满足第一允许偏差；

24、s4夹紧试样，并在实体基准件仍由弹簧预紧结构压靠同一硬限位结构的状态下再次获取实体基准与试样目标位置基准的图像信息进行二次视觉校验；当二次视觉校验满足第二允许偏差时建立拉削启动许可；

25、s5建立拉削启动许可后启动拉刀的初始拉削行程，利用拉刀行程相对运动触发凸轮退让机构，在首个工作齿进入中部名义缺口加工区域之前机械强制使实体基准件退出至退让位，并在拉削期间持续保持退让；随后使工作齿组和修整齿组从试样中部名义缺口加工区域的纵向侧表面逐级切入形成v型缺口；

26、s6拉削完成后使拉刀回程，凸轮退让机构解除退让作用，实体基准件在弹簧预紧作用下自动回到硬限位结构所确定的对中工作位。

27、在一种实施方式中，首次视觉闭环对中和/或夹紧后二次视觉校验时，从同一幅图像中提取实体基准的基准线位置和试样目标位置基准的目标线位置，或者从时间上相邻的多幅图像中分别提取，并利用固定相机坐标、共同标定特征、相机标定参数或预先获得的坐标变换关系将多幅图像配准至同一视觉坐标系；按照实体基准与拉刀实际v型缺口切削中心之间的重合关系或固定偏置关系，将配准后的基准线位置换算为切削中心位置，以切削中心位置与目标线位置之差作为对中误差，并按照相机标定比例、透视校正参数和运动机构传动参数换算成试样补偿位移。

28、在一种实施方式中，首次视觉闭环对中可采用迭代调整方式，每次调整后重新采集图像计算残余误差，残余误差进入第一允许偏差范围时停止调整；达到预设最大调整次数仍不满足时输出定位异常并禁止夹紧或禁止拉削。

29、在一种实施方式中，二次视觉校验在夹紧机构达到设定夹紧力、夹紧位移或夹紧到位信号，且实体基准件仍在弹簧预紧作用下压靠硬限位结构后进行，第二允许偏差等于或小于第一允许偏差；二次视觉校验不合格时记录夹紧引起的位移方向和位移量，若校正次数未达到预设最大允许次数，则松开夹紧机构或降低夹紧力，根据位移方向和位移量重新补偿、重新夹紧并再次校验；达到预设最大允许次数仍不合格时保持拉削禁止并输出报警。

30、在一种实施方式中，在拉削启动后的预定初始行程内，滚轮从动件进入凸轮的退让导入段，使实体基准件的运动方向具有离开试样中部名义缺口加工区域的分量，且实体基准件到达退让位的时刻早于首个工作齿到达中部名义缺口加工区域纵向侧表面切削起始位置的时刻，形成由行程几何关系限定的机械先退让后切削顺序。

31、在一种实施方式中，实体基准件到达退让位后，使从动件在凸轮退让保持段内运行，直至工作齿组和修整齿组均从试样中部名义缺口加工区域的纵向侧表面完成有效拉削，若退让到位检测信号在允许时间内未建立或在拉削期间丢失，则控制器停止或禁止继续拉削。

32、在一种实施方式中，拉刀组件反向回程至对中准备位置的过程中，凸轮的回程复位段逐步释放实体基准件，弹簧预紧结构使实体基准件回到由硬限位结构确定的对中工作位，并通过视觉位置稳定性检测和/或位置传感器确认复位完成后进入下一试样的对中循环。

33、在一种实施方式中，在设备标定、换刀、维护或累计加工达到预设次数时，以实体基准件处于硬限位所确定的对中工作位为条件重新获取实体基准的视觉位置，并结合拉刀切削中心与实体基准之间的已知几何关系更新视觉-机械坐标标定参数，以补偿相机安装漂移、拉刀装夹重复误差和实体基准磨损引起的慢变误差。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

35、1、通过设置与拉刀本体分立、由硬限位确定对中工作位并由弹簧预紧压靠的可退让实体基准件，并将该实体基准件与拉刀实际v型缺口切削中心之间预先确定且可重复建立的几何关系作为视觉换算依据，视觉测量以贴近实际加工位置的实体参照为基准，有利于降低视觉视差和基准链误差，提高缺口位置准确性。

36、2、通过定位滑台带动试样承载台、夹紧机构与试样整体沿试样长度方向作小范围闭环补偿，并将视觉模块、控制器与定位滑台连接为闭环，能够以量化方式替代人工判读对准，降低对操作经验的依赖，有利于提高对中效率与一致性。

37、3、通过在夹紧完成后、实体基准件仍压靠同一硬限位结构的状态下执行二次视觉校验，并仅在满足预设允许偏差条件时建立拉削启动许可，能够消除人工机械夹紧引起的试样微小位移对缺口位置的影响，提高加工重复性。

38、4、通过由拉刀行程相对运动触发的凸轮退让机构形成先退让后切削的机械时序，使实体基准件在首个工作齿进入试样切削区之前完成强制退出、在拉削期间保持退让，并在拉刀回程时解除退让作用，能够避免实体基准件与试样、夹具及切屑发生干涉，提高拉削安全性；退让时序由行程几何关系锁定，不依赖独立退让执行器的软件响应，有利于提高动作可靠性。

39、5、通过硬限位结构确定实体基准件的回位终点并由弹簧预紧结构持续压靠，每一加工循环结束后实体基准件均自动回到同一对中工作位，有利于保证视觉基准的稳定性和加工过程的可重复性。