影像式刀具預(yù)調(diào)儀主要功能模塊的設(shè)計(jì)

楊國(guó)林　潘流平

摘要： 刀具預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x適用于測(cè)量數(shù)控機(jī)床（包括加工中心和柔性制造單元等）上所使用的鏜銑類刀具及車刀類刀具切削刃的精確坐標(biāo)位置，并能檢查刀具的刃口質(zhì)量、刀尖角度、圓弧半徑及盤(pán)類刀具的徑向跳動(dòng)等。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)刀具預(yù)調(diào)儀市場(chǎng)的現(xiàn)況，采用CCD視頻圖像處理技術(shù)開(kāi)發(fā)了一款離線測(cè)量刀型數(shù)據(jù)的影像式刀具預(yù)調(diào)儀。經(jīng)檢定表明，該儀器操作方便，穩(wěn)定可靠，精度高，各個(gè)功能模塊達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。目前該儀器已進(jìn)入試樣階段，不久即可投入市場(chǎng)進(jìn)行銷售。

關(guān)鍵詞： 影像式刀具預(yù)調(diào)儀； 圖像像素標(biāo)定； 圖像處理； 標(biāo)定具； 集成校準(zhǔn)基準(zhǔn)標(biāo)定

中圖分類號(hào)： TH 741文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.015

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床、加工中心的日益普及，而隨著數(shù)控機(jī)床、加工中心的大量使用，又使得能夠快速、準(zhǔn)確測(cè)量刀具相關(guān)參數(shù)的刀具預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x的市場(chǎng)需求日益增加?？v觀國(guó)內(nèi)國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展，國(guó)內(nèi)目前正在逐步從以光學(xué)投影式測(cè)量向視頻影像式測(cè)量發(fā)展，技術(shù)上還存在一個(gè)逐步完善過(guò)程，且生產(chǎn)廠家很少，而國(guó)外主要走高端，技術(shù)成熟，但價(jià)格不菲，在此情況下，為滿足市場(chǎng)日益擴(kuò)大的需求，開(kāi)發(fā)了這一款影像式刀具預(yù)調(diào)儀。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要以光學(xué)投影式刀具預(yù)調(diào)儀為主導(dǎo)，隨著國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品的不斷引入及用戶需求的提高，研制帶CCD視頻圖像處理技術(shù)的刀具預(yù)調(diào)儀就顯得尤為重要，而且要求儀器外形美觀、操作直觀、方便；軟件要求人機(jī)界面友好，智能化程度高，功能強(qiáng)大，本儀器正是根據(jù)這些要求進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

1刀具預(yù)調(diào)測(cè)量原理

數(shù)控機(jī)床和加工中心利用刀具在主軸上的長(zhǎng)度及直徑等參數(shù)調(diào)整刀尖軌跡進(jìn)行刀具補(bǔ)償，這一過(guò)程稱為對(duì)刀。通常來(lái)說(shuō)，理想的刀具的刀尖是一個(gè)點(diǎn)，但實(shí)際刀具的刀尖都是具有一定曲率半徑的圓弧，如圖1所示為刀尖局部放大圖，根據(jù)切削方式的不同，其切削點(diǎn)也就不同，當(dāng)用于斷面切削時(shí)，切削點(diǎn)是圖1中的R點(diǎn)，當(dāng)用于圓柱面切削時(shí)，切削點(diǎn)是圖1中的H點(diǎn)，在機(jī)床坐標(biāo)系中確定刀具預(yù)調(diào)點(diǎn)R、H的位置坐標(biāo)就實(shí)現(xiàn)了刀具的預(yù)調(diào)，也就是說(shuō)刀具預(yù)調(diào)就是測(cè)量刀具刀尖相對(duì)于儀器基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，即如圖1中的R、H兩點(diǎn)。另外在復(fù)雜曲面的加工中有些是利用刀具刀尖上R、H之間的某一點(diǎn)，而有些接觸點(diǎn)則是在R、H之間變化的，因此，刀具預(yù)調(diào)儀不但要能測(cè)出刀具的刀尖特征位置（R、H兩點(diǎn)），還要能測(cè)出切削角、刀尖圓弧半徑等形狀參數(shù)，如圖2、圖3所示。

如圖6所示，整機(jī)由二維機(jī)械位移系統(tǒng)、氣浮系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、CCD攝像系統(tǒng)、圖像采集接口系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)構(gòu)成，其中機(jī)械位移系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)圖像處理軟件是保證測(cè)量精度的基礎(chǔ)，而照明系統(tǒng)和CCD攝像系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的關(guān)鍵部件。其整機(jī)實(shí)現(xiàn)原理是：通過(guò)x、z二維機(jī)械位移系統(tǒng)，使刀具的被測(cè)輪廓進(jìn)入到光學(xué)視覺(jué)系統(tǒng)中。光源從一側(cè)投射在被測(cè)刀尖上，另一側(cè)的視覺(jué)系統(tǒng)接收成像。通過(guò)軟件對(duì)圖像預(yù)處理、去噪、濾波、邊緣提取、亞像素細(xì)分、曲線擬合等，提出被測(cè)刀具的相應(yīng)數(shù)據(jù)（（R、H）值、切削角、圓弧半徑等），在計(jì)算機(jī)上顯示結(jié)果，并把相應(yīng)數(shù)據(jù)與加工中心共享，達(dá)到刀具預(yù)調(diào)目的，其流程圖如圖7所示。

這其中，為保證機(jī)械精度，二維機(jī)械位移系統(tǒng)采用氣浮式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，日本THK精密滑塊導(dǎo)軌，采用進(jìn)口光柵作為位移基準(zhǔn)。

4圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)是完成測(cè)量的關(guān)鍵部分，它包括圖像采集及圖像處理兩部分。

4.1圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)主要是對(duì)刀具的刀尖圖像進(jìn)行攝取、采集，并送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，該系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、CCD光學(xué)成像系統(tǒng)、圖像采集硬件及光柵數(shù)據(jù)采集硬件組成。

4.1.1

照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)的好壞決定圖像處理的好壞，也是決定測(cè)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵，照明系統(tǒng)主要由光源和聚光鏡組成。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)可知，要達(dá)到最佳照明效果，必須考慮照明系統(tǒng)能夠提供足夠的光能量及能提供穩(wěn)定均勻的照明等因素，因此選擇好的照明光源[4]是關(guān)鍵。

常用的光源有鎢絲燈光源、LED半導(dǎo)體發(fā)光二極管光源、氣體放電燈、激光光源，由于光源對(duì)圖像處理影響很大，常見(jiàn)的白熾燈、鹵鎢燈由于紅外成份重，使像元之間的干擾大，會(huì)降低器件的均勻性，且發(fā)熱量高，因此綜合各方面因素，選用了LED大功率發(fā)光二極管作為照明光源。

4.1.2

光學(xué)成像系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)，光學(xué)鏡頭采用長(zhǎng)焦鏡頭，遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)可減少由于調(diào)焦不準(zhǔn)帶來(lái)的誤差，長(zhǎng)焦鏡頭可減少光學(xué)畸變誤差。由于光學(xué)放大倍數(shù)會(huì)影響測(cè)量精度，因此具備足夠大的放大倍率也是應(yīng)該考慮的問(wèn)題，考慮到放大倍率高，視場(chǎng)范圍小，放大倍率小，視場(chǎng)范圍大的特點(diǎn)，將放大倍率設(shè)定在2倍。

由于CMOS攝像機(jī)畸變較大，本系統(tǒng)采用CCD攝像頭作為圖像攝取部件，相比USB圖像接口，圖像采集卡采集速度快、實(shí)時(shí)性好而在本系統(tǒng)中被采納使用，因此本系統(tǒng)沒(méi)有采用CMOS攝像頭及USB圖像接口，而采用CCD攝像頭、圖像采集卡作為圖像采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件。在選擇CCD攝像頭時(shí)主要根據(jù)以下參數(shù)[4]進(jìn)行考慮：

分辨率，攝像機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)（像素?cái)?shù)量）；

像素深度，即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)；

最大幀頻/行頻，攝像機(jī)采集傳輸圖像的速率，對(duì)于面陣攝像機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)，對(duì)于線陣攝像機(jī)一般為每秒采集的的行數(shù)（Hz）；

像元尺寸；

光譜響應(yīng)特性，像元傳感器對(duì)不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350～1 000 nm，如果需要濾除紅外光，可在攝像機(jī)靶面前加一個(gè)濾光鏡；

綜合各方面因素，本系統(tǒng)采用的CCD攝像頭為日本Nikon 1/3英寸彩色攝像頭，像素?cái)?shù)為576×768，圖像采集卡的型號(hào)為國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的OK_C61A，經(jīng)實(shí)際使用，能達(dá)到精度要求。

4.1.4光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在采集刀具圖像的同時(shí)，也必須對(duì)圖像移動(dòng)的位移坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，選擇采集卡應(yīng)考慮今后該卡可接不同種類的光柵，例如，今后根據(jù)用戶需要可改接海德漢光柵、雷尼紹金屬鋼帶光柵及其它廠家生產(chǎn)的光柵等，另外還應(yīng)考慮提供的庫(kù)函數(shù)豐富、功能多，方便二次開(kāi)發(fā)等因素。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的Enc7480，該卡響應(yīng)頻率快，提供的庫(kù)函數(shù)功能豐富，采用的光柵為本公司自行生產(chǎn)的光柵傳感器。

4.2圖像處理系統(tǒng)

圖像處理是本儀器的關(guān)鍵技術(shù)，在其它系統(tǒng)都滿足要求的情況下，對(duì)取得的刀具圖像進(jìn)行精確處理就顯得尤為重要。一般情況下，成像系統(tǒng)獲得的圖像由于受到種種條件限制和隨機(jī)干擾，往往不能直接進(jìn)行處理，為了準(zhǔn)確檢測(cè)圖像邊緣，還需對(duì)原始圖像進(jìn)行灰度校正、噪聲過(guò)濾等圖像預(yù)處理。一般來(lái)說(shuō)，圖像處理大致包括圖像采集、圖像存儲(chǔ)、圖像傳輸、圖像處理、圖像輸出等幾個(gè)方面，具體到刀具圖像的處理，一副刀具圖像需經(jīng)過(guò)刀具圖像、濾波去噪、圖像灰度化、邊緣檢測(cè)與跟蹤、閾值分割、亞像素定位、得到邊緣點(diǎn)坐標(biāo)、計(jì)算刀具參數(shù)等處理步驟方能得出最后結(jié)果。

目前，圖像處理有多種方法[57]，具體選擇那一種處理方式，要看具體儀器要處理的圖像情況來(lái)定。經(jīng)過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的多次研究實(shí)驗(yàn)確定，本系統(tǒng)使用中值濾波效果最好，使用Canny算子進(jìn)行圖像刀尖數(shù)據(jù)的提取，對(duì)于刀尖邊緣的初定位效果不錯(cuò)，而采用多項(xiàng)式擬合法作為亞像素細(xì)分算法實(shí)現(xiàn)刀尖邊緣亞像素定位能夠滿足本儀器精度要求。由于中值濾波、Canny算子、多項(xiàng)式擬合法在多個(gè)資料中都有詳細(xì)論述，這里就不一一介紹了。

4.3系統(tǒng)標(biāo)定

為了得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，還需要對(duì)幾個(gè)重要參數(shù)[6]進(jìn)行標(biāo)定。在本系統(tǒng)中，測(cè)量基準(zhǔn)為固定在7∶24錐柄軸套上的兩個(gè)直徑相同的精密鋼球，要得到需要的R、H值，首先必須要標(biāo)定出兩鋼球分別到主軸旋轉(zhuǎn)中心（本系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)）的距離，在本系統(tǒng)中，稱為系統(tǒng)集成校準(zhǔn)基準(zhǔn)。另外，在使用儀器進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，都是在計(jì)算機(jī)屏幕上用鼠標(biāo)直接對(duì)視頻圖像進(jìn)行操作，得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)是屏幕圖像像素坐標(biāo)，不是實(shí)際的長(zhǎng)度坐標(biāo)，因此，必須對(duì)圖像像素進(jìn)行標(biāo)定。有些參考文獻(xiàn)上介紹了標(biāo)定方法，但都過(guò)于繁瑣且計(jì)算量較大，不是太實(shí)用，在本系統(tǒng)中，避開(kāi)了抽象繁瑣的數(shù)學(xué)模型，使用了一種較為直接的標(biāo)定方法來(lái)完成圖像像素的標(biāo)定。對(duì)于標(biāo)定兩鋼球分別到主軸旋轉(zhuǎn)中心（本系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)）的距離，也即系統(tǒng)集成校準(zhǔn)基準(zhǔn)，其方法暫不作具體介紹，這里只介紹圖像像素標(biāo)定方法。

許多標(biāo)定方法[8]都是基于較為抽象的數(shù)學(xué)模型，且計(jì)算量較大，數(shù)學(xué)模型中大都會(huì)用物鏡理論放大倍數(shù)參與計(jì)算，但物體實(shí)際成像會(huì)受到系統(tǒng)中各種因素的影響致使最終放大倍數(shù)會(huì)偏離理論放大倍數(shù)，這就會(huì)造成計(jì)算誤差，在本系統(tǒng)中，采用了如下一種標(biāo)定方法來(lái)標(biāo)定像素實(shí)際尺寸，既直接又避開(kāi)了繁瑣地的計(jì)算。

將一塊上面有大小不一的一組圓的長(zhǎng)方形玻璃塊（標(biāo)定專用）放在儀器夾具上固定好并調(diào)整，使玻璃成像面正好在焦平面上，將屏幕上清晰成像的同一個(gè)圓分別移動(dòng)到屏幕圖像窗口四個(gè)角，用相關(guān)圖像處理方法計(jì)算出該圓在圖像窗口四個(gè)角的圓心像素坐標(biāo)，記為（XTi，ZTi），同時(shí)記下此時(shí)對(duì)應(yīng)儀器光柵數(shù)據(jù)（XGi，ZGi），根據(jù)得到的四組數(shù)據(jù)可很容易地計(jì)算出水平方向和垂直方向也即x方向和z方向一個(gè)像素實(shí)際長(zhǎng)度尺寸，達(dá)到了像素標(biāo)定的目的。

本系統(tǒng)中，由于采用了遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)及長(zhǎng)焦鏡頭，其調(diào)焦誤差及光學(xué)畸變較小，標(biāo)定時(shí)光柵移動(dòng)距離很短，導(dǎo)軌誤差也可忽略。實(shí)踐證明，該方法利用物體實(shí)際成像效果和光柵移動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行像素標(biāo)定處理計(jì)算，像素標(biāo)定誤差較小，測(cè)量準(zhǔn)確性較高，不過(guò)需要注意的是，由于光照對(duì)圖像處理影響較大，標(biāo)定時(shí)一定要保證屏幕圖像窗口照明均勻。

5處理軟件

根據(jù)刀具預(yù)調(diào)儀的測(cè)量原理及需要測(cè)量的刀具參數(shù)，利用VC++開(kāi)發(fā)工具及圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)、編寫(xiě)了測(cè)量軟件，目前，開(kāi)發(fā)的軟件已在該儀器上測(cè)試使用，軟件主界面如圖8所示。

測(cè)量軟件主要包含了圖像采集顯示模塊、光柵數(shù)據(jù)采集顯示模塊、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、打印模塊等。軟件功能主要包含了手動(dòng)測(cè)量功能、預(yù)調(diào)功能、自動(dòng)測(cè)量功能、基準(zhǔn)鋼球定位功能、系統(tǒng)設(shè)置功能、系統(tǒng)修正與標(biāo)定功能、數(shù)據(jù)操作功能等。

6結(jié)論

根據(jù)刀具預(yù)調(diào)儀的測(cè)量原理，利用CCD光學(xué)成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)視頻圖像處理技術(shù)和圖像標(biāo)定技術(shù)設(shè)計(jì)了一款影像式刀具預(yù)調(diào)儀。目前該儀器已生產(chǎn)出了樣機(jī)，經(jīng)過(guò)對(duì)樣機(jī)的反復(fù)測(cè)試，證明該樣機(jī)操作方便，穩(wěn)定可靠，測(cè)量重復(fù)性好、精度高，各個(gè)功能模塊達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。目前該儀器已進(jìn)入試樣階段，不久即可投入市場(chǎng)進(jìn)行銷售。

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4.1.4光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在采集刀具圖像的同時(shí)，也必須對(duì)圖像移動(dòng)的位移坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，選擇采集卡應(yīng)考慮今后該卡可接不同種類的光柵，例如，今后根據(jù)用戶需要可改接海德漢光柵、雷尼紹金屬鋼帶光柵及其它廠家生產(chǎn)的光柵等，另外還應(yīng)考慮提供的庫(kù)函數(shù)豐富、功能多，方便二次開(kāi)發(fā)等因素。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的Enc7480，該卡響應(yīng)頻率快，提供的庫(kù)函數(shù)功能豐富，采用的光柵為本公司自行生產(chǎn)的光柵傳感器。

4.2圖像處理系統(tǒng)

圖像處理是本儀器的關(guān)鍵技術(shù)，在其它系統(tǒng)都滿足要求的情況下，對(duì)取得的刀具圖像進(jìn)行精確處理就顯得尤為重要。一般情況下，成像系統(tǒng)獲得的圖像由于受到種種條件限制和隨機(jī)干擾，往往不能直接進(jìn)行處理，為了準(zhǔn)確檢測(cè)圖像邊緣，還需對(duì)原始圖像進(jìn)行灰度校正、噪聲過(guò)濾等圖像預(yù)處理。一般來(lái)說(shuō)，圖像處理大致包括圖像采集、圖像存儲(chǔ)、圖像傳輸、圖像處理、圖像輸出等幾個(gè)方面，具體到刀具圖像的處理，一副刀具圖像需經(jīng)過(guò)刀具圖像、濾波去噪、圖像灰度化、邊緣檢測(cè)與跟蹤、閾值分割、亞像素定位、得到邊緣點(diǎn)坐標(biāo)、計(jì)算刀具參數(shù)等處理步驟方能得出最后結(jié)果。

目前，圖像處理有多種方法[57]，具體選擇那一種處理方式，要看具體儀器要處理的圖像情況來(lái)定。經(jīng)過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的多次研究實(shí)驗(yàn)確定，本系統(tǒng)使用中值濾波效果最好，使用Canny算子進(jìn)行圖像刀尖數(shù)據(jù)的提取，對(duì)于刀尖邊緣的初定位效果不錯(cuò)，而采用多項(xiàng)式擬合法作為亞像素細(xì)分算法實(shí)現(xiàn)刀尖邊緣亞像素定位能夠滿足本儀器精度要求。由于中值濾波、Canny算子、多項(xiàng)式擬合法在多個(gè)資料中都有詳細(xì)論述，這里就不一一介紹了。

4.3系統(tǒng)標(biāo)定

為了得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，還需要對(duì)幾個(gè)重要參數(shù)[6]進(jìn)行標(biāo)定。在本系統(tǒng)中，測(cè)量基準(zhǔn)為固定在7∶24錐柄軸套上的兩個(gè)直徑相同的精密鋼球，要得到需要的R、H值，首先必須要標(biāo)定出兩鋼球分別到主軸旋轉(zhuǎn)中心（本系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)）的距離，在本系統(tǒng)中，稱為系統(tǒng)集成校準(zhǔn)基準(zhǔn)。另外，在使用儀器進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，都是在計(jì)算機(jī)屏幕上用鼠標(biāo)直接對(duì)視頻圖像進(jìn)行操作，得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)是屏幕圖像像素坐標(biāo)，不是實(shí)際的長(zhǎng)度坐標(biāo)，因此，必須對(duì)圖像像素進(jìn)行標(biāo)定。有些參考文獻(xiàn)上介紹了標(biāo)定方法，但都過(guò)于繁瑣且計(jì)算量較大，不是太實(shí)用，在本系統(tǒng)中，避開(kāi)了抽象繁瑣的數(shù)學(xué)模型，使用了一種較為直接的標(biāo)定方法來(lái)完成圖像像素的標(biāo)定。對(duì)于標(biāo)定兩鋼球分別到主軸旋轉(zhuǎn)中心（本系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)）的距離，也即系統(tǒng)集成校準(zhǔn)基準(zhǔn)，其方法暫不作具體介紹，這里只介紹圖像像素標(biāo)定方法。

許多標(biāo)定方法[8]都是基于較為抽象的數(shù)學(xué)模型，且計(jì)算量較大，數(shù)學(xué)模型中大都會(huì)用物鏡理論放大倍數(shù)參與計(jì)算，但物體實(shí)際成像會(huì)受到系統(tǒng)中各種因素的影響致使最終放大倍數(shù)會(huì)偏離理論放大倍數(shù)，這就會(huì)造成計(jì)算誤差，在本系統(tǒng)中，采用了如下一種標(biāo)定方法來(lái)標(biāo)定像素實(shí)際尺寸，既直接又避開(kāi)了繁瑣地的計(jì)算。

將一塊上面有大小不一的一組圓的長(zhǎng)方形玻璃塊（標(biāo)定專用）放在儀器夾具上固定好并調(diào)整，使玻璃成像面正好在焦平面上，將屏幕上清晰成像的同一個(gè)圓分別移動(dòng)到屏幕圖像窗口四個(gè)角，用相關(guān)圖像處理方法計(jì)算出該圓在圖像窗口四個(gè)角的圓心像素坐標(biāo)，記為（XTi，ZTi），同時(shí)記下此時(shí)對(duì)應(yīng)儀器光柵數(shù)據(jù)（XGi，ZGi），根據(jù)得到的四組數(shù)據(jù)可很容易地計(jì)算出水平方向和垂直方向也即x方向和z方向一個(gè)像素實(shí)際長(zhǎng)度尺寸，達(dá)到了像素標(biāo)定的目的。

本系統(tǒng)中，由于采用了遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)及長(zhǎng)焦鏡頭，其調(diào)焦誤差及光學(xué)畸變較小，標(biāo)定時(shí)光柵移動(dòng)距離很短，導(dǎo)軌誤差也可忽略。實(shí)踐證明，該方法利用物體實(shí)際成像效果和光柵移動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行像素標(biāo)定處理計(jì)算，像素標(biāo)定誤差較小，測(cè)量準(zhǔn)確性較高，不過(guò)需要注意的是，由于光照對(duì)圖像處理影響較大，標(biāo)定時(shí)一定要保證屏幕圖像窗口照明均勻。

5處理軟件

根據(jù)刀具預(yù)調(diào)儀的測(cè)量原理及需要測(cè)量的刀具參數(shù)，利用VC++開(kāi)發(fā)工具及圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)、編寫(xiě)了測(cè)量軟件，目前，開(kāi)發(fā)的軟件已在該儀器上測(cè)試使用，軟件主界面如圖8所示。

測(cè)量軟件主要包含了圖像采集顯示模塊、光柵數(shù)據(jù)采集顯示模塊、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、打印模塊等。軟件功能主要包含了手動(dòng)測(cè)量功能、預(yù)調(diào)功能、自動(dòng)測(cè)量功能、基準(zhǔn)鋼球定位功能、系統(tǒng)設(shè)置功能、系統(tǒng)修正與標(biāo)定功能、數(shù)據(jù)操作功能等。

6結(jié)論

根據(jù)刀具預(yù)調(diào)儀的測(cè)量原理，利用CCD光學(xué)成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)視頻圖像處理技術(shù)和圖像標(biāo)定技術(shù)設(shè)計(jì)了一款影像式刀具預(yù)調(diào)儀。目前該儀器已生產(chǎn)出了樣機(jī)，經(jīng)過(guò)對(duì)樣機(jī)的反復(fù)測(cè)試，證明該樣機(jī)操作方便，穩(wěn)定可靠，測(cè)量重復(fù)性好、精度高，各個(gè)功能模塊達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。目前該儀器已進(jìn)入試樣階段，不久即可投入市場(chǎng)進(jìn)行銷售。

參考文獻(xiàn)：

[1]常家東. 加工中心對(duì)刀儀器研制[J].機(jī)床與液壓，2005（8）：3233.

[2]李東光，楊世民，張國(guó)雄.刀具預(yù)調(diào)儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及誤差的補(bǔ)償方法[J].制造技術(shù)與機(jī)床，1999（1）：1114.

[3]劉力雙，王寶光，張銚，等.刀具預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2005（10）：6769.

[4]王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：4350.

[5]李慶利，張少軍，李忠富，等.一種基于多項(xiàng)式插值改進(jìn)的亞像素細(xì)分算法[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（3）：280283.

[6]陳向偉.機(jī)械零件計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2005.

[7]李茜，郭佳，郭小云.基于邊緣檢測(cè)小波變換的紅外與可見(jiàn)光圖像融合方法[J].光學(xué)儀器，2013，35（1）：1921.

[8]邱茂林，馬頌德，李毅.計(jì)算機(jī)視覺(jué)中攝像機(jī)定標(biāo)綜述[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000，26（1）：4355.

4.1.4光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在采集刀具圖像的同時(shí)，也必須對(duì)圖像移動(dòng)的位移坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，選擇采集卡應(yīng)考慮今后該卡可接不同種類的光柵，例如，今后根據(jù)用戶需要可改接海德漢光柵、雷尼紹金屬鋼帶光柵及其它廠家生產(chǎn)的光柵等，另外還應(yīng)考慮提供的庫(kù)函數(shù)豐富、功能多，方便二次開(kāi)發(fā)等因素。本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的Enc7480，該卡響應(yīng)頻率快，提供的庫(kù)函數(shù)功能豐富，采用的光柵為本公司自行生產(chǎn)的光柵傳感器。

4.2圖像處理系統(tǒng)

圖像處理是本儀器的關(guān)鍵技術(shù)，在其它系統(tǒng)都滿足要求的情況下，對(duì)取得的刀具圖像進(jìn)行精確處理就顯得尤為重要。一般情況下，成像系統(tǒng)獲得的圖像由于受到種種條件限制和隨機(jī)干擾，往往不能直接進(jìn)行處理，為了準(zhǔn)確檢測(cè)圖像邊緣，還需對(duì)原始圖像進(jìn)行灰度校正、噪聲過(guò)濾等圖像預(yù)處理。一般來(lái)說(shuō)，圖像處理大致包括圖像采集、圖像存儲(chǔ)、圖像傳輸、圖像處理、圖像輸出等幾個(gè)方面，具體到刀具圖像的處理，一副刀具圖像需經(jīng)過(guò)刀具圖像、濾波去噪、圖像灰度化、邊緣檢測(cè)與跟蹤、閾值分割、亞像素定位、得到邊緣點(diǎn)坐標(biāo)、計(jì)算刀具參數(shù)等處理步驟方能得出最后結(jié)果。

目前，圖像處理有多種方法[57]，具體選擇那一種處理方式，要看具體儀器要處理的圖像情況來(lái)定。經(jīng)過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的多次研究實(shí)驗(yàn)確定，本系統(tǒng)使用中值濾波效果最好，使用Canny算子進(jìn)行圖像刀尖數(shù)據(jù)的提取，對(duì)于刀尖邊緣的初定位效果不錯(cuò)，而采用多項(xiàng)式擬合法作為亞像素細(xì)分算法實(shí)現(xiàn)刀尖邊緣亞像素定位能夠滿足本儀器精度要求。由于中值濾波、Canny算子、多項(xiàng)式擬合法在多個(gè)資料中都有詳細(xì)論述，這里就不一一介紹了。

4.3系統(tǒng)標(biāo)定

為了得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，還需要對(duì)幾個(gè)重要參數(shù)[6]進(jìn)行標(biāo)定。在本系統(tǒng)中，測(cè)量基準(zhǔn)為固定在7∶24錐柄軸套上的兩個(gè)直徑相同的精密鋼球，要得到需要的R、H值，首先必須要標(biāo)定出兩鋼球分別到主軸旋轉(zhuǎn)中心（本系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)）的距離，在本系統(tǒng)中，稱為系統(tǒng)集成校準(zhǔn)基準(zhǔn)。另外，在使用儀器進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，都是在計(jì)算機(jī)屏幕上用鼠標(biāo)直接對(duì)視頻圖像進(jìn)行操作，得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)是屏幕圖像像素坐標(biāo)，不是實(shí)際的長(zhǎng)度坐標(biāo)，因此，必須對(duì)圖像像素進(jìn)行標(biāo)定。有些參考文獻(xiàn)上介紹了標(biāo)定方法，但都過(guò)于繁瑣且計(jì)算量較大，不是太實(shí)用，在本系統(tǒng)中，避開(kāi)了抽象繁瑣的數(shù)學(xué)模型，使用了一種較為直接的標(biāo)定方法來(lái)完成圖像像素的標(biāo)定。對(duì)于標(biāo)定兩鋼球分別到主軸旋轉(zhuǎn)中心（本系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)）的距離，也即系統(tǒng)集成校準(zhǔn)基準(zhǔn)，其方法暫不作具體介紹，這里只介紹圖像像素標(biāo)定方法。

許多標(biāo)定方法[8]都是基于較為抽象的數(shù)學(xué)模型，且計(jì)算量較大，數(shù)學(xué)模型中大都會(huì)用物鏡理論放大倍數(shù)參與計(jì)算，但物體實(shí)際成像會(huì)受到系統(tǒng)中各種因素的影響致使最終放大倍數(shù)會(huì)偏離理論放大倍數(shù)，這就會(huì)造成計(jì)算誤差，在本系統(tǒng)中，采用了如下一種標(biāo)定方法來(lái)標(biāo)定像素實(shí)際尺寸，既直接又避開(kāi)了繁瑣地的計(jì)算。

將一塊上面有大小不一的一組圓的長(zhǎng)方形玻璃塊（標(biāo)定專用）放在儀器夾具上固定好并調(diào)整，使玻璃成像面正好在焦平面上，將屏幕上清晰成像的同一個(gè)圓分別移動(dòng)到屏幕圖像窗口四個(gè)角，用相關(guān)圖像處理方法計(jì)算出該圓在圖像窗口四個(gè)角的圓心像素坐標(biāo)，記為（XTi，ZTi），同時(shí)記下此時(shí)對(duì)應(yīng)儀器光柵數(shù)據(jù)（XGi，ZGi），根據(jù)得到的四組數(shù)據(jù)可很容易地計(jì)算出水平方向和垂直方向也即x方向和z方向一個(gè)像素實(shí)際長(zhǎng)度尺寸，達(dá)到了像素標(biāo)定的目的。

本系統(tǒng)中，由于采用了遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)及長(zhǎng)焦鏡頭，其調(diào)焦誤差及光學(xué)畸變較小，標(biāo)定時(shí)光柵移動(dòng)距離很短，導(dǎo)軌誤差也可忽略。實(shí)踐證明，該方法利用物體實(shí)際成像效果和光柵移動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行像素標(biāo)定處理計(jì)算，像素標(biāo)定誤差較小，測(cè)量準(zhǔn)確性較高，不過(guò)需要注意的是，由于光照對(duì)圖像處理影響較大，標(biāo)定時(shí)一定要保證屏幕圖像窗口照明均勻。

5處理軟件

根據(jù)刀具預(yù)調(diào)儀的測(cè)量原理及需要測(cè)量的刀具參數(shù)，利用VC++開(kāi)發(fā)工具及圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)、編寫(xiě)了測(cè)量軟件，目前，開(kāi)發(fā)的軟件已在該儀器上測(cè)試使用，軟件主界面如圖8所示。

測(cè)量軟件主要包含了圖像采集顯示模塊、光柵數(shù)據(jù)采集顯示模塊、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、打印模塊等。軟件功能主要包含了手動(dòng)測(cè)量功能、預(yù)調(diào)功能、自動(dòng)測(cè)量功能、基準(zhǔn)鋼球定位功能、系統(tǒng)設(shè)置功能、系統(tǒng)修正與標(biāo)定功能、數(shù)據(jù)操作功能等。

6結(jié)論

根據(jù)刀具預(yù)調(diào)儀的測(cè)量原理，利用CCD光學(xué)成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)視頻圖像處理技術(shù)和圖像標(biāo)定技術(shù)設(shè)計(jì)了一款影像式刀具預(yù)調(diào)儀。目前該儀器已生產(chǎn)出了樣機(jī)，經(jīng)過(guò)對(duì)樣機(jī)的反復(fù)測(cè)試，證明該樣機(jī)操作方便，穩(wěn)定可靠，測(cè)量重復(fù)性好、精度高，各個(gè)功能模塊達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。目前該儀器已進(jìn)入試樣階段，不久即可投入市場(chǎng)進(jìn)行銷售。

參考文獻(xiàn)：

[1]常家東. 加工中心對(duì)刀儀器研制[J].機(jī)床與液壓，2005（8）：3233.

[2]李東光，楊世民，張國(guó)雄.刀具預(yù)調(diào)儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及誤差的補(bǔ)償方法[J].制造技術(shù)與機(jī)床，1999（1）：1114.

[3]劉力雙，王寶光，張銚，等.刀具預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2005（10）：6769.

[4]王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：4350.

[5]李慶利，張少軍，李忠富，等.一種基于多項(xiàng)式插值改進(jìn)的亞像素細(xì)分算法[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（3）：280283.

[6]陳向偉.機(jī)械零件計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2005.

[7]李茜，郭佳，郭小云.基于邊緣檢測(cè)小波變換的紅外與可見(jiàn)光圖像融合方法[J].光學(xué)儀器，2013，35（1）：1921.

[8]邱茂林，馬頌德，李毅.計(jì)算機(jī)視覺(jué)中攝像機(jī)定標(biāo)綜述[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000，26（1）：4355.