基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的數(shù)字刀具測(cè)量系統(tǒng)研究*

田國(guó)富，高 峰，劉新穎（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的數(shù)字刀具測(cè)量系統(tǒng)研究*

田國(guó)富，高 峰，劉新穎
（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

刀具的幾何參數(shù)是影響數(shù)控機(jī)床加工精度和生產(chǎn)效率的重要因素。研究了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的高精度刀具測(cè)量系統(tǒng)，分析了運(yùn)行原理和功能模塊，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)做了論述。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀具的刀尖切削特征點(diǎn)、圓弧半徑和切削角參數(shù)的自動(dòng)精確測(cè)量，并將數(shù)值反饋到數(shù)控機(jī)床刀具數(shù)據(jù)庫(kù)，具有較高的效率、精度和自動(dòng)化程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，系統(tǒng)測(cè)量重復(fù)性精度可達(dá)3μm。

刀具測(cè)量；計(jì)算機(jī)視覺(jué)；圖像處理；亞像素

0 引言

數(shù)控機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率與所用刀具有著直接影響。為了提高數(shù)控機(jī)床的加工效能，在使用前應(yīng)該知道刀具的精確尺寸數(shù)據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和使用的刀具測(cè)量系統(tǒng)多是光學(xué)投影式測(cè)量?jī)x，它是將刀具輪廓放大成像在投影屏上，通過(guò)人眼瞄準(zhǔn)測(cè)量刀具的幾何參數(shù)，容易帶來(lái)主觀誤差，測(cè)量精度低，不能適應(yīng)現(xiàn)代化數(shù)控加工的要求。

本文研究了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的數(shù)字圖像刀具測(cè)量系統(tǒng)，采用CCD數(shù)碼相機(jī)攝取刀具圖像并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的圖像處理軟件對(duì)刀具圖像進(jìn)行分析、測(cè)量和計(jì)算，實(shí)時(shí)顯示刀具參數(shù)值并存儲(chǔ)到刀具數(shù)據(jù)庫(kù)以便實(shí)時(shí)管理，具有較高的精度、效率和自動(dòng)化水平，提高了數(shù)控機(jī)床的有效工作時(shí)間，保證了數(shù)控機(jī)床的加工效能。

1 系統(tǒng)測(cè)量原理

從宏觀上看，刀具與工件接觸的切削部分是一個(gè)尖銳的點(diǎn)，稱為切削點(diǎn)；從微觀上看，切削點(diǎn)是具有一定曲率的圓弧，在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，針對(duì)不同外形的切削工件，兩者的接觸點(diǎn)總是變化的。如圖1所示，端面加工時(shí)，接觸點(diǎn)是A；圓柱面加工時(shí)，接觸點(diǎn)是B；球面加工時(shí)，接觸點(diǎn)由A沿圓弧到B。因此必須對(duì)接觸點(diǎn)A、B的精確坐標(biāo)和圓弧AB段的半徑值進(jìn)行測(cè)量，以便實(shí)現(xiàn)刀具預(yù)調(diào)和實(shí)時(shí)補(bǔ)償［1］。

圖1 刀具切削點(diǎn)微觀圖

在刀具測(cè)量系統(tǒng)中，光源垂直向上照射刀具，然后在導(dǎo)軌水平面內(nèi)移動(dòng)CCD相機(jī)鏡頭進(jìn)行對(duì)刀，通過(guò)調(diào)焦的方法確定刀具位置并拍攝刀具圖像，經(jīng)圖像采集卡將圖像的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，利用圖像處理軟件測(cè)得刀具在圖像坐標(biāo)系中的參數(shù)，再根據(jù)相機(jī)標(biāo)的定參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到儀器坐標(biāo)系中，從而得到刀具精確的實(shí)際尺寸，最后將刀具數(shù)據(jù)顯示到屏幕上或存儲(chǔ)到數(shù)控機(jī)床刀具數(shù)據(jù)庫(kù)中以便日后管理和隨時(shí)調(diào)用，這就是系統(tǒng)測(cè)量原理。

2 刀具測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能模塊

數(shù)字圖像刀具測(cè)量系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。該系統(tǒng)由CCD數(shù)碼相機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)等硬件設(shè)備和數(shù)字圖像處理軟件共同組成［2］。

圖2 系統(tǒng)組成框架圖

2.1 機(jī)械移動(dòng)定位系統(tǒng)

刀具測(cè)量系統(tǒng)屬于精密測(cè)量?jī)x器，因此，導(dǎo)軌要具有較高的導(dǎo)向精度、較好的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、良好的耐磨性和對(duì)溫度波動(dòng)的惰性等。此次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用滾動(dòng)導(dǎo)軌，減小了滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)，提高了瞄準(zhǔn)精度。

為了確定視覺(jué)系統(tǒng)的具體位置，在X、Z兩個(gè)方向的導(dǎo)軌上分別附有光柵尺。移動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)刀時(shí)，光柵尺產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，辨向與細(xì)分等處理后通過(guò)USB接口傳入計(jì)算機(jī)。

2.2 視覺(jué)系統(tǒng)

視覺(jué)系統(tǒng)主要由光源和成像系統(tǒng)組成。LED光源是一種冷光源，具有可見(jiàn)光強(qiáng)度高、無(wú)熱量、無(wú)陰影、可無(wú)極調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，儀器和刀具不會(huì)產(chǎn)生熱變形而影響測(cè)量精度，且能耗低、體積小、壽命長(zhǎng)，因此選取波長(zhǎng)為0.68μm的紅色LED作為照明光源［3］。

欲獲得較好的成像質(zhì)量和較高的精度要求，成像系統(tǒng)中常采用柯拉照明方式?？吕彰鞣ú捎枚嘟M透鏡，可以克服光源照明的不均勻性，獲得穩(wěn)定、均勻的視場(chǎng)強(qiáng)度，提高測(cè)量精度。如圖3所示，光源經(jīng)聚光鏡1成像于聚光鏡2的物方焦面，再成像于無(wú)限遠(yuǎn)處，與成像物鏡的入瞳重合。

圖3 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.3 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)測(cè)量軟件是在 Windows平臺(tái)下，利用 Visual C++6.0語(yǔ)言編制，為操作人員提供實(shí)用的操作窗口。如圖4所示，系統(tǒng)軟件界面分為4部分：區(qū)域1顯示原圖像，區(qū)域2顯示處理后的標(biāo)注圖，區(qū)域3顯示快捷命令按鈕，區(qū)域4顯示精確的幾何參數(shù)。

圖4 系統(tǒng)軟件界面圖

依據(jù)操作過(guò)程，軟件主要完成以下功能：

（1）系統(tǒng)標(biāo)定功能：軟件啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)入缺省狀態(tài)，CCD相機(jī)標(biāo)定參數(shù)。

（2）圖像顯示與采集功能：將 CCD攝取的圖像傳輸?shù)焦た貦C(jī)中，并顯示到顯示器上，以便觀察刀具是否成像在CCD像面上。

（3）圖像預(yù)處理功能：對(duì)傳輸?shù)焦た貦C(jī)中的刀具圖像進(jìn)行去噪、濾波、灰度化和分割。

（4）圖像邊緣檢測(cè)功能：運(yùn)用亞像素算法對(duì)刀具圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)并跟蹤。

（5）邊緣特征點(diǎn)識(shí)別：搜索刀具圖像的特殊點(diǎn)，識(shí)別圓弧段和直線段。

（6）刀具數(shù)據(jù)處理：將刀具數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到顯示屏上，實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量過(guò)程以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；或?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便能及時(shí)獲取相關(guān)參數(shù)調(diào)整加工軌跡；或通過(guò)使用前、后的數(shù)據(jù)計(jì)算刀具的磨損情況。

2.4 硬件接口電路

硬件接口電路主要包括 MTC12C5A60S2單片機(jī)、硬件控制RS-232接口等。

MTC12C5A60S2單片機(jī)是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 K/S）。該單片機(jī)單元模塊齊全，精度高，性價(jià)比高，適合用于高精度數(shù)據(jù)采集，能夠滿足系統(tǒng)要求［4］。

RS-232接口是一種串行總線接口，其串行通信接口如圖5所示。由MAX232E執(zhí)行電平的轉(zhuǎn)換。MTC12C5A60S2單片機(jī)串行數(shù)據(jù)接收端RXD與MAX232E的輸出端R2out相連接，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD與輸入端T2in相連接。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)研究

系統(tǒng)標(biāo)定選用的標(biāo)準(zhǔn)量塊AB長(zhǎng)為R，已知：標(biāo)準(zhǔn)量塊在CCD上的成像為ab，長(zhǎng)為r，可直接測(cè)量指導(dǎo)；標(biāo)準(zhǔn)量塊AB與透鏡的距離為D，已知；CCD與透鏡的距離為 d，已知。系統(tǒng)標(biāo)定原理圖如圖 6所示［5］。

圖6 系統(tǒng)標(biāo)定原理示意圖

量塊的成像ab的長(zhǎng)度以像素為單位，由幾何三角形相似定理可計(jì)算出標(biāo)定參數(shù)C：

求出的系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)C作為已知數(shù)值。當(dāng)測(cè)量出被測(cè)刀具在圖像坐標(biāo)系中的參數(shù)（設(shè)為e）后，可計(jì)算得到刀具的實(shí)際尺寸E：

E=C*e

3.2 系統(tǒng)調(diào)焦技術(shù)研究

圖像測(cè)量系統(tǒng)調(diào)焦一般采用調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)，給出圖像的調(diào)焦評(píng)價(jià)值，當(dāng)其達(dá)到最值時(shí)調(diào)焦效果最好。較好的調(diào)教評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)具有以下特性：（1）無(wú)偏性；（2）單峰性；（3）較高的信噪比；（4）較小的計(jì)算量［6］。系統(tǒng)采用基于像素?cái)?shù)評(píng)價(jià)函數(shù)。在圖像處理中，對(duì)整幅圖像的有效像素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可評(píng)價(jià)系統(tǒng)調(diào)焦性能。其表現(xiàn)形式為：

當(dāng)像素灰度值在域值時(shí)，n（x，y）值取 1，否則其值取0。圖7為實(shí)驗(yàn)函數(shù)曲線，可以看出，該函數(shù)具有處理速度快、單調(diào)性好、峰值明顯的優(yōu)點(diǎn)，適合本系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖7 評(píng)價(jià)函數(shù)實(shí)驗(yàn)曲線

3.3 亞像素邊緣檢測(cè)算法研究

Sobel算子既能確定邊緣點(diǎn)的位置和方向，還能根據(jù)像素點(diǎn)上下、左右鄰點(diǎn)的灰度加權(quán)差，對(duì)噪聲進(jìn)行平滑，能提供較好的圖像邊緣信息，因此在邊緣主體區(qū)域粗定位時(shí)選用Sobel算子。過(guò)粗定位所得邊緣點(diǎn)，沿邊緣法線方向拓展像素，得到一系列過(guò)邊緣線的像素點(diǎn)，求得這些點(diǎn)的灰度值，然后根據(jù)這些點(diǎn)的灰度分布的數(shù)學(xué)特征，利用五次正交多項(xiàng)式最小二乘法擬合原理求得擬合函數(shù)，再根據(jù)擬合曲線確定圖像邊緣亞像素點(diǎn)的位置，從而實(shí)現(xiàn)邊緣的亞像素精確定位，這就是改進(jìn)的亞像素邊緣檢測(cè)算法。

本課題選取5個(gè)像素點(diǎn)，橫坐標(biāo)x代表像素值，其取值分別設(shè)為-2、-1、0、1、2，其縱坐標(biāo)y代表各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度值，依據(jù)施密特正交化法與正交多項(xiàng)式最小二乘法擬合原理求得擬合方程表達(dá)式F5（x）：

依據(jù)最值極值求解條件，將函數(shù) F5（x）對(duì) x求二階微分并令其等于零，求得x的數(shù)值即是亞像素點(diǎn)的位置。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

刀具測(cè)量系統(tǒng)的精度主要取決于系統(tǒng)調(diào)焦精度與亞像素邊緣檢測(cè)算法的精度。

（1）調(diào)焦精度研究

在刀具測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)選取的同一刀具依據(jù)調(diào)焦、離焦、調(diào)焦的過(guò)程進(jìn)行多次測(cè)量，提取刀具測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 調(diào)焦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)誤差評(píng)定原則，系統(tǒng)調(diào)焦重復(fù)性精度約為ffffeb≈0.003mm=3μm。

（2）亞像素邊緣檢測(cè)算法精度研究

保持被測(cè)刀具的位置不變，有系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行多次測(cè)量，并提取邊緣點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)，如表2所示。

Research of numerical system for cutter measurement based on com puter Vision

Tian Guofu，Gao Feng，Liu Xinying
（School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

Cutter parameters are important factors for machining accuracy and production efficiency.A cutter measuring system of high precision based on computer vision measurement is investigated，the measurement principle and functional module are analyzed，and some key technologies are proposed.The system can get automatic and precise measurement of cutter point，arc radius and angle.The cutter parameters are stored in database of CNC.This system features high efficiency，precision and automatic level.The experiment result shows that a repeatability of 3μm is achieved.

cutter measurement；computer vision；image processing；sub-pixel

TH89

A

1674-7720（2015）22-0031-03

田國(guó)富，高峰，劉新穎.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的數(shù)字刀具測(cè)量系統(tǒng)研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（22）：31-33，40.

沈陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)局科技攻關(guān)項(xiàng)目（F15-040-2-00）