基于線陣CCD的刀具尺寸測量系統(tǒng)設(shè)計

邵偉業(yè)，梁睿君，黃敏凱，李 偉，宋 丹

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

隨著現(xiàn)代航空制造業(yè)的發(fā)展，對零件加工精度的要求越來越高。切削刀具作為機械加工工藝系統(tǒng)的重要組成部分，直接參與零件表面和幾何形狀的生成。在鈦合金等難切削材料的銑削加工過程中，刀具磨損現(xiàn)象十分嚴重[1]。特別是大尺寸零件的連續(xù)精加工，刀具磨損產(chǎn)生的加工誤差對工件加工質(zhì)量的影響更大。為了研究刀具磨損量對工件加工質(zhì)量的影響，需要對刀具尺寸或磨損量進行精確測量[2]。利用測量數(shù)據(jù)建立刀具磨損模型，從而對刀具尺寸變化進行補償，可提高切削加工的精度。

針對刀具磨損量測量，楊學(xué)剛等[3]利用智能手機的攝像機和小型光學(xué)鏡頭組成便攜式視覺檢測系統(tǒng)，拍攝刀具圖片后將圖像傳輸至計算機，經(jīng)過處理后獲得刀具后刀面的磨損量。方記文等[4]運用復(fù)映測量方法，借助軟質(zhì)材料上的復(fù)映孔，間接獲取刀具尺寸，進而獲取刀具磨損量。和傳統(tǒng)的測量方法相比，上述測量方法在一定程度上縮短了測量時間，但是仍然存在著和傳統(tǒng)測量方法相同的問題，即測量時需要人工參與，時間上和空間上跨度均較大，系統(tǒng)集成度低，無法滿足數(shù)據(jù)采集的實時性和自動化加工需求。

為了實現(xiàn)在機測量刀具尺寸并獲取其磨損量，本文提出了一種立銑刀徑向尺寸的光電測量方法，設(shè)計了一種基于線陣CCD(charge coupled device)和STM32控制器的非接觸式刀具尺寸測量系統(tǒng)，利用STM32控制器產(chǎn)生線陣CCD的驅(qū)動脈沖，通過CCD像素單元的光電效應(yīng)將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出，模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)儲存在微處理器中，經(jīng)過圖像處理得到刀具尺寸。這種方法具有非接觸、高精度、易于實現(xiàn)自動化的特點，克服了傳統(tǒng)測量方法的弊端。

1 立銑刀徑向尺寸的測量

刀具磨損原因復(fù)雜，且磨損形式多樣，國標中推薦使用后刀面磨損量VB表示刀具磨損程度。傳統(tǒng)的刀具磨損測量方法是工具顯微鏡法[5]，當(dāng)需要獲取銑削過程中某一時段內(nèi)刀具的磨損狀況時，機床必須要完全停止工作，才能取下刀具使用顯微鏡進行觀測。操作麻煩，測量效率低。

通常情況下，使用光電測量法很難對銑刀的后刀面磨損量進行直接測量，但由微分原理可知，若沿著立銑刀軸線方向在距離刀尖l處垂直截取長度為Δl的銑削微元，此時銑削微元可視為立銑刀，記其截面半徑為Rl，如圖1所示。

(1)

式中：αp為切深平面內(nèi)的刀具后角。

圖1 立銑刀及其銑削微元

圖2 后刀面磨損寬度VB與刀具徑向磨損NB的關(guān)系

由式(1)知，VB與NB存在線性關(guān)系，因此NB可替代VB用于衡量刀具的磨損程度。徑向磨損量NB可以通過先后兩次測量銑刀的徑向尺寸后求差值得到，故而簡化了刀具磨損量的測量過程。

銑刀徑向尺寸的光學(xué)測量采用線陣CCD圖像傳感器，其測量原理圖如圖3所示，測量系統(tǒng)由平行光源系統(tǒng)、待測銑刀、線陣CCD成像系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。獲取銑刀l處截面銑削微元半徑Rl的方法為：平行光源發(fā)出平行光束均勻投射到待測銑刀的位置l處，銑刀成像在線陣CCD的光敏陣列上，l處的位置依據(jù)1/2銑削深度處的切削刃位置確定。由于待測銑刀的遮擋造成CCD光敏陣列上的光照分布強度不同[6]，因此其輸出信號中將包含銑刀半徑的尺寸信息。

圖3 徑向尺寸測量原理圖

由于CCD輸出為模擬信號，需要通過A/D轉(zhuǎn)換將其數(shù)字化，從而得到一幀圖像。對圖像進行像素邊緣數(shù)據(jù)提取，可以得到銑削微元的徑向尺寸。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

刀具尺寸測量系統(tǒng)主要由STM32控制器、電平轉(zhuǎn)換電路、線陣 CCD圖像傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器等組成。系統(tǒng)工作過程如下: STM32控制器產(chǎn)生一系列驅(qū)動脈沖，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換之后驅(qū)動CCD和A/D轉(zhuǎn)換器工作，CCD 的光敏陣列單元受到光的照射積累電荷，電荷包在連續(xù)的驅(qū)動脈沖作用下輸出模擬電壓信號，經(jīng)A/D模塊處理后得到的圖像數(shù)據(jù)以幀為單位通過處理器的DMA通道快速地存儲到STM32控制器的內(nèi)存之中。在完成一幀CCD 數(shù)據(jù)的接收之后，使用邊緣處理算法對像素數(shù)據(jù)進行分析計算得到測量結(jié)果。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1 主控制單元

本系統(tǒng)使用STM32F103ZET6單片機作為主控制器，其最高運行頻率為72 MHz，擁有三級流水線和指令分支預(yù)測功能，具有單周期乘法和硬件除法電路，處理能力可達到1.25 DMIPS/MHz，運算速度可以滿足邊緣提取實時算法的要求；具備3個SPI通信接口、2個高級定時器和4個通用定時器，定時器均可配置成PWM模式，產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制波形可根據(jù)需要調(diào)整時序用于驅(qū)動線陣CCD和A/D轉(zhuǎn)換器等數(shù)字器件；512 KB的Flash和64 KB的SRAM用于存儲算法程序和計算數(shù)據(jù)，滿足CCD信號A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲和計算需求；擁有100多個快速通用I/O接口，多數(shù)通用I/O接口可以作為內(nèi)部外設(shè)的功能引腳，根據(jù)需求選取和設(shè)置，方便系統(tǒng)擴展和完善。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

本系統(tǒng)選用的圖像傳感器是型號為TCD1501D的線陣CCD，其有5 000個有效像元，像元尺寸為7 μm×7 μm，最大有效像元距離為35 mm，由于其靈敏度高、暗信號電壓小、動態(tài)范圍達3 000 dB，因此可獲得高精度測量結(jié)果。TCD1501D有由5 076個光電二極管組成的光敏像元陣列，但能夠輸出有效信號的光電二極管為5 000個，其余的76個(前64個和后12個)光電二極管輸出的為啞元信號。TCD1501D內(nèi)置了采樣保持電路，其驅(qū)動電壓為5 V，由于STM輸出電壓為3.3 V，因此系統(tǒng)采用了TXS0108E電平轉(zhuǎn)換芯片。令CCD圖像傳感器正常工作需要提供復(fù)位脈沖RS、轉(zhuǎn)移脈沖SH、移位脈沖φ1(φ1E，φ1O和φ1B)，φ2(φ2E，φ2O和φ2B)、箝位脈沖CP及采樣保持脈沖SP等5種共10路脈沖，其中轉(zhuǎn)移脈沖SH作為控制信號，其低電平需要持續(xù)至少5 076個輸出信號脈沖。由于TCD1501D屬于雙溝道CCD，信號兩列并行輸出，SH的有效脈沖周期需要大于2 538個移位脈沖周期才能保證采集信號輸出完整。驅(qū)動信號的詳細時序關(guān)系在驅(qū)動信號設(shè)計部分介紹。

線陣CCD 圖像傳感器的輸出信號是包含圖像信號的高頻載波，使用AD9826進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD9826為CCD專用信號處理芯片，轉(zhuǎn)換器精度為16位，單通道采樣速率可達12.5 MS/s，采樣數(shù)據(jù)分為高8位和低8位分兩次并行輸出。該款芯片可以很好地對CCD信號進行預(yù)處理，內(nèi)部自帶基準電壓，每個采樣通道都由輸入箝位電路、可執(zhí)行相關(guān)雙采樣電路(CDS)、偏移DAC和可編程增益放大器( PGA)組成。當(dāng)AD9826工作在單通道CDS模式下時，在一個像素周期內(nèi)對輸入的CCD信號采樣兩次，CDS電路的輸出是兩次采樣的差值，可以有效消除噪聲，從而得到有效的圖像信號。

3 驅(qū)動信號設(shè)計

TCD1501D和AD9826屬于典型的數(shù)字器件，數(shù)字器件正常工作需要一系列時序嚴格的驅(qū)動脈沖。驅(qū)動時序邏輯的設(shè)計是數(shù)字器件應(yīng)用的關(guān)鍵之一。以CCD傳感器為例，TCD1501D的各路驅(qū)動脈沖必須同時滿足一定的時序關(guān)系才能驅(qū)動其正常工作，如圖5所示。

使用STM32內(nèi)部定時器TIM1、TIM2和TIM3來生成相應(yīng)的驅(qū)動脈沖。選取TIM2作為主定時器，TIM1和TIM3作為從定時器，以確保定時器之間的同步，從而實現(xiàn)驅(qū)動脈沖間的時序關(guān)系。為了獲得較高頻率的驅(qū)動脈沖，并且保障微型計算機(MCU)的運算效率，在驅(qū)動脈沖的產(chǎn)生過程中應(yīng)避免使用中斷程序，因為執(zhí)行中斷程序相當(dāng)耗時，在正常工作狀態(tài)下，STM32使用中斷程序產(chǎn)生的序列脈沖的最高頻率為百K級。

圖5 CCD脈沖時序分析圖

RS、CP和SP脈沖的頻率相同，但存在一定的相位差。它們的典型驅(qū)動頻率可達到兆級，這樣的脈沖序列無法使用單個定時器的PWM模式生成。通過TIM2觸發(fā)DMA(direct memory access)，采用DMA方式將內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)循環(huán)輸出到GPIO管腳，使得管腳電平周期性翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生頻率為0.5 MHz的驅(qū)動脈沖。移位脈沖φ1和φ2頻率相同，相位相反，由定時器TIM3產(chǎn)生。STM32的時鐘主頻為 72 MHz，TIM3為TIM2的從時鐘，TIM3的工作頻率為TIM1的輸出頻率。分別對TIM3_CH1和TIM3_CH2通道進行設(shè)置后，便可以輸出頻率為250 kHz、占空比為50%的時序波形。轉(zhuǎn)移脈沖SH的寬度必須小于第0個移位脈沖的寬度，由定時器TIM1產(chǎn)生。利用定時器TIM1的互補輸出和死區(qū)插入功能，可以改變其輸出脈沖的寬度，滿足時序要求，通過改變定時器TIM1自動重裝載寄存器的值，可以改變脈沖SH的周期，達到調(diào)整CCD積分時間的目的。

產(chǎn)生的脈沖序列經(jīng)過TXS0108E轉(zhuǎn)換為5 V電平后，便可以用于驅(qū)動TCD1501D工作。同理，利用STM32定時器產(chǎn)生AD9826的驅(qū)動時序脈沖，可以將模擬信號轉(zhuǎn)換為一維數(shù)字圖像。

4 圖像處理

CCD獲取的原始圖像數(shù)據(jù)中通常帶有高頻噪聲，直接處理原始圖像數(shù)據(jù)會大大增加算法的運算時間，影響系統(tǒng)的實時性，需要提前對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。與均值濾波相比，中值濾波不依賴鄰域內(nèi)那些與典型值差別較大的值，能夠在除去高頻噪聲的同時保留圖像邊緣細節(jié)，因此先對原始數(shù)據(jù)進行中值濾波處理，為后續(xù)精確定位邊緣做準備。

采集到的圖像邊緣信號是一個漸變信號，并不是理想的階躍信號。為了提高徑向尺寸的測量精度，突破像元本身的物理尺寸，采用原始的二值法進行圖像預(yù)處理是不可取的。理論上，使用基于梯度的細分算法，可以獲得較高的細分效果，利于圖像進行邊緣提取，故而本文采用浮動閾值法[7]和梯度算子直線擬合[8]相結(jié)合的方法。首先利用浮動閾值法確定擬合窗口，然后使用梯度幅進行邊緣粗定位，再使用直線擬合方法進行邊緣提取確定圖像邊緣點。此方法在減少計算時間的同時提高了圖像邊緣提取的精確性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

基于線陣CCD的刀具尺寸測量系統(tǒng)，利用了線陣CCD高分辨率以及STM32嵌入式芯片的特點，提高了系統(tǒng)的集成度和便攜性，克服了現(xiàn)有測量方法集成度低、實時性差等缺點，具有非接觸、高精度、易于實現(xiàn)自動化的特點。采用基于梯度算子的細分算法可獲得高精度數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的測量精度和測量效率，為進一步對刀具磨損量的研究起到了積極的推動作用。