機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于木工刀具磨損檢測(cè)研究進(jìn)展

■陳則銘 趙小矛 Chen Zeming & Zhao Xiaomao

(1.2.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

近年來(lái)，我國(guó)家具生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展，家具行業(yè)柔性生產(chǎn)能力，自動(dòng)化水平都在不斷提高，家具行業(yè)對(duì)生產(chǎn)管理、產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求。在家具生產(chǎn)過(guò)程中，木工刀具直接作用于木材、板材等家具主材，通過(guò)銑削溝槽、銑削平面、銑削線條等加工動(dòng)作生產(chǎn)出家具零部件。木工刀具的磨損程度，直接影響了家具零部件的加工精度，因此，檢測(cè)木工刀具磨損程度，有利于加強(qiáng)企業(yè)刀具管理，有利于確保家具零件精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。變化情況，通過(guò)比對(duì)零件尺寸誤差值和刀具磨損量，依據(jù)工廠的工藝標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品質(zhì)量要求，判斷刀具磨損對(duì)加工的影響[1]。

1 木工刀具磨損檢測(cè)的意義和現(xiàn)狀

家具生產(chǎn)工藝系統(tǒng)由機(jī)床、工件、夾具、刀具組成，家具零件或部件的一部分加工誤差來(lái)自于工藝系統(tǒng)存在的誤差[1]。目前，已經(jīng)有家具零件檢測(cè)設(shè)備在生產(chǎn)線上使用，通過(guò)檢測(cè)零件的加工誤差，可以判定目前的工藝系統(tǒng)是否還可以繼續(xù)加工家具零部件，但無(wú)法確定零件加工誤差是由于工藝系統(tǒng)的哪一部分造成的。刀具是直接作用于材料加工的工藝系統(tǒng)組成部分，開(kāi)發(fā)一種快速、高精度，具備磨損量檢測(cè)功能的木工刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)分析刀具磨損量，快速判斷是否需要停機(jī)換刀，減少停機(jī)維護(hù)時(shí)間，保證生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)可以與零件檢測(cè)系統(tǒng)配合使用，推進(jìn)形成家具工藝系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)。

近年來(lái)，木工刀具方面的研究多聚焦于耐磨材料研發(fā)和磨損機(jī)理研究方面，對(duì)于木工刀具磨損檢測(cè)技術(shù)和通過(guò)加強(qiáng)刀具管理提高零件加工精度的研究相對(duì)較少[2]。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)木工刀具磨損情況，是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在設(shè)備管理上的新探索，其原理是用相機(jī)等視覺(jué)采集設(shè)備替代人眼拍攝刀具刃口圖像，對(duì)獲取的圖像進(jìn)行標(biāo)定，分析刃口缺損和刃角

2 機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于木工刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)的理論框架已經(jīng)比較完善，目前已經(jīng)成為了一種解決工程實(shí)際問(wèn)題的現(xiàn)代方法，結(jié)合木工刀具磨損檢測(cè)的要求和特點(diǎn)，用于木工刀具磨損檢測(cè)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程如下：

2.1 確定木工刀具磨損檢測(cè)的主要指標(biāo)

在木工刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)中，主要有三項(xiàng)數(shù)據(jù)需要計(jì)算，一是測(cè)量刀具刃口實(shí)際尺寸，與設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算得出刃口磨損量；二是測(cè)量刀具刃角角度，與設(shè)計(jì)角度進(jìn)行對(duì)照，輸出刃角變化量；三是利用獲取的圖像，觀察刀具后刀面擦傷磨損情況，計(jì)算擦傷破損面積。

2.2 .搭建木工刀具圖像采集硬件系統(tǒng)

在機(jī)器視覺(jué)研究領(lǐng)域，“光源-鏡頭—相機(jī)—圖像采集模塊”已經(jīng)成為了最基本的圖像采集單元，也成為了木工刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)的“眼睛”[4]。

2.2.1 光源的選取

光源的主要功能是將光線投射到待測(cè)物體上，突出待測(cè)物體的對(duì)比度。根據(jù)拍攝方式的不同，目前常用的光源類(lèi)型有條形光源、環(huán)形光源、面光源和點(diǎn)光源等并形成了各自的照明方法，拍攝不同的刃口圖像和不同的相機(jī)選取，決定了采用的光源的不同，因此，選取合適的光源一是能夠有效避免刀具陰影而引起的邊緣誤檢；二是可以提供均勻的照明環(huán)境，減少不均勻照明引起的閾值選取困難[5]。

2.2.2 鏡頭的選取

鏡頭相當(dāng)于人眼的角膜，在視覺(jué)系統(tǒng)里是采集圖像的重要原件，目前市面上主要由廣角鏡頭、遠(yuǎn)距鏡頭、顯微鏡頭、變焦鏡頭和遠(yuǎn)心鏡頭等主要類(lèi)型，選取工業(yè)鏡頭應(yīng)主要參考視場(chǎng)、物距、分辨率、景深等技術(shù)指標(biāo)和考慮鏡頭失真對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響[6]。刀具是精密加工工具，需要使用畸變小的工業(yè)級(jí)鏡頭，以消除因畸變產(chǎn)生的測(cè)量誤差。

2.2.3 相機(jī)的選取

相機(jī)相當(dāng)于人眼的視網(wǎng)膜，是鏡頭采集到圖像的成像元件，根據(jù)圖像傳感器類(lèi)型不同，市面上主要是CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)兩種相機(jī)，目前比較常用的是CCD相機(jī)，近年來(lái)隨著CMOS的電路消噪技術(shù)在很大程度上減少了成像的噪聲干擾，CMOS也開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)相機(jī)成像領(lǐng)域，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，在相機(jī)選取上，對(duì)于圖像采集系統(tǒng)而言，并不是越貴的相機(jī)越合適，應(yīng)結(jié)合拍攝像素需要，合理選配工業(yè)相機(jī)。

2.3 選取木工刀具圖像處理算法

根據(jù)硬件系統(tǒng)條件，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的計(jì)算目標(biāo)，選取合適的算法判定刀具磨損狀況，進(jìn)而確定刀具磨損數(shù)據(jù)[7]。為減少運(yùn)算量，提高計(jì)算速度，本研究拍攝的木工刀具磨損圖像 均為灰度圖像，因此圖像處理算法主要由目標(biāo)提取、邊緣檢測(cè)和刀具磨損的幾何參數(shù)檢測(cè)。

2.3.1 從圖像中提取木工刀具刃口圖像

木工刀具由金屬制作，長(zhǎng)期加工磨損使部分區(qū)域非常光滑，可能會(huì)發(fā)生反光，獲取圖像的部分區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)高光，如果直接處理會(huì)丟失部分需要被檢測(cè)到的測(cè)量特征（如后刀面常會(huì)被切削木材摩擦光滑），因此，不僅要選取合適的光源系統(tǒng)和光照強(qiáng)度，更需要采用合適的圖像處理算法分析刀具圖片。

提取目標(biāo)圖像與物體特性、拍攝方法有密切的關(guān)系，具有很強(qiáng)的針對(duì)性，但并不存在適合所有場(chǎng)景的通用性方法。對(duì)于拍攝到的木工刀具的灰度圖像，為提高運(yùn)算速度，應(yīng)保證拍攝刀具背景簡(jiǎn)單，光照均勻[8]。目前，二值化處理是把目標(biāo)物從圖像中提取出來(lái)的主要方法，運(yùn)用這種方法提取刃口圖像，首先要通過(guò)直方圖分析出背景峰值和目標(biāo)物峰值，運(yùn)用大津法（OTSU）確定閾值，將灰度在閾值以上或以下設(shè)置為黑色或白色，以此提取出刃口圖像。

2.3.2 從刃口圖像中提取磨損區(qū)域邊緣

在圖像處理中，邊緣并不是指圖像的輪廓邊界線，還應(yīng)該包括能夠描繪圖像特征的線。對(duì)于刀具圖像而言，磨損部分的邊界線形成的閉合曲線可以計(jì)算出磨損部分的面積，前刀面和后刀面延長(zhǎng)線與刃口形成的閉合圖形，可以計(jì)算刃口的磨損量[9-10]。與提取目標(biāo)圖像一樣，并不存在通用性的邊緣提取方法，因此，需要從常見(jiàn)的邊緣提取方法中，選取一種適合提取刀具磨損特征輪廓線的提取方法，根據(jù)目前的研究情況，Canny算法是比較適合提取磨損區(qū)域邊緣的算法。

2.3.3 運(yùn)用標(biāo)定技術(shù)，將刀具磨損圖像像素值轉(zhuǎn)換為磨損真實(shí)值

相機(jī)標(biāo)定是建立圖像像素位置與刀具實(shí)際位置之間聯(lián)系的一種技術(shù)。通過(guò)鏡頭拍攝的圖像，或多或少都會(huì)發(fā)生畸變，而相機(jī)標(biāo)定的作用就是矯正鏡頭產(chǎn)生的畸變，形成刀具磨損的真實(shí)值與像素值的映射關(guān)系，從而求得刀具磨損刃口數(shù)據(jù)。許多學(xué)者提出多種標(biāo)定方法，以適應(yīng)各種不同的機(jī)器視覺(jué)任務(wù)的復(fù)雜要求，對(duì)于木工刀具磨損檢測(cè)而言，視覺(jué)場(chǎng)景相對(duì)簡(jiǎn)單，需要從圖像中獲取的信息簡(jiǎn)明清晰，一些簡(jiǎn)便的標(biāo)定方法即可滿(mǎn)足要求，例如在測(cè)量背景上做輔助標(biāo)定、或在相機(jī)鏡頭前固定標(biāo)定玻璃片等方法[12-13]。

3 機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于木工刀具磨損檢測(cè)研究進(jìn)展

家具生產(chǎn)過(guò)程中，主要使用柄銑刀完成開(kāi)槽、開(kāi)孔、清底等加工動(dòng)作，或者銑削門(mén)板線條等造型，因此，本研究木工刀具磨損檢測(cè)對(duì)象為柄銑刀，獲取柄銑刀刃口磨損量、刃角變化量和后刀面磨損情況，目前，經(jīng)過(guò)前期研究，編寫(xiě)的軟件已經(jīng)可以識(shí)別刃口缺損情況、可以確定刃口磨損位置，正在推進(jìn)研究標(biāo)定技術(shù)確定刀具刃口尺寸、刃角角度和后刀面磨損部位面積的相關(guān)研究。

4 結(jié)語(yǔ)

家具工業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)始走向數(shù)字化和信息化生產(chǎn)之路。近年來(lái)，企業(yè)通過(guò)數(shù)字化設(shè)備提高了生產(chǎn)效率，數(shù)字化生產(chǎn)工藝管理前景廣闊。家具零件加工精度檢測(cè)已收到各大企業(yè)重視，但零件加工精度已屬于結(jié)果，需要解決生產(chǎn)工藝問(wèn)題仍需要對(duì)刀具、設(shè)備等生產(chǎn)主要工具的加工狀態(tài)進(jìn)行研究判斷，機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于木工刀具磨損檢測(cè)結(jié)果，可以應(yīng)用于比對(duì)家具零部件加工誤差，分析零件被該刀具加工部位的精度誤差與刀具的磨損量，即可判定刀具對(duì)家具零件加工精度的影響，得出繼續(xù)使用刀具生產(chǎn)和停機(jī)更換新刀具加工的量化依據(jù)。