基于面陣CCD的刀具磨損精密檢測系統(tǒng)設(shè)計

麻朋威，廖 平

(中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，湖南長沙 410083)

0 引言

在數(shù)控加工中，對刀具磨損檢測分為直接檢測法和間接檢測法，直接法包括接觸法、光學(xué)圖像法及放射線法等；間接法包括切削力法、聲發(fā)射法、功率法、振動法及溫度法等[1-2]。隨著制造智能化、精細(xì)化的發(fā)展，對刀具磨損信息監(jiān)測提出了更高的要求，因此需要構(gòu)建更加精密的系統(tǒng)。目前市場上主要以國外產(chǎn)品為主，且精度無法達(dá)到μm級，國內(nèi)對磨損精密檢測系統(tǒng)研究較少，大都在實驗室階段。對刀具磨損精密檢測系統(tǒng)的研究，既能減少對國外技術(shù)的依賴，又能推動我國智能制造的發(fā)展。

CCD即電荷耦合器件是一種半導(dǎo)體圖像傳感器。它通過光電轉(zhuǎn)換可以將位移、角度、尺寸、寬度等幾何信息轉(zhuǎn)換成電荷信號[3-4]，在工業(yè)相機(jī)、機(jī)器視覺等領(lǐng)域，面陣CCD不可或缺，但大都應(yīng)用于成像方面，圖像傳輸處理過程復(fù)雜且耗費時間長。使用方向性好、光率穩(wěn)定的激光作為光源，能夠讓面陣CCD精確產(chǎn)生反映刀具輪廓和尺寸的易處理的二值化數(shù)字圖像，因此這種檢測系統(tǒng)精度高，測量速度快，穩(wěn)定性好[5-6]。

本文設(shè)計了一種刀具磨損精密檢測系統(tǒng)，對加工中心刀具進(jìn)行非接觸式直接測量。系統(tǒng)使用ICX205AL作為光電傳感器，采用直射式激光作為光源?；贔PGA產(chǎn)生CCD驅(qū)動所需時序信號，同時設(shè)計了前置電路來處理CCD輸出的二維視頻模擬信號，并生成二維二值化數(shù)字圖像由上位機(jī)處理，采用LOF算法剔除異常點。系統(tǒng)測試表明該檢測系統(tǒng)具有輸出信號穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的特點。磨損檢測精度可達(dá)1 μm，該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于刀具磨損精密測量。

1 系統(tǒng)檢測原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 刀具磨損精密檢測系統(tǒng)原理

刀具磨損檢測首先要定義加工中心坐標(biāo)系和檢測系統(tǒng)坐標(biāo)系，加工中心坐標(biāo)系是固定的，檢測系統(tǒng)安裝好后即可確定系統(tǒng)在加工中心坐標(biāo)系的位置，同時建立起檢測系統(tǒng)坐標(biāo)系，通過兩個坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換可以求得刀具在加工中心的位置參數(shù)，兩者坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1 刀具磨損精密檢測系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理

OW為加工中心坐標(biāo)系原點，OC為檢測系統(tǒng)坐標(biāo)系原點，P為刀具刀尖，P在加工中心坐標(biāo)為：

(1)

式中：X1為P在檢測系統(tǒng)的X軸坐標(biāo)值；Y1為P在檢測系統(tǒng)的Y軸坐標(biāo)值。

當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)檢測系統(tǒng)后X1和Y1已知，即可求出刀具在加工中心的坐標(biāo)值。

刀具工作前因平行光源激光照射會在面陣CCD上產(chǎn)生與刀具輪廓大小一致的亮暗區(qū)，激光照射到的CCD像元會產(chǎn)生飽和輸出信號，因此CCD會輸出表示刀具輪廓的二值化數(shù)字圖像，上位機(jī)利用LOF算法對二值化圖像進(jìn)行異常點剔除，二值化圖像可以精確表示刀具輪廓和尺寸。刀具工作結(jié)束后完成復(fù)位，刀具回到起始點，CCD又會生成一幅當(dāng)前刀具輪廓二值化圖像，通過兩幅圖像二值化像素值的區(qū)別可以得到CCD亮暗區(qū)的大小，即可求出刀具磨損量。

1.2 刀具磨損精密檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，采用非接觸式測量，測量精度高，如圖2所示，主要技術(shù)指標(biāo)為：系統(tǒng)外形尺寸為150 mm×120 mm×80 mm；工作距離為80mm；分辨率為1 μm；激光類型為藍(lán)色激光，最大功率5 mW，發(fā)射波長530 nm；光電傳感器為面陣CCD ICX205AL。

圖2 刀具磨損精密檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 ICX205硬件電路設(shè)計

2.1 硬件電路整體方案設(shè)計

本文采用FPGA為面陣CCD提供驅(qū)動時序控制，由于FPGA引腳輸出驅(qū)動信號電壓為3.3 V，無法直接驅(qū)動CCD，故需采用CXD1267來提高垂直轉(zhuǎn)移信號的驅(qū)動能力，采用六反相器TC74HC04AP來提高水平轉(zhuǎn)移信號的驅(qū)動能力。系統(tǒng)采用5 V電壓輸入，通過LT3487生成CCD和CXD1267所需要的+15 V和-8 V電壓，在測量過程中，CCD把光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出，通過電壓放大器和電壓比較器轉(zhuǎn)換為二值化信號，再由FPGA采集緩存到SDRAM并發(fā)送到上位機(jī)中，上位機(jī)使用LOF算法剔除掉二值化圖像異常點，系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件總體結(jié)構(gòu)

2.2 基于FPGA的面陣CCD驅(qū)動電路設(shè)計

2.2.1 ICX205AL工作原理和驅(qū)動時序分析

ICX205AL是對角線8 mm(1/2型)行間CCD固態(tài)圖像傳感器，具有正方形像素陣列和1.45 M有效像素。逐行掃描可以在大約1/7.5 s內(nèi)獨立輸出所有像素的信號。芯片尺寸為7.60 mm(H)×6.20 mm(V)，像元尺寸為4.65 μm(H)×4.65 μm(V)，中心距為4.65 μm。該CCD靈敏度高，暗電流小，提供的是電子快門而非機(jī)械快門。ICX205AL基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，由感光陣列、垂直移位寄存器、水平移位寄存器和輸出放大器組成。感光陣列和垂直移位寄存器相間排列，感光陣列光積分結(jié)束后在垂直轉(zhuǎn)移信號驅(qū)動下將每個像元產(chǎn)生的信號電荷轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器，在水平轉(zhuǎn)移驅(qū)動信號下經(jīng)水平移位寄存器由VOUT端輸出。

圖4 ICX205AL基本結(jié)構(gòu)

ICX205AL驅(qū)動時序以水平驅(qū)動頻率為基準(zhǔn)，其大小為14.318 MHz，為使ICX205AL正常工作，需要提供4路垂直驅(qū)動信號VΦ1、VΦ2A/VΦ2B、VΦ3,2路水平驅(qū)動信號HΦ1、HΦ2,1路襯底信號ΦSUB和1路復(fù)位柵時鐘信號ΦRG。CCD的工作周期分為啟動周期和轉(zhuǎn)移周期，啟動周期各驅(qū)動脈沖的時序同步關(guān)系如圖5所示。

圖5 啟動周期各驅(qū)動脈沖的時序同步關(guān)系

XV1、XV2A/XV2B、XV3是CXD1267AN的輸入信號，V1、V2A/V2B、V3是相應(yīng)的輸出信號。HD的一個周期是啟動的整個過程，以HD出現(xiàn)下降沿作為啟動的開始，V1、V2A/V2B、V3各差32個時鐘周期。首先在V1、V2A/V2B、V3的作用下，將1 050個感光陣列對應(yīng)的垂直移位寄存器中的殘留電荷轉(zhuǎn)移掉，接著V2A/V2B在啟動開始800個脈沖周期后，出現(xiàn)了向上的突變，并維持50個脈沖周期，將CCD表面感光陣列的信號電荷轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器中，在啟動周期中，襯底信號ΦSUB不起作用，一個CCD的啟動周期約是104 448 ns。

轉(zhuǎn)移周期各驅(qū)動脈沖的時序同步關(guān)系如圖6所示，在轉(zhuǎn)移周期中，首先在VΦ1、VΦ2A/VΦ2B、VΦ3的作用下，將所有垂直移位寄存器中的電荷從上到下移動一位，轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器中，再由水平驅(qū)動信號HΦ1/HΦ2,將信號電荷按位轉(zhuǎn)移出去。復(fù)位柵時鐘ΦRG以相同的時鐘頻率作用，清除掉殘留在水平移位寄存器中的電荷，一個CCD的轉(zhuǎn)移周期約是124 852 ns。

圖6 轉(zhuǎn)移周期各驅(qū)動脈沖的時序同步關(guān)系

1個曝光周期包含1個啟動周期和1 068個轉(zhuǎn)移周期。ICX205AL完整時序信號如圖7所示。

圖7 CCD時序信號完整圖

2.2.2 基于FPGA的ICX205AL驅(qū)動時序設(shè)計

根據(jù)啟動周期和轉(zhuǎn)移周期ICX205AL各路脈沖時序的相位要求，可以確定V1、V2A/V2B、V3、HΦ1/HΦ2、ΦSUB，ΦRG的參數(shù)。在啟動周期時：脈沖V1產(chǎn)生2個脈寬，分別為6 720 ns和38 780 ns；脈沖V2A/V2B也產(chǎn)生2個脈寬，分別為6 720 ns和3 500 ns；脈沖V3產(chǎn)生1個6 720 ns的脈寬。在轉(zhuǎn)移周期時，水平驅(qū)動脈沖HΦ1/HΦ2的頻率為14.318 MHz，占空比為0.5；復(fù)位脈沖頻率為14.318 MHz，占空比為0.25；垂直驅(qū)動脈沖V1、V2A/V2B、V3的頻率為124 852 ns，脈寬為6 720 ns，行同步脈沖的頻率為124 852 ns,脈寬為4 480 ns。

選用Cyclone Ⅳ系列芯片EP4CE15F17C8產(chǎn)生ICX205AL所需要的驅(qū)動時序，EP4CE15F17C8高達(dá)15 408個LE邏輯單元，最多可用343個I/O引腳，是一種高性能FPGA芯片。使用QuartusII 13.0作為開發(fā)平臺,Verilog HDL硬件描述語言編程，F(xiàn)PGA外部晶振輸入時鐘頻率為50 MHz，周期為20 ns，通過FPGA內(nèi)部PLL模塊10倍頻得到2 ns的系統(tǒng)時鐘，以計數(shù)法延時得到70 ns的驅(qū)動時鐘。驅(qū)動系統(tǒng)RTL級模型如圖8所示。使用Modelsim仿真軟件對驅(qū)動程序進(jìn)行模擬仿真，得到XV1、XV2A/XV2B、XV3、XSG1、XSG2、HΦ1/HΦ2、ΦSUB、ΦRG、HD，共11路時序驅(qū)動信號，仿真波形如圖9所示，圖中一共顯示了7個周期，第1個周期為啟動周期，其他為轉(zhuǎn)移周期，對比圖7和圖9可得到仿真結(jié)果滿足驅(qū)動時序要求。

圖8 RTL級模型

圖9 ICX205AL驅(qū)動脈沖仿真時序圖

在設(shè)計時序驅(qū)動電路時，因FPGA引腳輸出電壓為3.3 V，ICX205AL正常驅(qū)動所需電壓有23 V、8 V、5 V等，所以考慮到驅(qū)動能力和電平匹配的問題，需采用CXD1267和TC74HC04AP作為時序信號的輸入驅(qū)動器，提高 CCD 驅(qū)動脈沖的驅(qū)動能力。示波器測得的CXD1267輸出的垂直驅(qū)動脈沖如圖10所示，TC74HC04AP輸出的水平驅(qū)動脈沖如圖11所示。

圖10 垂直驅(qū)動脈沖

圖11 水平驅(qū)動脈沖

2.3 CCD輸出信號二值化與采集

CCD輸出的模擬信號約為15 V，在接入比較器前先串接1個電容，濾除掉直流信號，讓信號嵌位在1.5 V。輸出信號經(jīng)過AMP電壓放大器將電壓放大4倍至6 V，接入比較器將信號二值化，本文采用二通道電壓比較器，參考電壓設(shè)置為5 V。 CCD輸出信號二值化電路如圖12所示。比較器輸出的二值化信號經(jīng)FPGA采集緩存到SDRAM中，再傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

圖12 AMP與二值化電路

3 基于LOF算法的異常點剔除

根據(jù)異常點的不同，常用的異常點挖掘方法分為統(tǒng)計學(xué)、偏差、距離和密度。本文采用的是一種典型的基于密度的高精度異常點檢測方法，即LOF(局部異常因子)算法[7-8]。

3.1 LOF算法基本原理

LOF(local outlier factor)是基于密度的經(jīng)典算法，于2000年由德國慕尼黑大學(xué)的M. Breunig等在數(shù)據(jù)庫頂級會議 SIGMOD 上提出[9]。LOF的基本思路是根據(jù)數(shù)據(jù)點的局部環(huán)境來判斷其是否異常，通過給各樣本點均分配一個取決于鄰域密度的離群因子 LOF，若 LOF 遠(yuǎn)大于1，則該數(shù)據(jù)點被判斷為離群點；若LOF接近于1，則該數(shù)據(jù)點被判斷為正常數(shù)據(jù)點。

3.2 LOF算法相關(guān)定義

點p和點o之間的距離為d(p,o)，點p的第k距離為dk(p)=d(p,o)，點p的第k距離鄰域Nk(p)就是p的第k距離及以內(nèi)的所有點，包括第k距離，因此p的第k鄰域點的個數(shù)|Nk(p)|≥k，點o到點p的第k可達(dá)距離定義為

reach-distacek(p,o)=max{k-distace(o),d(p,o)}

(2)

也就是說點o到點p的第k可達(dá)距離，至少是o的第k距離，或者為o、p間的真實距離。這也意味著，離點o最近的k個點，o到它們的可達(dá)距離被認(rèn)為相等，且都等于dk(o)。點p的局部可達(dá)密度表示為

(3)

式(3)表示點p的第k鄰域內(nèi)點到p的平均可達(dá)距離的倒數(shù)。點p的局部離群因子表示為

(4)

式(4)表示點p的鄰域點Nk(p)的局部可達(dá)密度與點p的局部可達(dá)密度之比的平均數(shù)。如果這個比值越接近1，說明p的鄰域點密度差不多，p可能和鄰域同屬一簇；如果這個比值越小于1，說明p的密度高于其鄰域點密度，p為密集點；如果這個比值越大于1，說明p的密度小于其鄰域點密度，p越有可能是異常點。

3.3 LOF算法的實現(xiàn)

(1)計算所有樣本數(shù)據(jù)的局部密度：計算出其他各點到樣本點p的距離，將第k個點的距離命名為k距。

(2)計算所有樣本數(shù)據(jù)的異常分?jǐn)?shù)：將所有離樣本點p的距離小于或等于k距的點取集合為N，計算出集合N中所有點的局部密度，并將其平均值記為mm，則樣本點p的異常分?jǐn)?shù)取值為mm/p。

(3)判斷各數(shù)據(jù)點的異常程度：由異常分?jǐn)?shù)的取值來判斷是否為異常點，若異常分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于1，則表明該點跟其他點的距離較為疏遠(yuǎn)，將被算法判別為異常點。

4 實驗結(jié)果與分析

用示波器測得的ICX205AL輸出信號如圖13所示。有光照的像元輸出電壓信號在1.5 V上產(chǎn)生脈沖波動，波動幅值約為150 mV，無光照的像元輸出電壓信號在1.5 V上產(chǎn)生噪聲波動。

圖13 VOUT端輸出波形

VOUT端輸出波形經(jīng)過二值化后由FPGA采集，發(fā)送到上位機(jī)中形成一幅1 360行×1 024列的由0和1組成的二值化圖像。因激光反射等原因，二值化圖像會產(chǎn)生若干個異常點，在未經(jīng)LOF算法剔除異常點數(shù)據(jù)前的由MATLAB繪出的圖像如圖14所示。

圖14 FPGA采集發(fā)送的二值化圖像

經(jīng)過LOF算法處理后的圖像如圖15所示，可以明顯看到圖像無異常點，因此LOF算法可以有效剔除掉因激光反射產(chǎn)生的異常點。

圖15 經(jīng)LOF算法剔除異常點后的二值化圖像

一個像元尺寸為4.65 μm(H)×4.65 μm(V)，光源射到CCD之前經(jīng)過放大鏡片放大10倍，刀具在X軸和Y軸方向上磨損掉一個像元即為磨損掉0.465 μm，根據(jù)CCD像元的光電特性，50%的像元面積有光照像元即可輸出電壓信號，所以誤差放大倍數(shù)取2，即刀具磨損量為0.93 μm，該系統(tǒng)磨損量檢測以像元為單位，檢測精度為1 μm。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于面陣CCD的刀具磨損精密檢測系統(tǒng)。這個系統(tǒng)設(shè)備體積小，精度高，采用非接觸式測量，使用方便，適合大部分對刀具磨損精密檢測的需要，擺脫了圖像測量刀具磨損對燈光和場地等方面的限制。文章建立了CCD驅(qū)動時序仿真模型，應(yīng)用modelsim仿真驗證證明該時序能夠正常驅(qū)動CCD，文章還完成了基于LOF算法的圖像異常點剔除，經(jīng)過實際圖像對比證明該算法能有效剔除異常點。