摘要： 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)3 μm。

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］。

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］。

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0.68 μm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。

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)。

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］。

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。

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。

根據(jù)誤差評(píng)定原則，系統(tǒng)調(diào)焦重復(fù)性精度約為

（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。

以單個(gè)像素點(diǎn)坐標(biāo)理論值與檢測(cè)值的坐標(biāo)差作為算法偏差，經(jīng)計(jì)算得其標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.1 pixels。

5 結(jié)論

數(shù)字刀具測(cè)量系統(tǒng)以視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以圖像處理為主要手段，測(cè)量精度達(dá)到3 μm，運(yùn)行效率快，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)便，提高了機(jī)床的效能，有效減少了操作人員的工作量。

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