趙 玉

基于CCD視覺(jué)系統(tǒng)的刀具磨損測(cè)量方法

趙 玉

河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河北 石家莊 050091

為保證刀具磨損測(cè)量能夠在指定的周期內(nèi)完成，本文提出了一種測(cè)量不同刀具磨損參數(shù)的測(cè)量方法。該系統(tǒng)由光源照射工具、CCD相機(jī)、激光二極管(用于輪廓深度評(píng)估)、線性投影儀、抓拍器和PC機(jī)組成，通過(guò)在刀具表面投影激光光柵線來(lái)確定輪廓深度。利用本文提出的方法，無(wú)需使用非常復(fù)雜的測(cè)量系統(tǒng)，即可獲得三維圖像。與其他能測(cè)量二維輪廓的技術(shù)相比，它具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

CCD相機(jī); 視覺(jué)系統(tǒng); 刀具磨損; 測(cè)量方法

為了提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，提高工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，現(xiàn)代機(jī)器視覺(jué)技術(shù)正在把自動(dòng)化技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合[1]。這些自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備配備了傳感器，可用于控制機(jī)器的各個(gè)功能模塊[2]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)信號(hào)處理、傳感器融合和人工智能技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。現(xiàn)有的兩種主要磨損機(jī)制為：側(cè)面磨損和凹坑磨損[3]?，F(xiàn)今，刀具磨損的監(jiān)測(cè)方法通常是依靠單一或多傳感器提供的解決方案[5]。圖1為在硬質(zhì)合金刀片上測(cè)量的主要刀具磨損參數(shù)。以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)為例，對(duì)銑刀加工過(guò)程中的銑削過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)控和測(cè)量。直接光學(xué)測(cè)量技術(shù)通過(guò)對(duì)刀具的磨損進(jìn)行高精度測(cè)量，將原始灰度圖像以數(shù)值形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，并計(jì)算出各種不同的參數(shù)。利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化，但同時(shí)也存在著光照優(yōu)化調(diào)節(jié)的自動(dòng)化問(wèn)題，而光照優(yōu)化是CCD圖像質(zhì)量的重要參數(shù)。在本研究工作中主要強(qiáng)調(diào)將鋪設(shè)在一個(gè)側(cè)面磨損，利用變形激光束之間的曲率和步距算法來(lái)確定刀具前掠面或后掠面表面輪廓的深度和溝度。

圖 1 測(cè)量的主要刀具磨損參數(shù)

Fig.1. Main tool wear parameters measured

1 測(cè)量設(shè)備和系統(tǒng)概述

本文利用CCD相機(jī)，連接PC機(jī)的接口卡，并配備圖像采集軟件，獲得了激光模式投射的刀具磨損的高分辨率灰度圖像[6,7]。系統(tǒng)采用松下GPMF130 CCD相機(jī)，其像素分辨率為768(H)*493(V)，配合發(fā)光二極管，LED配備了光調(diào)制器和鹵素?zé)?，以達(dá)到最高的輻照度。LED可以在非常高的頻率下發(fā)出、接受脈沖，因此不適用于使用靜態(tài)照明的情況。刀具磨損測(cè)量系統(tǒng)的原理圖如圖2所示，為了對(duì)刀具磨損區(qū)域和未磨損區(qū)域進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)對(duì)硬質(zhì)合金刀片的照明強(qiáng)度和角度進(jìn)行調(diào)整，以重點(diǎn)分析刀具區(qū)域。

為了盡可能減少鏡像畸變的影響，在相機(jī)上安裝了遠(yuǎn)心透鏡系統(tǒng)。在遠(yuǎn)心透鏡中，孔徑直接定位在焦點(diǎn)上。只有平行光線才能通過(guò)這個(gè)孔，由于反射物體是無(wú)限遠(yuǎn)的，近似可認(rèn)為相機(jī)在這種情況下產(chǎn)生鏡像畸變。將CCD相機(jī)引入幀捕獲器，該幀捕獲器具有8 bit分辨率，可完成從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。CCD相機(jī)傳感器是由一組光敏金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器組成，這些電容器通常同時(shí)暴露并按順序讀出。整個(gè)圖像分析從數(shù)字化強(qiáng)度矩陣開(kāi)始，使用軟件捕捉音頻和視頻信號(hào)，在計(jì)算機(jī)上記錄刀具磨損的相關(guān)參數(shù)。

圖2 刀具磨損測(cè)量系統(tǒng)原理圖

圖 3 測(cè)量裝置

2 視覺(jué)系統(tǒng)圖像處理方法

2.1 幀捕獲和校準(zhǔn)

相機(jī)連接到一個(gè)PCI幀捕獲器，允許同步抓取刀具的圖像[9-11]。標(biāo)準(zhǔn)的模擬幀捕獲器使用的時(shí)鐘芯片的分辨率通常是像素分辨率的4~10倍。在水平同步信號(hào)(HSync)下降后，對(duì)時(shí)鐘第一個(gè)上升沿上的線進(jìn)行數(shù)字化。因此，對(duì)于每一行，都有一個(gè)四分之一到十分之一像素的隨機(jī)偏移。為了獲得比十分之一像素更高的分辨率，幀捕獲器與相機(jī)的像素時(shí)鐘同步。為了確定刀具部件的磨損參數(shù)，需對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)以確定合適的轉(zhuǎn)換因子。在顯微鏡下聚焦一組已知距離的平行線，并以像素為單位測(cè)量它們之間的距離，并得到換算系數(shù)。

這些校準(zhǔn)因子用于計(jì)算SI單元的各種磨損參數(shù)。校準(zhǔn)測(cè)量裝置如圖4所示，攝像機(jī)和照明設(shè)備被固定在操作臺(tái)的鋁合金板上。工具被安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，并用支架固定。支架可在,方向移動(dòng)，定位精度約0.01 mm。相機(jī)的視野大約是6.7*9.0 mm2。工具和相機(jī)之間的距離大約是200 mm。

圖4 校準(zhǔn)測(cè)量裝置

Fig.4 Calibration measuring device

圖 5 圖像表面高度分布

2.2 灰度圖像序列生成優(yōu)化圖像的方法

實(shí)際上表面紋理是局部區(qū)域灰度的空間分布。在紋理層次的分割中，使用該區(qū)域固有的灰度屬性來(lái)定義單一的同構(gòu)區(qū)域。使用合適的數(shù)學(xué)軟件工具，將原始圖像像素的亮度變化轉(zhuǎn)換為表面高度變化，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出二維直方圖，其形狀是按照對(duì)數(shù)分布的。圖5給出了按照底部和頂部表面上的高度隨灰度分布和被照表面足夠厚度的分布表示。

剖面深度通過(guò)二維梯度向量進(jìn)行計(jì)算，可得:

對(duì)于數(shù)字圖像，可使用離散梯度來(lái)近似。其導(dǎo)數(shù)可以近似表示在局部窗口中計(jì)算相鄰像素之間的差異。G和G的計(jì)算公式為：

G=(6)-(4) andG=(8)-(2) (2)

式中，1,…,9為底圖像素。

矢量公式可用于檢測(cè)特征點(diǎn)、線和面，或這些特征組合。該算法可應(yīng)用于一組4*4個(gè)內(nèi)核的圖像。此算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)內(nèi)核圖像中不同特征的提取。通過(guò)定位邊緣圖像的像素，將它們連接在一起，對(duì)象的邊界就可以被定義出來(lái)。當(dāng)函數(shù)的梯度為變量時(shí)，邊緣檢測(cè)器就可以利用梯度技術(shù)來(lái)定位邊緣像素。因?yàn)榧y理局部區(qū)域的灰度分布，所以可以準(zhǔn)確識(shí)別出應(yīng)用方向上的表面輪廓。

3 實(shí)驗(yàn)分析

刀具磨損試驗(yàn)是在沒(méi)有冷卻劑的車(chē)床上進(jìn)行的。在對(duì)熱軋鋼進(jìn)行車(chē)削時(shí)，通過(guò)觀察未涂層碳化物刀具的磨損并得出增長(zhǎng)規(guī)律。在車(chē)床停止工作之前，工件被轉(zhuǎn)動(dòng)了15 min。將刀片放置在視覺(jué)系統(tǒng)下，對(duì)側(cè)面磨損和前沿磨損采集圖像并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。在車(chē)床上重復(fù)7次相同刀片的切割，每次切割10 min。通過(guò)估算最大磨損寬度、磨損面積、磨損周長(zhǎng)、特定點(diǎn)切線斜率等參數(shù)，得到剖面深度。為了分析這些參數(shù)，使用“UTHSCSA圖像工具”軟件，在曲面上投影一條線，然后找出任意點(diǎn)的深度，以及曲率和切值。

圖6 切向和曲率隨表面坡度的變化

在圖6中可以清楚地看到，當(dāng)帶刀具刀片的炮塔頭以非常慢的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，投影激光束的形狀、切向和曲率隨表面坡度變化。磨損圖像記錄在切割過(guò)程的不同階段，所有的刀具磨損參數(shù)都是通過(guò)“圖像工具”軟件來(lái)測(cè)量和獲得的，而不需要使用工具制造者的顯微鏡。

4 結(jié)論

在刀具加工和操作過(guò)程中，對(duì)切削刀片進(jìn)行掃描可獲取位圖圖像信息，從而構(gòu)建真實(shí)的磨損切削刀片三維模型，通過(guò)CAD建模器可以分析該模型。此解決方案需要額外的軟件和昂貴的掃描攝像頭，也對(duì)操作人員有更多的技術(shù)要求。本文提出的方法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試，該方法可保存單獨(dú)的工作狀態(tài)，然后在執(zhí)行特定的材料切割插入機(jī)床組合之前加載這些相關(guān)參數(shù)。利用本文提出的方法，無(wú)需使用非常復(fù)雜的測(cè)量系統(tǒng)，即可獲得三維圖像。與其他能測(cè)量二維輪廓的技術(shù)相比，它具有明顯的優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果對(duì)于類(lèi)似刀具測(cè)量領(lǐng)域的研究具有一定的參考意義。

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The Approach to Measure a Tool Wear Based on CCD Vision System

ZHAO Yu

050091,

To ensure tool wear measurements to be completed within a specified period of time, this paper presented a measuring method for different tool wear parameters. The system had the characteristics of flexible measurement, high precision and high spatial resolution. The tool wear measurement system consisted of a light source irradiation tool, a CCD camera, a laser diode (for contour depth assessment), a linear projector, a snapper and a PC. The feature of this technique was to determine the contour depth by projecting the laser grating line on the tool surface. Using the method proposed in this paper, 3D images could be obtained without using a very complex measurement system. Compared with other techniques that could measure two-dimensional contour, it had obvious advantages.

CCD camera; visual system; prop wear; measurement method

TP242.3

B

1000-2324(2020)03-0500-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.021

2018-11-13

2019-02-04

趙玉(1981-),女,碩士,講師,主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造與自動(dòng)化. E-mail:dinggangshixijd@126.com