李 芹,盧滌非*,陳桂強(qiáng),王利軍

(1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代信息技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 310053;2.浙江縉云韓立鋸業(yè)有限公司,浙江 縉云 321400)

0 引 言

相比于其他種類的圓鋸片,高速鋼(HSS)圓鋸片普遍應(yīng)用于鋼、鐵、銅、鋁等中硬度金屬材料的切割場(chǎng)合,因而其具有非常突出的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)[1,2]。

HSS鋸齒的齒形包括圓弧齒、三角齒、高低齒、倒角齒等。作為切割作業(yè)的直接承擔(dān)者,HSS鋸齒的齒形參數(shù)直接與鋸片的壽命、切割效率、切割精度、切割能耗等性能指標(biāo)[3-5]相關(guān)聯(lián)。在實(shí)際的應(yīng)用過程中,HSS鋸齒參數(shù)常常由工人手工測(cè)量,不僅測(cè)量的效率低下,而且測(cè)量的精度得不到保證。

近年來,鋸片行業(yè)出現(xiàn)了多類新型鋸片(如雙金屬鋸片等),也出現(xiàn)了鋸齒參數(shù)測(cè)量的新裝置及新方法。習(xí)寶田等人[6,7]基于輪廓影響法,通過測(cè)量鋸片端面的圓跳動(dòng)量等參數(shù),進(jìn)而分析了鋸片的適張狀態(tài)。張東偉等人[8]使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圓鋸片進(jìn)行了數(shù)字化測(cè)量,并利用逆向工程技術(shù)建立了鋸片修磨仿真的制造模型。李超、侯田平等人[9,10]使用計(jì)算機(jī)視覺測(cè)量法,詳細(xì)測(cè)量了鋸齒前角、鋸齒后角等參數(shù)。

在上述各類方法中,都用到了基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的鋸齒參數(shù)測(cè)量方法。因其具有非接觸測(cè)量(對(duì)鋸片無損)、檢測(cè)效率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),該測(cè)量方法被認(rèn)為在未來鋸片行業(yè)檢測(cè)技術(shù)中具有很好的發(fā)展前景[11]。同時(shí),有關(guān)該測(cè)量方法在硬質(zhì)合金圓鋸片等領(lǐng)域的應(yīng)用也已見諸于報(bào)道。

然而,將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用于HSS鋸齒邊緣的檢測(cè)中遇到了難題:采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行邊緣檢測(cè)時(shí),要根據(jù)灰度值的變化將物體與背景加以區(qū)分;但是由于高速鋼材料表面特性及散光等原因,HSS鋸齒表面會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生多個(gè)小區(qū)域,這些區(qū)域的灰度值與背景相近[12],用固定閥值檢測(cè)時(shí)會(huì)錯(cuò)誤得到很多“邊緣點(diǎn)”或“邊緣線”(即噪聲),導(dǎo)致無法依靠鋸齒邊緣來檢測(cè)鋸齒參數(shù)。

針對(duì)上述缺陷,筆者提出一種基于圖像的HSS鋸齒參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)裝置,在該裝置中引入最大類間與類內(nèi)方差比法[13,14],將固定閥值改為動(dòng)態(tài)閥值,通過自適應(yīng)調(diào)整,得到最優(yōu)灰度閥值,以準(zhǔn)確檢測(cè)鋸齒邊緣,進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算鋸齒齒形參數(shù)。

1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)及流程

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

HSS鋸齒參數(shù)檢測(cè)裝置由5部分組成,即光源及工業(yè)相機(jī)、鋸片夾持器、鋸片旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、激光傳感器組、鋸片水平調(diào)節(jié)桿。

檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 HSS鋸齒參數(shù)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖1中:鋸片夾持器分為上、下兩部分,上部的蓋帽可通過手工擰動(dòng),實(shí)現(xiàn)鋸片的裝夾、夾緊與拆卸,下部的基座通過聯(lián)軸器與電機(jī)減速器伸出軸相連;

在豎直方向設(shè)計(jì)了4根鋸片水平調(diào)節(jié)桿,頂在鋸片夾持器的基座底部,以避免因鋸片的非水平安裝導(dǎo)致鋸齒參數(shù)檢測(cè)有誤差;當(dāng)鋸片的夾持器不夠水平時(shí),可通過螺紋方式擰動(dòng)相應(yīng)的調(diào)節(jié)桿,從而實(shí)現(xiàn)鋸片水平狀態(tài)的人工調(diào)節(jié);

激光傳感器組為可拆卸式設(shè)計(jì),主要用于輔助檢測(cè)鋸片是否呈水平狀態(tài),內(nèi)含2個(gè)激光傳感器,對(duì)稱安裝在桿件兩端,通過檢測(cè)并比較鋸片兩端與2個(gè)激光傳感器之間的距離,判斷鋸片裝夾是否已達(dá)水平狀態(tài);

工業(yè)相機(jī)的選型綜合考慮了3項(xiàng)參數(shù),即HSS鋸齒大小(齒寬參數(shù)T)、檢測(cè)精度A和拍攝視野范圍(X*Y)。其中,檢測(cè)精度A應(yīng)小于齒寬參數(shù)T的千分之一,視野范圍X應(yīng)至少覆蓋2個(gè)齒寬T,相機(jī)分辨率則為(X/A)*(Y/A);

鋸片旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)保證鋸片邊緣鋸齒能逐個(gè)進(jìn)入工業(yè)相機(jī)視域范圍。此處以100個(gè)鋸齒數(shù)的圓鋸片為例,每個(gè)鋸齒相對(duì)于鋸片圓心的弧度為3.6°,因此,該裝置對(duì)鋸片旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型要求很低。以86步進(jìn)電機(jī)為例(每個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖對(duì)應(yīng)1.8°步距角),即使不采用減速器,也可確保鋸齒逐個(gè)進(jìn)入工業(yè)相機(jī)視域范圍。

1.2 操作流程

HSS鋸齒參數(shù)檢測(cè)裝置的操作流程如圖2所示。

圖2 HSS鋸齒參數(shù)檢測(cè)裝置的操作流程圖

2 鋸齒參數(shù)檢測(cè)算法

筆者把HSS鋸齒參數(shù)檢測(cè)分成3個(gè)步驟,即圖像預(yù)處理、鋸齒邊緣檢測(cè)、鋸齒參數(shù)計(jì)算。其中,圖像預(yù)處理步驟包括圖像亮度調(diào)節(jié)、灰度化處理等常規(guī)操作[15],因此,此處筆者僅對(duì)后續(xù)兩步驟做詳細(xì)介紹。

2.1 邊緣檢測(cè)算法

由于HSS鋸齒表面與背景的灰度值相近,灰度化處理之后的鋸齒圖像存在較多噪點(diǎn),如圖3所示。

圖3 基于最優(yōu)灰度閥值的鋸齒邊緣檢測(cè)

要避免這些噪點(diǎn)對(duì)鋸齒邊緣檢測(cè)造成干擾,筆者引入最大類間與類內(nèi)比值,并通過反復(fù)迭代得到最佳灰度閥值,從而準(zhǔn)確檢測(cè)到鋸齒邊緣,為后續(xù)的鋸齒參數(shù)計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

此處求取最佳灰度閥值的迭代流程如下:

(1)設(shè)定灰度化處理后的鋸齒圖片的灰度初始閾值TH0,根據(jù)初始閾值TH0將圖像分成兩部分,分別為第一部分的C1和第一部分的C2;

3類指標(biāo)的計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

(3)

(3)計(jì)算兩部分在圖像中的分布概率,其中,第一部分C1在圖像中的分布概率為第一概率值P1,第二部分C2在圖像中的分布概率為第二概率值P2,即:

(4)

(5)

式中:NC1—C1部分的像素點(diǎn)總和;NC2—C2部分的像素點(diǎn)總和。

(6)

(7)

(8)

(5)迭代計(jì)算。由上述公式可知,每個(gè)閥值TH都可求得對(duì)應(yīng)的一個(gè)S值。從初始閥值TH0開始,不斷地變化閥值TH(即TH為動(dòng)態(tài)閥值),并持續(xù)保存S值,當(dāng)S值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的閥值TH即為最佳閥值。

筆者使用上述流程取得的最佳閥值,對(duì)灰度化以后的鋸齒圖像進(jìn)行分類,可得到鋸齒邊緣,如圖3(b)所示。

需要說明的是,每個(gè)HSS鋸齒表面情況均不相同,因此上述迭代步驟在每個(gè)HSS鋸齒均需執(zhí)行一次。

相比于閥值固定的傳統(tǒng)類邊緣檢測(cè)算法,如Canny算子邊緣檢測(cè)等,筆者采用的是最大類間與類內(nèi)方差比法,通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閥值,可最大程度地抑制噪聲,提升邊緣檢測(cè)的準(zhǔn)確性;相比于一些算法復(fù)雜的新型邊緣檢測(cè)方法,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)邊緣檢測(cè)算法,筆者方法的計(jì)算簡(jiǎn)單,也無需網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及樣本學(xué)習(xí)訓(xùn)練等,鋸齒邊緣檢測(cè)速度快。

2.2 鋸齒參數(shù)計(jì)算方法

HSS鋸齒類型較多,此處筆者僅選取計(jì)算難度最高的圓弧齒[16,17]。

根據(jù)前文檢測(cè)的鋸齒邊緣,筆者通過提取特征點(diǎn)(A～E點(diǎn))和擬合3條曲線,計(jì)算得到圓弧齒6項(xiàng)參數(shù),包括前角λ、后角α、齒寬T、齒深H、第一圓弧半徑R、第二圓弧半徑Rb,如圖4所示。

圖4 圓弧齒的6項(xiàng)齒形參數(shù)

圓弧齒齒形參數(shù)的計(jì)算流程如下:

(1)坐標(biāo)變換,將鋸齒邊緣各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo),從相機(jī)坐標(biāo)系Ox′y′轉(zhuǎn)化至以鋸片圓心為原點(diǎn)的鋸片坐標(biāo)系Oxy;

(2)鋸齒邊緣各點(diǎn)至鋸片圓心的距離值最大的兩點(diǎn),分別為第一齒尖A點(diǎn)和第二齒尖B點(diǎn)。根據(jù)A點(diǎn)和B點(diǎn)在鋸片坐標(biāo)系下的參數(shù),求取齒寬參數(shù)T:

(9)

(3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn),齒深參數(shù)H約為0.45T,第一圓弧半徑R約為0.25T。因此,約有0.2T的高度屬于前角對(duì)應(yīng)的直線。為排除第一圓弧上的點(diǎn),取A點(diǎn)以下0.18T距離以內(nèi)的數(shù)據(jù),使用最小二乘法,擬合前角直線AC;采用相同的原理,使用B點(diǎn)往左0.4T距離范圍內(nèi)的數(shù)據(jù),擬合第二圓弧,并求取第二圓弧半徑Rb;

(4)使用B點(diǎn)往左0.6T至0.9T距離范圍內(nèi)的數(shù)據(jù),使用最小二乘法,擬合第一圓弧,且使得第一圓弧與前角直線相切于C點(diǎn),與第二圓弧相切于D點(diǎn),從而得到第一圓弧半徑R;

(5)過A點(diǎn)作豎直線,其與前角直線的夾角即為前角λ;過B點(diǎn)做第二圓弧的切線,同時(shí)過B點(diǎn)作水平線,兩直線之間的夾角即為后角α;作一水平線與第一圓弧相切于E點(diǎn),齒深H即為H=yA-yE。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證筆者推導(dǎo)的鋸齒參數(shù)測(cè)量算法的正確性,筆者搭建了鋸齒參數(shù)測(cè)量裝置,如圖5所示。

圖5 鋸齒參數(shù)測(cè)量裝置

圖5中:

被測(cè)的2張高速鋼圓鋸片的直徑分別為285 mm和235 mm,均分布100個(gè)圓弧齒(即理論齒寬T分別為8.949 mm和7.379 mm);

工業(yè)相機(jī)采用海康MV-CA050-10GM/GC(像素為5×106,像元尺寸為3.45×3.45 μm);

鋸片旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用86步進(jìn)電機(jī);

測(cè)量算法通過MATLAB平臺(tái)得以實(shí)現(xiàn)。

此處的實(shí)驗(yàn)針對(duì)HSS圓鋸片的圓弧齒展開,其測(cè)量的結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量結(jié)果

鋸齒參數(shù)的廠家測(cè)量值由廠家通過人工操作三坐標(biāo)設(shè)備方式測(cè)量得到,實(shí)驗(yàn)中以此為標(biāo)準(zhǔn)值;測(cè)量誤差由筆者測(cè)量值與廠家測(cè)量值計(jì)算得到

由表1可以看出:

筆者設(shè)計(jì)的鋸齒參數(shù)檢測(cè)裝置及算法,測(cè)量誤差控制在3%以內(nèi)。在鋸片行業(yè)中通常默認(rèn)15o的前角與后角,允許誤差范圍為±1°[18,19],即6.7%的誤差。

由此可見,該測(cè)量結(jié)果可作為高速鋼圓鋸片選型、鋸片修磨檢測(cè)等依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高速鋼圓鋸片鋸齒參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)的需要,筆者設(shè)計(jì)了一種基于圖像處理的自動(dòng)檢測(cè)裝置,并研究了提高其檢測(cè)精度的檢測(cè)算法,最后通過搭建鋸齒參數(shù)測(cè)量裝置的原理樣機(jī),對(duì)該裝置的檢測(cè)精度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

研究過程及結(jié)果如下:

(1)檢測(cè)包括鋸齒拍攝、鋸片夾持、鋸片旋轉(zhuǎn)、鋸片水平檢測(cè)、鋸片水平調(diào)整5個(gè)步驟,操作人員只需完成鋸片的裝夾與拆卸,并在激光傳感器組的檢測(cè)配合下,將高速鋼圓鋸片調(diào)水平,即可自動(dòng)完成所有鋸齒參數(shù)的檢測(cè);

(2)針對(duì)高速鋼鋸齒表面的灰度值噪聲引起鋸齒參數(shù)識(shí)別誤差大的問題,筆者引入最大類間與類內(nèi)方差比法,可大幅度提升鋸齒邊緣檢測(cè)的準(zhǔn)確率,進(jìn)而保證鋸齒齒形參數(shù)的檢測(cè)精度;

(3)通過與行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的高精度三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),結(jié)果表明裝置及算法對(duì)鋸齒參數(shù)的檢測(cè)誤差在3%以內(nèi);

該鋸齒參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)裝置具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn),因而在經(jīng)常采用鋸片的各制造行業(yè)內(nèi)具有很好的推廣價(jià)值。

基于該鋸齒參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)裝置,在后續(xù)的工作中,筆者將開展鋸片工況分析、鋸片剩余壽命預(yù)測(cè)、鋸片安全狀態(tài)評(píng)估等研究,即根據(jù)檢測(cè)的切割前鋸齒參數(shù)和切割后鋸齒參數(shù),使用有限元迭代倒推該鋸片的工作切割力,然后融合應(yīng)力分布等參數(shù),以此來預(yù)測(cè)鋸片的剩余壽命;同時(shí),對(duì)該鋸片的安全狀態(tài)加以評(píng)估。