基于计算机视觉的数字刀具测量系统研究

摘要：刀具的几何参数是影响数控铣床加工精度和生产效率的重要诱因。研究了基于计算机视觉测量技术的高精度刀具检测系统，剖析了运行原理和功能模块，对关键技术做了阐述。系统实现了对刀具的刀刃铣削特点点、圆弧直径和磨削角参数的手动精确检测，并将数值反馈到数控铣床刀具数据库，具有较高的效率、精度和手动化程度。实验结果证明，系统检测重复性精度可达3μm。

0序言

数控铣床的加工精度和生产效率与所用刀具有着直接影响。为了提升数控铣床的加工效能，在使用前应当晓得刀具的精确规格数据。目前，国外生产和使用的刀具检测系统多是光学投影式检测仪，它是将刀具轮廓放大成像在投影屏上，通过人眼瞄准检测刀具的几何参数，容易带来主观偏差，检测精度低，不能适应现代化数控加工的要求。

本文研究了基于计算机视觉测量技术的数字图象刀具检测系统，采用CCD数码单反摄入刀具图象并转换为数字讯号进行传输，通过自主开发的图象处理软件对刀具图象进行剖析、测量和估算，实时显示刀具参数值并储存到刀具数据库便于实时管理，具有较高的精度、效率和手动化水平，提升了数控铣床的有效工作时间，保证了数控铣床的加工效能。

1系统检测原理

从宏观上看，刀具与型腔接触的磨削部份是一个尖锐的点，称为铣削点；从微观上看，磨削点是具有一定曲率的弧形，在进行机械加工时，针对不同外型的磨削型腔，二者的接触点总是变化的。如图1所示，锥面加工时，接触点是A；圆锥面加工时，接触点是B；球面加工时，接触点由A沿弧形到B。因而必须对接触点A、B的精确座标和弧形AB段的直径值进行检测，便于实现刀具预调和实时补偿[1]。

在刀具检测系统中，光源垂直向下照射刀具，之后在滑轨水平面内联通CCD单反镜头进行对刀，通过变焦的方式确定刀具位置并拍摄刀具图象，经图象采集卡将图象的数字讯号传输到计算机中，借助图象处理软件测得刀具在图象座标系中的参数，再依照单反标的定参数进行估算，将图象座标系转换到仪器座标系中，因而得到刀具精确的实际规格，最后将刀具数据显示到屏幕上或储存到数控铣床刀具数据库中便于日后管理和随时调用，这就是系统检测原理。

2刀具检测系统的结构和功能模块

数字图象刀具检测系统整体的结构设计如图2所示。该系统由CCD数码单反、图像采集卡、计算机及其外设等硬件设备和数字图象处理软件共同组成[2]。

2.1机械联通定位系统

刀具检测系统属于精密检测仪器，因而，滑轨要具有较高的导向精度、较好的运动平稳性、良好的耐磨性和对气温波动的惰性等。这次结构设计采用滚动滑轨，减少了滑块与滑轨间的磨擦系数，增强了瞄准精度。

为了确定视觉系统的具体位置，在X、Z两个方向的滑轨上分别附有光栅尺。联通视觉系统进行对刀时，光栅尺形成响应讯号，该讯号经过混频，辨向与细分等处理后通过USB插口传入计算机。

2.2视觉系统

视觉系统主要由光源和成像系统组成。LED光源是一种冷光源，具有可见光硬度高、无热量、无阴影、可无极调节等优点，仪器和刀具不会形成热变型而影响检测精度，且煤耗低、体积小、寿命长，因而选定波长为0.68μm的白色LED作为照明光源[3]。

欲获得较好的成像质量和较高的精度要求，成像系统中常采用柯拉照明形式。柯拉照明法采用多组透镜，可以克服光源照明的不均匀性，获得稳定、均匀的视场硬度，提升检测精度。如图3所示，光源经聚光镜1成像于聚光镜2的物方焦面，再成像于无限远处，与成像目镜的入瞳重合。

2.3软件系统

系统检测软件是在平台下，借助C++6.0语言编制，为操作人员提供实用的操作窗口。如图4所示，系统软件界面分为4部份：区域1显示原图像，区域2显示处理后的标明图，区域3显示快捷命令按键，区域4显示精确的几何参数。

根据操作过程数字图像处理的应用，软件主要完成以下功能：

（1）系统标定功能：软件启动后手动步入缺省状态，CCD单反标定参数。

（2）图象显示与采集功能：将CCD摄入的图象传输到工控机中，并显示到显示器上，便于观察刀具是否成像在CCD像面上。

（3）图象预处理功能：对传输到工控机中的刀具图象进行去噪、滤波、灰度化和分割。

（4）图象边沿检查功能：运用亚象素算法对刀具图象进行边沿检查并跟踪。

（5）边沿特点点辨识：搜索刀具图象的特殊点，辨识弧形段和直线段。

（6）刀具数据处理：将刀具数据实时显示到显示屏上，实时监控检测过程便于及时发觉问题；或将数据储存到数据库中，便于能及时获取相关参数调整加工轨迹；或通过使用前、后的数据估算刀具的锈蚀情况。

2.4硬件插口电路

硬件插口电路主要包括单片机、硬件控制RS-232插口等。

单片机是高速、低帧率、超强抗干扰的新一代8051单片机，内部集成专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S）。该单片机单元模块齐全，精度高，性价比高，适宜用于高精度数据采集，才能满足系统要求[4]。

RS-232插口是一种串行总线插口，其串行通讯插口如图5所示。由执行电平的转换。单片机串行数据接收端RXD与的输出端R2out相联接，串行数据发送端TXD与输入端T2in相联接。

3系统关键技术研究

3.1系统标定技术研究

系统标定选用的标准千分尺AB长为R，已知：标准千分尺在CCD上的成像为ab，长为r，可直接检测指导；标准千分尺AB与透镜的距离为D，已知；CCD与透镜的距离为d，已知。系统标定原理图如图6所示[5]。

千分尺的成像ab的厚度以象素为单位，由几何三角形相像定律可估算出标定参数C：

求出的系统标定参数C作为已知数值。当检测出被测刀具在图象座标系中的参数（设为e）后，可估算得到刀具的实际规格E：

E=C*e

3.2系统变焦技术研究

图象检测系统变焦通常采用变焦评价函数，给出图象的变焦评价值，当其达到最值时变焦疗效最好。较好的调教评价函数应具有以下特点：（1）无偏性；（2）单峰性；（3）较高的帧率；（4）较小的估算量[6]。系统采用基于像质数评价函数。在图象处理中，对整幅图象的有效象素进行统计，可评价系统变焦性能。其表现方式为：

当象素灰度值在域值时，n（x，y）值取1，否则其值取0。图7为实验函数曲线数字图像处理的应用，可以看出，该函数具有处理速率快、单调性好、峰值显著的优点，适宜本系统的应用。

3.3亚象素边沿检查算法研究

Sobel算子既能确定边沿点的位置和方向，就能依照象素点上下、左右邻点的灰度加权差，对噪音进行平滑，能提供较好的图象边沿信息，因而在边沿主体区域粗定位时选用Sobel算子。过粗定位所得边沿点，沿边沿法线方向拓展象素，得到一系列过边沿线的象素点，求得这种点的灰度值，之后按照这种点的灰度分布的物理特点，借助五次正交方程最小二除法拟合原理求得拟合函数，再依照拟合曲线确定图象边沿亚象素点的位置，因而实现边沿的亚象素精确定位，这就是改进的亚象素边沿检查算法。

本课题选定5个象素点，横座标x代表象素值，其取值分别设为-2、-1、0、1、2，其纵座标y代表各点对应的灰度值，根据施密特正交化法与正交方程最小二除法拟合原理求得拟合多项式表达式F5（x）：

根据最值极值求解条件，将函数F5（x）对x求二阶微分并令其等于零，求得x的数值即是亚象素点的位置。

4实验数据及剖析

刀具检测系统的精度主要取决于系统变焦精度与亚象素边沿检查算法的精度。

（1）变焦精度研究

在刀具检测系统中，对选定的同一刀具根据变焦、离焦、调焦的过程进行多次检测，提取刀具检测数据如表1所示。

按照偏差评定原则，系统变焦重复性精度约为

（2）亚象素边沿检查算法精度研究

保持被测刀具的位置不变，有系统对其进行多次检测，并提取边沿点的亚象素座标，如表2所示。

以单个象素点座标理论值与测量值的座标差作为算法误差，经估算得其标准误差约为0.1。

5推论

数字刀具检测系统以视觉测量技术为基础，以图象处理为主要手段，检测精度达到3μm，运行效率快，手动化程度高，操作简便，提升了铣床的效能，有效降低了操作人员的工作量。