加工中心刀具二维视觉检测系统的研究

加工中心刀具二维视觉检测系统的研究

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林玉池**　孙旭东　刘治军

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室)

　　　　　　摘　要　论述了一种基于二维视觉测量的刀形检测及调位系统.分析了系统进行刀形测量的

原理,以及视觉系统硬件解调测量的实现方法,并给出了相关的测量实验数据.系统的研制实现了高效、精确、自动的刀形检测和刀具位置调整,为高精度数控加工提供了保障.关键词　刀形检测　视觉测量　刀具预调仪分类号　T H 161.3

数控机床及加工中心具有精度高,效率高,自动化程度高等特点,它的应用将越来越普及.然而在加工前必须形成刀具信息库,以便在加工过程中自动完成对

切削刀具的控制.因此,刀具预调及检测系统便成为数控机床和加工中心必不可少的组成部分,它的作用就是迅速而准确地测量出每把刀具的几何参量并输入计算机,从而形成数控机床和加工中心所需的各种刀具信息,为实现高精度自动加工提供必要的前提和保证.　　本文给出的二维视觉刀形检测系统,把CCD 技术与计算机技术相结合,实现刀形和刀具位置的综合测量.与传统的刀具检测相比,它不但能进行刀具预调初始点的测量,还能够对刀形轮廓进行测量,便于在加工过程中对刀具上不同的接触点进行补偿,可用于包括复杂形面在内的各种加工,并且测量精度较光学投影

测量大大提高.在二维CCD 的应用中,目前大多采用A/D 图像板的方法,而本文的二维视觉系统由于采用了硬件解调法进行刀具边缘轮廓点的提取,克服了传统视觉测量系统中数字图像板数据量大、效率低的缺点,而是仅获取代表刀具轮廓特征点的测量数据,从而极大的提高了测量效率、测量精度和自动化程度,并拓宽了数控机床及加工中心的性能.

1　系统测量原理

刀具测量系统是一个以二维视觉测量为核心的测量系统,如图1所示.它主要包括机械定位及移动系统、照明成象系统、视觉系统、计算机接口及系统软件四部分

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图1　刀形测量系统组成

Fig .1　The construction of tool f orm measurement syst em

　　　　　　　　　　　　　　天津大学学报　第32卷　第2期1999年3月

JO U RN A L OF T I AN JIN U N IV ERSIT Y 　V o l.32　No.2　M ar.

1999　

X 　收稿日期1997-05-21.修回日期1997-09-08.　*　　天津市自然科学基金项目(953601111).　**　1946年生,男,教授.Born in 1946,male,prof.

刀具被灯丝、集光镜L 1、聚光镜L 2和光阑P 1与P 3组成的照明系统照明后,由透镜L 3与光阑P 2组成的成像系统成像在CCD 的感光面上.由于刀具前角的存在致使刀具前刀面与光学系统的主轴不垂直,因此成像时,刀具轮廓上各点的不共面造成不可能同时在垂直于光轴的像面上聚焦.这种离焦现象给测量带来误差,为此成像系统采用物方远心光路.其中,光阑P 2为系统的孔径光阑,也是系统的出瞳,位于物镜L 3的像方焦平面处.选用的二维CCD 的光敏感区域为6.4mm ×4.8mm ,像素为542×582,因此CCD 的分辨率D ø约为12L m,考虑刀具轮廓的实际大小,取系统放大率B =-2,则物镜的数值孔径5NA 为:

　　5NA =0.5×K D =0.5×0.55

D ø/2

=0.0458(1)

光照度及照明的均匀性对测量精度有很大的影响.本文照明系统采用柯拉照明方式,同物方远心光路相匹配.灯丝经集光镜L 1成像于聚光镜L 2的物方焦平面处,再成像于无穷远处,与成像系统的入瞳重合.刀具成像在CCD 的感光面上完成了刀具轮廓点的第1次转换,之后CCD 将这一空间量转化为时间量,再进行边缘提取后,即获得了刀具边缘轮廓特征点在视觉坐标系下的坐标值(I ,J ).

刀具的测量定位及位移是由测量机床的X 向和Y 向导轨完成的,并由安装在导轨上的光栅尺进行读数,即构成机械定位及移动系统.由该系统确定机床坐标系(X ,Y ).

面阵CCD 视觉坐标系和机床坐标系以及一个转换坐标系之间接关系如图2所示.视觉坐标系(I ,J )下的测量值(i ,j ),只有转换为机床坐标系(X ,Y )的测量值(x ,y )后才是有意义的.转换关系见式(2).

co s U -sin U sin U co s U i j

+x d y d +X 0Y 0=x y (2)式中:U

——视觉坐标系同机床坐标系间的夹角;

(x d ,y d )——CCD 视场内转换坐标系同机床坐标

图2　系统坐标系关系示意

Fig .2　The relationship of coordinate system

　　　　系的平移量.

(X 0,Y 0)——机床光栅尺的读数.

经转换后形成的测量机床坐标系下的测量值便可直接用于数控机床的刀具预调和加工时的进给补偿,

达到高精加工的目的.

2　刀具边缘轮廓点(i ,j )坐标的提取

本系统采用边界解调测量法寻找边界边缘特征点.所谓解调测量法就是用硬件或软件,将光电脉冲幅度表示的视频信号恢复成连续的视频信号,对此光滑信号进行二次微分,从而确定边缘特征点,并将空间的尺寸量转换成时间量,再利用高频脉冲插值实现细分.其视觉测量电路主要由解调网络、方波形成电路、计数及接口电路组成.解调网络是电路的核心部分,如图3所示,由低通滤波、一次微分电路、绝对值电路、二次微分电路、鉴零电路和脉冲形成电路组成,解调网络最终

图3　硬件解调网络

Fig .3　Hardware demodulation circuit

形成对应于刀具轮廓边缘点的脉冲,按行扫描时序输出.其中低通滤波器的设计是重要的.下面给出滤波器的设计原则.

对低通滤波器设计时,由CCD 对光学图像进行积分采样,当被采样光强信号的空间截止频率X t 小于采样频率X 0的二分之一,且假定阵列无限长,则其解调网络频率特性为

H (X t )=

K X 2t

sin(T a X t )sin(aT a X t /A )X t <X 0/20X t >X 0/2

(3)

　　X 0=2P /T d

式中:K ——与光强和器件参数有关的常数;

T d ——脉冲周期;a ——光敏元宽度;

A ——光敏元间距.

在解调低通滤波器设计时需尽可能满足式(3)的

线性相移特性.同时,为消除解调网络频率特性中的上翘沿对滤波的影响,要选用截止频率小于150kHz 的

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198?天津大学学报　　1999年　第32卷　第2期　

低通滤波器;系统使用的CCD 的驱动频率为1MHz .考虑以上几点,本文采用巴特沃斯型二阶无限增益多路负反馈有源带通滤波器,选择带通滤波器还为了消除低频噪声的影响,并将带通上截止频率确定为50kHz .

采用解调测量方法有如下优点:

1)克服了测量分辨力受到光敏元间距20L m 这一基本约束,经反复实践,将分辨力提高了两个数量级,达到了0.2L m.

2)由于解调测量采用了硬件二值化电路,在轮廓边缘测量时,其测量速度有很大提高.

3)由于取入计算机处理的数据只是边缘特征点的坐标值,而不是每一像元的灰度级,因此数据量较使用图像板明显减少,对计算机的配置要求降低,即经济性能优越.

图4就是用解调法获得的一圆球的轮廓特征点的图像.图像中上下两部分的缺口是由于这两部分的灰度梯度过小造成的

.

图4　解调法获得的一圆球轮廓Fig .4　a ball edge by demodulation

3　接口及软件控制

硬件接口电路的设计以刀具边缘轮廓特征点提取电路为基础,接口的时序设计要同轮廓提取电路的时序匹配,而边缘轮廓特征点提取电路的时序同CCD 输出的视频信号的时序是一致的,因此接口电路的设计是以一行扫描为一基本时序周期,每一时序周期,在中断服务程序的控制下将一扫描行上的刀具轮廓点的测量数据读入计算机.

刀具边缘轮廓特征点测量接口电路的中断申请信号通过微机接口插槽的B 24引脚连接到主片8259A 和IR 4引脚上,如图5所示,即占用串行口1的中断向

量地址向微机提出硬件中断.中断信号是由场消隐信

号和行消隐信号相或后形成的,同时另外设置场中断计数器,由场中断信号对该计数器置位,行中断信号清零,用于中断服务程序对行、场中断信号的判别.

图5　接口电路

Fig .5　A part of interface circuit

中断服务程序完成的功能如下:

1)初始化计算机中断控制器,设置中断控制字,对中断申请及执行过程进行设置.　　2)按相应地址读取计数器上数据.

3)中断服务程序结束后,向中断控制器发中断结束命令.

中断程序是在系统软件的控制下运行的,通过系统软件的动态跟踪监视模块、数据处理模块和输入输出模块,分别完成对测量的监视、跟踪、运算、输入和输出等功能,最终形成刀具的测量结果数据.

4　实验结果分析

为分析系统的重复性精度,系统稳定性及误差源,对不同曲率半径的球及刀具做了大量的实验.系统的误差源有多项,如视场照度、视场均匀性、调焦误差、CCD 热膨胀及安装稳定性、

电路解调误差和机床导轨误差等,为修正其误差需要逐项分析研究.

选用半径342mm 的钢球来模拟刀尖圆弧,对120°范围内每隔10°的圆弧半径进行拟合测量,重复性精度在±0.4L m 以内,对不同半径的钢球进行同样的测量,测量误差最大在±1L m 以内.　　视场非均匀性误差是系统误差,主要由成像系统的安装误差及元件误差造成.对位于视场不同位置的圆弧进行测量,视场不均匀性造成的误差小于0.8L m .

调焦精度也是影响测量精度的原因之一,由不同的人进行调焦,调焦造成的测量误差小于±0.2L m .

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199?　天津大学学报　　林玉池等:加工中心刀具二维视觉检测系统的研究

为分析系统稳定性,每隔30m in 测量一组数据.经多次实验结果表明,在实验室环境下,4h 内由系统不稳定性造成最大误差小于0.2L m.

综合分析各项误差的来源和性质,在CCD 视场内,曲率半径在250L m ～500L m 之间的总的测量精度大约为±1.3L m.

5　结　论

刀形检测直接服务于高精度加工,因此对仪器的测量精度要求很高.本文给出的测试系统,为刀形测试和刀具预调同时进行的思想作了有益的尝试,提高了测量精度,拓宽了传统刀具预调仪的测量范围.特别是

视觉系统、硬件测量电路的设计为仪器的实用打下了坚实的基础.

参　考　文　献

1　Doiro n T D .Co mputer vision based st atio n for to ol setting

and too l fo rm measurement .Pr ecision Eng ineer ing ,1989,11

(4)231～238

2　Jing F S et al .Computer v isio n system fo r 2-D edg e detec-t ion using hardw are dem odulation .A mer ica So ciety fo r Pr e-cision Enginer ring ,1995;12:60～63

3　邹仲力.提高CCD 尺寸分辨力的解调测量法.仪器仪表学

报,1986,7(1):38～45

4　刘明亮等.用频域法确定反卷积的最佳滤波参数.计量学

报,1995,16(1):73～77

RESEARCH ON TOOL FORM MEASUREMENT SYSTEM

BASED ON 2-D COMPUTER VISION

Lin Yuchi 　Sun Xudong 　Liu Zhijun

(State K ey L abor ato ry of P recisio n M easur ing T echnolog y and I nstr uments ,T ianjin U niv ersity )

Abstract 　A computer vision based measur ing system fo r the 2-D too l for m measurement is descr ibed in this pa-per.W e analy ze the sy stem constr uct ion and the pr inciple of detection,a nd pay mo re att ention to the edg e detectio n o f the v ision sy stem.A t last ,some detect ing results and accur ate analy sis ar e g iv en.T his system is capable of ca rr y-ing o ut high efficiency,hig h accuracy and t he to ol detection of the a ut omatic machine,and making it po ssible to ser ve hig h accur ate pro ductio n .

Keywords 　too l fo r m measur ement 　vision detectio n 　t ool setting system

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200?天津大学学报　　1999年　第32卷　第2期　

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rnqm.html