使用CCD视觉系统测量工具磨损技术的新进展.docx

上海应用技术学院机械与自动化工程学院毕业设计（论文）外文翻译题目小型流程限制模型的实施（软件）学生姓名严晓姓专业过程装备与限制工程学号（M1.o221107班级06102211指导老师安子良职称8®2010年3月9日运用CCD视觉系统测量工具磨损技术的新进展J尤尔科维奇，M.科罗舍茨，J.科帕克摘要本文提出了一种测量不同工具磨损参数的干脆牢靠的测量程序。如今现代图像处理技术和机器视觉系统能在循环完成对工具磨损的干脆测量。本文所提出的系统其特点是其测盘的敏捷性，而空间辨别率和乩好的精确性.该系统共分为照亮工具的光源，CCD相机，线性投影机与激光二极管（用于对工件进行深度评（八）和用于获得图片的采集卡以及个人电脑。该技术最大的特点是通过在工具表面上的预利,激光光栅线来确定样件深度.因此，与其他技术相比，它的优点在于它可以只测量二维剖面。应用本页提出的技术，一张凸出表面的三维图像不必须要用一个很用难的测量系统就可以获得。和本页介绍的方法相比，全部的间接方法，比如声音的放射.力的测量，主轴的电流测盘，振动传感器等都是特别耗时且须要配备特别昂贵的协助测量设备和装置。2005臼SCViCr公司保留全部权利»关键词：CCD相机;图像处理；机器视觉系统1介绍在探讨文献里，很多单或多传感器战略正在被探讨用来作为牢靠的工具磨损监测。信号处理的通讯探讨，传感器融合，以及人工智能技术也正在开展。限制工具运用寿命的磨损机理有两种：后刀面磨损和凹口磨损。后刀面磨损在该工具的凸出面上发生，主要是由加工表面上工具的摩擦运动引起的.凹口磨损发生在该工具的帧斜面，它变更凹口工具的接合部位，从而影响切削过程。传统上，试验室条件下，磨损已经用工具制造商的显微镜测量过。后刀面磨损通过测址在工具的边缘顶部和底部磨损表面之间的最大距离（称为VBmaX）来确定.因此，后刀面磨损用来测量关于受到损在的切削边沿（不与工件接触的切削边缘的部分）,即关于主要的切削边沿，倒角或圆角半径或梢微的切削边沿。特殊主耍的切削边沿磨损类型是指Eq在岐大切削深度处主要后刀面表面切口的长度为WmaX，在切削最大深度处后刀面的磨损区的宽度的称作W,在这个区域的后刀面磨损的最大宽度称为WmaX,如图I所示。图1.映庚合金刀片上测量的主要工具网报参数刀具磨损的其他类型是指：-例角或圆角切削边沿上的平均磨损宽度尖端，表示为VC（最大值）-较小的切削边沿上的平均磨损宽度记为VS因此，后刀面磨损测量与未磨损的边沿有关（不与工件接触一切削端的一部分），即主要切削端，倒角或网角半径或较小的切削边沿。特殊主要的切削端磨损类型是指：在最大切削深度处主要侧表面上的切口长度为WmaX,-在最大切削深度处后刀面的磨损区域的宽度是北在这个区域里后刀面的磨损的最大宽度为WmaX该工具的磨损的困难性使得手动确定后刀面和凹门磨损边沿的边界困难化。明显，这一进程不会在原地，并且耗时。1,1为了解决这些问题，在计算机视觉技术中的进展已导致了刀具磨损的测量的应用的探讨。例如，在机械过程中，机器视觉用来监测铳，最终一次铳工上插入的条件测量。干脆光学测量技术允许高精度测量工具磨损。例如，当把面积为5,5平方考米的个区域成像在台CCD相机的芯片上，内部图像有个约10微米辨别率，通常对于很多应用程序是足够的。一旦原始灰度图像以数字形式存储在一台电脑，全部的种类不同参数，可以由它们计鸵出来。通过运用机器视觉，干脆测量过程原则上可以自动化，虽然自动优化调整照明时有故障。优化调整照明对CCD照相机拍摄的图像质出的重要参数.另一方面，视觉信息有其优势，它可以很简单解读,由于它信息含量高，它是探讨工具磨损形式的第一选择.Z1.具磨损形式，不能从间接测量信号中获得。不过，在机床上监测加工，以前的机器视觉探讨己经检培了工具型式的干脆光学测量:和工具磨损区域的测量.视觉系统在刀具磨损的干脆（间歇）测地上有固有的优势。后刃面磨损区域可以用摄像头成像，但凹口磨损的确定须要在工具上安装投影灯。该结构模式的变形（通常平行激光灯线），表明白在工具凸出表面上凹口深度。在这项探讨工作上，主要压力将被施加在恻面磨损，用变形激光将显示这一新的出口.这里提出的技术是用曲率和在变形激光束间的距离，并进行算法来确定深度和阳子上的或工具侧而上的一个表面沟。在这项工作中，用激光束预料的工具磨损的高辨别率灰度图像是由CCD摄像头得到的,这个摄像头连接到一个个人电脑的接口卡（采集卡）,并配备一个捕获图像软件。2测量设备和试验细微环节该工具的臃损测量系统示意图如图2,实际位置显示在图3。为了在第损和未磨损工具区域获得足够的对比，对硬质合金样件照明强度和角度被调整，以突出该工具区域的因素。CCD摄像机松下GPMF1.30,有一个768*493的像素，和闪光灯，配备了空间光谢制器的发光二极管和达到最亮的解运和卤素灯一起运用。1.ED能获得频率很高脉冲，因此适合在不能运用静态照明的状况下。囹？刀具磨损黑原统示意图5例刀刃工作图3.安装在机床工具余精机可溶性1.-153窝设置为了削减透视失真的影响，远心镜头系统是安装在相机上。在远心镜头里，光圈被干脆定位在它的聚焦点。从今只有平行光可以通过这个光圈.因此，当反映的目标好像是无限偏远的，不行能有透视失其，倍率也是独立于镜头距熟。CCD相机被连接到图像采集卡,从模拟到数字的转换有一个8位结果。一种CCD传感器事实上是一个包括光阵列敏感的金属氧化物半导体（MoS）电容器，这通常同时显示和按依次读取网。整个图像分析在微机上进行，首先是数字化强度矩阵，最终是一系列工具磨损参数，运用软件捕获音频，视频，并将它记录在个人电脑上。2.1图像采集卡和校准该相机被连接到一个PC1.图像采桀卡，它允许同步采集图像.标准模拟图像采集卡运用时钟芯片，它通常运行4-10倍的像素。在水平同步信号（HSYNC）边缘卜降已经发生后，他们起先数字化时钟第一个向上的边缘上的一行。因此，每行有个随机补偿，通过补偿，该行就转向真正的水平同步信号，导致个陆机产生最多的四分之一到特别之一的像素转移。为了获得一个比特别之一像素更高的辨别率，图像采集卡与相机像素时钟同步。为了在S1.单元中确定磨损参数，视觉系统被校准以确定合适的转换因素。他们之间一系列已知距离的平行线都集中在显微镜下并且他们的距离用像素测量。获得卜列转换因素：水平因子:2.879mpixe1.垂直因子：2.889mixe1.这些校正后的因素后来被用于计算在S1.单位的各种磨损参数，校准测地设置如图4。摄影及灯光被夹紧于铝盘上。面前工具被安装在个旋转的平台，持有人持有。那个持有人在Xy方向上可以移动，位置精度约0.01亮米.，这保证J'精确定位相机和测故和移动距离间的精确联系，摄像机的视场约为6.7*9.0平方喧米。在工具和相机间的距离约为200皂米。杞手B削刀刃图4表上的校度测设置图5在灰色层次分布及适当的表面轮航先批上的标准化表面离度2.2通过灰色层图像系列优化生成图像的方法表面纹理事实上是在当地区域灰色层的空间分布。通过纹理层次分割时，一个堆独的同源区域被定义为运用该区域的固有灰色度性质。在运用适当的数学软件工具的基础上，就可以以对数轮廊构建二维直方图，这种数学软件能够运用亮度变更来转换每个原始图像像素成表面i度。图5给出了一个例子，显示了依靠灰度分布的表面高度的分布和应用在底部和表面轮廓方向的发光表面的足够厚度。样件深度的肃要性由二维梯度向量评估，由给出：的鼠丫）卜g,I+gJ对于数字成像，运用了近似梯度离散的方法.导数的近似值运用了相邻像素之间的差异，这些像素在一个本地的小窗口中被计算出来。Gx和Gy从以下表达式得到：G1=W-CrJ和G,=W-GJXI,，X9是在底层的图像的像素向量公式用于点，线和边绥的检测，或者这些功能的陨意组合。那个算法适用于一系列每个像素为4*4的核，如此，每个内核在图像上提取不同的特征.通过隹找在一个图像边沿的图像像素，并将其连接起来，对象的边界可以被定义。当个函数的梯度成为个变显的测量方法时,边缘检测利用梯度技术来定位边缘像素.由丁在一个特殊的本地区域，质地是灰度的空间分布，以这种方式在应用方向上的表面轮廓可以较精确地测出。2.3通过激光网格空间间隔和曲率在磨损的硬质合金刀片上产生侧面深度的方法其次种方法是特别合适的，因为最佳照明设置（照明角度和强度）的问题是很简单克服的，这是由于确定刀具磨损程度的方法和原则。这可能还表示，这种方法更为明显或更受用户欢迎的，因为在侧翼或刀面的工具磨损可以在第一眼就很简单认出。与灰度'方法相比,此方法也具有其独特的优势，首先是因为没有必要用很多数学，操作者能看到一切，且进程要快得多，对刀具磨损的评估几乎是同时发生的。这是在我们试验室已实行的方法。由于变形的激光网格，它可以区分平面和损坏的表面，激光网络是用来预料时硬质合金刀片的光明表面。物理原理如图6a,在硬质合金刀头健表面上的真实刀口如图6B所示。镜面反射用于个表面的外观，他们也能用来描述表而。离散光的角度和激光束的特性很大程度上取决于W维表面的结构尺寸。假如表面元素远大F激光的波长，反映光束的角分布将根据表面元素的倾向安排，如图6所示。图像采集为了传输相机的信号到计算机上，图像采集卡（数字化是必要的。假如从相机输出的信号是数码的，那么图像采集卡是图片缓冲区或帧存储。模拟输出时，图像采集卡还必需在A/D转换沿上解码摄像机信号。图像采集原则如图7例。S1.G在表面变影和1.amben的法件原则基础上衡量一个,磨损的表面上的馈面反射图7转换非相干的相干光用空间光调制器网格(STM)和偏先分束以及安排器立方体(PBSC)b光源安在空间光源调制器(S1.M)的正面上，该对象成像在照片导电层上。获得的那个电压称为背面上的液晶，相干激光极端状态被谑制。偏光分束器偏振束分别器立方体(PBSC),作为分析仪.那个单独的刀口表面上的最佳收射分布运用了如图7所示的安装程序表。波长为632.8纳米的A激光，已被用于激光投影的预料。光经过把菜刀并有肯定几率击中约0.1平方玄米光斑大小的样本上。个连接到锁定的放大器上的探测器检测/散射光0在激光和探测器之间的夹角事实上固定并优化在30至60度方向。该样本是也围绕垂直于几何平面的旋转轴旋转。最佳散射角被确定为e=7-,j参照图7b。运用拟议的方法，不仅在侧表面上的二维参数可以找到，例如Vb,而且它也可能获得样本的深度，事实上一个磨损硬质合金刀片表面的三维图片是可以得到的。为了在录制的图片上对磨损参数评估和尺寸检查，个名为图像工具的软件被运用J该软件内的下列参数被干脆在醉幕上的图片上测fit得到：距离，斜坡角度，领域，深度等，这是可以用像素或建立转换因子，干脆用哈米来测量的。放大了的70倍后，就足够区分拍的图片上的好玩特征。在工具图像软件内的程序参数设定以后，全部可能的工具磨损测量被以IPiXe1.=O.001充米的性脑执行。后来在工具图片的脚本语言中宏被编写,它在图像上自动捕获工具磨损参数,也取得了全部测量试验的必要的统计计算，见表1。试验结果试验号码G大磨损面宽度(mm)磨损面面枳(mnr)然揽面周长(mm)在Z轴方向上的最大深度(mm)I0.450.211.9403520.450.211.940.4030.450.211.950.3540.450.221.950.4450.450.201.940.40平均值0.450.211.950.30标准差0.000.010.010.01tv1.,'=82.852.852.312.75P=95精密牢靠性0.0050.010.0!0.01D1的渺无生条之的史;左田£分析的利益区域图X.'图像工具里在工具刀口上的被分析的参数的两个例子3试验结果在没有冷却剂的状况F.工具磨损试验在车床上进行。磨损增长模式在涂层的硬质合金工具样件(级数VC5)上视察，当转动热轧钢板时。在车床停止前，工件被转动/15分钟1然后刀片被定位在视觉系统下，后刀面磨损和尖端磨损图像被记录和保存在计算机中。这个程序在机床上每切削IO分钟被重复直到7个削减部分全部用相同的刀片切削过。以下参数估计：最大磨损面宽度，磨损面积，磨损面周长，以及特定点的切线斜率来获得试件深度,对这些参数进行分析，一个叫UTHSCSA图像工具的软件被运用，对JPG或G1.FF文档执行这样的分析，这个软件是特别合适并很受用户肯昧的。对一些参数进行的分析，如图8所示。，它供应了个极端的条件。在些条件下,表面上产生条线，然后找出在随意点的深度，就可以找出曲率和切值。在图9中，明显看得到，当一个工具刀在以很慢的进给速度运动时，预料激光束的形态，斜率依死子表面斜坡变更。磨损图像在切割过程的不同阶段被记录下来.在1.aIheMOriSeiki1.53S1.上，该工具路径和进给速度是数控程序的内部程序限制的。全部的刀具磨损参数运用图像工具软件被衡量并获得，并不须要运用工具显微镜。在同样的光照条件下，该工具的磨损参数的重灾性计算从5个工具磨损样件的测量下获得。它可以被估算成R=5f”是从学生-t分布上获得的,S是标准偏差（STD）,V=£v（/jN-I-IJ/在对后刀面靖损测量中全复性的结果被列于表1中。可以看出测量参数几乎没有变更。图9.在车床上特别缓慢的移动角塔头部时拍摄的一系列的图片.第一个提出了新的工具.其他人则显示了磨投的工具刀口，（b）图KI书面宏测量的自动化磨模参数该参数的测量通过运用脚本语言宏来测量，图IOa显示了一个用于宏估计的典型单元图像。图片上标示的参数在运行的NC码上被操控者自动测量。图IOb显示了个二维图形，它衣示了在图Ioa中的典型图像里画的线上的像素的强度。该图显示了X轴上的那条线上的距离以及y轴上的灰度。保存和更制被用来保存原始文件数据的宏内的吩咐，格式化成多行，每行包含三个数字：线上每点的x.y坐标，以及该像素的灰度。在这些数据的基础上，就获得了深度值（Z坐标）。表面（如凹口磨损）上很小的面积可以被检查出来，在那个区域特定像素的灰度值分布也可以得到。平均灰度值和其标准差也能被计算出来.灰度值是在被视察区域是最常见的，通过这个原则，可以很简单地进行评估.因此，可以得出哪个表面深度是这区域最频繁。沿水平X轴方向的每个值代表一个灰度值。沿垂直的y轴上的值代表这种灰度值的图像里的像素的有关号码。区域点的值的直方图的例子如图IOa和图11.我们的宏将全部在一个文本文档里的那些数据分成256行，每行包括一个单独的号码与该数值一起的像素合计数。探讨结果还用模具制造商的显微镜的检查过，用图像工具软件测量的工具磨损参数上并没有大的偏&«心点齿饱学或强宗欢度Ia图II.在利益区域中灰度值分布的西方图4探讨应当强调，在图像工具软件上有可能出现些问题，因为它应当和适当的接口卡一起运用，整个测信链应当协作每次机床工具的工作条件发生变更的时间。不过，当然是可能挽救每一个工作条件，然后在材料切割成特定组合前装载它。因此，建立个有用的工作数据库是有用的，它可以在以后的工作中运用。假如宏被写入，这有助r自动化测量程序，那么它必需指出，特殊的宏是只对于类似的工作条件有用，这引起了切割表面类似的磨损。但是，当然可能编制很多不同的宏，这些宏可以组成组。对所描述的方法，也可以选择扫描加工操作和获得位图图片之间的切割样件，并且其中可实时构造磨损切割样件的三维模型。那么这种模式可在任何CAD建模中被加以分析。但是，这解决方案须要额外的软件和扫描相机，这些是更为昂班的，而且须要更多的技术操作人员。本文提出的方法在我们的试效室测试过,到目前为止，事实证明在每天的实践和工具商店公司里，对于一个一般的机械工来说它操作起来并不是太困难。5结论与其他已知的方法比较，上文所述的方法主要优点是：不运用任何其他设备，在一个处理过的个人电脑屏幕图像上，干脆测量多个工具磨损参数的可能性，-这个过程本身可以自动化，数控程序包含在摄像头旁边驱动工具步步移动的工具路途，-在工具图像中，软件可以用脚木语言编写宏观调控，因此全部须要的参数将在一个GIFF的文档图片上被自动测量，-结合编写的程序，在一个正切激光线角度的基础上，一个实时的工具磨损的三维轮廊可以得出，它随表面试件深度变更。所以，整个过程证明白它在每天机械工具的运用中是特别有益的，通过宏编写，机床工具操作员不必耗很大力气在机器工具上，就可以运用此步骤.这已经在我们的试验室中证明过了。参考文献111J.Kopac.Cutting-t1.wearduringhigh-speedcutting.J.Meeh.Eng.50(4)(2004)195205Facu1.tyofMechanica1.Engineering1.jub1.jana.2T.Pfei1.er,I.Wiegers.Re1.iab1.e1001.wearmonitoringbyoptimizedimageandi1.1.uminationcontro1.inmachinevision.Measurement28(2000)209-218E1.sevier.3JEPuente-1.eon.J.Beyerer.DatenfusionzurGewinnunghochwertigerBi1.derinderautomatischenSichtpruFung,Automatisierungs(echnik-at,B<1.45(1997)480-489Heft190.4S.Kurada.C.Brad1.ey.Areviewofmachinevisionsensorfortoo1.conditionmonitoring,Compui.Ind.34(1997)52-72.5M.Sonka,V.H1.avac.R.Boy1.e.ImageProcessingAna1.ysisandMachineVision,Brooks/Co1.e.PacificGrove.CA.1999.6S.1.anser.C.Zier1.R.Beut1.hauser.Mu1.tibi1.dka1.ibrirungeinerCCDKamera.InfomiatikAktuc1.1.,Springer.NewYork,1995pp.481-491.7S.Do1.ins'ck.J.Kopac".Odrczavanjc.Facu1.tyofMechanica1.Engineering.Press.Universityof1.jub1.jana.1992.