（测试计量技术及仪器专业论文）数控加工ccd检测关键技术的研究.pdf

t h ei n v e s t i g a t i o nf o rk e yt e c h n o l o g i e so fo n l i n em e a r i n gf o rn c p r o c e s s i n g b y w a n gd i n gx i a n g b e ( h a e r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g p r e c i s i o nm e a s u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n i q u ea n di n s t r u m e n t i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r y a n s h ut i a n m a y , 2 0 11 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：乏建净日期：如。年，月岁矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 之记方妒 e l 期：a , o l , 1 年j 月矽e t ，、 、 日期：山f f 年r 月：加 日 硕士学位论文 目录， 目录i 摘要i v a b s t r a c t v 插图索引v i i 第1 章绪论1 1 1 数控加工检测概述1 1 1 1 数控加工检测的分类一l 1 1 2 机器视觉检测一2 1 1 3c c d 光电检测检测法3 1 2 国内外研究发展现状j 4 1 2 1 数控加工在线检测技术的发展现状4 1 2 2 基于c c d 的光电视觉检测技术的发展现状4 1 2 3 图像处理技术的发展现状5 1 3 课题研究意义一6 1 4 课题研究的主要内容6 第2 章系统总体设计方案8 2 1 系统总体设计目标8 2 2 本文总体方案9 2 3 系统测量方案9 2 4 信号采集处理方案1 1 2 5 图像处理方案1 2 2 5 1 软件系统1 2 2 5 2 软件算法及实现一1 3 2 6 本章小结一1 4 第3 章光电光学系统设计1 5 3 1 光电图像转换系统的成像特性一15 3 2 照明系统17 3 2 1 照明系统的设计原则1 7 3 2 2 照明方法的选择一1 8 数控加tc c d 检测关键技术的研究 3 2 3 远心光路在c c d 动态测量系统中的应用1 9 3 3 光学系统设计2 l 3 4 本章小结2 4 第4 章嵌入式采集处理系统的设计2 5 4 1 嵌入式采集处理系统的分析2 5 4 2 嵌入式采集处理系统的模块化设计2 7 4 2 1 信号实时采集模块：2 7 4 2 2f p g a 处理模块3 l 4 2 3d s p 处理模块3 3 4 2 4e p p 采集卡的设计实现3 4 4 3 本章小结3 7 第5 章图像处理3 8 5 1 图像处理方案分析一3 8 5 2 图像预处理3 9 5 2 1 图像滤波处理3 9 5 2 2 图像增强处理4 0 5 3 图像分害0 4 1 5 3 1 图像二值化4 1 5 3 2 边缘检测4 2 5 4 本章小结4 6 第6 章加工零件图像特征提取及图像识别实验4 7 6 1 利用m a t l a b 进行图像特征提取一4 7 6 1 1m a t l a b 对阶梯轴图像的预处理4 8 6 1 2 图像特征值提取4 9 6 2b p 神经网络在图像识别中的应用一5 3 6 2 1b p 神经网络基本原理及结构5 3 6 2 2 网络结构的选择5 4 6 2 3b p 网络训练及识别的实现5 5 6 3 本章小结5 6 总结与展望5 7 参考文献5 8 致 谢6 2 h 硕士学位论文 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录一6 3 附录b 部分图像预处理代码一6 4 附录c 部分神经网络代码6 8 i i i 数控加工c c d 检测关键技术的研究 摘要 在数控加工工业中，传统的手工检测由于检测效率低、精度差、检测过程繁 琐费力等原因，已经不能满足生产过程对检测速度和精度的要求，现代制造业要 求在数控加工过程中能更快速、更精确地对加工工件进行检测。数控加工c c d 检测具有检测效率高、精度高、性能可靠和智能化的特点，是数控加工中检测方 法发展的必然趋势，引起了国内外学者的广泛研究。本文基于数控加工技术和 c c d 检测技术的发展背景，结合c c d 检测技术原有技术和发展成果，对数控加工 c c d 检测系统的总体方案和关键技术进行了深入的研究，本文的主要研究内容如 下： 1 综述了目前国内外数控加工c c d 检测技术的研究现状、发展成果和发展 趋势； 2 深入剖析、对比了线阵c c d 投影法与成像法的计算机视觉检测技术的原 理及优缺点，提出线阵c c d 成像法的计算机视觉检测方案，并分析了系统实现的 难点和关键技术； 3 建立了光学系统的理论模型，完成了高强度均匀照明光源的选用设计， 透镜的选择和光学参数计算，达到了工件高质量成像的目的； 4 通过选用f p g a + d s p 的处理结构实现了图像信息的分层处理，满足了检 测系统信号高速采集、实时处理的要求；进行了嵌入式采集处理系统的模块化设 计并给出了t c d l 2 0 9 d 驱动电路以及其它主要信号调理电路： 5 根据选用的测量对象( 阶梯轴) 的形貌特点，对图像滤波、图像增强和边 缘检测等有效处理算法进行了理论研究，并利用m a t l a b7 0 进行了图像的轮廓提 取和参数计算，最后研究了b p ：o 经网络在图像识别中的应用。为以后的深入研 究打下良好的基础。 关键词：数控加工检测；线阵c c d ；f p g a + d s p ；图像处理 i v - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - r _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - ，一 硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ec n cm a c h i n i n gp r o c e s s ，d u et ol o wd e t e c t i o ne f f i c i e n c y , a c c u r a c y , d e t e c t i o np r o c e s sl a b o r i o u sa n do t h e rc o m p l i c a t e dr e a s o n s ，t h et r a d i t i o n a lm a n u a l t e s t i n gh a sn o tm e tt h er e q u i r e m e n t so fp r o d u c t i o np r o c e s sf o rt e s t i n gs p e e da n d a c c u r a c y t h eh i g h e rd e m a n dw a sp u tf o r w a r dt ot h em o d e r nm a n u f a c t u r i n gi nc n c m a c h i n i n gp r o c e s s ，s ot h e ys h o u l db ef a s t e ra n dm o r ee x a c t i t u d et ot h ew o r k p i e c e t e s t i n g t h ec n cm a c h i n i n gc c dd e t e c t i o nw a sw i d e l yr e s e a r c h e db yt h es c h o l a r sa t h o m e sa n da b o a r da n di tw o u l db e c o m et h ei n e v i t a b l et r e n do fd e t e c t i o nm e t h o d so f c n cm a c h i n i n gf o ri t sh i g he f f i c i e n c ya n dh i g hp r e c i s i o n ，r e l i a b l ep e r f o r m a n c ea n d i n t e l l i g e n tf e a t u r e s t h i sp a p e rb a s e do nt h eb a c k g r o u n do ft h ed e v e l o p m e n to ft h e c n cm a c h i n i n gt e c h n o l o g ya n dc c d t e s t i n gt e c h n o l o g y ，t h ee x i s t i n gt e c h n o l o g y a n dd e v e l o p m e n tr e s u l t so fc c dd e t e c t i o nt e c h n o l o g yw e r ec o m b i n e d w i t h ，t h e f r a m e w o r ka n dk e yt e c h n o l o g i e so fc c dd e t e c t i o ns y s t e mw e r ed e e p l ys t u d i e d t h e m a j o rc o n t r i b u t i o n sl i s ta sf o l l o w s ： 1 t h el e v e l ，d e v e l o p e dr e s u l t sa n dt r e n d so fc c dd e t e c t i o nt e c h n o l o g yo fc n c m a c h i n i n ga td o m e s t i c a n da b r o a dw e r es u m m a r i e d ； 2 t h e p r i n c i p l ea n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc o m p u t e rv i s i o n d e t e c t i o nt e c h n o l o g yf o rl i n e a rc c dp r o j e c t i o na n di m a g i n gw e r ed e e p l ya n a l y z e d a n dc o m p a r e d ，t h e t e s t i n gs c h e m ew a sp r o p o s e da n dt h ed i f f i c u l t ya n dc r i t i c a l t e c h n o l o g i e so ft h es y s t e mi m p l e m e n tw a sa n a l y z e d ； 3 at h e o r e t i c a lm o d e lo ft h eo p t i c a ls y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，t h es e l e c t i o na n d d e s i g no fh i g hi n t e n s i t yl i g h ts o u r c e ，t h ec h o i c eo fl e n sa n dt h ec a l c u l a t ef o ro p t i c a l p a r a m e t e r sw e r ea c c o m p l i s h e d ，t h ea i mo fh i g hq u a l i t yi m a g i n go ft h ew o r k p i e c ew a s a c h i e v e d 4 t h eh i e r a r c h i c a lp r o c e s s i n go fi m a g ew a sa c t u a l i z e dt h r o u g ht h eu s eo ft h e f p g a + d s ps t r u c t u r es i m u l t a n e o u s l yt h er e q u i r e m e n t so fh i g h - s p e e da c q u i s i t i o n a n dr e a l - t i m ep r o c e s s i n gw a sm e t ；t h em o d u l a re m b e d d e da c q u i s i t i o ns y s t e mw a s d e s i g n e db e s i d e st c d l 2 0 9 dd r i v ec i r c u i ta n do t h e rk e ys i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t w a sg a i n e d 5 t h ea l g o r i t h m so fi m a g ef i l t e r i n g ，i m a g ee n h a n c e m e n ta n de d g ed e t e c t i o n w e r es t u d i e db a s e do nt h et o p o g r a p h i cc h a r a c t e r i s t i c so fs e l e c t e dm e a s u r e m e n t o b j e c t s ( s t e pa x i s ) ，i m a g ec o n t o u ra n dp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db ym a t l a b7 0 f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o no ft h eb pn e u r a ln e t w o r k si ni m a g er e c o g n i t i o nw a s r e s e a r c h e df o rt h ef u r t h e rs t u d yi nt h ef u t u r e v 数控加丁c c d 检测关键技术的研究 k e yw o r d s ：n cd e t e c t i o n ；l i n e a rc c d ；f p g a + d s p ；i m a g ep r o c e s s i n g v i 硕十学位论文 插图索引 图2 1 阶梯轴工件一k g 2 2 0 1 4 8 加工状态图9 图2 2 检测系统框图1 0 图2 3 系统总体设计方案1o 图2 4 单c c d 投影法测量1l 图2 5 双c c d 投影法测量1 l 图2 6c c d 成像法测量1 2 图2 7f p g a + d s p 结构模块1 3 图2 8 软件系统图1 4 图2 9 软件系统流程图1 5 图3 1 物体无限远时物像关系图1 6 图3 2 物体有限远时物像关系图一1 7 图3 3 临界照明成像图l8 图3 4 柯拉照明成像图1 9 图3 5 临界照明图2 0 图3 6 柯拉照明图2 0 图3 7 像平面和光接受面不重合2 1 图3 8 物方远心光路图2 2 图3 9 成像系统图2 2 图4 1 图像采集系统结构图2 6 图4 2 双d s p + f p g a 结构图一2 7 图4 3 时序信号相位关系图3 l 图4 4t c d l 2 0 9 d 驱动电路图3 1 图4 5f p g a + d s p 处理结构图3 3 图4 6 差动放大增益电路图3 5 图4 7 二阶低通滤波电路图3 6 图4 8 半波整流保护电路图3 6 图4 9e p p 采集卡结构图3 7 图4 1 0 连续采集程序流程图3 8 图5 1 图像处理流程图4 0 图5 2 几种灰度突变形式4 3 图5 3s o b e l 算子的基本结构4 4 图5 4r o b e r t s 算子的基本结构4 5 v i i 数控加tc c d 检测关键技术的研究 图5 5 拉普拉斯算子的基本结构4 5 图5 6p r e w i t e 算子的基本结构4 6 图6 1 阶梯轴示意图4 8 图6 2 灰度均衡化处理前后阶梯轴图像对比4 9 图6 3 灰度均衡化处理前后阶梯轴图像灰度值范围对比4 9 图6 4 二值化的阶梯轴图像5 0 图6 5s o b e l 算子边缘检测后的阶梯轴图像5 0 图6 6 阶梯轴图像的轮廓5 1 图6 7 求同轴度误差各步图像处理效果图5 3 图6 8b p 神经网络模型5 5 图6 9 训练后的误差性能曲线5 6 v i i l 硕十学位论文 第1 章绪论 随着科学技术的飞速发展，尤其是计算机技术、信息技术、自动化技术的快 速发展，使工业水平迅速提高。工业制造业也向着跨学科、多领域方向发展。现 代制造业要求制造设备具有精度高、适应力强等特点，尤其随着先进制造技术的 大力发展，高性能数控机床在生产实践中得到了广泛的应用。先进制造技术发展 日新月异，必然对精密测试技术提出新的要求，因为精密测试技术在机械学科中 的作用是为先进制造业服务，担负着质量技术保证的重任。正因为检测技术是 加工中质量保证的关键环节，它的发展有利于提升装备制造业的整体水平。尤其 现代化工业装备中，对关键部件的加工精度要求较高，在加工的各个阶段都需要 对加工质量进行检测。因此，发展检测技术有着现实而又必要的意义。 1 1 数控加工检测概述 1 1 1 数控加工检测的分类 目前国内外在数控加工乜1 过程中完成检测工作主要有以下三种方法： ( 1 ) 手工检测 手工检测是指使用千分尺、游标卡尺以及其他常规测量工具对工件进行测 量。此种方法效率低，易受到人为因素的影响，而且检测过程既费时又费力，还 无法保证精度，严重影响产品的加工和生产质量。 ( 2 ) 离线检测 离线检测是指在加工工序完成之后，将工件从机床上取下，再利用其他检测 设备( 如三坐标测量机) 对工件进行测量。这种检测装备体积庞大，价格昂贵，对 工作环境要求苛刻，检测过程繁琐且费时费力，而且不能在加工现场使用，只能 用于离线质量抽检，在加工现场仍就依靠传统落后的人工检测。尤其对于一些大 型复杂的长周期加工零件，在离线检测过程中一旦发现质量不符合标准必须进行 返修，返修过程不但降低了加工效率而且容易引起附加误差。随着现代工业的发 展，对工业检测水平的要求也相对提高，离线检测的方式速度慢、精度低、柔性 差，越来越不能满足现代生产的需求，迫切需要一种能实时、高速、非接触的在 线检测方法来取而代之。 ( 3 ) 在线检测 在线检测技术是在自动化制造运行加工过程中进行实时检测和控制口1 。目前 先进制造技术研究的关键技术之一就是在数控机床上对工件进行在线检测h 1 ，在 线检测在加工过程中无需将工件从工作区移走，而对其进行检测。在线检测可分 数控加tc c d 检测关键技术的研究 为接触式在线检测和非接触式在线检测。接触式在线检测一般是在数控加工中心 的刀库里装上触发式测头，测头占据一个特殊的刀具号，它不需要主轴的旋转， 当需要检测时，从刀库里更换测头后按着相应的检测宏程序进行检测，根据测量 结果给出的信息判断加工精度，从而决定是否对工件进一步加工。 非接触式在线检测技术常用的是基于机器视觉拍1 的在线检测技术，近年来， 随着电子技术的进步，机器视觉系统的软硬件技术都取得了飞速的发展。大分辨 率、高扫描速度的摄像机和具有高速传输能力的图像采集卡满足了对工件进行高 速、高精度图像采集的硬件需求；高性能的计算机等处理设备为大数据量的图像 处理提供了硬件支撑；图像处理理论和算法的发展为视觉系统提供了敏捷的“大 脑”。这些硬件技术和理论方法上的进步更促使机器视觉在现代工业生产中越来 越被广泛应用于质量检测与控制。 在线检测技术把加工过程与检测过程很好地结合起来，在加工复杂空间曲面 的产品中有着明显的优势，它避免了对工件多次装夹，缩短了制造周期，降低了 生产成本，且能够通过实时检测反馈，对加工过程给予精确指导，所以在涡轮燃 机的叶片、整体叶轮以及螺旋桨等复杂结构的零件加工中具有广泛的应用前景。 因此，数控加工在线检测技术也逐渐发展起来，越来越多的专家学者对其进行了 深入研究。 在线检测相对于离线测量有其独特的优点：( 1 ) 工件在测量之后无须从工作 区移走，从而节省了重新安装工件的时间，缩短产品生产周期；( 2 ) 减少了昂贵 的离线测量设备( 如三坐标测量仪) 的使用，降低了生产成本；( 3 ) 避免由于离线测 量将工件在工作台上反复拆装而产生的二次装夹误差，提高了加工精度；( 4 ) 增 加了操作工的信心，有利于促进无人加工的实现阳】。 1 1 2 机器视觉检测 机器视觉技术是计算机学科的一个重要分支。机器视觉简单地说就是利用机 器代替人去完成各种测量和判断。在生产线上，工人长期做重复测量和判断非常 容易疲劳，个人之间的差异也会产生误差和错误。机器却会不知疲倦地、稳定地 进行下去。 机器视觉研究的是如何让计算机理解图像中的一个场景或者特征，是人工智 能的一个分支，融合了模式识别、统计学、投影几何、图像处理等多门学科。它 综合了光学、电子、机械、计算机软硬件等方面的技术，涉及到计算机、模式识 别、图像处理、信号处理、人工智能、机电一体化等多个领域。自起步发展至今， 其功能及应用范围随着工业自动化的发展逐渐完善和推广，特别是目前数字图像 传感器、c m o s 和c c d 摄像机、a r m 、d s p 、f p g a 、图像处理和模式识别等技 术的飞速发展，极大地推动了机器视觉的发展。并广泛用于尺寸检测、表面检测、 2 硕士学位论文 结构检测及系统运行状况监测等n 1 。 一个完整的机器视觉系统一般包括照明系统、镜头、摄像系统、图像处理系 统和工控模块。从功能上讲，典型的机器视觉系统包括：图像采集、图像处理和 运动控制三部分。 机器视觉检测系统以图像处理理论为基础，在在线质量检测领域中获得了广 泛应用。在常温、常压环境下，采用光电检测，通过一定的方法将几何尺寸、外 部缺陷、颜色等转换为适当的光学量，通过对光学量的检测、光电转换和后续处 理，从而实现尺寸、外部缺陷、颜色测量等在线动态测量。将这一技术应用于数 控加工几何尺寸检测中，同样具有重要意义。 1 1 3c c d 光电检测检测法 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是由贝尔实验室于1 9 7 0 年首先提出的，后来发展 成以一维势阱模型为基础的非稳态c c d 理论阳3 。近年来已成为现代光电子学和现 代测试技术中最活跃、最富有成果的新兴图像传感器。它是在大规模硅集成电路 工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片，集光电转换、光积分、扫描三种功能 于一体。其基本部分由m o s 光敏元阵列和读出移位寄存器组成。c c d 器件具有 体积小、重量轻、耐振动冲击、受环境电磁场影响小、工作距离大、测量精度高、 成本低等优点，被广泛应用于各种工业现场的测量和控制中。测量功能的多样性， 使得基于c c d 的非接触测量技术自诞生以来就受到极大的关注，由于具有一系列 接触式测量无法比拟的优越性，其应用范围也越发广泛。 在线视觉检测系统区别于普通视觉系统，在于图像处理的方法和实现技术不 同，也在于工业应用环境的特殊要求。典型的在线机器视觉检测系统具有如下特 点：在线工作于生产流水线中，被测物体是运动的，因而图像获取必须与之同步； 检测结果必须及时报告或通讯给其执行系统。这就决定了机器视觉检测系统包括 有很多的子系统：光源和光学成像；摄像与图像处理：用于摄像、图像处理、图 像分析的计算机；摄像扫描与生产线的同步结构，如：距离与位移速度控制等： 输出检测结果，如：标记、报警或通讯等。一般来讲，非接触测量是通过图像获 取、图像识别、建模计算等一系列步骤完成测量任务的。 c c d 图像采集单元是基于机器视觉的非接触测量系统的核心部分，而c c d 器件又有面阵c c d 和线阵c c d 两种。c c d 成像检测法分为两种：面阵c c d 图像拼 接法和线阵c c d 扫描法，两种方法各有特点，而且都有成功的例子，前者可对被 测对象直接成像，无需驱动机构，设备相对简单，获取被测物体二维信息的速度 较高，但是单个面阵成像面积较小，适用于测量较小工件或检测精度要求不是很 高的大工件。由于生产技术的制约，单个面阵c c d 的面积很难达到一般工业测量 对视场的需求。线阵c c d 的优点是成像视场大、分辨率高、价格相对低廉，在非 3 数控加丁c c d 检测天键技术的研究 接触测量领域有着广泛的应用。用线阵c c d 获取二维图像，虽然必须配以扫描同 步运动机构，但线阵c c d 力i 上扫描机构及位置反馈环节，其成本大大低于同等面 积、同等分辨率的面阵c c d 。 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 数控加工在线检测技术的发展现状 近年来，国内外学者在数控机床在线检测领域开展了许多的研究和工作。南 京晨光集团有限责任公司李航、李永铜等人主要研究了在线检测系统的组成、特 点、工作原理及测头系统自带检测宏程序库在实际生产中的应用范围，给出了测 头具体的使用方法和校准的基本应用程序旧3 。哈尔滨工业大学现代生产技术中心 的王涛等人在计算机集成制造系统的环境下，针对复杂，较规则的非回转体零件， 建立了检测工艺自动规划集成系统，提出了将遗传算法和禁忌搜索混合的策略应 用于检测路径优化的g a t s 算法n 们。哈尔滨工业大学的马云辉，陶崇德等人主要 利用数控机床和加工中心上的位置检测系统实现工件测量、对无线测头的研制以 及控制系统的组成、测量范围及方法进行研究，可进行线性尺寸、孔、柱的测量 u 。河北工业大学的刘丽冰教授主要研究了加工中心在线检测系统的构成，提 出了系统的总体构成方案，研究和探讨了数控加工中心在线检测误差建模方法， 提出了单轴测量，综合辨识的方法，并利用多体系误差分析方法，建立了机床单 轴测量几何误差综合辨识模型，提出了九线误差测量和综合辨识方法n 铂。 英国雷尼绍公司主要针对雷尼绍测头的特点及其在数控机床上的应用进行 了研究朝。英国的a n o n 研究了雷尼绍触发测头可以完成的基本功能和能为企业 和社会创造的经济效应n 们。美国的m o u ，j 等人基于c a d c a m c a i 集成技术对 雕刻面在线检测过程进行路径规划n 钉。美国的h a n d s c h u h ，r o b e r tf 等人用坐标 测量机完成了螺旋伞齿轮加工的自动测量n 引。美国的h o l l i n g g u m ，j a c k 等人报道 了触发式测头及其它计量产品的制造厂商雷尼绍公司开发的雷尼绍自动铣削车 削检测中心，可以实现加工生产线没有任何加工后检测的情况下连续将车削或铣 削加工误差降低到6 1 x m 。德国的i r i g u c h i 发明了一种自动编程的设备与方法，它 主要用于数控机床，能够很容易地建立加工程序n7 1 。韩国的k i m ，k y u n g d o n 等人用触发式测头和测量g 代码实现三轴机床的尺寸测量n 引。韩国的p a h k h j 开发了模具制造中的集成检测系统，它在c a d 环境中选定检测特征，进行孔、 槽、圆柱等一些基础特征的检测n 们。 1 2 2 基于c c d 的光电视觉检测技术的发展现状 国外学者对基于c c d 的光电检测技术进行了广泛研究，很多研究成果已应用 于生产实际。尤其是热轧钢板表面缺陷检测系统己在欧美主要钢铁制造企业中得 4 硕士学位论文 到应用心引。如美国c o g n e x 公司、英国的e u r o p e a ne l e c t r o n i cs y s t e m ( e e s ) 公司意 大利s i p a r 公司、比利时的f a b r i c o m 公司研制的检测系统。其中前两个公司所研究 的检测系统最具有代表性。 ( 1 ) i s 2 0 0 0 系统：i s 2 0 0 0 系统是美国c o g n e x 公司生产，其系统的技术起点很 高，功能全面，是目前最先进的钢板表面自动检测系统之一，在一定程度上代表 了自动检测系统今后的发展趋势。该系统于19 9 4 年8 月在美国l t v 钢铁公司的镀 锌生产线上投入实际运行。 ( 2 ) e e s 系统：e e s 系统是目前报道的为数不多的成功应用于热连轧环境下的 钢板表面质量自动检测系统之一，它在最大带宽和最高带速下具有 1 0 2 m m x 2 0 3 m m 的横纵向检测分辨率。该系统己于1 9 9 1 年在荷兰h o o g o v e n s 钢铁 公司热轧生产线投入试生产运行，并为美国i n l a n d 钢铁公司和n u e o r 钢铁公司所 陆续采用。e e s 系统的研制目标是在热连轧的恶劣环境和高速下，能够实时地提 ，供高清晰度、高可靠的钢板上下两表面10 0 无遗漏的缺陷图像，最终交由操作 员进行缺陷类型判别并采取相对的修正措施。该系统最显著的技术特点在于其突 出的实用性。 国内学者对基于c c d 的光电检测系统也进行了广泛的研究，如：中国科学院长春 光学精密机械与物理研究的曹小涛，胡君研究了基于f p g a 的空间光学遥感器 c c d 信号检测系统设计心；天津大学的王庆有，张可新等人研究了基d s p 的线阵 c c d 实时测量系统设计豫羽；天津大学精密仪器与光电子工程学院的林竹君，杨 飒研究了c c d q 接触检测在工业生产中的实际应用乜引；合肥工业大学工业自动 化研究所的肖本贤，张松灿等人研究了基于线阵c c d 导航和双d s p 的a g v 装置研 究乜钔；华中科技大学的彭向前研究了产品表面缺陷在线检测方法研究及系统实 现2 5 1 等。 、 1 2 3 图像处理技术的发展现状 机器视觉的核心技术是数字图像处理。数字图像处理心叫是利用计算机对图 像进行去噪、增强、复原、分割、提取特征等的理论、方法和技术：它以物理和 数学为基础，融合了多个技术领域，如通信技术、计算机技术、电子技术、电视 技术等，具有精度高、再现性好、算法多样性等优点，但也有处理费时、复杂度 大的缺点。自2 0 世纪2 0 年代，图像处理第一次用于改善伦敦和纽约之间发送的图 片质量以来，数字图像处理的理论和方法逐渐完善，处理目的也从对图像进行相 对简单的二维处理发展到三维理解或解释。在基于机器视觉的产品质量控制中， 常用到的处理方法主要包括图像获取、图像复原和增强、图像分割、图像匹配、 图像识别和分类等。 图像处理具体算法的研究已经进入到了一个比较深的层次，基本上能够满足 5 数控加丁c c d 枪测关键技术的研究 人们对图像处理效果的要求，而且从图像处理的具体算法研究现状来看，各种处 理算法诸如图像滤波、分割、轮廓检测、形态学运算等理论日趋成熟，一些常用 算法甚至嵌入了处理器的指令集，如i n t e l 公司推出的i p p 技术、n s p 技术、m m x 指令集和s s e 指令集等。但由于图像处理的数据量大，而且现代生产速度日益提 高，因此，算法的实时性是制约视觉系统实时在线检测应用的瓶颈。而且提高算 法的准确性通常会加大算法复杂度，导致其实时性降低；而提高算法实时性又往 往需要牺牲准确性。因此，如何在准确性和实时性之间取得平衡，研究如何提高 实时性和准确性是机器视觉检测的核心课题。 1 3 课题研究意义 c c d 检测技术的发展，为数控机床加工过程的质量检测提供了一套行之有效 的方法。研究数控加工中的c c d 检测技术对机械制造业有以下几个方面的意义： 数控加工c c d 检测技术的应用，会给我国的航天航空、汽车、造船和模具 行业带来深远影响，加快这些工业的发展速度。 有利于促进精密加工的发展，以满足某些尖端产品的高精度加工的要求。在 现有机床一般制造精度条件下，用c c d 检测可提高加工质量，有利于我国数控加 工水平的整体提高。 基于机器视觉的数控加工c c d 检测系统不但扩充了数控机床的功能，而且 提高了机床的生产效率和能力，会成为企业保证其产品质量的重要手段和必然趋 势。对国内生产制造业来说，基于机器视觉的数控加工c c d 检测系统的研制和 应用，为企业提供了一个新的产品质量评价工具，对促进企业改善产品质量水平， 改善生产工艺，提高企业信息化水平，提高产品市场竞争，降低原材料消耗和提 高劳动生产效率都有极为重要的意义。 开发和研究具有自主知识产权的数控加工c c d 检测系统对突破国外技术封 锁，打破国外相关设备的垄断，减少对国外技术的依赖，促进本国数控加工检测 技术成长，改变国内中小型企业对此类昂贵设备可望不可及的状态，提高相关产 业设备国产化水平和提高我国国产机床在世界机床市场的地位都具有十分重要 的意义。 1 4 课题研究的主要内容 本文主要针对数控加工c c d 检测技术展开研究，包括系统的总体方案设计； 基于c c d 检测方法的研究；光学系统的分析；f p g a + d s p 乜 结构的嵌入式数字 信号采集处理方案的确定，以及其软件处理和分析。 论文的主要研究内容如下： 6 硕十学位论文 第一章：概述了目前国内外数控加工中检测技术的发展现状及课题的研究意 义和研究内容。 第二章：对本文的总体结构进行了概述，确定了系统总体方案，并对各章节 工作进行了安排。 第三章：对光学系统进行了分析设计。具体包括：照明系统的设计原则；照 明方法；光源选择及照度匹配；远心光路的应用几个方面。给出了远心光路加柯 拉照明的光路图，最后对物镜及照明系统的光学参数和外形尺寸进行了计算，并 给出了结果。 第四章：对嵌入式数据采集处理系统进行了分析，并对其系统进行了模块化 设计；包括：c c d 驱动电路设计；f p g a 模块及d s p 模块设计；并给出了主要 元器件的型号及主要电路图。 第五章：图像处理分析，首先研究了图像处理分析的基本理论方法，选择适 合本系统c c d 检测的图像处理方法，如图像滤波、直方图均衡化、图像二值化 及边缘检测等。 第六章：加工零件