（机械制造及其自动化专业论文）大型筒节车削加工过程视觉监测系统的研发.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t h l 6 5 + 3 ；t p 3 9 1 4 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g t h e d e v e l o p m e n to f v i s u a lm o n i t o r i n g s y s t e mf o rc u t t i n gp r o c e s so fl a r g et u b e c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： s e t i o nc o m p o n e n t s q i n g k e e r l i u x i a n l i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n d a u t o m a t i o n d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 12 u n i v e r s i t y ： h a r b i n u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型筒节车削加工过程视觉监 测系统的研发，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：青苋嫁日期2 年弓嘭1 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 大型筒节车削加工过程视觉监测系统的研发系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电 子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密，口在年解密后适用授权书。 不保密团 。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： - k 办尕日期：知归纠日 导师签名：洲砌。多u 日期必上年今膨1 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 大型筒节车削加工过程视觉监测系统的研发 摘要 加氢反应器是石油化工行业的重大关键设备，加氢筒节是加氢反应器的 关键零件，其毛坯是铸造、锻造而成的，且具有热韧性和红硬性特点，因 此，车削加工筒节时有不易断屑、切屑缠绕而造成刀具磨损和工件表面划伤 等问题。为了提高生产率实现自动化加工，监测筒节车削加工过程具有十分 重要的意义。 而基于工件表面图像的刀具磨损状态监测是监测筒节车削加工过程的重 要内容。本文根据筒节车削加工现场环境，初步选择了视觉监测前端设备， 并建立了大型筒节车削! j n - r 过程视觉监测系统。 分析了车削过程中工件表面形成过程和影响因素，重点研究了刀具磨损 对工件表面纹理的影响，找出了工件纹理图像的特征与刀具磨损之间的映射 关系，阐明了基于加工表面纹理的刀具磨损监测方法的合理性和可行性，并 对工件表面纹理图像的特征提取以及刀具磨损状态识别方法进行了理论分析 和实验研究。 结合实验所得工件表面图像，研究了常用的图像预处理方法，从图像几 何变换、图像校正、图像分割和图像增强等方面对工件表面图形进行了预处 理，通过对比分析，得出适合工件表面的图像预处理方法。 用灰度共生矩阵法对实验所得工件表面图像进行了纹理分析，从归一化 灰度共生矩阵提取了角二阶矩e 、惯性矩i 、熵h 、相关性c 等特征参数作 为刀具磨损特征，经过比对分析这些特征参数得出灰度共生矩阵法中相邻间 隔为1 的垂直方向上的惯性矩i 可以作为判断刀具磨损状态的依据，以实现 刀具磨损状态监测，为机械加工过程中刀具磨损监测提供了有效途径。 关键词刀具磨损；纹理分析；图像处理；特征提取；状态监测 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h e d e v e l o p m e n t o fv i s u a lm o n i t o r i n gs y s t e mf o r c u t t i n gp r o c e s so fl a r g et u b es e c t i o nc o m p o n e n t s a b s t r ac t t h e h y d r o g e n a t i o n r e a c t o ri sa s i g n i f i c a n t a n dc r i t i c a l e q u i p m e n t o f p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，w h e r e a st h eh y d r o g e n a t i o nt u b es e c t i o ni sas i g n i f i c a n t p a r to ft h eh y d r o g e n a t i o nr e a c t o r t h e r ea lep r o b l e m st h a te x i s t e di nt h et u r n i n g p r o c e s so ft u b es e c t i o ns u c ha sd i f f i c u l t i e si nc h i pb r e a k i n g ，c h i pw i n d i n gc a u s e d t o o lw e a ra n dw o r k p i e c es u r f a c es c r a t c h e se t c ，d u et ot h et h e r m a lt o u g h n e s sa n d r e dh a r d n e s so ft h ec a s t i n gs e m i f i n i s h e dp r o d u c to fh y d r o g e n a t i o nt u b es e c t i o n t h u s ，i ti sag r e a ts i g n i f i c a n s eo fm o n i t o r i n gt h et u r n i n gp r o c e s so ft u b es e c t i o n i nc o n s i d e r a t i o no fi n c r e a s i n gp r o d u c t i v i t yh e n c et h er e a l i z a t i o no ft h ea u t o m a t e d p r o d u c t i o n t h ew o r k p i e c es u r f a c ei m a g eb a s e dc o n d i t i o nm o n i t o r i n go ft h et o o lw e a ri s t h e s i g n i f i c a n tp a r t w h e nm o n i t o r i n gt h e t u r n i n gp r o c e s s o f t u b es e c t i o n a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to ft h et u b es e c t i o nt u r n i n gp r o c e s s ，t h e p r e s e n t r e s e a r c h p r e l i m i n a r y s e l e c t e dt h ef r o n t - e n d e q u i p e m n t f o rv i s i a l m o n i t o r i n ga n dd e v e l o p e dt h ev i s i a lm o n i t o r i n gs y s t e mo ft h et u b es e c t i o n t u r n i n gp r o c e s s t h er e s e a r c ha n a l y s e dt h e w o r k p i e c e s u r f a c ef o r m a t i o na sw e l la st h e i n f l u e n c i n gf a c t o r sd u r i n gt h et u r n i n gp r o c e s s ，m a i n l ys t u d i e dt h ee f f e c to ft o o l w e a ro nt h ew o r k p i e c es u r f a c et e x t u r e ，d e v e l o p e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h et e x t u r ei m a g ea n dt h et o o lw e a r , c l a r i f i e dt h ef e a s i b i l i t ya n d r a t i o n a l i t yo fw o r k p i e c es u r f a c et e x t u r eb a s e dm o n i t o r i n gm e t h o do ft o o lw e a r a n dc o m p l e t e dt h et h e o r i t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ff e a t u r e e x t r a c t i o no ft h ew o r k p i e c es u r f a c et e x t u r ei m a g ea sw e l la st h ed i s c r i m i n a t i o n m e t h o do ft o o lw e a rf c a t u r e c o m m o n l yu s e di m a g ep r e p r o c e s s i n gm e t h o dw a ss t u d i e dc o m b i n i n gw i t ht h e w o r k p i e c es u r f a c ei m a g eo b s e r v e df r o mt h ee x p e r i m e n t ，a n dt h ep r e t r e t m e n to f t h es u r f a c e i m a g e w a sc a r r i e do u ti nt h ea s p e c t so fi m a g eg e o m e t r i c i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t r a n s f o r m a t i o n ，i m a g ec o r r e c t i o n ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，a n di m a g ee n h a n c e m e n t a na p p r o p r i a t ei m a g ep r e p r o c e s s i n gm e t h o do fw o r k p i e c es u r f a c ew a sd e v e l o p e d t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h et e x t u r ea n a l y s i so ft h ew o r k p i e c es u r f a c ei m a g eo b t a i n e df r o me x p e r i m e n t w a sc a r r i e do u tb ya p p l y i n gt h eg l c mm e t h o d ，a n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ： s e c o n do r d e rm a t r i xe ，i n e r t i a lm a t r i xi ，e n t r o p yh ，d e p e n d e n c yce t c w e r e c h o s e nf r o mt h en o r m a l i z e dg l c ma st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft o o lw e a r f r o mt h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h e s ec h a r a t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，a c c o r d i n gt o t h ei n e r t i a l m a t r i x1w i t ht h eo r i e n t a t i o nv e r t i c a ld i r e c t i o nb e t w e e n1 t o o lw e a rc o n d i t i o n c o u l db e e s t i m a t e da n dt h em o n i t o r i n go ft h et o o lw e a rc o n d i t i o nc o u l db e r e a l i z e d ，h e n c e ，av a l i da p p r o c ho ft o o lw e a rm o n i t o r i n gd u r i n gt h em a c h i n i n g p r o c e s sw a ss u p p l i e d k e y w o r d st o o lw e a r ，t e x t u r ea n a l y s i s ，i m a g ep r o c e s s i n g ，f e a t u r e e x t r a c t i o n ， c o n d i t i o nm o n i t o r i n g i i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 刀具状态监测技术的概况2 1 2 1 刀具状态监测技术的发展概况2 1 2 2 刀具状态监测技术的种类2 1 2 3 基于机器视觉的刀具状态监测3 1 3 数字图像处理技术发展概况4 1 4 本课题的来源及主要研究内容5 1 4 1 课题来源及目的5 1 4 2 本文主要的研究内容5 第2 章视觉监测系统的设计及搭建6 2 1 视觉监测系统的总体方案设计6 2 2 视觉监测系统的硬件系统的搭建7 2 2 1 光学基础7 2 2 2 视觉监测系统前端设备的选择8 2 2 3 视觉监测系统支架结构设计1 0 2 3 视觉监测系统软件系统的介绍11 2 3 1 视频信号传输方法介绍11 2 3 2 图像处理软件介绍1 1 2 4 本章小结13 第3 章刀具磨损与工件表面纹理的关系1 4 3 1 刀具磨损破损的主要形式1 4 3 1 1 前刀面磨损1 4 3 1 2 后刀面磨损一1 5 3 1 3 边界磨损1 5 3 1 4 刀具破损1 6 3 2 车削加工工件表面形成过程及影响因素1 6 3 2 1 车削加工表面的形成过程1 6 i v 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 2 2 影响已加工表面纹理的因素一1 7 3 3 工件表面纹理特征与刀具磨损、破损的关系18 3 4 本章小结2 0 第4 章工件表面图像的预处理2 1 4 1 图像剪切2l 4 2 图像校正2 2 4 3 图像增强2 2 4 3 1 灰度修正一2 3 4 3 2 图像平滑处理2 6 4 4 图像分害0 2 8 4 4 1 边缘检测2 8 4 4 2 灰度阈值分割3 2 4 5 本章小结一3 3 第5 章工件表面纹理图像分析3 4 5 1 纹理描述3 4 5 2 纹理描述法的介绍3 5 5 2 1 结构法一3 5 5 2 2 统计法3 5 5 2 3 基于模型的纹理描述3 7 5 3 基于灰度共生矩阵法的工件表面纹理分析3 9 5 3 1 灰度共生矩阵特征参数3 9 5 3 2 工件表面纹理图像特征参数的提取4 0 5 4 实验数据分析4 1 5 5 本章小结4 4 结论4 5 参考文献4 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 0 致 射51 v 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 2 0 世纪8 0 年代以来，数控机床和加工中心发展迅速，特别是随着柔性制 造系统( f m s ) 和集成制造系统的发展，现代机械制造系统正朝着高自动化、高 集成化和高柔性化的方向发展。因此，要求机床稳定、可靠，要求加工系统 能自动在线监测并排除加工过程中所出现的故障，所以要通过加工过程的监测 技术来提高生产率和机床利用率瞳。4 3 。 刀具状态监测一直是机械加工过程中的重要组成部分。刀具是机械加工过 程中最基本的要素，在自动化加工过程中，若刀具磨损越来越大就丧失工作能 力的可能性越来越大，最终磨损量过大或刀具破损时会造成加工质量下降或者 其他严重损失。因此，刀具状态的在线监测是实现机械制造自动化及保证生产 顺利进行的关键旧“1 。 加氢反应器是石油化工行业的重大关键设备，是典型的高温压力容器，主 要应用于石油炼制或重质油的加氢裂化、加氢精制及脱硫等工艺过程盯1 。大型 加氢筒节是加氢反应器的关键零件，其毛坯( 如图1 1 所示) 是由高强度钢2 2 5 c r 一1 m o 0 2 5 v 钢锻造而成的，直径可达4 m ，高可达7 m ，壁厚4 0 0 m m ，重量 可达5 0 0 余吨。该件毛坯材料具有热韧性和红硬性特点旧1 ，因此加工时尤其粗 加工时不易断屑，且缠绕的切屑极容易造成刀具破损( 如图1 2 所示) 或刮伤加 工表面。因此，采用视觉监测系统来全程监测筒节加工过程中的刀具和工件表 面状态是防止加工过程中出现严重损失，并保证生产顺利进行的关键。 图1 1 简节毛坯 f i g 1 - 1c y l i n d r i c a ls h e l l sb l a n k 图1 2 重型车刀 f i g 1 2h e a v y d u t yt o o l 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 刀具状态监测技术的概况 1 2 1 刀具状态监测技术的发展概况 上世纪6 0 年代，随着电子技术，计算机技术及数字信号处理技术的飞速 发展，为刀具监测技术奠定了坚实的基础阳1 。7 0 年代末，外国学者研制出刀具 状态监测的传感器，日本和德国早期在数控机床上也配置了刀具检测及监控装 置，该装置起到实时监测刀具损伤情况并对机床提出预警的作用。8 0 年代中 期，刀具状态监测装置在传感器的集成及智能算法上有了很大的进展，其准确 性和实用性进一步提高。9 0 年代以来，结合了计算机技术的优势，刀具监测技 术实现了在线监测的推广，并随着c c d 新型传感器的成熟使用，机器视觉在 机械制造方面开拓了新的应用领域n 0 1 1 1 。 1 2 2 刀具状态监测技术的种类 从监测方法上来讲，刀具状态监测可分为在线和离线两种，在线监测是在 不影响正常切削过程的情况下，对刀具进行监测并分析的过程，也叫实时监 测；离线监测是指在切削间隔或者切削之前对刀具测试，通过分析，得出刀具 的使用寿命并对刀具的状态进行预测的过程n 引。 从测量手段上来讲，有直接法和间接法两种监测方法，如表1 1 所示。直 接法主要是针对刀具本身的材料而言，通过观察刀具表面磨损破损，刀具的质 量是否发生变化等一系列刀具的物理变化来监测刀具状态的方法n3 。1 5 1 。直接监 测法一般是离线监测，因为在机加工过程当中很难检测到刀具的刀刃形状、位 置等参量。 间接法是通过检测与刀具磨破损状态相关的某一种或者几种参量，或者物 理信号( 如机械、电磁、光学、声学等物理量) 来估计刀具的磨破损状态n 6 1 7 1 ， 以使用切削力、声发射、振动等传感器为代表。 表l 一1 刀具状态监控方法 监测方法参数测量方法 气动测量 直接法刀具破损量 接触式触头测量 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 续表1 1 监测方法 参数测量方法 计算机图像处理 直接法刀具磨损量光导纤维测量 微量同位素测量 接触触发式测量 工件气动测量 涡流式非接触测量 一般光学测量 表面粗糙度光导纤维测量 激光 静态切削力方差变化 切削力比值变化 切削力 动态切削力方差变化 动态力谱分析 间接法 加速度方差分析 振动 加速度谱分析 = b 可听声分析 i 口 主电机功率变化 功率 步进电动机功率变化 主轴扭矩变化 扭矩 主电机电流变化 自然热电偶测法 刀具温度 人工热电偶测量 接触式电阻测量 刀具导电性 接触式电压测量 1 2 3 基于机器视觉的刀具状态监测 基于图像的刀具状态监测方法主要有以刀具表面为监测点并进行图像采集 的直接监测，以被加工工件表面为监测点并进行图像采集的间接监测，另外还 有以刀具与工件加工刃口处的切屑为研究重点的准直接监测方法n 引。 1 基于刀具表面的图像视觉监测对刀具表面进行特征提取，是表征刀具磨 损状态最直观的方法，对刀具磨损的特征提取主要包括前刀面的月牙形磨损面 积及后刀面的磨损v b 值，通过采集刀具图像表面的磨损区域并处理，可以直 接进行刀具的状态监测。这种监测方法，能够直接在线检测刀具磨损部位，并 采用非接触测量方式，计算速度快，监测准确度高，因此被广泛使用。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 基于工件表面的图像视觉监测工件表面纹理能很好的反映出刀具刀刃的 磨损状态，刀具越锋利，其加工后的工件表面纹理越清晰，当刀具磨损时，加 工表面纹理混乱，不连续。工件表面图像视觉监测方法即是对刀具加工后的被 加工表面进行图像采集，属于间接测量，该方法只能车床停车才能采集工件表 面纹理图像，不能实时在线采集图像。而对工件图像进行分析不仅能反映刀具 磨损状态也能反映工件表面质量监测，因此也有很好的实用性。 3 基于切屑图像监测刀具磨损状态在切屑的形态的变化中隐含着丰富的刀 具磨损破损信息，通过对切屑的形态及变形的分类反映刀具磨损状态是监测方 法的最新应用n9 2 。当切削用量，切削刀具及工件材料不变的情况下，刀具磨 损是影响切屑形态的主要因素。为此，有经验的操作人员往往通过观察切屑形 态变化判断刀具的状态。 1 3 数字图像处理技术发展概况 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 是通过计算机对图像进行处理的方 法和技术。数字图像处理的产生和迅速发展主要受三个因素的影响：一是计算 机的发展；二是数学的发展( 特别是离散数学理论的创立和完善) ；三是广泛 的农牧业、林业、环境、军事、工业和医学等方面的应用需求的增长。 上世纪2 0 年代，通过海底电缆，从伦敦传到纽约一张数字压缩照片，标 志着对图像进行数字处理技术的诞生乜“。7 0 年代，美国的实验室处理了一张 “徘徊者七号”太空船发送回来的天空照片，标志着数字图像处理与计算机技 术的结合开始应用瞳2 1 。而今，随着计算机技术和人工智能等领域快速发展，数 字图像的处理技术也随之迅速发展。上世纪9 0 年代以后，小波理论迅速发 展，并被认为是信号处理与图像分析领域中的有效方法。迄今为止，随着计算 机科学技术的迅猛发展、相关算法及理论的不断完善和应用领域越来越广，数 字图像处理技术已经有了重大的发展，成为较有前景的新型学科乜引。 数字图像处理具有如下特点：一是处理精度高，再现性好；二是易于控制 处理效果；三是处理的多样性；四是图像数据量庞大；五是处理费时；六是图 像处理技术综合性强瞳引。数字图像处理有如下目的：一是提高图像的视感质 量，以达到赏心悦目的目的；二是提取图像中所包含的某些特征或特殊信息， 以便于计算机进行分析；三是对图像数据进行变换、编码和压缩，以便于图像 的存储和传输瞳引。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 4 本课题的来源及主要研究内容 1 4 1 课题来源及目的 本课题来源于国家科技重大专项子项目：大型筒节车削加工过程监测系统 的开发( 课题编号：2 0 0 9 z x 0 4 0 1 4 - 0 6 6 - 0 3 ) 。本课题目的通过建立视觉监测系 统，当加工大型筒节时，尤其在内壁加工时，辅助操作工人监测刀具、切屑和 工件表面的实时状态，以便于提醒操作人员应对突发情况，如若出现刀具破损 或切屑缠绕提醒及时换刀或调整切削参数。 1 4 2 本文主要的研究内容 本文结合课题需要，建立大型筒节车削加工过程的视觉监测系统。并研究 基于工件表面纹理图像的刀具磨损监测方法。主要内容如下： 1 根据大型筒节车削加工现场环境及监测要求选定监测系统的前端设备型 号及监测方案，搭建视觉监测系统的硬件系统和软件系统，最终完成总体方 案。 2 研究车削加工过程中表面纹理形成机理及影响工件表面纹理的因素，研 究分析刀具磨损状态与工件表面纹理特征之间的映射关系。 3 分析比较图像剪切、图像校正、图像增强和图像分割等几种工件表面纹 理图像的图像预处理方法的不同算法，通过比较各个方法的不同算法处理结果 来确定适合本系统应用的图像处理算法。 4 选择分析各个典型纹理分析方法的优缺点和适应性，重点研究灰度共生 矩阵方法的应用，并应用此方法对实验所得到的工件图像进行分析处理，进而 判别刀具磨损状况，最终提取反映刀具磨损状态的特征参数。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章视觉监测系统的设计及搭建 本章研究基于图像处理的视觉监测系统，设计一套图像采集模块、图像预 处理模块和图像分析模块组成的视觉监测系统，实现视觉监测系统的硬件系统 和软件系统的设计。 2 1 视觉监测系统的总体方案设计 机器视觉监测系统是由硬件系统和软件系统的有机结合而组成的瞳副。本章 设计视觉监测系统的设计也分为硬件和软件两部分实现。硬件系统包括光源、 光学镜头、c c d 摄像机、图像采集卡和监视器( 计算机) 等组成；软件系统一般 包括图像显示软件和图像处理分析软件组成；其结构模型如图2 1 所示。 帮黼 d 阖囡 图2 1 视觉监测系统的结构模型 f i g 2 1s t r u c t u r a lm o d e lo f t h ev i s u a lm o n i t o r i n gs y s t e m 本文机器视觉监测系统的工作原理是，在筒节车削加工过程中，首先是摄 像机将图像传感器所接收到的工件和刀具光学图像( 模拟信号) ，转换成计算机 能处理的数字信号，传送到上位机( 计算机) 并传送给专用图像处理系统，图像 处理系统对这些图像进行各种运算，如工件表面纹理分析，模式识别，刀具破 损判别等，进而实现加工过程刀具状态监测。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 视觉监测系统的硬件系统的搭建 本视觉监测系统的硬件系统主要有实现图像采集的前端设备和搭载这些前 端设备的支架等组成。 2 2 1 光学基础 机器视觉系统就是利用机器代替人眼来作各种测量和判断。它是计算机学 科的一个重要分支，它综合了机械、电子、光学、计算机软硬件等方面的技 术，涉及到计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体 化等多个领域。光学成像系统如图2 2 所示。 图2 - 2 光学成像光路图 f i g 2 - 2l i g h tp a t ho fo p t i c a li m a g i n g ( 1 ) 光学成像公式( b a s i cf o r m u l a ) ，如式( 2 一1 ) 所示。 土：土+!(2-1)一= 一+ 一 l l f ”y 7 式中：”为物距；v 为像距；f 为镜头的焦距。 ( 2 ) 放大率( m a g n i f i c a t i o n ) ，如式( 2 2 ) 所示。 m=百h=兰u(2-2)h 。 式中：h 为像高；h 为物高。对于机器视觉系统，需考虑物体怎样完整成 像到c c d 芯片上并保证对物体的分辨率，所以选择摄像机和镜头时需要综合 考虑放大率的影响。 ( 3 ) 分辨率( r e s o l u t i o n ) ，分辨率就是屏幕的精密度，是指监视器所能显示 的像素的多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的 像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 视场( f i e l do fv i e w ) ，视场代表着摄像头能够观察到的最大范围，通 常以角度来表示，视场越大，观测范圉越大，角度的计算如式( 2 - 3 ) 所示。 臼= t a n 。1 ( ) ( 2 3 ) z 甜 ( 5 ) 对比度( c o n t r a s t ) ，计算方法如式( 2 4 ) 所示，对比度指的是一幅图像中 明暗区域最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的测量，差异范围越大代表对 比越大，差异范围越小代表对比越小。 c = e m a x 瓦- - i m i n ( 2 4 ) ，。+ l i 。 ( 6 ) 景深( d 印t l lo ff i e l d ) ，景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿着能够 取得清晰图像的成像景深相机器轴线所测定的物体距离范围。在聚焦完成后， 在焦点前后的范围内都能形成清晰的像，这一前一后的距离范围，便叫做景 深。 ( 7 ) 光圈( a p e r t u r e ) ，光圈是控制镜头通光量的装置，通常在镜头内。我们 用厂表示光圈大小。光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。镜头焦距越 长，景深越小；焦距越短，景深越大。距离越远，景深越大；距离越近，景深 越小。 ( 8 ) f 数( 光圈系数) ，即光通量，用f 表示，以镜头焦距厂和通光孔径d 的比值来衡量。 2 2 2 视觉监测系统前端设备的选择 本系统的前端设备主要包括：三可变( 变焦距、变聚焦、变光圈) 电动变 焦镜头e z h 1 0 x 8 5 m 、德国a v tg c l 0 2 0c c d 摄像机、环形l e d 光源 r 5 0 9 0 及其控制器d p l 0 2 4 1 和云台防护罩等组成。 1 工业摄像机本系统选用的摄像机型号为德国a v tp r o s i l i c ag c l 0 2 0 ，传 感器类型是电荷藕合器件图像传感器c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ：分辨率为 1 0 2 4 7 6 8 ；c c d 芯片尺寸为1 2 ”；曝光范围为1 0 n 6 0 s ；具有数字调节背 光补偿功能和同步锁相功能，用于实现系统的扩展性和各种同步模式，信噪比 在4 5 5 5 d b 之间。 2 工业镜头工件和刀具与拍摄位置较远，却需要变换不同角度拍摄，且整 体形貌和局部形貌都需要监测。因此，本系统选用的镜头型号为e z h 1 0 x 8 5 m ，可电动变焦距、变聚焦、变光圈，焦距为8 5 8 5 m m ，放大倍数可 调，最高光学放大倍数可达到1 0 倍。因此，通过控制器自动调节镜头放大倍 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 数来观察工件或刀具的宏观和局部微观信息( 如刀具磨损、破损、工件表面加 工状态等) 。 3 光源一个合适的光源是机器视觉系统的重要组成部分，一个好的光源将 会大大提高图像采集质量，起到事半功倍的效果。光源具有为图像提供照明、 放大有效特征及缺陷、削弱混乱及背景的作用。目前应用的光源种类有：荧光 灯、卤素灯、l e d 光源、特殊光源，如激光和紫外光等心7 1 。几种光源的性能对 比如表2 1 所示。 表2 1 几种光源的性能对比 类型成本亮度稳定性使用寿命设计难度温度影响 荧光灯低低低中低 由 卤素灯局局 中短 低低 一 l e d 等 由由 局局局低 从上述表格可以看出，经综合考虑l e d 光源使用性价比比其他光源优 越，因为l e d 光源具有寿命长、响应时间短、形状自由、可自由选择颜色、 制作方便、运营成本低等特点，且从照明结构上可分为同轴光、背景光、环形 光、线型光和低角度环形光等。 本系统经过综合考虑被检测物的状态、材质、颜色及视野范围和工作距 离、周围环境等因素之后最终选用环形l e d 光源，型号为：r 1 5 0 9 0 ，并且通 过光源控制器控制光源亮度。 4 图像采集卡在机器视觉系统中，图像采集卡主要完成对模拟视频信号的 数字化过程，视频信号经过低通滤波、a d 转换后，转变为数字信号输出，同 时通过图像处理软件对图像进行处理。因本系统摄像机接口是千兆以太网接 口，具有传输速率高、传输距离远( 长达1 0 0 m ) 、现场安装调试简单等特点。 因此本系统图像采集卡选用千兆以太网卡。千兆太网卡是以单位面积时间 内，数据流量达到1 0 0 0 兆( 约为1 g ) 速度的网络适配卡。此类网卡数据流 量大，耐用性，具有：出、入两端口，用以连接数据连接线。 5 云台及防护罩本视觉监测系统在筒节车削加工过程中监测刀具状态的 同时还要监测工件表面a n t 状态，因此会涉及到变换拍摄角度的问题。基于这 原因我们将摄像机安装固定在云台上面，通过云台自身的上下左右旋转来达到 全面监测加工过程的目的。根据现场加工环境要求和摄像机需要配备光源，采 用普通型云台，型号为y d 3 0 4 0 h 1 。防护罩主要作用是保护摄像机和镜头。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 3 视觉监测系统支架结构设计 本视觉监测系统监测对象是筒节内壁加工过程中的刀具状态和工件表面加 工状态。而加工大型筒节的机床是大型立车机床，车刀安装在机床刀架上，刀 架通过左右移动来接触到工件表面，通过上下移动来完成工件表面全部加工， 而工件装夹在机床上后沿中心轴作回转运动，其示意图2 3 所示。 图2 - 3 大型立式车床示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fl a r g ev e r t i c a ll a t h e 经综合考虑机床加工特点和被监测目标的运动轨迹之后，我们选择将视觉 监测系统的前端设备安装固定在刀架上随着刀架一起运动，让镜头始终对着被 检测对象，最终实现监测加工过程的目的。支架示意图如图2 4 所示。 刀架定位锁紧块摄像设备支撑柱 连接杆调节锁紧块 图2 - 4 六自由度支架图 f i g 2 4s t e n t so fs i xf r e e d o m 将上图中的刀架定位锁紧块装夹在立式车床的刀杆刀盘上夹紧固定；系统 将镜头、摄像机安装在云台之后将云台安装在六自由度支架的前端设备支撑柱 上。系统前端设备的位置可以通过支架的伸缩连接杆的长度来控制，并找到最 佳拍摄位置和角度，且圆杆是空心的，方便与数据线走线，避免随着刀杆的运 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 动而出现缠绕或被切屑刮坏。 2 3 视觉监测系统软件系统的介绍 软件系统是视觉监测系统的重要组成部分，系统的主要功能在大都是在计 算机中通过软件来实现的，软件方案的设计是各种理论和处理算法的具体实 现。在编写程序代码之前，必须明确软件要实现的功能，进行项目计划以及软 件系统的设计，便于以后维护和更新瞳引。 2 3 1 视频信号传输方法介绍 目前工业摄像机接口有火线1 3 9 4 、g i g ev i s i o n 、c a m e r a l i n k 、u s b 等几 种瞳引。本系统采用的工业摄像机是g i g ev i s i o n 接口标准。在工业机器视觉产 品中，g i g ev i s i o n 接口能够实现图像在普通电缆线上的快速传输，还支 持不同厂商之间的互换。g i g ev i s i o n 基于千兆以太网标准，并允许第三方 用户进行二次开发软硬件。 g i g ev i s i o n 主要由四部分构成跚1 ： ( 1 ) g i g ev i s i o n 控制协议：该标准基于u d p 协议，定义对设备控制的 方式以及相机和计算机间图像传输的通道和数据匹配说明。 ( 2 ) g i g ev i s i o n 流控制协议：该协议定义数据类型及图像传输方式； ( 3 ) g i g ev i s i o n 设备被发现协议：该机制可以提供获取i p 地址； ( 4 ) 基于g e n l c a m 标准的x m l 描述文件：该数据表单提供了相机控 制和图像数据流访问的权限。 g i g ev i s i o n 标准的特点是快捷的数据传输速率( 最高可达到 1 0 0 0 m b i t s ) ；传输距离远( 最远可达到1 0 0 m 传输距离) 。 2 3 2 图像处理软件介绍 本系统的工件表面图像处理分析软件开发环境是：m a t l a b7 0 。 本系统的图像处理软件主要实现如下功能：对工件图像进行图像预处理， 之后将处理后的图像直接生成灰度共生矩阵并进行灰度级压缩，然后生成归一 化灰度共生矩阵，最后的特征参数，特征参数将会在第5 章中详细介绍。本系 统的特征提取流程如图2 5 所示，图像处理界面如图2 - 6 所示。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 际丽 图 图图图 像像像像 剪校 增 分 切正强割 生成共生矩阵 生成归一化共生矩阵 图 像 预 处 理 角二阶矩ll 惯性矩ii 熵ll 相关性 图2 - 5 特征提取流程图 f i g 2 5t h ei m a g eo ff l o w c a r to nc h a r a c t e r i s t i c se x t r a c t i o n 图2 - 6 软件界面图 f i g 2 6t h ei m a g e o fs o f ti n t e r f a c e 本系统图像处理软件具有：几何变换、正交变换、灰度处理、图像增强、 图像分割和基于灰度共生矩阵法的特征参数提取等功能。