（机械制造及其自动化专业论文）切屑形态参数智能识别的原理及技术.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文在参考国内外文献以及研究成果的基础上，基于双目立体视觉模型构架了一 个图像处理和分析系统，并开发了相应的图象检测软件。所设计的检测算法与基于单 c c d 成像系统设计的检测算法相比，其检测精度和鲁捧性均得到了明显改善。实验结 果表明，该系统在切屑形态参数的离线检测中可以取得良好效果。 本文的工作主要包括以下几个方面： 1 讨论了现有的切屑形态参数检测方法，总结了利用计算机视觉技术进行检测 的优点。 2 通过分析双目立体视觉模型的结构，设计了该系统的硬件部分，保证了图像 的正确摄取。 3 基于立体视觉原理，综合一系列图像处理方法和计算方法实现了从摄取图像 中读取切屑的形态参数，达到了系统的设计目标。 关键词：切屠形态鑫数； 子；开运算；细化 双目视觉系统；s o b e l 算子；h o u g h 变换；二值化；l o c 算 一p 1 塑星垄查垄垫塑堕望型堕堕望墨垫查 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，a nj m a g ep r o c e s s j n ga n da n a l y z i n gs y s t e mb a s e do nb i n o c u l a r v i s u a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d ，a n dac o r r e s p o n d i n gi m a g ed e t e c t i n gs o f t w a r e f o rd e t e r m i n a t i o no f g e o m e t r i cp a r a m e t e r s o fc h i pw a sd e v e l o p e d c o m p a r e dw i t h t h ee x i s t e d d e t e c t i n g a l g o r i t h mb a s e d o nm o n o c u l a rv i s u a ls y s t e m ，t h e d e t e c t i n ga l g o r i t h mp u t f o r w a r di nt h i st h e s i ss h o w sh i g h e ra c c u r a c ya n d s t r o n g e rr o b u s t n e s s e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mi se f f e c t i v e i no f f l i n ed e t e c t i o no ft h ec h i pg e o m e t r i cp a r a m e t e r s t h em a i nw o r kd o n ei nt h i st h e s i si sa sf o l l o w s 1 t h ep r e s e n td e t e c t i o nt e c h n i q u ef o rg e o m e t r i cp a r a m e t e r so fc h i pw a s d i s c u s s e di nd e t a i l t h ee x c e l l e n c eo fd e t e c t i o nw i t hc o m p u t e rv i s i o nw a s s u m m a r i z e d 2 b a s e do na n a l y s eo ft h ef r a m eo fb i n o c u l a rv i s u a lm o d e l ，t h eh a r d w a r e o ft h i ss y s t e mw a sd e s i g n e d w i t ht h i s s y s t e m ，t h ec u t t i n gp r o c e s sc a nb e r e c o r d e da c c u r a t e l y 3 a c c o r d i n gt os t e r e o v i s i o nt h e o r y ，t h ed e t e c t i n ga l g o r i t h mw a sc o m p l e t e d w i t has e r i e so fi m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d sa n dn u m e r i c a lm e t h o d s w i t ht h i s a l g o r i t h m ，t h ec h i pg e o m e t r i cp a r a m e t e r sc a nb ec a l c u l a t e de x a c t l y k e yw o r d s ：c h i pg e o m e t r i cp a r a m e t e r ；b i n o c u l a rv i s u a ls y s t e m ；s o b e l o p e r a t o r ：h o u g ht r a n s f o r m ；b i n a r i z a t i o n ：l o go p e r a t o r ；o p e n i n g ：t h i n i n g i i 南京航窄航天人学坝j 学位论史 第一章引言 目自“，切屑控制l ! 成为机械制造动化急待解决的问题之。长期以来，国内外 众多学者对切屑控制进行了深入、系统的研究，发展了若f 种断屑方法，如振动断屑、 间隙进给、强制折断等。但是，在实际t l l | | 上过程中，应用最为广泛并且最有效的切屑 处理措施仍然是最传统的方法，即通过在刀片的前刀面上磨制或压制断屑槽来改善刀 片的断屑性能。刀片的断屑性能直接影响加： 工件的表面质量、机床本身的热平衡以 及操作者的安全。尤其是近年来，随着高速自动加；v j i z 床、组合车床、数控车床以及 e - i 动生产线的推广应用，这一研究逐步受到l 儿界符阚的重视。 1 1 研究目的和意义 现代生产的要求迫使f h ：界备闽俅；i - 部投入人鞋的人力和物力进, tj ：j jj j 断屑槽型 的丌发和设计。随着研究的深入，人们刈嘲陆0 槽掣的功能钶了新的认 = 5 ，断瞒槽型的 设计由最初简单的：维形状转向复杂的二维形状，如采用窄的f 刀面棱带，施加前刀 面突起物，采用曲线和波形切削刃等。 各种断屑槽型的有效性最终必须山其所形成切屑的形态参数来评价。传统的金属 切削理论从构造切屑模型出发，提出了若j 二种计算公式用于估算切屑的形态参数。但 是，随着断屑槽型的三维化和复杂化，传统的金属切削理论已经无法解释这些新型槽 型对切屑的微妙影响，因此切屑形态参数的检测技术逐渐引起研究者们的重视。目前， 尚没有可靠的切屑参数在线检测方法，传统的离线检测方法是收集切削过程中产生的 切屑并测量其形态参数。此检测方法不仅效率低下，而且表现出相当的局限性：一方 面，不能检测流屑角：另一方面，切屑脱离一阱 ：后必然变形，无法反映切自0 加工过程 中真实的卷曲半径，l 嗣此卷曲半径的枪测结果也小准确。 考虑到传统检测方法的局限性，木文尝试采用计算机视觉技术探索。种新的切屑 形态参数检测方法，最终i = ； 标是实现参数的在线检测。但是作为探索性工作，本文仪 从在线捕捉并实现离线检测着手研究其中的关键性问题，即识别的可靠性和效率问 题，为晟终实现切屑参数的在线检测奠定基础。 1 2 计算机视觉技术概述u w 计算机视觉是一门新兴学科，从理论一卜涉及人工智能、计算机科学、图像处理和 模式识别等多个学术领域，在国民经济、科学技术及国防等各方面都有广泛应用。 计算机视觉的任务是用计算机来局部地实现人的视觉功能并在一定程度上拓宽 圳屑形态参数智能识别的原删驶技术 或辅助人的视觉功能。一方面，人的视觉功能具有高度的灵巧性和智能性，这是计算 机技术在目前无法总体地实现的视觉功能。另一方面，计算机所具有的运算功能，特 别是极高的运算速度，使得它可以拓宽或辅助人的视觉功能。 8 0 年代初，m a r r 综合图像处理、心理物理学、神经生理学等学科的研究成果， 提出了一个较为完善的视觉系统框架。这一框架虽然在细节甚至在主导思想方面尚存 在大量不完备和有争议的方面，但至今仍是一个广大计算机视觉工作者接受的视觉系 统基本框架。 m a r r 认为视觉系统的研究分为三个层次，即计算理论层次、表达与算法层次以及 硬件实现层次，并将系统分为自下而上的三个阶段，即视觉信息从最初的原始数据( 二 维图像数据) 到最终对三维环境的表达经历三个阶段的处理： 第一阶段构成所谓“要素图”或“基元图”。基元图由二维图像中的边缘点、直 线段、曲线、顶点、纹理等基本几何元素或特征组成。 第二阶段就是重建三维物体在以观察者为中心的坐标系下的三维形状与位置，通 常称为对环境的2 5 维描述，即部分的、不完整的三维信息描述。 第三阶段是三维阶段，从各种不同角度去观察物体，观察得到的形状是不完整的。 因此，必须对2 5 维描述进一步处理以得到物体的完整三维描述，而且必须是三维物 体在某一固定坐标系下的描述。 8 0 年代至今，许多研究者按照m a r r 所提出的基本理论框架，对以上所述的各个 研究层次与视觉系统的各个阶段中的各种功能模块进行了大量研究，提出了大量处理 方法。但总的来讲，这些方法都存在这样或那样的问题，或缺乏通用性，或抗噪能力 低，或存在多解性，其原因如下： 一方面，视觉系统的输入是二维图像的灰度，它是三维物体几何特征、光照、物 体材料表面性质、物体颜色、摄像机参数等许多因素的函数，由灰度反推以上各种参 数是逆问题。逆问题的解具有不唯一性，而且对噪声和离散化引起的误差极其敏感。 另一方面，m a r r 视觉系统框架是一个自下而上、模块化的、单向的、数据驱动 型的结构，神经生理学的深入研究表明这种结构与人的视觉系统存在很大差距。由眼 动等生理现象可知，生物视觉系统的认知过程是一种复杂的与外界交互作用的主动性 过程。g i b s o n 曾指出，感知是一种行为，而不仅仅是一种被动式的反应“1 。近年来提 出的有目的的主动式视觉和具有模型的视觉都在这一方面突破了m a r r 视觉理论框 架。 1 3 图像处理技术概述 2 0 世纪5 0 年代计算机技术发展到了一定水平后，计算机图像处理技术迅速发展 起来并形成新的学科。这项技术首先应用于宇航领域，在太空照片的处理上获得成功， 商京航窄航天大学碳i 学位论文 随后应用于卫星遥感、军事侦察、生物医学工程等领域也获得了极大成功，从而促进 了这个新学科理论的完善和发展。随着各个学科对图像处理的要求不断增加，图像的 应用领域在不断扩大，图像处理的理论也在不断补充和发展。近来，形态学、混沌学 和分维理论的引入使图像处理的内容更为丰富了。 计算机图像处理按其输入输出形式可分为以下几种类型： ( 1 ) 从图像到图像输入的是图像，输出的也是图像。如历史古物珍品图像的复 原、宇航图片干扰的去除。 ( 2 ) 从数据到图像输入的是数据、公式、计算结果和曲线，而输出的是图像。 如从投影重建图像。 ( 3 ) 从图像到特征数据或特征图像输入的是图像，输出的是一些极简单的数据 或图像。这些简单的输出通常供计算机进行理解、分析和判断，主要用于计算机对客 观事物模式的识别，即计算机视觉。 ( 4 ) 从图像数据到图像主要用于图像的传送。如图像信息的压缩和解压缩。 进行计算机图像处理往往需要建立一个图像处理系统。根据硬件环境，图像处理 系统可分为软件型图像处理系统和图像计算机。在软件型图像处理系统中，图像采集 卡负责图像采集，而处理工作由计算机软件完成，其处理速度取决于计算机c p u 的运 算速度。图像计算机则采用专门硬件进行图像处理，主机仅用于发布命令和进行少量 运算。一般来说，图像计算机的处理速度优于软件型图像处理系统，但是构架较为复 杂。 1 4 本文的工作概述 本文构架了一个双目被动式视觉系统。首先利用边缘检测、细化等算法得到左右 两c c d 摄取图像中切屑的二维骨架；然后基于双目视觉原理，由切屑二维骨架的视差 求取切屑三维骨架的深度：对于切屑三维骨架沿切屑上卷轴线和侧卷轴线两个方向投 影得到的散点图，分别利用三次勒朗德多项式线性最小二乘法对散点数据进行曲线拟 合，得到两条二维曲线；再根据一些形态参数计算公式由这两条二维曲线在切屑根部 的各阶导数值算得切屑的形态参数值。 本文所述的检测算法是由前人基于单c c d 被动式成像系统设计的检测算法改进而 得。与原检测算法相比，新检测算法在检测精度和鲁棒性等方面都有一定提高。一方 面，新的检测算法基于双c c d 被动式成像系统，在一定程度上减小了立体成像过程中 畸变所造起的误差；另一方面，参数检测完全依靠计算机视觉技术来实现，避免了人 为因素对结果的影响。 塑旦墅查茎塑塑些塑型塑堕堡墨垫查 第二章切屑运动模型 本文以切屑的形态参数为考察对象，因此必须详细地讨论切屑的运动模型。在切 削过程中，如果刀具只有一条直线切削刃参与切削，则称之为自由切削，其主要特征 是切削刃上各点的切屑流出方向大致相同。刀具的刃倾角五，= 0 。时的切削称为直角 切削，也称为二维切削或正交切削，此时刀具刃口垂直地面向切削进行方向做切削工 作。实际加工中，直线刃的正交切削较为普遍，因此本文中切屑的运动模型建立在以 直线刃进行正交切削的基础之上。 2 1 切屑的卷曲形式恤。 自由切削试验表明，切屑的基本卷曲方式有向上卷曲和侧向卷曲。 切屑的向上卷曲，又称为臼向卷曲，是指切屑在厚度方向产生卷曲，并向上卷离 前刀面的现象。a 向卷曲的轴线平行于切屑与前刀面接触区的边界线。产生a 向卷曲 的直接原因是切屑在前刀面- n 的流出速度大于自由面一侧的流出速度，亦即在切屑 厚度方向存在流速差。 切屑在前刀面内的侧向卷曲称为6 向卷曲，是指切屑在宽度方向产生的卷曲。b 向卷曲的轴线垂直于前刀面。切屑宽度方向的流速差是产生b 向卷曲的原因。引起流 速羞的因素主要有两个：一个是被切削工件各点直径不同，使切削刃上各处切屑流出 速度不等；另一个是由于刃倾角五。的影响，当 。0 时，切削刃上各点的剪切角不 等，切屑变形程度不同，因而切屑流出速度不等。 一般情况下，切屑兼有a 向卷曲和b 向卷曲。 2 2 切屑的运动规律1 用装备有某些引导装置( 如断屑槽、断屑压块、导屑板等) 的刀具进行切削时所产 生的切屑称为“有引导”切屑。相反，用没有引导装置的平前刀面刀具进行切削时所 产生的切屑称为“无引导”切屑。如果切屑离丌前刀面或引导装置后不再受到任何阻 碍则称之为“自由”切屑。反之，若受到工件、刀杆或机床的阻碍则称之为“受阻” 切屑。无引导的自由切屑又称为“自然”切屑。下面将对自然切屑、有引导自由切屑 和受阻切屑的运动规律分别进行讨论。 南京航卒航天大学硕i j 学位论文 2 2 1 自然切屑( 无引导自由切屑) 的运动 自然切屑的运动可在下述三维直角坐标系中考察：刀具一切屑分离线与副刀刃的 交点为坐标原点，刀具一切屑分离线为x 轴，z 轴过原点且垂直于前刀面，王，轴过原 点且垂直于x z 平面，如图2 一l 所示。一般情况下，刀具一切屑分离线大致与主刀刃 平行，但在某些情况下，例如f a 。比值较大时，它与主刀刃之间会形成一个较大的 夹角。 下面讨论自然切屑作稳定流动，即其流出方向与卷曲方式不随时间变化的情况。 如果考察刀具一切屑分离线上切屑的某一点，则其运动轨迹形成一条几何曲线，由微 分几何学可知，描述曲线上各小段形状的充分必要的参数是曲率和挠率。稳定流动时 切屑的曲率和挠率均为常数，而这样的曲线只能是圆柱螺旋线( 圆弧线与直线均是圆 柱螺旋线的极限情况) 。刀具一切屑分离线上全部切屑质点的运动形成了切屑底面， 它是一个螺旋面，与前刀面相切，且以刀具一切屑分离线为其发生线。 实际加工过程中切屑的形状往往容易发生变化，但是在极短时间内可以看成是稳 定的，所形成的一小段切屑应该是螺旋形。因此不稳定的切屑可以看成无穷多个随时 间变化的小段螺旋形切屑的组合。为此应首先研究稳定的螺旋形切屑的运动规律。 图2 1 切屑的运动模型 切屑形态参数智能识别的原理及技术 在刀具一切屑分离线上，切屑各质点的运动速度均平行于前刀面，在z 轴上没有 速度分量，因此切屑没有绕y 轴的旋转运动，即珊。= 0 ，只有绕x 轴的向上卷曲角速 度国。与绕z 轴的侧向卷曲角速度? 。 现在考虑切屑上。点处质点的运动， 若将切屑展成平面( 此螺旋面为可展曲面) 其它各点的运动不难用同样的方法推知。 即消除了向上卷曲部分，那么d 点的轨 迹是一个圆，如图2 2 所示。若切屑的流出速度为y 。，侧卷半径为0 ，则：可以表 示为： 印：= v o l t , ( 2 - 1 ) 而，可由流出速度v 。、流屑角仉和切屑上卷半径0 表示为( 见图2 3 ) ： 合哟撇面= 0 3 ，+ 面：，蹦 q = ! cc o s r l , , r 。( 2 - - 2 ) ：厢叱蕊 沪s ， 图2 2 切屑的侧向弯曲图2 3 切屑的向上弯曲 面与戤( 即z 轴方向) 之间的夹角臼符合下式 喀口：丝：上 0 3 ，0c o s 孕 南京航卒航天人学烦。i ：学位论文 0 点在三维空间的运动轨迹形成了一条圆柱螺旋线，其半径0 为： 几j 忑i 万 1 面i 两前 ( 2 5 ) 其螺距只为： ：! 竺! ! 呈丝! ! ! !( 2 6 ) l s i n 2 r , c o s2 口 此螺旋线的轴线平行与只平面且与之相距 。：丝墅竺墅皇( 2 7 ) 1 一s i n 2 r , c o s 2 p 由式( 2 - - 4 ) ( 2 - - 7 ) 可知，口、r o 、只和p 这四个确定切屑空问运动形态的参量都是 流屑角r 。、上卷半径和侧卷半径_ 的函数。因此，对于自然切屑来说，只要确定了 流屑角、上卷半径和侧卷半径，整个切屑的形态便可以唯一地确定下来。 2 2 2 有引导自由切屑的运动 各类引导装置都会明显地改变切屑的运动状态，这也是它们能用于切屑控制的依 据。其影响主要表现为： 1 引导装置可以改变切屑的上卷半径0 ，侧卷半径_ 和流屑角玑。例如改变断 屑压块到主刀刃的距离或改变断屑槽宽度将使上卷半径吒发生明显变化。但有些实验 结果表明，常用的引导装置对侧卷半径r 、和流屑角叩。没有显著的影响。 2 引导装置将明显改变刀具一切屑接触区的情况，例如改变了刀具一切屑接触 长度和刀具一切屑分离线的方位，从而使考察切屑运动的三维直角坐标系相对于刀具 的位置发生明显变化。由2 2 1 节的分析可知，切屑螺旋运动的轴线位置可由口和e 确 定，这两个参量都与参考坐标系的选择有关，因此切屑相对于刀具的运动情况将发生 改变。 2 2 3 受阻切屑的运动 自由切屑只是理想化的切屑，在实际加工中切屑总是要碰上这样或那样的障碍 7 七u 屑形态参数智能识别的原理及技术 物。典型的切屑受阻情况有以下几种： 1 切屑几乎只有向上卷曲，侧向卷曲很弱，流屑角很小，从而与切屑刃上方的 加工表面相碰。 2 主要是向上卷曲，但有一定的流屑角，切屑碰上后刀面。 3 有较强的侧向卷曲，切屑一般碰上待加工表面。 4 卷曲趋势不强，切屑呈直带状流出，连绵不断，随机地碰上刀台、机床或工 件，并可能转为缠乱状切屑。 受阻切屑的运动情况是很复杂的，难以准确地预料切屑将受到何种阻碍。但是如 果能够预先估计并控制流屑角、上卷半径和侧卷半径，将有助于估计和控制受阻切屑 的运动趋势。 2 3 切屑形态参数的计算 由2 2 分析可知，切屑最重要的的三个形态参数是流屑角仉、上卷半径和侧卷 半径，f 。本节给出这三个形态参数的定义以及工程中常用的测量方法。 2 3 1 上卷半径的计算 切屑的上卷半径主要取决于断屑器( 槽) 的尺寸。如果仅考虑断屑槽对上卷半径的 影响，以具有断屑槽的不重磨式机夹刀片为例，上卷半径与前角7 7 、切屑厚度a 。和 断屑槽宽b 的几何关系如图2 4 所示。 幽2 4 切屑的上卷、r 释 南京航守航天人学倾1 学位论文 以切屑骨架的曲率半径作为上卷半径，可推导出上卷半径丘的计算公式 ，：c c( 2 8 ) “ 2 s i n i 2 然而，这样估算得到的切屑上卷半径大小显然不准确，因为切屑的上卷半径还与 切削用量及被切削材料的机械性质有关。决定切屑上卷半径的各种因素如图2 - - 5 所 示，其中v 为切削速度，为前刀面上的摩擦角，r 为刀尖圆弧半径，五为刃倾角，盯。 为被切削材料的屈服极限，e 为被切削材料的弹性模量。 图2 - - 5 影响切屑上卷半径的各种冈素 ， 剀2 6 后刀面障碍型切屑示意图 影响切屑上卷半径的因素错综复杂，要建立求取上卷半径的精确模型非常困难。 为了准确的测量出切屑的上卷半径，必须以切屑本身为考察对象。在实际切削加工过 程中，断屑槽内的切屑短小且不易观测，因此只能由切屑流出后的形状估算出切屑根 部的上卷半径。但是，由于重力作用、工件及刀具阻碍等因素的影响，切屑的上各点 的卷曲半径并非处处相等。以实际车削加工过程中最常见的后刀面障碍型折断的切屑 为例0 1 ，当刀具刚切入工件时，形成半径为r 。的切屑，但是随着切屑的流出，切屑的 自由端会撞击到后刀面。后刀面对切屑体产生反力f ，反力f 对切屑体产生弯矩， 侵切屑在前刀面- n 承受压应力，并在自由面一侧承受拉应力。通常，切屑自由端与 后刀面的接触点比较稳定，仅会发生微小的移动。随着后续切屑的不断产生，切屑体 靠近自由端一侧的卷曲半径将不断增大，并存最大处半径达到r ，如图2 6 所示。 因此，切屑的卷曲形状不能单纯地用圆来拟合。 望堕丝查查塑塑些望型堕堡墨墨垫查 一 2 3 2 侧卷半径的计算”1 如果切屑沿宽度方向的流出速度不相等，切屑整体会以一定角速度国：绕前刀面 的z 轴旋转，发生侧向卷曲。侧向卷曲的程度可用侧向卷曲半径。来衡量。假设切削 速度为v ，剪切角为，前角为以，则根据剪切面模型( 图2 7 ) ，可以推导出切屑的 流出速度y 。为： ，：! ! ! 壁( 2 9 ) c o s ( 妒一，。) 由式( 2 - - 9 ) 可知，只要p 、和以不是常量，切屑沿切削刃方向的流出速度v 。就会变 化。所以，凡影响v 、妒和y 。的因素都将对切屑的侧向卷曲产生影响。因此，要建立 求取侧卷半径的精确模型是相当困难的。 图2 7 剪切面模型 2 3 3 流屑角的计算m 1 流屑角的定义有两种，一种是切屑在前刀面上的流动方向与主剖面和前刀面交线 之间的夹角u ，另一种定义是切屑在前刀面上的流动方向与刀一屑分离线的法线之 间的夹角7 7 ，如图2 8 所示。流屑角的两种定义都是在前刀面上给出的，测量在前 刀面内进行。由于精确测定刀一屑分离线的位置很困难，通常它近似平行于主切削刃， f 0 南京航守航天大学硕一i ：学位论文 所以一般不严格区分这两种流屑角的概念。另外，当断屑槽型具有三维形状时，刀一 屑分离线并不是直线，甚至是空间曲线，因此本文中采用上述第一种流屑角的概念。 切屑在切削宽度方向的变形造成了切屑的横向扩展现象，即切屑两侧缘的流出方 向不一致，形成如图2 8 所示那样略为向外散开的现象。这种现象称为切屑的“侧 流”现象。切屑的侧流现象是复杂的三维变形引起的。考虑侧流现象，流屑角测量时 应取切屑两侧缘流出方向与主切削刃法线之间夹角u 。、u ，的平均值，即 主刀刃 ：生兰 图2 8 流屑角的定义 山方向 ( 2 1 0 ) 目前，测量流屑角的常用方法有测量前刀面痕迹法和动态摄影法。 测量前刀面痕迹法是通过观察切屑流出时在刀具前刀面留下的磨擦痕迹来测量 流屑角的大小。其具体方法是：待刀具经过一段时间切削，切屑在前刀面上留下 摩擦痕迹后迅速退出刀具，然后借助工具显微镜测出流屑角大小。测量时应注意使刀 具前刀面垂直于工具显微镜的物镜轴线。测量不同切削条件下的流屑角必须准备一批 刀片，每次切削时使用新的切削刃，以保证摩擦痕迹与切削条件的一一对应。为了观 测时清晰可见，可以在进行切削加工前预先在前刀面上涂一层染料，但是这样得到的 前刀面痕迹中可能包含积屑瘤擦划出的假痕迹。 动态摄影法是指利用高速摄影机对刀尖及其附近区域进行拍摄，然后利用大型投 影仪或工具显微镜测量流屑角。拍摄时应调整高速摄影机轴线使其垂直于基面且对准 刀尖部位以尽量减小畸变造成的误差。假设高速摄影机轴线垂直于基面，切屑流动方 向与主切削刃在基面内的投影之间的夹角为臼，刀具的前角为y 。，刀具的刃倾角为五。， 则换算真实流屑角的公式如下： 1 1 切屑形态参数智能识别的原理及技术 t g y8 = t g y os i n 8 + t g 九。c o s o ( 2 1 1 ) s i n o 。= c o s ? 口c o s o c o s 2 、+ s i n ? fsin、(2-12) 由大型投影仪或工具显微镜从照片上测出曰后，首先由式( 2 一1 1 ) 计算流屑剖面内的 前角，然后由式( 2 1 2 ) 计算出流屑角u ( 。摄影法的特点是测量精度高，适用的切 削速度范围宽，且测量结果为瞬时值。但是，摄影法测量流屑角的过程中引入了人为 因素，这导致测量结果的准确性得不到保证。特别是在切屑伴有强烈侧卷时，其根部 两侧缘切线的方位难以通过肉眼判定。 综上所述，切屑的卷曲半径，特别是上卷半径，不能简单地用圆去拟合，由理论 模型推导出的卷曲半径计算公式没有较好的鲁棒性。而流屑角的两种传统检测方法虽 然有可能得到较精确的值，但是无法应用于实时检测。 考虑到摄影法高精度的特点，依然采用c c d 摄像机对切削区域进行拍摄。传统的 摄影法属于单目被动式视觉系统，需要将c c d 摄像机的轴线与刀失部位对齐，并垂直 于刀具的基面，否则就会产生相当大的误差。本文中，为了避免传统的摄影法可能导 致的误差，基于双目立体视觉的原理采用双c c d 摄像机构架双目系统对切削区域进行 拍摄。 同时，为了避免人为因素的引入，利用计算机视觉技术来实现切屑参数的读取。 具体来说，首先通过计算机立体视觉技术得到切屑骨架的三维形状，然后将其向上卷 轴线和侧卷轴线方向作投影，并对投影得到的两组二维离散点分别进行拟合得到两条 二维曲线，这样就能很方便地通过计算这两条二维曲线在切屑根部的各阶导数值并结 合式( 2 一1 1 ) 、( 2 1 2 ) 计算出三个切屑形态参数的大小。 南京航窜航天大学硕j 二学位论文 第三章系统硬件设计 系统的硬件结构是实现系统功能的基础，也是整个系统最基础的部分。硬件结构 的好坏直接影响整个系统的性能。软件只能在硬件所允许的能力下提高系统的性能， 不可能逾越系统硬件的限制。本章基于双目立体视觉模型，确定本图像处理系统硬件 部分的组成。 3 1 双目立体视觉模型 随着计算机技术的发展和计算机视觉理论的进步，立体视觉，即三维空间目标的 识别、分析和处理已经成为计算机视觉领域的研究热点。由于人类通过视觉认知世界 的视觉机理秘密尚未完全揭丌，目前，计算机视觉技术对真实世界三维目标的识别方 法仍然是先抓拍三维空间目标的二维图像，然后通过对二维图像的处理、分析和理解 再重构出三维空间目标。 长期以来，众多研究人员提出了以阴影、纹理、轮廓、光变和视差等为线索从二 维图像获取物体三维结构信息及表面形状的方法“”1 ，并形成了多种计算机视觉系统， 如单目成像系统、双目成像系统、距离成像系统、立体成像系统、光移成像系统和结 构光成像系统”1 。其中，双曰成像系统的工作原理是模拟人类的双目来进行深度感知， 在三维视觉研究中占有重要位置。 根据摄像机位置安排方式的不同，可分为横向工作模式和轴向工作模式，其中横 向工作模式实现简单，应用较为广泛。横向工作模式按照摄像机光轴的取向来分，又分 为平行光轴和倾斜光轴两种工作方式。平行光轴和倾斜光轴的成像机理类似，所不同 的是，倾斜光轴的双目立体视觉系统需要额外的机械装置来实现精密的转角控制和读 取，而平行光轴的双目立体视觉系统只需要两光轴的夹角小于1 0 。就能基本满足要求， 实现较为简便3 。因此，本文采用平行光轴的双目立体视觉系统。 假设分别位于两条平行光轴上的聚焦中心c 、c “距离为2 d ，其连线c c ”与成 像平面平行，两摄像机的焦距都为厂，则定义一个三维坐标系：以c c ”的中点在成 像平面上的投影为坐标原点，z 轴过原点且平行于c c ”。y 轴过原点且平行于扫描 线，z 轴过原点且垂直于船7 平面。其中，两摄像机聚焦中心的坐标分别为：c ( d 一0 厂) ， c ”( 一d 一0 厂) ，该立体视觉系统的几何原理如图3 1 所示“。由此图可知，对于同时 位于两摄像机视野之内的任一点，若其在两c c d 窗口中的x 坐标值分别为x 和x ”， 七u 屑形态参数智能识另0 的原理发技术 则由相似三角形定理可知： xx d f 一z 即： 两式相减，可得 所以 c z c ” x ”x + d 厂一z x ( f z ) = f ( x d ) x ”( 厂一z ) = f ( x + d ) ( - 厂一z ) ( x ”一x ) = 2 a f ：厂一 堑 x x jl 爿 ， 形刁 么r ： ：d l i d f l 一 厂 z = z = z ”= 0 图3 一l 般目立体视觉系统儿何原理 x = 0 x = 0 x ”= 0 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 由式( 3 - - 4 ) 可知，只要已知焦距厂和两c c d 光轴间距2 d ，就可由分别位于两c c d 窗口中的一对二维匹配点的视差( x - - x ) ，求出这对匹配点对应的三维点的深度值z 。 3 2 系统硬件的总体结构 在3 1 节中，简要介绍了平行光轴的双目立体视觉系统模型，并根据其几何原理 推导出了求取深度z 的公式。考虑到其硬件及软件实现都较为方便，而且在计算机立 体视觉系统中广为采用，就基于此模型实现本图像处理系统。 双目立体视觉系统硬件的总体结构如图3 2 、3 3 所示，其中，图3 2 为侧视 图，图3 3 为俯视图，l 表示工件，2 表示刀具，3 表示c c d l ，4 表示c c d 2 ，5 表示 1 4 堕塞堕! 堕墨叁兰丝! ：兰竺鎏苎 装有视频捕捉卡的p c 机。两c c d 的光轴互相平行，且与刀具的基面垂直：两c c d 的 扫描线互相平行，且与刀具进给方向平行。两c c d 输出的视频信号经视频连接线与视 频捕捉卡的输入端相连。视频捕捉卡的配套程序将采集到的数字信号转化为a v i 文件 并存入p c 机。 图3 - - 2 双目立体视觉系统侧视图 图3 3 烈日立体视觉系统俯视幽 5 3 3 系统硬件的选用 依照双目立体视觉系统硬件总体结构的要求，系统的硬件部分包括两台c c d 摄像 机( 含两个光学镜头) 、两块图像采集卡、一台p c 机( 包括显示器) 以及用于切削加工 的工件、刀具和车床等。本节着重讨论c c d 摄像头、光学镜头、视频捕捉卡以及可转 位刀具的选用。 3 3 1c c d 摄像头的选用”“ c c d 摄像头不仅具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，而 1 5 - 切屑形态参数智能识别的原理及技术 且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面的优越性也是其他摄像器 件无法比拟的。 c c d 的功能是把二维光学图像信号转变成一维视频信号并输出。它有两大类型： 线阵列和面阵列。线阵列c c d 多用于文字字符识别、传真和尺寸检测，而面阵列c c d 主要用于小型摄像机。c c d 的基本原理为：通过光学成像系统将景物成像在c c d 的像 敏面上，像敏面将照射在每一像敏单元上的图像照度信号转化为少数载流子密度信号 存储于像敏单元( m o s 电容) 中，然后少数载流子密度信号又被转移到c c d 的移位寄存 器( 转移电极下的势阱) 中，并在驱动脉冲的作用下顺序移出，成为视频信号。 c c d 摄像机的主要性能指标有： ( 1 ) 靶面尺寸。常见的c c d 摄像帆靶面人小分为： 1 英寸靶面尺寸为宽1 27 m m f 岛9 g r a m ，对角线1 6 m m 。 2 3 英寸靶面尺寸为宽8 8 m m 高6 6 m m ，对角线l 1 r a i n 。 1 2 英寸靶面尺寸为宽6 4 m m 高4 8 m m ，对角线8 m m 。 1 3 英寸靶面尺寸为宽4 8 m m 高3 6 m m ，对角线6 m m 。 1 4 英寸靶面尺寸为宽3 2 m m 高2 4 m m ，对角线4 m m 。 ( 2 ) 分辨率，指图像的绝对像素或有效像素的数目。一般来说，像素的数目越多， 则摄取图像的分辨率越高，质量越好。 ( 3 ) 水平解析度，一般用电视线数目来表示的。 ( 4 ) 最低照度，也称为灵敏度。它表明了c c d 对环境光线的敏感程度。其单位是 勒克斯( l u x ) ，数值越小，表示最低需要的光线越弱，摄像头也越灵敏。 ( 5 ) 信噪比。典型值为4 6 d b ，若为5 0 d b ，则图像有少量噪声，但图像质量良好： 若为6 0 d b ，则图像质量优良，不出现噪声。 ( 6 ) 扫描制式。有p a l 制和n t s c 制之分。中国一般采用隔行扫描( p a l ) 制式( 黑白 为c c i r ) ，标准为6 2 5 行，5 0 场，只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。 表3 1c e 一7 8 6 1 系列黑白c c d 摄像机的性能指标 c c d 靶面尺寸 1 3 英寸 5 1 0 ( f 1 ) 4 9 2 ( v )( e i a ) 分辨率 5 0 0 ( h ) x5 8 0 ( v )( c c i r ) 水平解析度 4 2 0 t vl i n e 0 1 5l u x( fl2l e n s ) 最低照度 0 2 0l u x( f14l e n s ) 信噪比5 0 d b 以上( a g co f f ) 扫描制式 p a l 一般来讲，在保证摄像系统可靠性及基本质量的前提下应尽可能采用中低档次的 摄像机。一方面，可以节省投资；另一方面，通常档次越高的设备造价越高产量越少 - 1 6 一 南京航帘航天大学硕士学位论文 其可靠性比中低档次产品的可靠性要低，而维护使用的费用及技术水平却要求较高。 摄像机按可表示颜色的多少可分为黑白摄像机和彩色摄像机。黑白摄像机清晰度 较高，灵敏度也高于彩色摄像机。在照度不高、目标没有明显的色彩标志或差异，同 时又希望较清晰地反映出目标的情况下，通常选用黑白摄像机。 在本处理系统中，最终选用c e 一7 8 6 1 系列l 3 ”黑白c c d 摄像机，其主要性能指 标如表3 1 所示1 。 3 3 2 光学镜头的选用 光学镜头是c c d 摄像机的关键设备，它的质量优劣直接影响摄像机的整机指标， 因此，光学镜头的选择是否恰当关系到整个检测系统的性能和质量。 光学镜头最重要的四个参数为视场的大小、焦距、空间分辨率和光圈值根据视 场大小，可将光学镜头分为： ( 1 ) 标准镜头：视角3 0 0 左右，镜头焦距近似等于摄像靶面对角线长度。在1 3 英 寸c c d 摄像机中，标准镜头焦距定为8 m m 。 ( 2 ) 广角镜头：视角5 5 0 以上，焦距可小到几毫米，能提供较宽广的视景。 ( 3 ) 远摄镜头：视角2 0 0 以内，焦距可达几十厘米、儿十分米，这种镜头可在远距离 情况下将拍摄的物体影像放大，但观察范围将缩小。 ( 4 ) 变焦镜头：又称伸缩镜头，有手动变焦和电动变焦两类，可对所监视场景的视 场角及目标物进行变焦距摄取图像，适合长距离变化观察和摄取目标。变焦镜头可以 在成像清晰的前提下，通过变化镜头焦距来改变图像大小与视场大小。 ( 5 ) 针孔镜头：镜头端头直径仅几毫米，可隐蔽安装。针孔镜头或棱镜镜头适用于 有遮盖物或有特殊要求的环境中，此时标准镜头或容易受损、或容易被发现，采用针孔 镜头或棱镜镜头可满足类似特殊要求，比如在工业窑炉及精神病院等场所。 焦距是指从透镜的聚焦中心到成像平面的距离，通常用厂表示。空间分辨率以每 毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位，通常用表示。的计算公式为： n = 1 8 0 靶面高度 c c d 摄像机靶面大小已经标准化，例如1 3 英寸摄像机的大小为宽4 8 r a m 高3 6 m m ， 因此光学镜头的分辨率通常应大于5 0 对线。光圈值是镜头的焦距和通光孔径的比值， 通常用f 表示。光学镜头上均标有其最大可能的f 值。通光量与f 值的平方成反比关 系，f 值越小，则通光量越大。 在选择光学镜头时，必须使其与c c d 摄像头配合。首先，要明确机械接口是否一 致，尽量选用同一种工业标准的接口。其次，光学镜头的成像规格应与c c d 摄像头的 切屑形态参数智能识别的原理及技术 靶面规格一致。例如，在本图像处理系统中已选用靶面尺寸为1 3 英寸的摄像头，则 为了达到最佳成像效果应该选用1 3 英寸的光学镜头。 镜头焦距的选用需要根据实际情况来决定。假设w 为c c d 靶面的宽度，h 为c c d 靶面的高度，为视场宽度，h 为视场高度，为被摄物体至镜头的距离，如图3 4 所示，则通常将由式( 3 5 ) 、( 3 - - 6 ) 求得的值中较小的一个作为焦距的合适值。 f=”万l(3-5) ，= 兰( 3 6 ) 在本节中已选定光学镜头的规格为z 3 英寸，所以h = 3 6 m m ，w = 4 8 m m 。仞 步确定l = 1 8 0 m m ，视场高度h = 6 0 r a m ，视场宽度渺= 1 0 0 m m ，由式( 3 5 ) 可得 f = 1 0 8 0 m m ，由式( 3 - - 6 ) 可得f = 8 6 4 m m ，取较小值f = 8 6 4 m m 。光学镜头的焦距 有8 r a m 和1 2 m m 两种规格，为获取更大的视野，选择焦距为8 r a m 。 在本处理系统中，最终选用1 3 英寸，焦距为8 m m ，光圈值为1 2 的标准光学镜 头。 3 3 3 视频捕捉卡的选用 视频捕捉卡是一种将视频模拟信号转换为数字信号的专用设备，根据其结构的不 同可以分为内置和外置两种制式。外置式视频卡也叫视频接收盒，是一个相对独立的 设备，一般独立于电脑主机工作，仅能进行视频接收。内置的视频卡不仅能进行视频 接收还能实现视频捕捉。本系统采用的是内置式视频捕捉卡。 视频捕捉卡的工作原理如图3 5 所示“。输入的视频信号经a d 转换变成数字 化的混合视频信号，再经解码变成y u v 信号，最后通过颜色变换把y u v 信号转换成 南京航空航天人学烦j 二学位论文 r g b 信号。r g b 信号经视频转换卡的一系列操作后存放在卡上的帧存中。同时，v g a 输入的数字信号经v g a 卡上的颜色查找表对应变成r g b 信号。上述两种r g b 信号经过 d a 转换变成模拟信号，在显示器中显示。 图3 5 视频捕捉卡的 i 作原理 在捕捉卡的选用过程中，需考虑以下几点“”： ( 1 ) 捕捉卡是否支持o v e r l a y 功能。o v e r l a y 功能是指视频信号可以不经过主机而 被直接传送到v c a 监视器的功能，是实现全屏平滑播放视频信号的一种常用方法。如 果视频信号先传送到主机再出主机传送到v g a 监视器，则很可能出现丢帧。 ( 2 ) 与v g a 卡的兼容性。多数v ( ；a 卡有一个1 5 针插座，该插座称为f e a t u r e c o n n e c t e r 。很多视频卡通过f e a t u r ec o n n e c t e r 与v g a 卡相连，直接传送视频信号， 以实现o v e r l a y 功能。但由于各种v g a 卡扫描频率不一样，而且同一种卡对于不同分 辨率或不同颜色数也有不同的扫描频率，因此视频卡可能会与v g a 卡冲突，造成图像 变色，甚至一片混乱。 ( 3 ) 是否支持硬件压缩。采用硬件压缩可以提高“录像”质量，但是a v i 文件没 有统一的硬件压缩标准，离开了捕捉卡这些“录像”就无法播放。一般的捕捉卡都配 备有多钟压缩算法。 在本处理系统中，最终选用天敏l o m o o n ss d k - - 2 0 0 0 视频卡。其系统需求为：奔 腾i o o m h z 或以上处理器，1 6 m b 或以上的系统内存。主要特性有“： ( 1 ) 接收标准p a l 。、n t s c 制彩色照自 见频信号的输入。 ( 2 ) 输出频率为3 0 帧。 ( 3 ) 最高分辨率达6 4 0 4 8 0 ，2 4 位真彩。 ( 4 ) 支持o v e r l a y 模式的预览。当系统中不存在其他的o v e r i a y 程序时，允许一 块卡使用o v e r l a y 模式。 ( 5 ) 与支持d i r e c t x 的v g a 显示卡兼容。 ( 6 ) 支持硬件压缩。采用h 2 6 3 算法拍摄9 0 分钟录像只需6 5 0 m 空间。 切屑形态参数智能识别的原理及技术 3 3 4 可转位刀具的选用”7 1 可转位刀具是指使用可转位刀片进行机械加工的机夹刀具。机夹可转位刀具用夹 紧元件或刀垫将压制有合理的几何参数、断屑槽型、装夹孔和具有数个切削刃的多边 形刀片，以机械央固的方法央紧在刀体【：。当川片的一条刀刃磨钝后，只要把兴紧元 件松开，将刀片转一个角度，换另一个新刃口，并重新夹紧就可以继续使用。 可转位刀具的主要特征是： ( 1 ) 刀体上安装的刀片，至少有两个预先加工好的切削刃供使用。 ( 2 ) 刀具的几何参数，对同一种型号的每一刀体、每一刀片及每一条刀刃都一致。 ( 3 ) 刀片相对于刀体的空间位置固定不变