（测试计量技术及仪器专业论文）计算机视觉刀具预调测量仪的研究.pdf

摘要 光电瞄准式刀具预调测量仪是以视觉测量为基础， 将应用光学技术、 电子技 术、 计算机技术、精密测量技术集一体的刀具参数检测仪器， 并能将这些参数转 换成数控机床和加工中心坐标系中的坐标. 自 动生成刀具库信息， 完成数控加工 程序所需刀具尺寸的高精度预调。 随着机械加工行业的高速发展， 数控机床和加工中心在我国的外资企业、 合 资企业， 乃至众多的乡镇企业中己经广泛应用， 而刀具预调测量仪是其必备的仪 器。 我国国内生产的刀具预调测量仪仍然采用光学投影式瞄准， 依靠人眼瞄准测 量， 给测量带来主观误差， 同时测量速度低，己 不能满足高精度、 高效率的机械 加工的要求。 而国外生产的基于计算机视觉检测技术的刀具预调测量仪已经具有 较高的精度和自动化程度。 本课题为天津市机床光学仪器厂与天津大学精仪学院联合开发课题。 本文对 基于计算机视觉检测技术的刀具预调测量仪进行了初步的研究， 论文的主要研究 工作包括: 1 、设计了基于计算机视觉检测技术的刀具预调仪光电瞄准系统，解决了该 系统在实验室条件下的安装和调试。其中主 要工作是在原来系统的 基础 上增加视觉系统。其中视觉系统包括光学设计和机械设计。 2 、对视觉系统的摄像机标定进行了研究，根据测量标定理论，结合仪器自 身特点提出了一种摄像机的标定方法，对高精度提取靶标特征点进行了 研究，并进行了初步的标定实验。 3 、研究了本系统中需要的图像处理算法。包括图像预处理、特征参数的提 取研究。 4 、 利用图像处理技术对准确调焦方法进行了 研究， 提出了一种适合于本系 统的调焦准确度评价方法。 5 、完成了系统测 量软件的编制，配合仪器的瞄准系统和光栅测最系统进行 了初步测试。 6 、对刀具预调测量仪的误差来源进行了分析，对整机精度进行了检定。 关键词:刀 具预调测量仪 摄像机标定 自 动 调焦 亚 像素 边 缘提 取 abs tract t h e t o o l p r e s e t t i n g a n d m e a s u r i n g s y s t e m u s in g e o t a r g e t in g i s b as e d o n c o m p u t e r v i s i o n m e a s u r e m e n t . i t i s a n i n s t r u m e n t i n s p e c t i n g t h e g e o m e t ry p a r a m e t e r s o f t o o l s t h a t i n t e g r a t e s a p p l i e d o p t i c s , e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , c o m p u t e r t e c h n o l o g y a n d p r e c i s i o n m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y . i t c a n c h a n g e t h e s e g e o m e t ry p a r a m e t e r s i n t o c o o r d in a t e s i n t h e n c m ( n u m e r ic a l c o n t r o l ma c h i n e ) a n d p r o c e s s i n g c e n t e r s y s t e m t h e d a t a b a s e o f t h e t o o l s a r e f o r m e d a u t o m a t i c a l l y , a n d b e a p p l i e d t o t h e h i g h p r e c i s i o n t o o l p r e s e tt i n g i n t h e n u m e r i c a l p r o c e s s i n g . d u e t o t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f t h e m e c h a n i c p r o c e s s i n g , t h e n c m a n d p r o c e s s i n g c e n t e r h a v e b e e n w i d e l y u s e d i n t h e f u l l f o r e i g n - o w n e d e n t e r p r i s e s , t h e j o i n t v e n t u r e e n t e r p r i s e s a n d t h e t o w n s h i p e n t e r p r i s e s . a s a n e s s e n t i a l p a rt , t o o l p r e s e tt i n g a n d m e a s u r i n g s y s t e m i s i m p o rt a n t . o u r c o u n t ry s t o o l p r e s e t t in g a n d m e a s u r i n g i n s t r u m e n t s s t i l t u s e o p t i c a l p r o j e c t i o n a i m i n g a n d t h e m e as u r e m e n t i s c a r r i e d o u r b y h u m a n s i g h t . w h i c h b r i n g s m u c h s u b j e c t i v e e r r o r ; a t t h e s a m e t i m e , t h e m e a s u r in g i s t i m e c o n s u m i n g . c u r r e n t s y s t e m c a n t c a t e r t o t h e h i g h p r e c i s i o n , h i g h e f f i c i e n c y m e c h a n i c p r o c e s s i o n . h o w e v e r , t h e t o o l p r e s e t t i n g a n d m e a s u r i n g i n s t r u m e n t s b a s e d o n c o m p u t e r v i s i o n i n f o r e i g n c o u n t ry h a v e a c h i e v e d h i g h p r e c i s i o n a n d a u t o ma t i o n t h i s s u b j e c t i s d e v e lo p e d b y t i a n j i n m a c h i n e o p t i c a l i n s t r u m e n t p l a n t a n d c o l l e g e o f p r e c i s i o n i n s t r u m e n t t i a n j i n u n i v e r s i t y . t h i s p a p e r s t u d i e s t h e t o o l p r e s e t t in g a n d m e a s u r i n g s y s t e m b as e d o n c o m p u t e r v i s i o n a n d t h e m a i n c o n t a in i n c l u d e s : 1 . t h e t o o l p r e s e tt i n g a n d m e as u r i n g s y s t e m u s i n g e o t a r g e t i n g b as e d o n c o m p u t e r v i s i o n is d e s ig n e d , a n d s y s t e m c o n s t r u c t i o n a n d p e r f o r m a n c e u n d e r l a b e n v i r o n m e n t a r e c o m p l e t e d . t h e w o r k m a i n l y l i e s i n t h e v i s i o n s y s t e m a d d e d t o t h e o r i g i n a l s y s t e m . t h e v i s i o n s y s t e m i n c l u d e s o p t i c a l d e s i g n a n d m e c h a n i c a l d e s i g n . 2 . t h e c a m e r a c a l i b r a t i o n o f t h e v i s i o n s y s t e m i s s t u d i e d . a n e w c a l i b r a t i o n m e t h o d i s p r o p o s e d b a s e d o n t h e c a l i b r a t i o n t h e o ry o f m e as u r e m e n t a n d t h e c h a r a c t e r is t i c o f t h e i n s t r u m e n t . t h e r e s e a r c h i s f o c u s e d o n t h e e x t r a c t i n g c h a r a c t e r i s t i c p o i n t s w i t h h i g h p r e c i s i o n a n d t h e p r i m a ry c a l i b r a t i n g e x p e r i m e n t s a r e c a r r i e d o u t . 3 . t h e i m a g e p r o c e s s i n g a l g o r i t h m s n e e d e d i n t h e s y s t e m a r e s t u d i e d , i n c l u d i n g i m a g e p r e - p r o c e s s i n g a n d c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r e x t r a c t i o n . 4 . t h e f o c u s 访 g c o n d i t i o n e v a l u a t i o n t e c h n i q u e u s i n g i m a g e p r o c e s s i n g t e c h n i q u e i s s t u d i e d , a n d a n e v a l u a t i o n m e t h o d c a t e r i n g t o t h i s s y s t e m i s p r o p o s e d . 5 . t h e s y s t e m s o ft w a r e i s c o m p o s e d a n d c o m p i l e d . t h e p r i m a ry e x p e r i m e n t s o f t h e s y s t e m a r e p e r f o r m e d u s i n g t h e e o t a r g e t i n g s y s t e m a n d t h e g r a t i n g m e a s u r i n g s y s t e m. 6 . t h e e r r o r s o u r c e s o f t h e t o o l p r e s e t t i n g a n d m e a s u r i n g s y s t e m a r e a n a l y z e d k e y wo r d s :t o o l p r e s e tt i n g a n d m e a s u r i n g s y s t e m , c a m e r a c a l i b r a t i o n , a u t o - f o c u s i n g , s u b - p i x e l e d g e e x t r a c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以 标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已 经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 止 fl 主整 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的 材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 撇做储鹅: 贫 1 力 双 拼跳、 二 年: 月/.3 fl 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解有关保留、使用学位论文的规定。 特 授 权 - 人主全 _ 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 刘力 双 签 字日 期 : 2 -o o 今 年 6月j s日 导 师 签 名 : 多4 - 毛 签 字 日 期 :0 4年6月 / 石日 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 计算机视觉检测技术背景 视觉是人类观察世界、 认识世界的重要功能手段。 人类从外界获得的信息量 约有 7 5 %来自 视觉系统，这既说明视觉信息量巨大，也表明人类对视觉信息有 较高的利用率。 人类视觉过程可以 看作是一个复杂的从感觉到知觉的过程。 计算 机视觉就是用各种成像系统代替视觉器官作为输入敏感手段， 由 计算机来代替大 脑完成处理和解释。 计算机视觉的最终研究目 标就是使计算机能像人那样通过视 觉 观 察理 解 世界， 具 有自 主 适 应 环 境 的 能 力。 计 算 机 视 觉 ( c o m p u t e r v is i o n ) 是 指利用计算机来实现人的 视觉功能， 以 获取被测物体的 特征信息， 完成物体形状 和位置的检测， 如物体尺寸、 形状位置、 表面平整度等。 其研究范围很广， 包含 了图 像处理的绝大部分内容， 如图像的增强与恢复、 模式识别等. 此外还包括诸 如边缘提取、图像分割、图像的纹理分析和形状分析等高层次视觉模型内容。 计算机视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域， 并成为计算机科学的 重要研究领域之一， 他是在2 0 世纪5 0 年代从统计模式识别的基础上发展起来的， 当时的工作主要集中在二维图像的分析和识别上， 如染色体配对、 光学字符识别、 工件表面、显微图片和航空图片的分析和解释等。7 0 年代， ma r r 提出了视觉计 算理论， 它概括了心理生理学、 神经生理学等方面业己 取得的所有重要成果， 是 视觉研究中迄今为止最为完善的视觉理论， 使计算机视觉研究有了一个比较明确 的体系，并大大推动了计算机视觉研究的发展。 m a r r 理论提出视觉是一个信息 处理系统的概念， 对此系统研究应分为三个层次: 计算机理论层次、 表示与算法 层次、硬件实现层次.按照ma r r 的理论，计算机视觉要回答视觉系统的计算目 的和策略是什么， 或视觉系统的输入和输出是什么， 如何由系统的输入求出系统 的输出. 但该理论不是十分完善的， 在许多方面还有争议，比如， 该理论所建立 的视觉处理框架基本上是自 上而下的，没有考虑系统的反馈因素。 计算机视觉检测技术狭义上可理解为采用c c d摄像机的视觉传感器获取被 测物体信息的自 动化检测过程. 它是近几十年才发展起来的一种新的检测技术， 随着光电子和计算机技术的迅猛发展， 其发展和应用也出现了飞跃， 这是因为这 些应用均以商品化的c c d摄像机、半导体激光器 ( l d )及电子产品 ( 计算机、 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 计算机视觉检测技术背景 视觉是人类观察世界、 认识世界的重要功能手段。 人类从外界获得的信息量 约有 7 5 %来自 视觉系统，这既说明视觉信息量巨大，也表明人类对视觉信息有 较高的利用率。 人类视觉过程可以 看作是一个复杂的从感觉到知觉的过程。 计算 机视觉就是用各种成像系统代替视觉器官作为输入敏感手段， 由 计算机来代替大 脑完成处理和解释。 计算机视觉的最终研究目 标就是使计算机能像人那样通过视 觉 观 察理 解 世界， 具 有自 主 适 应 环 境 的 能 力。 计 算 机 视 觉 ( c o m p u t e r v is i o n ) 是 指利用计算机来实现人的 视觉功能， 以 获取被测物体的 特征信息， 完成物体形状 和位置的检测， 如物体尺寸、 形状位置、 表面平整度等。 其研究范围很广， 包含 了图 像处理的绝大部分内容， 如图像的增强与恢复、 模式识别等. 此外还包括诸 如边缘提取、图像分割、图像的纹理分析和形状分析等高层次视觉模型内容。 计算机视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域， 并成为计算机科学的 重要研究领域之一， 他是在2 0 世纪5 0 年代从统计模式识别的基础上发展起来的， 当时的工作主要集中在二维图像的分析和识别上， 如染色体配对、 光学字符识别、 工件表面、显微图片和航空图片的分析和解释等。7 0 年代， ma r r 提出了视觉计 算理论， 它概括了心理生理学、 神经生理学等方面业己 取得的所有重要成果， 是 视觉研究中迄今为止最为完善的视觉理论， 使计算机视觉研究有了一个比较明确 的体系，并大大推动了计算机视觉研究的发展。 m a r r 理论提出视觉是一个信息 处理系统的概念， 对此系统研究应分为三个层次: 计算机理论层次、 表示与算法 层次、硬件实现层次.按照ma r r 的理论，计算机视觉要回答视觉系统的计算目 的和策略是什么， 或视觉系统的输入和输出是什么， 如何由系统的输入求出系统 的输出. 但该理论不是十分完善的， 在许多方面还有争议，比如， 该理论所建立 的视觉处理框架基本上是自 上而下的，没有考虑系统的反馈因素。 计算机视觉检测技术狭义上可理解为采用c c d摄像机的视觉传感器获取被 测物体信息的自 动化检测过程. 它是近几十年才发展起来的一种新的检测技术， 随着光电子和计算机技术的迅猛发展， 其发展和应用也出现了飞跃， 这是因为这 些应用均以商品化的c c d摄像机、半导体激光器 ( l d )及电子产品 ( 计算机、 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 专用图像采集卡和低级的图像处理系统等) 为荃础. 同时人类在其它诸如模式识 别、 人工智能技术等领域的发展也极大的促进了计算机视觉检测技术的发展. 计 算机视觉检测技术为人们提供了一种全新的 检测手段， 它以 其非接触性、 柔性好、 较高精度及能够迅速获得被测物体信息等优点， 其应用正渗透到电子行业、 汽车 工业以及其它许多工业等诸多领域，在生产加工、尺寸控制中 起着重要作用。 计算机视觉是一门边缘学科， 包含了图像处理的绝大部分内容， 如图像的增 强与恢复、 模式识别等。 此外还包括诸如边缘提取、 图 像分割、 纹理分析、 形状 分析、 图像序列分析和三维景物分析的高层次视觉模型和知识的表示、 推理、 知 识库、 人工智能等内 容。 在建立计算机视觉系统时需要用到下述计算机学科中的 有关技术， 但计算机视觉研究的内容要比 这些学科更为广泛。 还涉及自 动化、 集 成技术、光学、视觉心理和生理、 脑研究等众多领域，其研究范围很广。 由于计算机视觉技术具有非接触、 获得信息量大、 作用距离远等特点， 特别 是随着计算机技术图像处理技术的不断发展， 近几十年来， 它在工业、 农业、 科 学研究、军事等方面都获得了 十分广泛的应用。 在工业检测中主要应用有集成电路、 印刷电路板及零件表面缺陷检测、 机械 零件识别、 机械零件尺寸检测等。 在国 外， 有不少商品化的视觉检测系统， 如美 国的d v t公司推出的ma c h i n e v i s i o n在线全自 动检测系统。由于工业检测的对 象不是自 然景物，是工业受限物体，先验知识较多，比如，待测物体表面 特性、 质地稳定， 物体表面一般是规则表面， 各处的光学特性变化不是很大或者有规律 等。 在进行视觉计算处理中一般不需要十分复杂的图像处理算法， 但要求具有较 高精度和实时性。 通过对计算机视觉检测特性及常用视觉传感器分析表明， 在视 觉计算处理中， 特征点、 线的 提取精度直接影响 整个系统的最终精度。 1 . 2 刀具预调方法概述 数控机床加工具有自 动化程度高、 精度高、 效率高等特点， 在现代制造业中 是机械加工的发展方向。 随着我国经济的高速发展， 特别是本世纪以 来我国正逐 渐成为世界上各大企业的制造中心， 数控机床、 加工中心和柔性制造单元等已经 广泛地应用到各个领域的机械加工行业中。 数控机床控制系统在加工中需要获得刀具编号、 刀具类型和刀具基本参数等 信息m 。 例如一个最基本的刀具至少需要知道刀具的长度， 因为 控制系统在计 算 刀具的送进距离的时候，这个尺寸必不可少，同时，还需要知道它的直径尺寸。 有两种获得刀具尺寸方式， 一是利用机床本身进行测童， 二是使用测量装置。 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 专用图像采集卡和低级的图像处理系统等) 为荃础. 同时人类在其它诸如模式识 别、 人工智能技术等领域的发展也极大的促进了计算机视觉检测技术的发展. 计 算机视觉检测技术为人们提供了一种全新的 检测手段， 它以 其非接触性、 柔性好、 较高精度及能够迅速获得被测物体信息等优点， 其应用正渗透到电子行业、 汽车 工业以及其它许多工业等诸多领域，在生产加工、尺寸控制中 起着重要作用。 计算机视觉是一门边缘学科， 包含了图像处理的绝大部分内容， 如图像的增 强与恢复、 模式识别等。 此外还包括诸如边缘提取、 图 像分割、 纹理分析、 形状 分析、 图像序列分析和三维景物分析的高层次视觉模型和知识的表示、 推理、 知 识库、 人工智能等内 容。 在建立计算机视觉系统时需要用到下述计算机学科中的 有关技术， 但计算机视觉研究的内容要比 这些学科更为广泛。 还涉及自 动化、 集 成技术、光学、视觉心理和生理、 脑研究等众多领域，其研究范围很广。 由于计算机视觉技术具有非接触、 获得信息量大、 作用距离远等特点， 特别 是随着计算机技术图像处理技术的不断发展， 近几十年来， 它在工业、 农业、 科 学研究、军事等方面都获得了 十分广泛的应用。 在工业检测中主要应用有集成电路、 印刷电路板及零件表面缺陷检测、 机械 零件识别、 机械零件尺寸检测等。 在国 外， 有不少商品化的视觉检测系统， 如美 国的d v t公司推出的ma c h i n e v i s i o n在线全自 动检测系统。由于工业检测的对 象不是自 然景物，是工业受限物体，先验知识较多，比如，待测物体表面 特性、 质地稳定， 物体表面一般是规则表面， 各处的光学特性变化不是很大或者有规律 等。 在进行视觉计算处理中一般不需要十分复杂的图像处理算法， 但要求具有较 高精度和实时性。 通过对计算机视觉检测特性及常用视觉传感器分析表明， 在视 觉计算处理中， 特征点、 线的 提取精度直接影响 整个系统的最终精度。 1 . 2 刀具预调方法概述 数控机床加工具有自 动化程度高、 精度高、 效率高等特点， 在现代制造业中 是机械加工的发展方向。 随着我国经济的高速发展， 特别是本世纪以 来我国正逐 渐成为世界上各大企业的制造中心， 数控机床、 加工中心和柔性制造单元等已经 广泛地应用到各个领域的机械加工行业中。 数控机床控制系统在加工中需要获得刀具编号、 刀具类型和刀具基本参数等 信息m 。 例如一个最基本的刀具至少需要知道刀具的长度， 因为 控制系统在计 算 刀具的送进距离的时候，这个尺寸必不可少，同时，还需要知道它的直径尺寸。 有两种获得刀具尺寸方式， 一是利用机床本身进行测童， 二是使用测量装置。 天津大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 2 . 1 利用机床本身进行测量 利用机床本身进行测量的前提是机床的控制系统必须具备这种功能。 测量装 置包括量具、 光学比 较仪、 坐标测量机、 预调量规或预调仪。 使用量具测量和预 调刀具精度较差; 光学比较仪或坐标测量机各有其适用的领域， 用来测量和预调 刀具很不方便。 于是， 使用刀具预调量规或刀具预调测量仪测量和预调刀具就成 为唯一理想的选择。 获取刀具尺寸的最常用的方式是使用机床本身. 刀具组合经刀库安装到机床 主轴上， 然后机床定位于指定位置， 使刀具刚好接触某一己知平面， 然后操作者 将此数据和一系列指令输入到控制器中。 获取直径尺寸的方式基本与此相同。 一 般说来， 用这种方式获得的数据( 刀具长度) 最为精确. 因为 测量是用实际切削时 使用的主轴和刀具完成的。 然而， 使用机床测童刀具存在一些严重缺点。 首先， 花费时间太多。 机床的 主要功能是切削， 一台机床不用于加工零件就是在浪费金钱。 这样浪费掉的金钱 累计起来， 用不了一年， 就足够买一台刀具预调测量仪了. 第二个缺点是采用机 上预调方式将刀具调整到指定尺寸， 即使可能， 也非常困难。 刀具锁紧在主铀上， 操作者无法接触到调整螺丝。 在多轴机床上， 将刀具预调到指定长度要花费更多 时间， 因为操作者必须将刀具从主轴上取下来进行调整; 预调幢刀时。 还要在试 切上花费时间，而且会产生大量废品。用c n c机床作为刀具预调测量仪的 第三 个缺点是， 操作者没有机会和条件详细检查切削刀具的微观状况。 刀片上的 缺口 或崩刃不能事先发现。 结果造成被加工表面粗糙或尺寸不合格。 此外， 刀具的圆 跳动也很难检查出来，更难以修正。 1 . 2 . 2 使用刀具预调测it仪tz 刀具预调测量仪就是为简化刀具预调和刀具测量而专门设计的， 是检测刀具 主要参数的光机电一体化测盆仪器， 是数控机床、 加工中心和柔性制造单元所必 备的检测仪器。 这种仪器克服了机上测量的缺点， 大大提高了刀具预调和测量的 速度。 脱机测量可以大大节省调整工时及工时费用， 降 低废品率和返修率. 同时 可提高产品质量， 简化机床的编程和调整工作。 刀具预调还大大增加了操作者的 安全性，因为它无需再去直接接触和调整刀具。 刀具预调测量仪的作用就是迅速而准确的测盆出每把刀具的几何参量并输 入计算机， 从而形成数控机床的刀具 信息库， 以 便在加工中 用程序控制加工时的 运动轨迹， 实现高精度加工。 刀具预调测量仪使得刀具的检查变得十分简单， 而 且刀具预调侧量仪还可以测量刀具一些其它参数。刀具的跳动可容易地检查出 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 利用机床本身进行测量 利用机床本身进行测量的前提是机床的控制系统必须具备这种功能。测量装 置包括量具、光学比较仪、坐标测量机、预调量规或预调仪。使用量具测量和预 调刀具精度较差；光学比较仪或坐标测量机各有其适用的领域，用来测量和预调 刀具很不方便。于是，使用刀具预调量规或刀具预调测量仪测量和预调刀具就成 为唯一理想的选择。 获取刀具尺寸的最常用的方式是使用机床本身。刀具组合经刀库安装到机床 主轴上，然后机床定位于指定位置，使刀具刚好接触某一己知平面，然后操作者 将此数据和一系列指令输入到控制器中。获取直径尺寸的方式基本与此相同。一 般说来，用这种方式获得的数据f 刀具长度) 最为精确因为测量是用实际切削时 使用的主轴和刀具完成的。 然而，使用机床测量刀具存在一些严重缺点。首先，花费时间太多。机床的 主要功能是切削，一台机床不用于加工零件就是在浪费金钱。这样浪费掉的金钱 累计起来，用不了一年就足够买一台刀具预调测量仪了。第二个缺点是采用机 上预调方式将刀具调整到指定尺寸，即使可能，也非常困难。刀具锁紧在主铀上， 操作者无法接触到调整螺丝。在多轴机床上，将刀具预调到指定长度要花费更多 时间，因为操作者必须将刀具从主轴上取下来进行调整：预调镗刀时。还要在试 切上花费时间而且会产生大量废品，用c n c 机床作为刀具预调测量仪的第三 个缺点是，操作者没有机会和条件详细检查切削刀具的微观状况。刀片上的缺口 或崩刃不能事先发现。结果造成被加工表面粗糙或尺寸不合格。此外，刀具的圆 跳动也很难检查出来，更难以修正。 1 2 2 使用刀具预调测量仪。1 刀具预调测量仪就是为简化刀具预调和刀具测量而专门设计的，是检测刀具 主要参数的光机电一体化测量仪器，是数控机床、加工中心和柔性制造单元所必 备的检测仪器。这种仪器克服了机上测量的缺点，大大提高了刀具预调和测量的 速度。脱机测量可以大大节省调整工时及工时费用，降低废品率和返修率同时 可提高产品质量，简化机床的编程和调整工作。刀具预调还大大增加了操作者的 安全性，因为它无需再去直接接触和调整刀具。 刀具预调测量仪的作用就是迅速而准确的测量出每把刀具的几何参量并输 入计算机，从而形成数控机床的刀具信息库，以便在加工中用程序控制加工时的 运动轨迹，实现高精度加工。刀具预调测量仪使得刀具的检查变得十分简单，而 且刀具预调测量仪还可以测量刀具一些其它参数。刀具的跳动可容易地检查出 天津大学硕十学 奇论文 第一章绪论 l | 衍 l i0 1 , 3 刀具预调测量仪国内外现状 图1 2 德国z o l l e r 公司一种产品 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 刀具预调测量仪是数控机床和加工中心的必要辅助设备，目前国内外均有相 应的刀具预调测量仪系统。 1 3 1 国外刀具预调测量仪现状 目前英国、美国、德国、f l 本、瑞士、意大利等国都有多种型号的刀具预调 测量仪系统的产品，都采用了基于图像处理的计算机视觉检测技术，通过面c c d 摄像机采集刀具图像送入计算机进行处理，不但能迅速进行瞄准测量，还能形成 相应的刀具信息库对刀具进行管理。 其中精度较高、市场占有率比较大的产品就是德国的z o l l e r 产品，如图i 2 所示为德国z o l l e r 公司的一种产品。其特点为精确可靠，单手操作按钮使操作 快捷方便，薄膜按键实现刀具加紧分r 刀：、主轴分度锁紧及单轴锁紧等功能，图形 化操作界面和专用刀具测量程序使测量软件易学易用，采用c c b 数字摄像， s a t u r n 映象处理技术可自动识别刀具切削刃形状，当刀具的切削刃进入摄像区 域，切削刃的几何参数即可被自动的测量出。软件并根据色块以确定主轴的聚焦， 实现微米缴的测量精度，消除了操作者的人为误差。 1 3 2 国内刀具预调测量仪现状 国内目l j 有两个厂家生产刀具预调测量仪，天津市机床光学仪器厂是其中一 家，代表着国内刀具预调测量仪的水平。 幽13 天津市机床光学仪器厂生产的刀具预调测量仪 天津大学硕士学位论文第一章绪论 如图1 3 所示为天津市机床光学仪器厂生产的刀具预调测量仪。该刀具预调 测量仪为光学投影瞄准式，将刀尖轮廓成像在一固定的投影屏上，利用光学投影 屏的十字叉丝对刀具进行瞄准，从而完成刀具在机床坐标系中x 、y 向两极值点 的测量，但不能对刀形进行测量。由于需要不断的进行人为瞄准，给测量带来主 观误差，并且测量效率不高。同时刀具测量的数据还需要经过人工整理后才能形 成刀具库信息。目视测量不仅速度慢，精度低，而且人为因素直接影响测量结果， 因此光学投影式瞄准的刀具预调测量仪系统已不能满足高精度、高效率的切削加 工的要求。 九十年代天津大学精仪系同天津市机床光学仪器厂联合开发的刀具预调测 量仪0 1 ，利用线阵c c d 作为视觉检测元件，两相互垂直的线阵c c d 的交点位置确 定一空间固定点，系统定零将该点位置置为机床坐标系的零点，当线阵c c d 瞄准 刀具轮廓点，也即刀具预调点同机床坐标系零点重合后，发出瞄准信号并将机床 导轨上的光栅尺读数锁存，该锁存的光栅尺读数即为刀具预调点的坐标值，该方 法相对于光学投影瞄准测量不但具有很高的测量效率，同时，消除了测量中的人 为因素的影响，提高了测量精度。但是由于两线阵c c d 只能确定二维空间上的一 点。因此该方法仍不具备二维刀形测量的功能。后来也进行过利用面阵c c d 摄像 机采集图像进行处理的研究“。 目前，国内生产的刀具预调测量仪已经无法让用户满意，国内的刀具预调测 量仪市场正逐步的被国外的产品所占领，所以开发出基于图像处理技术的、高精 度的、能够和国外产品相媲美的产品是当务之急。国内计算机视觉检测技术的发 展为基于图像处理技术的刀具预调测量仪的研究奠定了基础。大量的文献表明， 以c c d 作为传感器的视觉检测技术可以方便的进行刀形参数的测量。 1 4 本论文的主要内容 论文研究内容是天津大学精密仪器与光电子工程学院和天津市机床光学仪 器厂联合开发项目新型刀具预调测量仪的开发。 本课题的实际意义是把计算机视觉检测技术应用于刀具预调测量仪上，提高 我国刀具预调测量仪的水平，使国产的刀具预调测量仪能够重新占领国内市场。 本论文的主要内容有： 1 、设计了基于计算机视觉检测技术的刀具预调测量仪系统，完成了实验室 条件下的系统建立及任务实现。 2 、对视觉系统的摄像机标定进行了研究，提出了一种摄像机标定的方法， 6 天津大学硕士学位论文第一童 绪论 如图1 . 3 所示为天津市机床光学仪器厂生产的刀具预调测量仪。 该刀具预调 测盆仪 为光学投影瞄准式， 将刀 尖轮 廓成像在一固 定的 投影屏上， 利用光学 投影 屏的十字叉丝对刀具进行瞄准，从而完成刀具在机床坐标系中x . y向两极值点 的测量， 但不能对刀形进行测盆。由于需要不断的进行人为瞄准， 给测量带来主 观误差， 并且测t效率不高。 同时刀具测量的数据还需要经过人工整理后才能形 成刀具库信息。 目 视测盈不仅速度慢， 精度低， 而且人为因素直接影响测量结果， 因此光学投影式瞄准的刀具预调测量仪系统己不能满足高精度、 高效率的切削加 工的要求。 九十年代天津大学精仪系同天津市机床光学仪器厂联合开发的刀具预调测 量仪(3 ， 利用线阵c c d 作为视觉检测元件， 两相互垂 直的线阵c c d 的交点位置确 定一空间固定点， 系统定零将该点位置置为机床坐标系的零点， 当线阵c c d 瞄准 刀具轮廓点， 也即刀具预调点同 机床坐标系零点重合后， 发出瞄准信号并将机床 导轨上的光栅尺读数锁存， 该锁存的光栅尺读数即为刀具预调点的坐标值， 该方 法相对于光学投影瞄准测量不但具有很高的测量效率， 同时， 消除了测量中的人 为因素的影响， 提高了测量精度。 但是由于两线阵c c d 只能确定二维空间上的一 点， 因此该方法仍不具备二维刀形侧量的功能。 后来也进行过利用面阵c c d 摄像 机采集图 像进行处理的 研究c+ r 目 前， 国内生产的刀具预调测量仪已经无法让用户满意， 国内的刀具预调测 量仪市场正逐步的被国外的产品所占 领， 所以开发出基于图像处理技术的、 高精 度的、 能够和国外产品相媲美的产品是当务之急。 国内计算机视觉检测技术的发 展为基于图像处理技术的刀具预调测量仪的研究奠定了基础。大量的文献表明， 以c c d 作为传感器的视觉检测技术可以方便的进行刀形参数的测量。 1 . 4 本论文的主要内容 论文研究内容是天津大学精密仪器与光电子工程学院和天津市机床光学仪 器厂联合开发项目 新型刀具预调测量仪的开发。 本课题的实际意义是把计算机视觉检测技术应用于刀具预调测量仪上， 提高 我国刀具预调测量仪的水平， 使国产的刀具预调测量仪能够重新占领国内市场。 本论文的主要内容有: 1 、设计了基于计算机视觉检测技术的刀具预调测t仪系统，完成了实验室 条件下的系统建立及任务实现。 2 、对视觉系统的摄像机标定进行了研究，提出了一种摄像机标定的方法， 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 对高精度提取靶标特征点进行了 研究，并进行了初步的标定实验。 3 、 研究了本系统中需要的几种图 像处理算法。 包括图像预处理、 特征参数 的提取研究等。 4 、对利用图像处理技术对调焦情况进行评价的技术进行了 研究，提出了一 种适合于本系统的评价方法。 5 、系统进行了初步试验，并对刀具预调测量仪的误差来源进行了分析。 天津大学硕士学位论文第二章 刀具预调测量仪系统的组成 第二章 刀具预调测量仪系统的组成 光电瞄准式刀具预调测量仪是以视觉测量为基础，将光学技术、电子技术、 计算机技术、 精密测量技术集一体的刀具检测仪器。 它能够迅速而准确的测量出 刀具的刀形参数， 同时测量出刀具预调点在机床坐标系下的坐标， 然后将测量数 据输入到计算机形成数控机床和加工中心的刀具库信息， 用于数控加工的刀具位 置预调和加工过程的刀具进给量的实时补偿。 本章对刀具预调测量仪系统的各部分组成、 作用以 及它们之间的关系进行了 分析总结， 指出了仪器各组成部分的具体要求， 并对将来需要改进的地方提出了 展望。 针对被测刀具的 特性和实际应用中的要求， 设计出刀具预调测量仪的光学 系统。 并且在原有的刀具预调测量仪系统基础上进行设计改造， 安装了二维c c d 摄像机，并进行了相关的实验。 刀具预调测量仪系统主要包括二维机械位移检测系统， 视觉瞄准系统， 计算 机及其接口电路和系统软件四部分组成。 2 . 1 二维机械位移检测系统 机械位移检测系统是刀具预调测量仪系统结构的主体， 由x , z 两方向导轨、 电机、 位于x , z向导轨上的光栅尺、 主轴定位系统、 主轴旋转系统组成.如图 2 . 1 所示。 图2 . 1刀 具预调测量仪机械位移检测系统示意图 天津大学硕士学位论文第二章 刀具预调测量仪系统的组成 第二章 刀具预调测量仪系统的组成 光电瞄准式刀具预调测量仪是以视觉测量为基础，将光学技术、电子技术、 计算机技术、 精密测量技术集一体的刀具检测仪器。 它能够迅速而准确的测量出 刀具的刀形参数， 同时测量出刀具预调点在机床坐标系下的坐标， 然后将测量数 据输入到计算机形成数控机床和加工中心的刀具库信息， 用于数控加工的刀具位 置预调和加工过程的刀具进给量的实时补偿。 本章对刀具预调测量仪系统的各部分组成、 作用以 及它们之间的关系进行了 分析总结， 指出了仪器各组成部分的具体要求， 并对将来需要改进的地方提出了 展望。 针对被测刀具的 特性和实际应用中的要求， 设计出刀具预调测量仪的光学 系统。 并且在原有的刀具预调测量仪系统基础上进行设计改造， 安装了二维c c d 摄像机，并进行了相关的实验。 刀具预调测量仪系统主要包括二维机械位移检测系统， 视觉瞄准系统， 计算 机及其接口电路和系统软件四部分组成。 2 . 1 二维机械位移检测系统 机械位移检测系统是刀具预调测量仪系统结构的主体， 由x , z 两方向导轨、 电机、 位于x , z向导轨上的光栅尺、 主轴定位系统、 主轴旋转系统组成.如图 2 . 1 所示。 图2 . 1刀 具预调测量仪机械位移检测系统示意图 天津大学硕士学位论文 第二章 刀具预调测且仪系统的组成 刀具预调测量仪是基于二维视觉测量的测盆系统， 属于二维坐标测量仪器， 测量给出 刀具由x , z 两向 坐标轴确定的坐标系下的 测量值。 在测量中另一个方 向y上没有运动， 仅在刀具调焦时刀尖有移动。 测量时， x , z 两导 轨带动视觉 系统进行移动瞄准测量， 运动由电机拖动，可大步长运动，也可进行微动进给， 实现预调点的瞄准测量。 运动过程中， 位于x , z向导轨上的光栅尺给出导轨在 这两个方向上的位移量， 通过光栅数据采集卡输入到计算机中. 计算机软件系统 根据光栅尺的数据和对刀具进行图像处理得到的数据进行处理得到所需要的刀 具预调点的值. 由 于刀具预调的 精度要求相当高， 则要求导轨有尽量高的加工精度， 有良 好 的 静态刚度， 受热变形的 影响小， 具有良 好的抗展性。 机械导轨的 位置精度直接 影响测量， 因此导轨的设计要求由良 好的导向 精度， 运动平稳， 无低速爬行现象， 对温度变化不敏感。 由于现有仪器使用导轨为原有的设计加工导轨， 要想提高导轨性能， 应该研 究用市场上的高精度气浮导轨。 这样可以去掉原有的步进电机驱动机构， 并且操 作起来方便快捷。 设置一个按钮，当按钮按下时， 用一只手很小的力就可以 带动 视觉系统快速灵活移动到刀具成像位置，而当松开时，导轨便会马上抱紧定位。 主轴定位系统也是系统要求定位精度较高的一个部分， 如图2 .2 所示。由 于 刀具一般以一个锥柄来定位，所以主轴定位装置加工成为一个相同锥度的锥孔， 用来刀具测量时的定位。 由于主轴加工的特殊性， 其加工精度也很难得到保证， 所以如何提高主轴的 定位精度也是今后要研究的。 图2 . 2 主轴旋转定位系统 机械系统中的主轴旋转装置是用来刀具调焦时旋转主轴， 从而使要测量的刀 具在光轴方向上产生前后移动，寻找成像的最佳清晰点。 天津大学硕士学位论文第二章 刀具预调测t仪系统的组成 2 .2 视觉系统 2 . 2 . 1 视觉部分设计 视觉系统是刀具预调测量仪的主要组成部分， 也是本系统在原系统