近年来,随着我国制造业的快速发展,带动了国内数控机床、加工中心的日益普及,而随着数控机床、加工中心的大量使用,又使得能够快速、准确测量刀具相关参数的刀具预调测量仪的市场需求日益增加。纵观国内国外相关产品的发展,国内目前正在逐步从以光学投影式测量向视频影像式测量发展,技术上还存在一个逐步完善过程,且生产厂家很少,而国外主要走高端,技术成熟,但价格不菲,在此情况下,为满足市场日益扩大的需求,开发了这一款影像式刀具预调仪。目前国内市场主要以光学投影式刀具预调仪为主导,随着国外先进产品的不断引入及用户需求的提高,研制带CCD视频图像处理技术的刀具预调仪就显得尤为重要,而且要求仪器外形美观、操作直观、方便;软件要求人机界面友好,智能化程度高,功能强大,本仪器正是根据这些要求进行开发。

1 刀具预调测量原理

数控机床和加工中心利用刀具在主轴上的长度及直径等参数调整刀尖轨迹进行刀具补偿,这一过程称为对刀。通常来说,理想的刀具的刀尖是一个点,但实际刀具的刀尖都是具有一定曲率半径的圆弧,如图 1所示为刀尖局部放大图,根据切削方式的不同,其切削点也就不同,当用于断面切削时,切削点是图 1中的R点,当用于圆柱面切削时,切削点是图 1中的H点,在机床坐标系中确定刀具预调点R、H的位置坐标就实现了刀具的预调,也就是说刀具预调就是测量刀具刀尖相对于仪器基准点的坐标位置,即如图 1中的R、H两点。另外在复杂曲面的加工中有些是利用刀具刀尖上R、H之间的某一点,而有些接触点则是在R、H之间变化的,因此,刀具预调仪不但要能测出刀具的刀尖特征位置(R、H两点),还要能测出切削角、刀尖圆弧半径等形状参数,如图 2、图 3所示。

图 1

Fig. 1

图 1 刀尖R、H Fig. 1 Tool nose R、H

图 2

Fig. 2

图 2 刀尖圆弧角 Fig. 2 Tool nose arc angle

图 3

Fig. 3

图 3 圆弧半径 Fig. 3 Tool nose arc radius

2 刀具预调仪实现原理

根据刀具预调的测量原理,为实现测量目的(测量图 1中R、H两点,即被测刀具的径向参数R值和轴向参数H值),设计了一个模拟数控机床及加工中心主轴的结构,使建立的仪器坐标系与加工设备坐标系等效,结构示意图如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 刀具预调仪模拟加工中心主轴示意图 Fig. 4 Schematic diagram of the tool presetter′s simulation machining of the center spindle

通过软件及相关标定首先建立一个仪器坐标系,使坐标系的原点为7 ∶ 24锥柄轴线(图中z方向)与大径D的交点O,由于该坐标系与加工设备坐标系等效,因此,通过测量该坐标系下相对尺寸(R,H)就可间接测量出加工设备中所需的坐标值,从而完成刀具预调任务。

3 刀具预调仪整体结构设计

根据刀具预调仪的实现原理,对刀具预调仪做了整体机械结构设计^{[1, 2, 3]},其效果图如图 5、图 6所示。

图 5

Fig. 5

图 5 整机结构效果图 Fig. 5 Structure diagram of the whole machine

图 6

Fig. 6

图 6 整机示意图 Fig. 6 Schematic diagram of the whole machine

如图 6所示,整机由二维机械位移系统、气浮系统、照明系统、CCD摄像系统、图像采集接口系统、计算机处理系统构成,其中机械位移系统和计算机图像处理软件是保证测量精度的基础,而照明系统和CCD摄像系统则是实现精确测量的关键部件。其整机实现原理是:通过x、z二维机械位移系统,使刀具的被测轮廓进入到光学视觉系统中。光源从一侧投射在被测刀尖上,另一侧的视觉系统接收成像。通过软件对图像预处理、去噪、滤波、边缘提取、亚像素细分、曲线拟合等,提出被测刀具的相应数据((R、H)值、切削角、圆弧半径等),在计算机上显示结果,并把相应数据与加工中心共享,达到刀具预调目的,其流程图如图 7所示。

图 7

Fig. 7

图 7 整机测量流程图 Fig. 7 Flow chart of the measurement of the whole machine

这其中,为保证机械精度,二维机械位移系统采用气浮式运动机构,日本THK精密滑块导轨,采用进口光栅作为位移基准。

4 图像处理系统

图像处理系统是完成测量的关键部分,它包括图像采集及图像处理两部分。

图像采集系统主要是对刀具的刀尖图像进行摄取、采集,并送到计算机进行图像处理,该系统主要由照明系统、CCD光学成像系统、图像采集硬件及光栅数据采集硬件组成。

照明系统的好坏决定图像处理的好坏,也是决定测量稳定性的关键,照明系统主要由光源和聚光镜组成。经过大量实验可知,要达到最佳照明效果,必须考虑照明系统能够提供足够的光能量及能提供稳定均匀的照明等因素,因此选择好的照明光源^[4]是关键。

常用的光源有钨丝灯光源、LED半导体发光二极管光源、气体放电灯、激光光源,由于光源对图像处理影响很大,常见的白炽灯、卤钨灯由于红外成份重,使像元之间的干扰大,会降低器件的均匀性,且发热量高,因此综合各方面因素,选用了LED大功率发光二极管作为照明光源。

本系统采用远心光路设计,光学镜头采用长焦镜头,远心光路设计可减少由于调焦不准带来的误差,长焦镜头可减少光学畸变误差。由于光学放大倍数会影响测量精度,因此具备足够大的放大倍率也是应该考虑的问题,考虑到放大倍率高,视场范围小,放大倍率小,视场范围大的特点,将放大倍率设定在2倍。本系统中,由于照明光源、被测物体、物镜位置相对固定,也即物镜不可移动,因此本光学成像系统中的物距、像距、透镜焦距等参数都必须通过计算确定下来,考虑到有时需要测量大一点的刀具,因此物距尽可能大一些,本系统选择物距为120mm,放大倍率为2倍,按下式可计算出其它相关参数:

4.1.3 图像采集硬件系统

由于CMOS摄像机畸变较大,本系统采用CCD摄像头作为图像摄取部件,相比USB图像接口,图像采集卡采集速度快、实时性好而在本系统中被采纳使用,因此本系统没有采用CMOS摄像头及USB图像接口,而采用CCD摄像头、图像采集卡作为图像采集系统的基础硬件。在选择CCD摄像头时主要根据以下参数^[4]进行考虑:

分辨率,摄像机每次采集图像的像素点数(像素数量);

像素深度,即每像素数据的位数;

最大帧频/行频,摄像机采集传输图像的速率,对于面阵摄像机一般为每秒采集的帧数,对于线阵摄像机一般为每秒采集的的行数(Hz);

像元尺寸;

光谱响应特性,像元传感器对不同光波的敏感特性,一般响应范围是350~1 000 nm,如果需要滤除红外光,可在摄像机靶面前加一个滤光镜;

综合各方面因素,本系统采用的CCD摄像头为日本Nikon 1/3英寸彩色摄像头,像素数为576×768,图像采集卡的型号为国内某公司生产的OK_C61A,经实际使用,能达到精度要求。

在采集刀具图像的同时,也必须对图像移动的位移坐标进行实时采集,选择采集卡应考虑今后该卡可接不同种类的光栅,例如,今后根据用户需要可改接海德汉光栅、雷尼绍金属钢带光栅及其它厂家生产的光栅等,另外还应考虑提供的库函数丰富、功能多,方便二次开发等因素。本系统采用的数据采集卡型号为国内某公司生产的Enc7480,该卡响应频率快,提供的库函数功能丰富,采用的光栅为本公司自行生产的光栅传感器。

图像处理是本仪器的关键技术,在其它系统都满足要求的情况下,对取得的刀具图像进行精确处理就显得尤为重要。一般情况下,成像系统获得的图像由于受到种种条件限制和随机干扰,往往不能直接进行处理,为了准确检测图像边缘,还需对原始图像进行灰度校正、噪声过滤等图像预处理。一般来说,图像处理大致包括图像采集、图像存储、图像传输、图像处理、图像输出等几个方面,具体到刀具图像的处理,一副刀具图像需经过刀具图像、滤波去噪、图像灰度化、边缘检测与跟踪、阈值分割、亚像素定位、得到边缘点坐标、计算刀具参数等处理步骤方能得出最后结果。

目前,图像处理有多种方法^{[5, 6, 7]},具体选择那一种处理方式,要看具体仪器要处理的图像情况来定。经过对本系统的多次研究实验确定,本系统使用中值滤波效果最好,使用Canny算子进行图像刀尖数据的提取,对于刀尖边缘的初定位效果不错,而采用多项式拟合法作为亚像素细分算法实现刀尖边缘亚像素定位能够满足本仪器精度要求。由于中值滤波、Canny算子、多项式拟合法在多个资料中都有详细论述,这里就不一一介绍了。

为了得到准确的测量结果,还需要对几个重要参数^[6]进行标定。在本系统中,测量基准为固定在7 ∶ 24锥柄轴套上的两个直径相同的精密钢球,要得到需要的R、H值,首先必须要标定出两钢球分别到主轴旋转中心(本系统坐标原点)的距离,在本系统中,称为系统集成校准基准。另外,在使用仪器进行实际测量时,都是在计算机屏幕上用鼠标直接对视频图像进行操作,得到的坐标数据是屏幕图像像素坐标,不是实际的长度坐标,因此,必须对图像像素进行标定。有些参考文献上介绍了标定方法,但都过于繁琐且计算量较大,不是太实用,在本系统中,避开了抽象繁琐的数学模型,使用了一种较为直接的标定方法来完成图像像素的标定。对于标定两钢球分别到主轴旋转中心(本系统坐标原点)的距离,也即系统集成校准基准,其方法暂不作具体介绍,这里只介绍图像像素标定方法。

许多标定方法^[8]都是基于较为抽象的数学模型,且计算量较大,数学模型中大都会用物镜理论放大倍数参与计算,但物体实际成像会受到系统中各种因素的影响致使最终放大倍数会偏离理论放大倍数,这就会造成计算误差,在本系统中,采用了如下一种标定方法来标定像素实际尺寸,既直接又避开了繁琐地的计算。

将一块上面有大小不一的一组圆的长方形玻璃块(标定专用)放在仪器夹具上固定好并调整,使玻璃成像面正好在焦平面上,将屏幕上清晰成像的同一个圆分别移动到屏幕图像窗口四个角,用相关图像处理方法计算出该圆在图像窗口四个角的圆心像素坐标,记为(X_Ti,Z_Ti),同时记下此时对应仪器光栅数据(X_Gi,Z_Gi),根据得到的四组数据可很容易地计算出水平方向和垂直方向也即x方向和z方向一个像素实际长度尺寸,达到了像素标定的目的。

本系统中,由于采用了远心光路设计及长焦镜头,其调焦误差及光学畸变较小,标定时光栅移动距离很短,导轨误差也可忽略。实践证明,该方法利用物体实际成像效果和光栅移动数据进行像素标定处理计算,像素标定误差较小,测量准确性较高,不过需要注意的是,由于光照对图像处理影响较大,标定时一定要保证屏幕图像窗口照明均匀。

5 处理软件

根据刀具预调仪的测量原理及需要测量的刀具参数,利用VC++开发工具及图像处理技术设计、编写了测量软件,目前,开发的软件已在该仪器上测试使用,软件主界面如图 8所示。

图 8

Fig. 8

图 8 软件主界面 Fig. 8 Main interface of the software

测量软件主要包含了图像采集显示模块、光栅数据采集显示模块、图像处理模块、数据处理模块、数据显示模块、打印模块等。软件功能主要包含了手动测量功能、预调功能、自动测量功能、基准钢球定位功能、系统设置功能、系统修正与标定功能、数据操作功能等。

6 结 论

根据刀具预调仪的测量原理,利用CCD光学成像技术、计算机视频图像处理技术和图像标定技术设计了一款影像式刀具预调仪。目前该仪器已生产出了样机,经过对样机的反复测试,证明该样机操作方便,稳定可靠,测量重复性好、精度高,各个功能模块达到了预定的设计要求。目前该仪器已进入试样阶段,不久即可投入市场进行销售。