基于機(jī)器視覺的圓鋸片磨損量在線測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種刀具磨損狀態(tài)視覺檢測方法，更具體地 說，是涉及一種圓鋸片磨損量在線測量方法。該方法是通過提取出圓鋸片圖像邊緣，檢測出 圓鋸片鋸齒的前刀面線段和后刀面線段，再求解出圓鋸片磨損量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 刀具磨損監(jiān)測技術(shù)從測量手段上分可分為間接法和直接法。直接法是通過測量刀 具刀刃形狀、質(zhì)量或位置的變化，根據(jù)相關(guān)標(biāo)定關(guān)系來確定刀具磨損狀態(tài)的方法。間接法是 通過測量切削過程中與刀具磨損狀態(tài)密切相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)參變量（如切削力、扭矩、溫 度、聲發(fā)射等）的變化，根據(jù)相關(guān)標(biāo)定關(guān)系來確定刀具磨損狀態(tài)的方法。
[0003] 切削力監(jiān)測法是刀具狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)中研究最早、應(yīng)用較廣的間接監(jiān)測法。該方法 具有靈敏度高、反應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于加工工況變化與刀具磨損所引起的 切削力變化規(guī)律相似，導(dǎo)致該方法難以識別刀具的磨損狀態(tài)。所以目前該方法常用在自動(dòng) 化制造系統(tǒng)的刀具破損監(jiān)測中，在刀具磨損監(jiān)測中的應(yīng)用還處于研究階段。聲發(fā)射監(jiān)測法 是目前最具潛力的新型間接監(jiān)測方法，近年來很多學(xué)者對該技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并獲得 了不少成果。由于聲發(fā)射信號的頻率與機(jī)械振動(dòng)和環(huán)境噪聲的頻率相差甚遠(yuǎn)，因此可以通 過檢測切削加工中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號來監(jiān)測刀具的磨損狀態(tài)，且檢測結(jié)果受外界環(huán)境影響 小。該方法最大的缺點(diǎn)是聲發(fā)射信號在傳播過程中衰減嚴(yán)重，從而導(dǎo)致信號采集和處理的 難度比較大。由于刀具磨損過程緩慢而復(fù)雜，利用單一信號來監(jiān)測刀具磨損狀態(tài)常存在信 息不完全、受外界環(huán)境影響較大、可靠性較差等缺點(diǎn)。
[0004] 相對于間接監(jiān)測法，直接監(jiān)測法更關(guān)注的是刀具刀刃的變化。常用的直接監(jiān)測方 法有光學(xué)掃描法、電阻接觸法和視覺監(jiān)測法等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CCD/C0MS傳感器技術(shù)的 發(fā)展，對基于計(jì)算機(jī)視覺的刀具磨損監(jiān)測方法的研究也越來越多，研究表明該方法具有判 斷準(zhǔn)則直觀、設(shè)備安裝方便、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種發(fā)展前景可觀的刀具磨損監(jiān)測方法。
[0005] 基于計(jì)算機(jī)視覺的刀具磨損監(jiān)測方法首先通過C⑶或C0MS傳感器來獲取目標(biāo)的 圖像，然后利用圖像處理技術(shù)對圖像進(jìn)行一系列處理以達(dá)到理解識別圖像的目的，最后根 據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)模型確定刀具的磨損狀況或準(zhǔn)確的磨損量。根據(jù)監(jiān)測對象的不同，計(jì)算機(jī)視覺 監(jiān)測方法可分為基于刀具圖像監(jiān)測法、基于工件圖像監(jiān)測法和基于切肩圖像監(jiān)測法三類。
[0006] (1)基于刀具圖像的磨損監(jiān)測法
[0007] 傳統(tǒng)加工中，操作工人通過觀察刀具形狀的變化來判斷刀具的狀態(tài)；在自動(dòng)化加 工中，系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)視覺設(shè)備代替人的眼睛對刀具的形態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，最終形成了基于刀 具圖像的磨損監(jiān)測方法。由于在刀具切削過程中，工件或切肩常常會(huì)遮擋住刀具的刀刃， 導(dǎo)致刀具圖像不能真實(shí)地反映刀具的形態(tài)，故一般在刀具退回到起始點(diǎn)時(shí)獲取刀具表面圖 像，然后根據(jù)圖像分析刀具磨損狀況。
[0008] (2)基于工件圖像的磨損監(jiān)測法
[0009] 由加工原理可知，工件表面紋理是刀具表面形狀的映像，基于工件表面圖像的磨 損監(jiān)測方法就是在此基礎(chǔ)上建立的。該方法的首先建立工件表面紋理模型；再建立工件圖 像特征參數(shù)與刀具磨損狀態(tài)的映射。
[0010] (3)基于切肩圖像的磨損監(jiān)測法
[0011] 研究發(fā)現(xiàn)，在切削條件不變的情況下，刀具磨損是引起切肩變形的主要原因，因此 可以通過切肩圖像來監(jiān)測刀具的磨損狀態(tài)。但由于切肩形態(tài)非常的多變，目前對于該方法 的研究主要還只集中在切肩的形成、切肩形態(tài)檢測等初步問題中。
[0012] 綜合比較以上三種視覺監(jiān)測方法，目前最理想可行的刀具磨損監(jiān)測的方法是基于 刀具圖像的監(jiān)測方法。
[0013] 圓鋸片磨損量監(jiān)測也常用以上的方法。杭州電子科技大學(xué)趙玲等人，基于機(jī)器視 覺構(gòu)建了圓鋸片幾何參數(shù)測量系統(tǒng)。該方法以圓鋸片輪廓優(yōu)化為基礎(chǔ)，對圓鋸片內(nèi)圓孔提 出了改進(jìn)的二次多項(xiàng)式插值亞像素定位方法，對齒尖兩段直線采用改進(jìn)的最小二乘法進(jìn)行 擬合，提高了檢測精度，但是該方法必須獲得圓鋸片整幅圖像，因而無法實(shí)現(xiàn)圓鋸片磨損量 在線測量。瑞典Ekevad等人構(gòu)建了在鋸切山毛櫸過程中，圓鋸片磨損量與其鋸片振動(dòng)信號 之間的關(guān)系，該方法雖然實(shí)現(xiàn)了圓鋸片磨損量的在線測量，但是圓鋸片磨損量與其鋸片振 動(dòng)信號的精確數(shù)量關(guān)系，很難找到，只能對圓鋸片磨損量進(jìn)行定性檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的在于克服已有圓鋸片磨損量測量方法的不足，提出了一種基于機(jī)器 視覺的圓鋸片磨損量的在線測量方法，以提高圓鋸片磨損量在線測量的精確度。
[0015] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于機(jī)器視覺的圓鋸片磨損量在線測量方法，使用的 測量系統(tǒng)包括工業(yè)相機(jī)、安裝支架、圖像采集卡和工控機(jī)。
[0016] 所述基于機(jī)器視覺的圓鋸片磨損量在線測量方法，包括如下步驟：
[0017] 1)將安裝在支架上的工業(yè)相機(jī)，通過人工調(diào)節(jié)，使工業(yè)相機(jī)正對著被測圓鋸片，工 控機(jī)觸發(fā)圖像采集卡，獲取圓鋸片圖像；
[0018] 2)對獲取的圖像進(jìn)行降噪預(yù)處理和二值化處理；
[0019] 為抑制噪聲影響，將工業(yè)相機(jī)采集到的原始圓鋸片圖像進(jìn)行降噪處理。采用中值 濾波進(jìn)行降噪處理，采用閾值分割方法二值化處理圖像，使物體和背景各自均勻單一，對比 度大，無其他線條及難以區(qū)分的細(xì)節(jié)；
[0020] 3)提取圓鋸片圖像中的單像素邊緣；
[0021] (1)確定跟蹤起始點(diǎn)
[0022] 從獲取的圓鋸片圖像的左上角開始，按從上至下，從左到右的順序掃描圓鋸片的 二值圖像，將第一個(gè)灰度值為1的像素點(diǎn)設(shè)為邊界跟蹤的起始點(diǎn)Pc;
[0023] (2)確定搜索下一個(gè)邊界點(diǎn)的初始方向
[0024] 根據(jù)下面公式確定搜索下一個(gè)邊界點(diǎn)的初始方向
[0025]
[0026] 公式中貧>,表示從參考點(diǎn)？;出發(fā)搜索下一個(gè)邊界點(diǎn)的初始方向，A,表示下一邊 界點(diǎn)相對參考點(diǎn)Pii的真實(shí)方向。DDe都采用Freeman的8鄰域鏈碼編碼方式，位于參 考點(diǎn)正右方的像素點(diǎn)相對于參考點(diǎn)的位置為0,按逆時(shí)針方向用0~7來表示參考點(diǎn)8鄰域 的像素點(diǎn)相對參考點(diǎn)的位置。
[0027] (3)搜索下一個(gè)邊界點(diǎn)
[0028] 從下一個(gè)邊界點(diǎn)的初始方向出發(fā)，按從上至下、從左到右的順序搜索下一個(gè)邊界 點(diǎn)，搜索到的第一個(gè)灰度值為〇的點(diǎn)就是下一個(gè)邊界點(diǎn)。
[0029] ⑷結(jié)束搜索
[0030] 判斷當(dāng)前邊界點(diǎn)的像素坐標(biāo)，若邊界點(diǎn)的縱坐標(biāo)X等于圖像的列數(shù)M，說明搜索到 達(dá)圖像的邊框，結(jié)束搜索。
[0031] 4)提取圓鋸片邊緣的直線線段
[0032] (1)使用Freeman的8鄰域鏈碼對圖像邊界進(jìn)行編碼；
[0033] (2)搜索圖像邊界中的線段元，并將線段元以起點(diǎn)坐標(biāo)、主方向鏈碼值、副方向鏈 碼值和長度的形式保存在細(xì)胞數(shù)組Line-Cell中；
[0034] (3)將細(xì)胞數(shù)組Line-Cell中連續(xù)且主方向、副方向鏈碼值相同，長度之差小于2 的線段元合并為線段，并保存在細(xì)胞數(shù)組Line中。細(xì)胞數(shù)組Line中的元素包含起始線段 元索引號、終止線段元索引號、主方向鏈碼值和副方向鏈碼值；
[0035] (4)判斷細(xì)胞數(shù)組Line中的線段是否能向兩端延伸。掃描與線段端點(diǎn)相連的線段 元，若線段元與線段的主方向鏈碼值相同，則根據(jù)下面的準(zhǔn)則1繼續(xù)判斷是否能延伸；若線 段元與線段的主方向鏈碼值不同，則線段不能延伸；
[0036] 準(zhǔn)則1 :設(shè)細(xì)胞數(shù)組Line中的線段1^的起點(diǎn)坐標(biāo)為（xlb，ylb)，終點(diǎn)坐標(biāo)為（Xle， ylf3)，與線段Q端點(diǎn)相連的線段元的起點(diǎn)坐標(biāo)為（x2b，y2b)，終點(diǎn)坐標(biāo)為（x2f；，y2J。原線段斜 率：
[0037]
[0038] 新線段斜率：
[0039] ①線段元與線段起點(diǎn)相連
[0040]
[0041] ②線段元與線段終點(diǎn)相連
[0042]
[0043] 若|Ku_IU|〈 0且|KU_K% |〈 0，則線段可延伸，更新線段信息并保存在細(xì)胞數(shù)組 Line中。0是設(shè)定的閾值，決定了線段檢測的精度。
[0044] (5)根據(jù)線段端點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算線段參數(shù)信息（線段斜率k和截距b)，然后根據(jù)準(zhǔn)則 2判斷線段是否能與主方向鏈碼值相同的其他線段合并，若能合并，則合并線段并更新線段 參數(shù)信息；
[0045] 準(zhǔn)則2 :設(shè)主方向鏈碼值相同的兩線段1^山的參數(shù)信息為[hA，（xbl，ybl)，（X& yj]和[k2，b2,（xb2，yb2)，（xe2，ye2)]。若兩線段參數(shù)同時(shí)滿足以下三個(gè)條件，則兩線段可以 合并。
[0046]
[0047] ② |k「k21 <T2
[0048] ③ |b「b21 <T3
[0049] I\，T2,T3分別為兩線段的距離閾值，斜率閾值和截距閾值，決定了線段檢測的精 度。
[0050] (6)為避免干擾信號，刪除長度小于精度閾值T4的線段，其中精度閾值1\的大小 反映檢測精度，取值為l_2mm。
[0051] 5)確定