CN101693347B - 一种基于图像处理的回转类刀具在机测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量技术领域，是一种基于图像处理的回转类刀具在机测量方法。高分辨率CCD相机连续摄取不同位置刀具的轴截面图像，再对每一个图像进行边缘检测，并提取轮廓点，存储在数组里。然后把多个轮廓进行叠加，得到回转类刀具的实际工作廓形及刀具参数。本发明可以直接在数控机床上测量出正在加工的刀具的参数，并且专门针对回转类刀具，通过叠加多幅不同相位的刀具图片，求得回转类刀具的包络廓形和刀具几何参数，可广泛应用于刀具补偿、基于刀具实际工作廓形的数控加工等领域。

Description

一种基于图像处理的回转类刀具在机测量方法

技术领域：

本发明涉及数控加工技术领域，确切地说它是一种基于图像处理的回转类刀具在机测量方法。

背景技术：

数控技术，简称“数控”。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用。

在数控加工中，需要对刀具参数进行补偿，有必要研制高精度、高效率的刀具参数在机测量系统。在众多的测量方法中，基于图像的检测是比较直观的，而且具有实时性、准确性、适用面广等诸多优点。刀具一般可根据其外形分为方形轮廓刀具(如车刀，镗刀)和回转类刀具(如铣刀，钻头)，目前所研究的刀具图像检测系统中，大多是对车刀的研究。回转类刀具由于切削刃多为螺旋状，在圆周方向不同位置的轴截面轮廓是变化的，单个刀具图像不能反应回转类刀具的包络廓形，而加工时，回转类刀具作连续转动，其加工结果由刀具实际工作廓形决定。目前，对回转类刀具在机测量的研究还相对滞后，在实际中应用的效果还不是很理想，并且不能在机测量。如中国专利号“200420034226.5”，名称为“一种采用CCD数码相机的精密刀具测量装置”的实用新型，中国专利号“200410022253.5”，名称为“一种静态刀具图像的精密测量方法”的发明专利，均不能在机测量回转类刀具。

发明内容：

本发明的目的是：提供一种基于图像处理的回转类刀具在机测量方法。高分辨率CCD相机连续摄取不同位置刀具的轴截面图像，再对每一个图像进行边缘检测，并提取轮廓点，存储在数组里。然后把多个轮廓进行叠加，得到回转类刀具的工作廓形。最后计算刀具的实际几何参数并进行亚像素样条拟合。加工时刀具的实际轮廓点，是所有图像轮廓点中，在该方向离刀具中心最远的点。由于轮廓是离散点的组合，因此图像轮廓的叠加，就是求在微小角度变化范围内，与中心的距离最大的点。附图2中，虚线轮廓和点线轮廓分别是球铣刀在相位角α＝0和α＝π/3时的轮廓，圆点和方点分别是两个轮廓上的点。在微小角度变化范围[θ，θ+Δθ]内，圆点比方点距离中心点远，因此叠加后的轮廓点为圆点。图中实线轮廓表示两个刀具瞬时轴截面轮廓叠加后形成的轮廓。刀具旋转一周内，n个轮廓叠加形成回转类刀具的包络廓形。

本发明可以直接在数控机床上测量出正在加工的刀具的参数，并且专门针对回转类刀具，通过叠加多幅不同相位的刀具图片，求得回转类刀具的包络廓形和刀具几何参数，可广泛应用于刀具补偿、基于刀具实际工作廓形的数控加工等领域。

附图说明：

图1为本发明的球铣刀不同位置轮廓。

图2为本发明的轮廓叠加方法。

图3为本发明的工作流程图。

具体实施方式：

本发明采用如下技术方案实现的：

步骤1、回转类刀具在机床主轴上作低速转动，高分辨率CCD相机连续摄取不同位置刀具的轴截面图像，通过USB接口输入到计算机。如图1所示。

步骤2、对步骤1获取的每一个图像进行边缘检测，并提取轮廓点，计算各边缘点-形心的连线与对称中心线夹角θ的正弦和余弦值，然后把所有边缘点按照角度从小到大进行排序，即可得到一数组[r，c]^T，按照轮廓顺序，存储轮廓点的像素坐标，该数组长度为边缘点的个数。

步骤3、把步骤2获得的图像轮廓进行叠加。就是求在微小角度变化范围内，与中心的距离最大的点的集合，如附图2所示。刀具旋转一周内，n个轮廓叠加形成回转类刀具的包络廓形。

$n\≥\frac{2\mathrm{\π}}{\arccos (1-\frac{\mathrm{\σ}}{R})},$

式中，n为刀具旋转一周内取得的图像数，R为刀具半径，σ为拍照不连续所引起的误差。

步骤4、计算刀具的实际几何参数。测量半径时，在圆弧上选取若干点，利用最小二乘法拟合出圆弧方程，得出圆弧半径。测量长度时，在轮廓的直线段上取点，利用最小二乘法拟合出直线方程，然后求出在直线方向上从刀尖到夹头的距离。多次测量，取平均值。

步骤5、经过边缘检测提取出来的轮廓点能够定位到像素级精度，而实际刀具的边缘可能定位在像素与像素之间。采用B样条拟合法，拟合出亚像素级刀具实际工作廓形。图像中每个像元尺寸3.3μm×3.3μm，亚像素定位精度能达到0.2～0.5个像素。

Claims (1)

1.一种基于图像处理的回转类刀具在机测量方法，其特征在于：测量方法如下：

步骤1、回转类刀具在机床主轴上作低速转动，高分辨率CCD相机连续摄取不同位置刀具的轴截面图像，通过USB接口输入到计算机；

步骤2、对步骤1获取的每一个图像进行边缘检测，并提取轮廓点，计算各边缘点-形心的连线与对称中心线夹角                                               

的正弦和余弦值，然后把所有边缘点按照角度从小到大进行排序，即可得到一数组

，按照轮廓顺序，存储轮廓点的像素坐标，该数组长度为边缘点的个数；

步骤3、把步骤2获得的图像轮廓进行叠加，求在微小角度变化范围内，与中心的距离最大的点的集合，刀具旋转一周内，

个轮廓叠加形成回转类刀具的包络廓形，

，

式中，

为刀具旋转一周内取得的图像数，

为刀具半径，

为拍照不连续所引起的误差；

步骤4、计算刀具的实际几何参数，测量半径时，在圆弧上选取若干点，利用最小二乘法拟合出圆弧方程，得出圆弧半径，测量长度时，在轮廓的直线段上取点，利用最小二乘法拟合出直线方程，然后求出在直线方向上从刀尖到夹头的距离，多次测量，取平均值； 

步骤5、经过边缘检测提取出来的轮廓点能够定位到像素级精度，而实际刀具的边缘可能定位在像素与像素之间，采用B样条拟合法，拟合出亚像素级刀具实际工作廓形，图像中每个像元尺寸3.3μm×3.3μm，亚像素定位精度达到0.2～0.5个像素。

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