CN109655013A - 基于图像处理的圆锯片锯齿参数检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像处理的圆锯片锯齿参数检测装置。旋转调节组件安装在基座上，圆锯片水平安装在旋转调节组件上并由旋转调节组件带动旋转，水平位姿检测组件位于旋转调节组件的上方并且正对圆锯片进行水平位姿检测，工业相机固定在基座的一侧且垂直向下朝向圆锯片的锯齿处。圆锯片的旋转过程中，通过水平位姿检测组件检测是否处于水平状态，通过调节旋转调节组件的气缸缸杆伸出量使圆锯片处于水平状态，工业相机再开始对圆锯片的锯齿参数进行拍摄检测。本发明测量结果精确，测量快速，成本低廉。

Description

基于图像处理的圆锯片锯齿参数检测装置

技术领域

本发明涉及圆锯片锯齿参数检测装置，尤其是涉及一种基于图像处理的非接触式圆锯片锯齿参数检测装置。

背景技术

在制造业的实际工作中，经常需要对板材、铸铁、玻璃、石材、塑料等材料进行切割。切割工序与车、铣、刨、磨、钳等工序一样，是制造业的基础性作业。锯片(又称“圆锯片”)是切割工序中的常用工具。

锯片由中心基体和外缘锯齿组成。工作时锯片高速旋转，然后通过位于锯片边缘的锯齿实现对材料的切割。

锯齿形状参数包括齿深、齿宽、前角、后角、第一圆弧半径、第二圆弧半径等，如图7所示。锯齿作为切割作业的直接承担者，其齿形参数直接关系到锯片寿命、切割效率、切割精度、切割能耗等性能指标。因此，锯齿参数的检测，是制造业经常面临的一个问题。

在制造业实际生产过程中，锯齿参数往往通过工人师傅的肉眼观测加以评估。这种评估方法简便快速，因而被广泛采用。然而，这种方法依赖于工人师傅的经验，且这种方法得到的锯齿参数具有一定的误差。锯齿参数也可通过一些仪器设备加以检测，例如三坐标测量仪可用于锯齿参数的精确检测，工业相机也可用于锯齿参数的人工辅助检测。然而，三坐标测量仪等大型仪器设备存在造价昂贵、维护保养要求高、检测速度慢等缺点，工业相机人工辅助检测方式本质上还是依赖于工人的操作，受限于工人经验。

发明内容

为了克服背景技术领域中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于图像的圆锯片锯齿参数检测装置。只需将圆锯片安装到本装置上，即可实现锯齿参数的全自动检测，无需任何人工介入。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明包括基座、工业相机、旋转调节组件和水平位姿检测组件，旋转调节组件安装在基座的中心，待检测的圆锯片水平安装在旋转调节组件上并由旋转调节组件带动旋转，水平位姿检测组件位于旋转调节组件的上方并且正对圆锯片的上表面平面，工业相机固定在旋转调节组件一侧的基座上，工业相机的镜头垂直向下朝向圆锯片的锯齿处布置。

所述的旋转调节组件包括驱动电机、轴承、旋转底座、联轴器、锯片底座、锯片垫块和电缸组，基座的中心开有通孔，轴承套装在通孔内，轴承的外圈与通孔的内壁面固定连接，轴承的内圈与旋转底座的外周面固定连接，旋转底座的中心开有用于驱动电机的电机轴穿过的中心孔，驱动电机固定安装在基座的下表面，驱动电机的电机轴垂直向上穿过旋转底座的中心孔后与通过联轴器连接在旋转底座的下表面，使得水平布置的旋转底座和锯片底座之间通过竖直布置的联轴器连接。

锯片底座与旋转底座之间还安装有电缸组，多个电缸沿旋转底座上表面的周向间隔设置构成电缸组，每个电缸的缸体固定在旋转底座上表面，每个电缸的缸杆的端部固定连接在锯片底座的下表面，每个电缸的缸杆伸出使对应连接部分的锯片底座的抬高。

锯片底座的上表面同轴固定连接有用于圆锯片的中心通孔穿过的圆柱凸块，圆锯片通过圆柱凸块安装到锯片底座上并通过锯片垫块进行固定，圆柱凸块的外周面设有与锯片垫块配合装配的外螺纹，锯片垫块的内周面设有内螺纹，锯片垫块与圆柱凸块螺纹连接，使得圆锯片在锯片垫块的作用下固定在锯片底座上，驱动电机的电机轴旋转进而驱动联轴器、旋转底座、电缸组、锯片底座、圆锯片、锯片垫块同步旋转，通过调节每个电缸的缸杆的伸出量来改变锯片底座的水平位姿，进而调节固定在锯片底座上的圆锯片的水平位姿。

优选的，水平位姿检测组件包括丝杆组、丝杆脱扣和激光传感器，丝杆组主要由位于同一水平直线上的两个丝杆组成，两个丝杆相互靠近的一端通过丝杆脱扣连接，两个丝杆相互远离的一端分别通过一个竖直的固定柱安装在基座的上方，每个丝杆上套装有一个滑块，每个滑块与对应的丝杆构成丝杠螺母副，两个激光传感器分别固定连接在一个滑块上，两个丝杆的螺纹旋向相反，两个丝杆同时旋转使得两个激光传感器相互靠近或者远离。

优选的，丝杆脱扣轴向的两端分别开有盲孔，两个丝杆分别安装到丝杆脱扣的两个盲孔中，使得两个丝杆的旋转运动互不干涉。

优选的，驱动电机的电机轴垂直向上穿过旋转底座的中心孔后与联轴器连接，联轴器竖直安装在电机轴穿出中心孔的上部，联轴器的下端固定连接在旋转底座的下表面，联轴器的上端固定连接在锯片底座的下表面，使得联轴器位于锯片底座的下表面与旋转底座的上表面之间。

本发明具有的有益效果是：

1、可全自动地完成锯齿参数的检测，不受限于工人经验，自动化程度高，测量结果精确，测量过程快速，成本低廉。

2、可自动调节圆锯片的水平位姿，有效避免了装夹误差引起的锯齿参数测量误差，同时也提高了装夹效率。

3、通过工业相机拍摄锯齿图片的非接触方式完成锯齿参数的检测，不会伤害圆锯片的平面度与表面质量。

综上，本发明装置自动化程度高、不受限于工人经验、检测精确快速，因此可广泛用于圆锯片生产厂商或圆锯片使用厂商对圆锯片实施流水线的批量化检测，改变目前需要人工目测圆锯片锯齿参数的现状。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图；

图2是本发明装置的工作流程示意图；

图3是本发明装置中的旋转调节组件的结构示意图；

图4是本发明装置中的电缸组的结构示意图；

图5是本发明装置检测圆锯片水平位姿的方法原理示意图一；

图6是本发明装置调节圆锯片水平位姿的方法原理示意图二；

图7是圆锯片及其锯齿参数示意图；

图8是本发明锯齿参数计算的方法流程图。

图中：1、基座，2、圆锯片，3、工业相机，4、丝杆组，5、丝杆脱扣，6、激光传感器，7、驱动电机，8、电机控制器，9、轴承，10、旋转底座，11、联轴器，12、锯片底座，13、锯片垫块，14、电缸组。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

为实现圆锯片2的锯齿检测需要保证圆锯片2检测时的水平位姿，本发明装置从装夹、旋转、位姿检测、位姿调节四个方面进行了结构设计。

如图1所示，工业相机3、丝杆组4、丝杆脱扣5、激光传感器6等固定在基座1的上盖板上部空间，驱动电机7及电机控制器8固定在基座上盖板下部空间，轴承9、旋转底座10、联轴器11、锯片底座12、锯片垫块13、小电缸组14安装在基座上盖板上。

旋转调节组件安装在基座1的中心，待检测的圆锯片2水平安装在旋转调节组件上并由旋转调节组件带动旋转，水平位姿检测组件位于旋转调节组件的上方并且正对圆锯片2的上表面平面，工业相机3固定在旋转调节组件一侧的基座1上，工业相机3的镜头垂直向下朝向圆锯片2的锯齿处布置。

如图3所示，旋转调节组件包括驱动电机7、轴承9、旋转底座10、联轴器11、锯片底座12、锯片垫块13和电缸组14，基座1的中心开有通孔，轴承9套装在通孔内，轴承9的外圈与通孔的内壁面固定连接，轴承9的内圈与水平布置的旋转底座10的外周面固定连接，旋转底座10的中心开有用于驱动电机7的电机轴穿过的中心孔，驱动电机7固定安装在基座1的下表面，驱动电机7的电机轴垂直向上穿过旋转底座10的中心孔后与通过联轴器11连接在旋转底座10的下表面，使得水平布置的旋转底座10和锯片底座12之间通过竖直布置的联轴器11连接；即联轴器11位于锯片底座12的下表面与旋转底座10的上表面之间。

锯片底座12的下表面与旋转底座10的上表面之间还安装有电缸组14，多个电缸沿旋转底座10上表面的周向间隔设置构成电缸组14，每个电缸的缸体固定在旋转底座10上表面，每个电缸的缸杆的端部固定连接在锯片底座12的下表面，每个电缸的缸杆伸出使对应连接侧(指每个缸杆与锯片底座12相连接的位置)的锯片底座12抬高，即通过调节不同的电缸缸杆伸出使锯片底座12的水平位姿发生变化。

如图4所示，锯片底座12的上表面同轴固定连接有用于圆锯片2的中心通孔穿过的圆柱凸块，圆锯片2通过圆柱凸块安装到锯片底座12上并通过锯片垫块13进行固定，圆柱凸块的外周面设有与锯片垫块13配合装配的外螺纹，锯片垫块13为套筒结构，锯片垫块13的内周面设有内螺纹，锯片垫块13与圆柱凸块螺纹连接，使得圆锯片2在锯片垫块13的作用下固定在锯片底座12上，驱动电机7的电机轴旋转进而驱动联轴器11、旋转底座10、电缸组14、锯片底座12、圆锯片2、锯片垫块13同步旋转，通过调节每个电缸的缸杆的伸出量来改变锯片底座12的水平位姿，进而调节固定在锯片底座12上的圆锯片2的水平位姿，水平位姿是指圆锯片2相对于水平平面方向上的倾斜角度，圆锯片2测量所需的水平位姿应该是在水平平面方向上的倾斜角度为零，即圆锯片2相对于水平平面没有倾斜角度。

具体实施中，旋转调节组件还包括电机控制器8，基座1开有内腔，驱动电机7及电机控制器8固定在基座1的内腔中，电机控制器8与驱动电机7连接并控制驱动电机7工作。

旋转底座10上表面设有沿周向分布的四个盲孔，四个小电缸分别对应安装在旋转底座10的每个盲孔内，四个小电缸的缸杆的顶端固定在锯片底座12的下表面，通过调节四个小电缸缸杆的伸出量，即可调节锯片底座12的水平位姿。需要特别说明的是，驱动电机7是固定不动的，而锯片底座12的水平位姿需要调节，锯片底座12相对于旋转底座10在水平位置上的摇摆调节是通过锯片底座12与驱动电机7之间的联轴器11解决的。

如图1所示，水平位姿检测组件包括丝杆组4、丝杆脱扣5和激光传感器6，丝杆组4主要由位于同一水平直线上的两个丝杆组成，两个丝杆相互靠近的一端通过丝杆脱扣5连接，两个丝杆相互远离的一端分别通过一个竖直的固定柱安装在基座1的上方，使得两个丝杆保持水平安装。每个丝杆上套装有一个滑块，每个滑块与对应的丝杆构成丝杠螺母副，两个激光传感器6分别固定连接在一个滑块上，两个丝杆的螺纹旋向相反，两个丝杆同时旋转使得两个激光传感器6相互靠近或者远离。

通过丝杆组4的转动实现激光位移传感器6的位置调节，从而使两个激光位移传感器6配合完成圆锯片水平位姿的检测。通过丝杆脱扣5与螺纹旋向相反的两个丝杆，两个激光位移传感器可实现同步的相向运动。具体是：丝杆组4的两个丝杆顺时针旋转时，两个激光位移传感器6同步向丝杆脱扣5靠拢；丝杆逆时针旋转时，两个激光位移传感器6同步远离丝杆脱扣5。另外，两个激光位移传感器6也可用于检测圆锯片2不同部位的平面度。

具体实施中，丝杆脱扣5轴向的两端分别开有盲孔，两个盲孔不相连通，两个丝杆分别安装到丝杆脱扣5的两个盲孔中，使得两个丝杆的旋转运动互不干涉，确保两个丝杆可独立旋转运动。

锯片底座12由直径不同的两个圆柱体上下同轴叠加连接而成，其中上圆柱体直径小于下圆柱体的直径，上圆柱体可看作是一个圆柱凸块，圆锯片2的中心孔套装在锯片底座的圆柱凸块(上圆柱体)，然后锯片垫块13通过螺纹方式紧固在锯片底座12的圆柱凸块外，并将套装在锯片底座12上表面的圆锯片2顶住。

如图3所示，驱动电机7的电机轴垂直向上穿过旋转底座10的中心孔后与联轴器11连接，联轴器11竖直安装在电机轴穿出中心孔的上部，联轴器11的下端固定连接在旋转底座10的下表面，联轴器11的上端固定连接在锯片底座12的下表面，使得联轴器11位于锯片底座12的下表面与旋转底座10的上表面之间。所述的联轴器11具有一定的可活动性，既保证了驱动电机7的固定不动，又实现了锯片底座12在水平位置上的摇摆调节。

如图4所示，本发明装置检测圆锯片水平位姿的方法原理为：

由于两个激光位移传感器6在同一水平位置安装，因此当圆锯片也处于水平位姿时(相对于水平平面没有倾斜角度)，两个激光位移传感器6检测到的距离值相等。当圆锯片处于非水平状态时(位姿不水平)，两个激光位移传感器的距离检测值将出现偏差，此时应该通过调节锯片底座的水平位姿以调节圆锯片的水平位姿。

如图5、图6所示，当检测出圆锯片2处于非水平状态时，电缸组14的四个小电缸应分别独立地调整伸出量，即激光位移传感器距离检测值较大的一侧(意味着圆锯片下垂)，两个小电缸的伸出杆应该加大伸出量，通过抬高这一侧的锯片垫座12，以此提高这一侧的圆锯片2，反之亦然。

需要特别说明的是，圆锯片的水平位姿检测与水平位姿调节，是在圆锯片的旋转过程中同步进行的，直到圆锯片最终处于水平状态，才继续下一步的锯齿参数检测工作。

如图2、图8所示，本发明的具体工作过程如下：

本发明的装置只需人工完成圆锯片装夹与拆卸过程即可，其余步骤均由本发明装置及方法自动完成。

首先是对将待检测的圆锯片2进行水平位姿校准：将待检测的圆锯片2放置在锯片底座12上并通过锯片垫块13将圆锯片2紧密固定在锯片底座12上。然后，电机控制器8控制驱动电机7工作，驱动电机7带动圆锯片2快速连续旋转，丝杆组4的两个丝杆同时旋转使由于两个激光位移传感器6沿丝杆相对或相向移动，若两个激光位移传感器6检测到距离圆锯片2上表面的距离值不相等，说明距离值较大的一侧的圆锯片2和锯片垫座12相对水平面下垂，对应圆锯片2下垂区域的电缸的伸出杆加大伸出量以抬高这一侧的锯片垫座12进而使圆锯片2趋于水平，反之亦然。

圆锯片2保持连续旋转的状态，两个激光位移传感器6在相对丝杆移动的过程中持续检测距离值，当圆锯片2至少旋转一周以上，并且在旋转过程中两个激光位移传感器6的距离检测值时时相等，才能认为圆锯片已经彻底处于水平位姿。由此才继续下一步的锯齿参数检测工作。

接着，工业相机经过调光、聚光、调节焦距等操作保证工业相机能清晰地拍摄圆锯片2边缘处的锯齿；工业相机将拍摄到的第一个锯齿的图片发送给主机，主机通过锯齿参数检测算法识别锯齿并获得锯齿参数，如图7所示；然后电机控制器8控制驱动电机7慢速步进旋转，并进而带动旋转底座10、锯片底座12、圆锯片2等同时慢速步进旋转，直至将相邻的下一个锯齿转到位于工业相机拍摄范围内；工业相机再将拍摄到的下一个锯齿的照片发送给主机，重复此操作直至圆锯片2的所有锯齿被检测完毕，检测完毕后将已经检测完毕的圆锯片拆卸，并准备对下一张圆锯片2进行检测。

其中，锯齿参数检测算法的具体步骤为：

主机读取锯齿图片并对锯齿图片进行亮度调节和灰度化处理，其次分别计算类间方差、类内方差等指标，并进而通过动态阀值的迭代计算优化得到图像提取的最佳阀值，然后根据计算所得的最佳阀值实施边缘检测以得到锯齿轮廓，并进行锯齿轮廓滤波，将滤波后的锯齿轮廓按不同的锯齿齿形类别提取每一类别对应的特征点并最终完成锯齿参数计算。如图7所示，锯齿齿形类别对应的锯齿参数包括齿深H、齿宽T、前角γ、后角σ、第一圆弧半径R、第二圆弧半径Rb。

其中，亮度调节、灰度化处理和边缘检测过程，均可采用常用技术手段完成，例如边缘检测可使用matlab软件自带的canny算法，也可以使用其他软件提供的类似方法。

如图8所示，上文所述的动态阀值计算为配合本发明装置的特定算法，具体为：

1)设定灰度化处理后的锯齿图片的灰度初始阈值TH0，根据初始阈值TH0将图像分成两部分，两部分分别为第一部分C1和第一部分C2。

2)按照下列公式计算两部分的灰度方差σ₁ ²和σ₂ ²，灰度均值μ₁和μ₂，以及总体均值μ，三类指标的计算公式如下：

式中，Ci表示锯齿图像的部分(i＝1时，C1表示第一部分，i＝2时，C2表示第二部分)，(x,y)表示属于Ci的一个像素点，f(x,y)为该像素点的像素灰度值，σ_i ²表示Ci部分的灰度方差，μ_i表示Ci部分的灰度均值，表示Ci部分的像素点总和，N_image表示整张锯齿图片的像素点总和。m和n表示将整张锯齿图片分为m行n列的数组，i和j表示从m行n列抽取的第i行第j列，f(i,j)表示第i行第j列像素点的灰度值。

3)按下列公式算两部分在图像中的分布概率，第一部分C1在图像中的分布概率为第一概率值P₁，第二部分C2在图像中的分布概率为第二概率值P₂：

式中，N_C1表示C1第一部分的像素点总和，N_C2表示C2第二部分的像素点总和。

4)计算类间方差σ_b ²和类内方差σ_in ²，并进而计算两者比值S

σ_b ²＝P₁×(μ₁-μ)²+P₂×(μ₂-μ)²

σ_in ²＝P₁σ₁ ²+P₂σ₂ ²

5)迭代计算：由上述公式可知，每个阀值TH都求得对应的一个S值；从初始阀值TH0开始，不断地迭代计算阀值TH(即TH为动态阀值)，并持续观察S值，当S值最大时对应的阀值TH最为最佳阀值，并依据最佳阀值进行下一步边缘检测以得到锯齿轮廓。

实际操作过程中，圆锯片是否处于水平状态将直接影响到锯齿参数的检测精度。因为如果圆锯片不处于水平状态，工业相机拍摄到的锯齿照片将是倾斜的，因而构成锯齿的各个线条将有不同比例的伸缩，最终导致检测出来的锯齿前角、后角、齿深、齿宽等参数存在误差。极端情况下，如果圆锯片严重偏离水平(即圆锯片接近于竖直)，将无法检测锯齿参数。因此本发明的装置可以自动调节圆锯片的水平位姿，确保圆锯片始终处于水平状态，有效避免了装夹误差引起的锯齿参数测量误差，同时也提高了装夹效率。另外，本发明装置对锯齿参数的检测，不会伤害圆锯片的平面度与表面质量。

综上所述，本发明装置可通过图像拍摄与图像处理的非接触方式，全自动地完成锯齿参数的检测，对工人的经验要求极低，且测量精确、快速，适用于圆锯片生产厂商或圆锯片使用厂商对圆锯片实施流水线的批量检测，解决目前行业内依靠人工目测圆锯片锯齿参数导致的测量精度不高，效率低的技术问题。

Claims (5)

1.一种基于图像的圆锯片锯齿参数检测装置，其特征在于：包括基座(1)、工业相机(3)、旋转调节组件和水平位姿检测组件，旋转调节组件安装在基座(1)的中心，待检测的圆锯片(2)水平安装在旋转调节组件上并由旋转调节组件带动旋转，水平位姿检测组件位于旋转调节组件的上方并且正对圆锯片(2)的上表面平面，工业相机(3)固定在旋转调节组件一侧的基座(1)上，工业相机(3)的镜头垂直向下朝向圆锯片(2)的锯齿处布置。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像的圆锯片锯齿参数检测装置，其特征在于：所述的旋转调节组件包括驱动电机(7)、轴承(9)、旋转底座(10)、联轴器(11)、锯片底座(12)、锯片垫块(13)和电缸组(14)，基座(1)的中心开有通孔，轴承(9)套装在通孔内，轴承(9)的外圈与通孔的内壁面固定连接，轴承(9)的内圈与旋转底座(10)的外周面固定连接，旋转底座(10)的中心开有用于驱动电机(7)的电机轴穿过的中心孔，驱动电机(7)固定安装在基座(1)的下表面，驱动电机(7)的电机轴垂直向上穿过旋转底座(10)的中心孔后与通过联轴器(11)连接在旋转底座(10)的下表面，使得水平布置的旋转底座(10)和锯片底座(12)之间通过竖直布置的联轴器(11)连接；

锯片底座(12)与旋转底座(10)之间还安装有电缸组(14)，多个电缸沿旋转底座(10)上表面的周向间隔设置构成电缸组(14)，每个电缸的缸体固定在旋转底座(10)上表面，每个电缸的缸杆的端部固定连接在锯片底座(12)的下表面，每个电缸的缸杆伸出使对应连接侧的锯片底座(12)抬高；

锯片底座(12)的上表面同轴固定连接有用于圆锯片(2)的中心通孔穿过的圆柱凸块，圆锯片(2)通过圆柱凸块安装到锯片底座(12)上并通过锯片垫块(13)进行固定，圆柱凸块的外周面设有与锯片垫块(13)配合装配的外螺纹，锯片垫块(13)的内周面设有内螺纹，锯片垫块(13)与圆柱凸块螺纹连接，使得圆锯片(2)在锯片垫块(13)的作用下固定在锯片底座(12)上，驱动电机(7)的电机轴旋转进而驱动联轴器(11)、旋转底座(10)、电缸组(14)、锯片底座(12)、圆锯片(2)、锯片垫块(13)同步旋转，通过调节每个电缸的缸杆的伸出量来改变锯片底座(12)的水平位姿，进而调节固定在锯片底座(12)上的圆锯片(2)的水平位姿。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像的圆锯片锯齿参数检测装置，其特征在于：所述的水平位姿检测组件包括丝杆组(4)、丝杆脱扣(5)和激光传感器(6)，丝杆组(4)主要由位于同一水平直线上的两个丝杆组成，两个丝杆相互靠近的一端通过丝杆脱扣(5)连接，两个丝杆相互远离的一端分别通过一个竖直的固定柱安装在基座(1)的上方，每个丝杆上套装有一个滑块，每个滑块与对应的丝杆构成丝杠螺母副，两个激光传感器(6)分别固定连接在一个滑块上，两个丝杆的螺纹旋向相反，两个丝杆同时旋转使得两个激光传感器(6)相互靠近或者远离。

4.根据权利要求3所述的一种基于图像的圆锯片锯齿参数检测装置，其特征在于：所述的丝杆脱扣(5)轴向的两端分别开有盲孔，两个丝杆分别安装到丝杆脱扣(5)的两个盲孔中，使得两个丝杆的旋转运动互不干涉。

5.根据权利要求2所述的一种基于图像的圆锯片锯齿参数检测装置，其特征在于：所述的驱动电机(7)的电机轴垂直向上穿过旋转底座(10)的中心孔后与联轴器(11)连接，联轴器(11)竖直安装在电机轴穿出中心孔的上部，联轴器(11)的下端固定连接在旋转底座(10)的下表面，联轴器(11)的上端固定连接在锯片底座(12)的下表面，使得联轴器(11)位于锯片底座(12)的下表面与旋转底座(10)的上表面之间。