CN211086121U - 一种刀具三维刃口崩缺检测装置用光学成像模块 - Google Patents

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任志聪
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唐伟浩
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Abstract

本实用新型提供了一种刀具三维刃口崩缺检测装置用光学成像模块，包括半球形积分光源、相机、检测台和PLC控制器，半球形积分光源的内壁设有多个LED灯；相机位于半球形积分光源的正上方；检测台用来放置待检测刀具，所述刀具放置在半球形积分光源的正下方，所述检测台上安装有立柱，所述相机安装在立柱上；所述PLC控制器与多个LED灯电连接，PLC控制器形成LED灯亮/灭的触发信号；PLC控制器还控制相机工作。本实用新型半球形积分光源下的光为非直射光，具有更强的空间非相干性，能有效减少金属表面的反光以及散斑噪声，且能映射出更多细节的纹理特征，为最终的刀具三维高精度还原提供高精度原始数据基础。

Description

一种刀具三维刃口崩缺检测装置用光学成像模块
技术领域
本实用新型涉及刀具检测领域，尤其涉及一种刀具三维刃口崩缺检测装置用光学成像模块。
背景技术
机夹式可转位车刀是现今的数控车床中普遍采用的一种刀具。机夹刀片在生产和使用过程中不可避免地会产生一些轻微的崩缺，这些崩缺不容易发现但是会影响切削作业的效率和质量，严重时可能会损坏机床甚至造成人员伤亡。
目前多采用工作人员肉眼观察的方式对刀具的崩缺进行检测，一方面会耗费一部分劳动力，另一方面人眼的辨别能力有限，漏检的情况常常发生。
有鉴于此，有必要对现有的刀具检测予以改进，以解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种刀具三维刃口崩缺检测装置用光学成像模块，以对三维刃口崩缺进行自动化检测，减少工厂人力成本。
实现本实用新型目的的技术方案如下：
一种刀具三维刃口崩缺检测装置用光学成像模块，包括：
半球形积分光源，其内壁设有多个LED灯；
相机，位于半球形积分光源的正上方；
用来放置待检测刀具的检测台，所述刀具放置在半球形积分光源的正下方，所述检测台上安装有立柱，所述相机安装在立柱上；
PLC控制器，所述PLC控制器与多个LED灯电连接，PLC控制器形成LED灯亮/灭的触发信号；
PLC控制器还控制相机工作。
作为本实用新型的进一步改进，所述相机与处理模块电连接，所述相机将拍摄到的图像传输给处理模块。
作为本实用新型的进一步改进，所述PLC控制器逐一控制每个LED灯亮/灭，每打开一个LED灯相机拍摄一张图像。
作为本实用新型的进一步改进，所述待检测刀具距离半球形积分光源底部约1厘米，所述半球形积分光源距离相机的镜头底部10～20厘米。
作为本实用新型的进一步改进，所述相机的镜头为大景深可调光圈镜头。
本实用新型要求采集图像的聚焦深度范围较大，由此捕捉更大深度范围内的细节信息，光圈可调有利于平衡进光量和景深大小，达到最佳的图像采集效果，因此采用该类镜头。镜头选型日本VST(VS Technology Corporation,VS科技公司)远心镜头，型号为VS-TCM1-130/S DS1。
作为本实用新型的进一步改进，所述半球形积分光源包括积分球和多个LED灯，多个LED灯绕球心均匀嵌设在积分球的底面圆边上，多个LED灯的高度一致。
本实用新型的多个LED灯均匀嵌设在积分球底面圆边上，半球形积分光源的外壳为不锈钢材质，白色漫反射层由氧化铝喷涂，积分球半径约4.8厘米。积分球由空心半球体和底面圆环组成，空心半球体的大端朝下，小端朝上，空心半球体的小端切削形成一环形平台，环形平台作为空心半球体的顶面，空心半球体的大端具有一环形台，环形台和环形平台均为空心半球体的壁厚。底面圆环位于空心半球体的内腔并与空心半球体的内壁固定连接。底面圆环的环底与环形台平齐，多个LED灯均匀设置在底面圆环的环顶。底面圆环的高度远小于空心半球体的高度。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型半球形积分光源下的光为非直射光，具有更强的空间非相干性，能有效减少金属表面的反光以及散斑噪声，且能映射出更多细节的纹理特征，为最终的刀具三维高精度还原提供高精度原始数据基础。
附图说明
图1为光学成像模块的结构示意图。
图中，1、车刀；2、半球形积分光源；3、镜头；4、相机；5、检测台。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。
在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
实施例1：
本实施例公开了一种刀具三维刃口崩缺检测装置用光学成像模块，包括半球形积分光源、相机、检测台和PLC控制器，半球形积分光源的内壁设有多个LED灯；相机位于半球形积分光源的正上方；检测台用来放置待检测刀具，刀具放置在半球形积分光源的正下方，检测台上安装有立柱，相机安装在立柱上；PLC控制器与多个LED灯电连接，PLC控制器形成LED灯亮/灭的触发信号；PLC控制器还控制相机工作。
相机与处理模块电连接，相机将拍摄到的图像传输给处理模块。PLC控制器逐一控制每个LED灯亮/灭，每打开一个LED灯相机拍摄一张图像。待检测刀具距离半球形积分光源底部约1厘米，半球形积分光源距离相机的镜头底部10～20厘米。相机的镜头为大景深可调光圈镜头。由于光学成像模块要求采集图像的聚焦深度范围较大，由此捕捉更大深度范围内的细节信息，光圈可调有利于平衡进光量和景深大小，达到最佳的图像采集效果，因此采用大景深可调光圈镜头。镜头选型日本VST(VS Technology Corporation,VS科技公司)远心镜头，型号为VS-TCM1-130/S DS1。
半球形积分光源包括积分球和多个LED灯，多个LED灯绕球心均匀嵌设在积分球内腔，多个LED灯的高度一致。多个LED灯的明暗度不同。多个LED灯的明暗度逐渐递增或逐渐递减。
本实用新型的多个LED灯均匀嵌设在积分球底面圆边上，半球形积分光源的外壳为不锈钢材质，白色漫反射层由氧化铝喷涂，积分球半径约4.8厘米。积分球由空心半球体和底面圆环组成，空心半球体的大端朝下，小端朝上，空心半球体的小端切削形成一环形平台，环形平台作为空心半球体的顶面，空心半球体的大端具有一环形台，环形台和环形平台均为空心半球体的壁厚。底面圆环位于空心半球体的内腔并与空心半球体的内壁固定连接。底面圆环的环底与环形台平齐，多个LED灯均匀设置在底面圆环的环顶。底面圆环的高度远小于空心半球体的高度。
本实用新型半球形积分光源下的光为非直射光，具有更强的空间非相干性，能有效减少金属表面的反光以及散斑噪声，且能映射出更多细节的纹理特征，为最终的刀具三维高精度还原提供高精度原始数据基础。
实施例2：
在实施例1公开方案的基础上，本实施例公开了处理模块的详细结构。
本实施例的处理模块接收N张车刀图像，在每张车刀图像中标定与本车刀图像对应的LED灯信息，获取每张车刀图像的像素灰度值，利用三维成像算法对N张车刀图像三维信息合成，获得车刀表面的三维信息，根据该三维信息提取刀具的刀刃后检测刃口崩缺情况。
处理模块处理车刀图像的过程如下：
设sl为在l光照条件下车刀在相机中成像的像素灰度值大小，三维成像算法使用的是一个非单向光非朗伯表面下的非线性光学成像模型的近似解决方案，其光学成像公式近似成一个关于车刀表面法线的非线性模型：
Figure BDA0002192348050000051
其中，sl为在l光照条件下物体在相机中成像的像素灰度值大小，T表示矩阵或向量转置，
Figure BDA0002192348050000052
是车刀在某像素点表面的法线，Al是一个3×3系数矩阵，
Figure BDA0002192348050000053
是一个3×1系数向量，cl是一个常数。
本实施例利用金属小球进行系数Al、
Figure BDA0002192348050000054
cl的标定，金属小球大小采用和待测刀具材质一致的金属，成像区域约占车刀图像的1/9，局部一致化参数后，摆放金属小球到车刀图像中的若干个点进行局部区域的参数标定，参数的标定采用传统的线性最小二乘法。标定好局部区域的参数后，利用样条插值法进行对系数的插值，由此得到车刀图像中每个像素点的光照参数。
在已知Al、
Figure BDA0002192348050000055
cl的情况下求解法线时，模型的误差函数定义为：
Figure BDA0002192348050000056
其中，Wl为l光照下成像的偏重系数，用来以像素点为单位修正一些存在阴影和自反射的光照信息，sl为非线性模型下的像素点理论灰度值，
Figure BDA0002192348050000057
是车刀在某像素点表面的法线，Il为相机成像的像素点实际灰度值。Newton-Raphson迭代法被用来求解使得
Figure BDA0002192348050000061
最小的
Figure BDA0002192348050000062
即为求得的刀具表面法向信息。为了提高迭代收敛的速度，将朗伯表面下线性化模型(传统方法结果)得到的法线作为迭代初始值。
利用三维成像算法对N张车刀图像三维信息合成，获得车刀表面的三维信息。
求得
Figure BDA0002192348050000063
后，通过最大似然估计法最小化如下损失函数
Figure BDA0002192348050000064
其中，
Figure BDA0002192348050000065
为m×n大小的灰度图像拉伸而成的mn×1的矩阵，对应的横向及纵向差分的矩阵表达形式为Dx和Dy。
Figure BDA0002192348050000066
和
Figure BDA0002192348050000067
为由法向信息提取的横向及纵向梯度信息。
Figure BDA0002192348050000068
为一单位向量，k为一常数值，避免出现最大似然下矩阵求拟出现奇异值。
Figure BDA0002192348050000069
得到
Figure BDA00021923480500000610
由此求得刀具表面的三维信息。
为了更清楚地说明本实施例的技术方案和效果，下面将通过图片展示的方式进行简单地介绍，采集的二维图像，通过不同的LED灯的明暗情况来实现多幅图像的采集。通过算法检测出来的刀具深度结果值。对刀具刃口位置的自动定位结果以及刃口崩缺的检测结果。本实施例对多个不同的样品进行了重复检测，检测结果相对稳定，检测成功率能维持在99％以上。
在实际的工作环境中，刀具样品不可避免地会发生几个像素点的偏移，本发明采用了一种基于由粗到细网格点遍历的图像对齐算法，即使在大型的图像中(上千万的像素点下)也能高速地完成任务。
通过模板匹配的方式获得机夹式可转位车刀的刀具具体摆放位置，在基础模板中标定刀具刃口的位置后，即可在匹配的模板中找到刀具的刃口位置。只提取刃口处的高度信息，利用离散小波变换对高频的崩缺信号进行提取，基于卷积神经网络的二值化分类算法判断刀具是否产生崩缺。
将有崩缺与无崩缺用1和0代替，设Sreal是刀具的实际崩缺情况，Soutput是网络实际输出的值，数据集中共有N组数据，训练目标就是使网络输出与期望的实际值尽可能一致，可定义目标函数如下：
Figure BDA0002192348050000071
利用前面的三维成像系统提取训练集刀具边缘三维信息，作为输入层输入网络，层级结构对数据进行卷积神经网络构建下的训练，训练采用的方式为随机梯度下降法(SGD)。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种刀具三维刃口崩缺检测装置用光学成像模块，其特征在于，包括：
半球形积分光源，其内壁设有多个LED灯；
相机，位于半球形积分光源的正上方，
用来放置待检测刀具的检测台，所述刀具放置在半球形积分光源的正下方，所述检测台上安装有立柱，所述相机安装在立柱上；
PLC控制器，所述PLC控制器与多个LED灯电连接，PLC控制器形成LED灯亮/灭的触发信号；
PLC控制器还控制相机工作。
2.根据权利要求1所述的刀具三维刃口崩缺检测装置用光学成像模块，其特征在于，所述PLC控制器逐一控制每个LED灯亮/灭，每打开一个LED灯相机拍摄一张图像。
3.根据权利要求1或2所述的刀具三维刃口崩缺检测装置用光学成像模块，其特征在于，所述待检测刀具距离半球形积分光源底部约1厘米，所述半球形积分光源距离相机的镜头底部10～20厘米。
4.根据权利要求3所述的刀具三维刃口崩缺检测装置用光学成像模块，其特征在于，所述相机的镜头为大景深可调光圈镜头。
5.根据权利要求1所述的刀具三维刃口崩缺检测装置用光学成像模块，其特征在于，所述半球形积分光源包括积分球和多个LED灯，多个LED灯绕球心均匀嵌设在积分球的底面圆边上，多个LED灯的高度一致。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115185142A (zh) * 2022-07-11 2022-10-14 河南省元化医疗器械有限公司 舌面象采集装置

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