數(shù)字圖像刀具測(cè)量?jī)x畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題 目 數(shù)字圖像刀具測(cè)量機(jī)設(shè)計(jì) </p><p>　　專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí) 機(jī)設(shè)XXXX </p><p>　　學(xué)

2、 生 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　二〇一二 年 六 月 十 日</p><p><b

3、>　　摘 要</b></p><p>　　數(shù)控加工過(guò)程中，提高加工效率，減少非工作時(shí)間，研制一款高效率、高精度的刀具測(cè)量系統(tǒng)是很有必要的。本文分析和比較了各種刀具測(cè)量技術(shù)，提出了利用數(shù)字圖像處理技術(shù)的刀具測(cè)量機(jī)設(shè)計(jì)方案。數(shù)字圖像刀具測(cè)量機(jī)設(shè)計(jì)包括軟件系統(tǒng)、光電系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)三大部分的設(shè)計(jì)。其中機(jī)械系統(tǒng)主要由立柱和底座構(gòu)成，采用斜輪傳動(dòng)為其傳動(dòng)，并提供快速和微調(diào)兩種運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)方式，主要是作為提

4、供CCD攝像機(jī)支撐和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；光電系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文采用CCD攝像機(jī)采集刀具圖像，選用了光學(xué)照明系統(tǒng)、圖像采集卡等輔助系統(tǒng)；軟件部分則進(jìn)行刀具圖像最后的處理，也是作為人機(jī)對(duì)話(huà)的平臺(tái)。本文最后分析了在刀具參數(shù)測(cè)量過(guò)程中可能存在的誤差影響因素，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方案。通過(guò)對(duì)刀具測(cè)量機(jī)的研究，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀具機(jī)外非接觸測(cè)量，對(duì)于檢測(cè)刀具磨損狀態(tài)并建立刀具參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)具有一定的作用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：刀具測(cè)

5、量；圖像處理；CCD攝像機(jī)；亞像素；斜輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The number is controling to process, raise to process an efficiency, reduce a non- working time, develop a style of knife o

6、f high-efficiency and high accuracy to have to measure system is have much of necessary. This text analysis and comparison various knife have a diagraph technique and put forward to make use of a number picture to handle

7、 technical knife to have to measure a machine design project. The number picture knife has to measure a machine design to include software system, optoelectr</p><p>　　Key words： Tool measurement; Image proce

8、ssing; CCD camera; Subpixel Helical, wheel drive mechanism;</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要………………………………………………………………..…….….……………….I</p><p>　　ABSTRACT……………………………………..……

9、.……………………..…………….II</p><p>　　一 前言……….……………………… ………………………………….….……………..1</p><p>　　1世界刀具測(cè)量機(jī)的研究現(xiàn)狀....................................………….………….………..1</p><p>　　2我國(guó)國(guó)內(nèi)數(shù)字圖像測(cè)量機(jī)研究現(xiàn)狀………………….…

10、 ….……………….…….2</p><p>　　3.數(shù)字圖像處理刀具測(cè)量機(jī)的用途和意義.........…………………… .…....……….2</p><p>　　4. 數(shù)字圖像測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容...….....…..….……….………….…….….3</p><p>　　二 數(shù)字圖像測(cè)量機(jī)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)...……..….………………….…..….………….

11、4</p><p>　　1.設(shè)計(jì)參數(shù)…………………………………………………………………………..4</p><p>　　2.外形主體的設(shè)計(jì)……………………….....….………………...………………..5</p><p>　　2.1立柱的設(shè)計(jì)…………………………….…………………………………...5</p><p>　　2.2底座的設(shè)計(jì)……

12、……………………….………….…………..……………...6</p><p>　　2.3動(dòng)力設(shè)計(jì)………………………………….………………………………...6</p><p>　　2.4斜輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)………………………….……….…………………………...7</p><p>　　三 數(shù)字圖像測(cè)量機(jī)圖像捕捉部分的設(shè)計(jì)…………...…………………..……..………...9&

13、lt;/p><p>　　1光源………………………………….………….…………………………...9</p><p>　　2 CCD攝像機(jī)…………………………………….…………………………...9</p><p>　　3圖像采集卡………………………………………………………………...10</p><p>　　四 軟件系統(tǒng)………………………………………

14、.…………….…...…………………...11</p><p>　　五 刀具數(shù)字圖像處理技術(shù)...........……..……………….…………….…..….…………12</p><p>　　1數(shù)字化圖像簡(jiǎn)介…………………………….………………....…………………12</p><p>　　2刀具圖像預(yù)處理…………………………………………………...………………..

15、 12</p><p>　　3圖像參數(shù)測(cè)量…………………………………………………...…...………………..17</p><p>　　六 誤差的分析與減少...........…..….…………………………….…..….………….21</p><p>　　1機(jī)械系統(tǒng)誤差…………………………………….......………………..21</p><p

16、>　　2光電系統(tǒng)誤差…………...………………………………………………………..22</p><p>　　3軟件誤差………...………………………………………………………………..23</p><p>　　七 結(jié)論......................……….………….……………………..….……...…..….………...24</p><p>　　參考

17、文獻(xiàn)......................…………….…………………..….…..……………….………….25</p><p>　　致謝......................………………….……………………..…….…………...…………….26</p><p><b>　　一 前言</b></p><p>　　現(xiàn)在數(shù)控加工技術(shù)已

18、經(jīng)達(dá)到微米級(jí)，這就使得對(duì)刀具的精度越來(lái)越高。在數(shù)控加工過(guò)程中，我們就需要將所用的刀具的尺寸參數(shù)，例如刀具的長(zhǎng)度、直徑等。輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，從而降低機(jī)床撞刀的可能，降低工件的廢品率，提高機(jī)床的加工速率和精度。傳統(tǒng)的道具測(cè)量方式有測(cè)量有試切法、投影法和線陣CCD測(cè)量法，但這些測(cè)量方法都存在著效率低、可靠性差的缺點(diǎn)。為了滿(mǎn)足數(shù)控加工的需要，需要研制精度高且效率高的刀具測(cè)量系統(tǒng)。</p><p>　　世界刀具測(cè)量機(jī)的研究

19、現(xiàn)狀</p><p>　　國(guó)外很多國(guó)家，特別是德國(guó)，擁有多種不同的基于圖像處理的計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)的刀具測(cè)量產(chǎn)品。這些基于圖像處理技術(shù)的刀具測(cè)量機(jī)大部分是通過(guò)CCD攝像機(jī)采集刀具圖像送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，這種處理方法不但能迅速進(jìn)行瞄準(zhǔn)測(cè)量，而且還能形成相應(yīng)的刀具信息庫(kù)從而便于對(duì)刀具進(jìn)行管理。在制造方面，這些機(jī)器也采用了很多先進(jìn)的制造加工技術(shù)，如采用鑄鐵機(jī)體，其剛性好，穩(wěn)定性好，能夠降低刀具測(cè)量誤差提高精度。圖1.1是德

20、國(guó)ZOLLER公司的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，其優(yōu)點(diǎn)是快捷，精確可靠。刀具的加緊和分開(kāi)是通過(guò)操作按鍵實(shí)現(xiàn)，操作界的面圖形化以及刀具測(cè)量程序的專(zhuān)用化都使的測(cè)量軟件易學(xué)易用。ZOLLER的產(chǎn)品采用CCD數(shù)字?jǐn)z像以及Saturn影響處理技術(shù)可自動(dòng)識(shí)別刀具切削刃的形狀和位置，當(dāng)被測(cè)刀具的切削刃進(jìn)入攝像區(qū)域，切削刃的幾何參數(shù)例如長(zhǎng)度和半徑即等立刻就被自動(dòng)測(cè)量出。該機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)微米級(jí)的測(cè)量精度，同時(shí)可以減小人為誤差。圖1.2是德國(guó)凱獅公司生產(chǎn)的KALIMAT系列的

21、其中一款刀具測(cè)量機(jī)?？梢詽M(mǎn)足最高標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量要求，采用模塊式高精度主軸，其拉緊方式與普通機(jī)床相同，可安裝各種不同型號(hào)的高精度模塊式轉(zhuǎn)換套，是目前世界上最先進(jìn)的刀具測(cè)量?jī)x。</p><p>　　圖1.1 德國(guó)ZOLLER公司產(chǎn)品 圖1.2 德國(guó)凱獅KALIMAT系列刀調(diào)儀</p><p>　　2我國(guó)國(guó)內(nèi)數(shù)字圖像測(cè)量機(jī)研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前我國(guó)正

22、在快速引進(jìn)刀具測(cè)量系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)，我國(guó)大部分的刀具測(cè)量技術(shù)仍然停留在機(jī)械光學(xué)投影式，這種測(cè)量方法主要是依靠人眼通過(guò)影屏將刀具放大后進(jìn)行瞄準(zhǔn)測(cè)量，例如天津的DTJⅡ1540型刀具測(cè)量測(cè)量?jī)x(圖1.3)，其在使用時(shí)將刀尖輪廓成像到固定的投影屏上，利用光學(xué)投影屏的十字線對(duì)刀具進(jìn)行瞄準(zhǔn)，從而完成刀具在機(jī)床坐標(biāo)系中X、Y向兩極值點(diǎn)的測(cè)量。這樣依靠人眼的測(cè)量會(huì)帶來(lái)人為誤差，而且測(cè)量的效率不高，同時(shí)刀具測(cè)量的數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過(guò)人工整理后才能形成刀具庫(kù)信息

23、，因此光學(xué)投影式瞄準(zhǔn)的刀具預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x系統(tǒng)已不能適應(yīng)目前高速發(fā)展的數(shù)控機(jī)床及數(shù)控加工中心的測(cè)量要求。</p><p>　　圖1.3 天津的DTJⅡ1540型刀具預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x</p><p>　　綜上所述，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于刀具測(cè)量?jī)x的研究與國(guó)外還有一定的差距，國(guó)外的先進(jìn)不僅在于它利用了數(shù)據(jù)圖像識(shí)別技術(shù)，將刀具輪廓通過(guò)攝像機(jī)直接成像并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)形式，利用計(jì)算機(jī)直接識(shí)別處理，消除了人為的主觀誤差，而且

24、測(cè)量結(jié)果還可以不需要人為整理就可以直接形成刀具庫(kù)信息，測(cè)量效率大大地提高。國(guó)內(nèi)的測(cè)量技術(shù)不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于此，而且對(duì)于此類(lèi)的技術(shù)的研究也比較少?；诖?，本文將對(duì)數(shù)字圖像刀具測(cè)量機(jī)進(jìn)入相對(duì)深入的研究。 </p><p>　　3. 數(shù)字圖像處理刀具測(cè)量機(jī)的用途和意義</p><p>　　先進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展，測(cè)量技術(shù)也應(yīng)該適應(yīng)這種發(fā)展速度，精密測(cè)試技術(shù)在機(jī)械科學(xué)中的作用是為先進(jìn)制造技術(shù)服務(wù)，負(fù)責(zé)工件

25、的質(zhì)量技術(shù)的保證。刀具測(cè)量?jī)x的研究開(kāi)發(fā)正是基于先進(jìn)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　光電系統(tǒng)能充分發(fā)揮光學(xué)與電子兩方面技術(shù)的優(yōu)越性，因此在生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)監(jiān)控、圖像分析、信息處理傳輸、能源利用等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來(lái)越重要?，F(xiàn)代化的生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)迫切要求開(kāi)發(fā)更多的光、機(jī)、點(diǎn)、算一體化的非接觸測(cè)量?jī)x器和設(shè)備。數(shù)字圖像刀具測(cè)量技術(shù)就是一種先進(jìn)的非接觸測(cè)量技術(shù)。通過(guò)攝取被測(cè)目標(biāo)的圖像，利用數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)行分析，從而

26、得到被測(cè)刀具的結(jié)構(gòu)尺寸。在刀具測(cè)量過(guò)程中，利用圖像測(cè)量技術(shù)，通過(guò)選取高精度的攝像系統(tǒng)，并采取先進(jìn)的圖像處理方法，可以對(duì)刀具進(jìn)行高精度測(cè)量，避免人為的差錯(cuò)，利用圖像處理軟件還可實(shí)現(xiàn)刀具測(cè)量的自動(dòng)化，大大減少了刀具測(cè)量的時(shí)間，從而提高了測(cè)量效率和加工效率。</p><p>　　綜上所述，數(shù)字圖像刀具測(cè)量機(jī)具有良好的應(yīng)用前景，研制該系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　4. 數(shù)字圖像

27、測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容 </p><p>　　這個(gè)課題的研究目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工中心的刀具幾何參數(shù)如長(zhǎng)度、直徑等的機(jī)外非接觸自動(dòng)測(cè)量，并將數(shù)據(jù)形成刀具庫(kù)信息反饋給機(jī)床的控制系統(tǒng)，從而使機(jī)床進(jìn)行精確對(duì)刀。在這個(gè)課題中我將研究下面四個(gè)主要內(nèi)容：</p><p>　　（1）確定數(shù)字圖像刀具測(cè)量機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案，例如系統(tǒng)整體架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)等方案。</p><p>　?。?）斜齒

28、輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）確定數(shù)字圖像處理的算法，包括圖像預(yù)處理、參數(shù)測(cè)量等。 </p><p>　?。?）確定測(cè)量系統(tǒng)存在的誤差源，并從理論上對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果的精度進(jìn)行分析找到并解決減小誤差的方法。</p><p>　　二 數(shù)字圖像測(cè)量機(jī)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)參數(shù)</p><p>　　這章根據(jù)數(shù)字圖像刀具測(cè)量

29、機(jī)系統(tǒng)的各部分組成、作用的情況，將數(shù)字圖像測(cè)量機(jī)系統(tǒng)劃分成三大部分：機(jī)械系統(tǒng)，光電系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。并依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)的原理對(duì)這三個(gè)組成部分進(jìn)行具體分析和設(shè)計(jì)。</p><p>　　數(shù)字圖像測(cè)量機(jī)的測(cè)量原理是：由CCD攝像機(jī)收集刀具圖像，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，再通過(guò)圖像采集卡把數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，在通過(guò)專(zhuān)門(mén)的軟件，再由計(jì)算機(jī)對(duì)被測(cè)刀具圖像進(jìn)行處理，最終確定刀具參數(shù)，并顯示在屏幕上。</p><p

30、><b>　　1.設(shè)計(jì)參數(shù)</b></p><p>　　1.1 總體外形參數(shù)</p><p>　　X×Z為350mm×400mm行程內(nèi)，并且非接觸的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控加工中心中的刀具的長(zhǎng)度、半徑以及角度等幾何參數(shù)的測(cè)量與反饋。測(cè)量結(jié)果要求顯示并且可以打印，測(cè)量結(jié)果的精度為±0.002mm。</p><p>&

31、lt;b>　　1.2 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　（1）刀具固定，攝像機(jī)移動(dòng)</p><p>　　采用支架固定刀具。在水平和豎直方向?qū)⒌毒吖潭?。將CCD攝像機(jī)安裝在滑塊上，通過(guò)移動(dòng)滑塊來(lái)調(diào)節(jié)攝像機(jī)的位置，從而使刀具能夠處于合適的位置，對(duì)刀具進(jìn)行圖像的采集。</p><p><b>　?。?）非接觸狀態(tài)</b><

32、/p><p>　　在非加工的狀態(tài)中，將數(shù)控加工中心的刀具從刀庫(kù)取出，并在相對(duì)靜止的狀態(tài)下對(duì)刀具進(jìn)行測(cè)量。這樣獲得測(cè)量數(shù)據(jù)有相對(duì)較高的測(cè)量精度，同時(shí)也能大大縮短測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量的效率。</p><p>　?。?）快速移動(dòng)與微調(diào)移動(dòng)</p><p>　　在這個(gè)設(shè)計(jì)中對(duì)于成像采集單元的移動(dòng)分為快速移動(dòng)和微調(diào)移動(dòng)?？焖僖苿?dòng)速度較快，用來(lái)實(shí)現(xiàn)較大距離的快速的移動(dòng)，當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)入成像

33、區(qū)域時(shí)就可以通過(guò)手輪進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)，微調(diào)目的在于尋找成像的最佳點(diǎn)，使圖像清晰化。</p><p><b>　?。?）刀具幾何參數(shù)</b></p><p>　　這個(gè)設(shè)計(jì)的所設(shè)計(jì)的刀具測(cè)量機(jī)所測(cè)量的刀具幾何參數(shù)包括刀具長(zhǎng)度和半徑以及角度等。這些參數(shù)都具有二維特性，因此可以將將這些特征放在同一個(gè)平面上對(duì)刀具進(jìn)行測(cè)量。</p><p><b>

34、　?。?）自動(dòng)測(cè)量</b></p><p>　　自動(dòng)測(cè)量需要測(cè)量系統(tǒng)具備智能，自動(dòng)測(cè)量可以避免人為的主觀的讀數(shù)造成的認(rèn)為誤差。同時(shí)自動(dòng)測(cè)量還可以選擇一個(gè)合適的測(cè)量方法用來(lái)減少人員在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中的參與，從而增加其精確性，減少人為誤差。</p><p><b>　　（6）測(cè)量誤差</b></p><p>　　這個(gè)設(shè)計(jì)中所要求的測(cè)量誤差

35、在±0.002mm。這意味著在多次測(cè)量中所有的測(cè)量結(jié)果變動(dòng)范圍在±0.002mm之內(nèi)。</p><p><b>　　2外形主體的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　機(jī)械系統(tǒng)是刀具測(cè)量機(jī)的主體，主要作用是保證成像部件的移動(dòng)，定位，固定和被測(cè)刀具的固定。這個(gè)設(shè)計(jì)中的刀具測(cè)量?jī)x是將刀具固定在夾具上而成像部件位置能夠通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)行改變。由立柱和底座組成。其三維

36、設(shè)計(jì)如下圖2.1、2.2所示：</p><p>　　圖2.1 底座三維設(shè)計(jì)模擬</p><p>　　圖2.2 立柱三維模擬</p><p><b>　　2.1立柱的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　立柱是實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)Z方向定位的部分。主要有導(dǎo)軌、光桿、斜齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、配重塊和與CCD攝像機(jī)連接的氣動(dòng)鎖緊裝置構(gòu)成。其調(diào)節(jié)方

37、式與X軸的調(diào)節(jié)方式基本相同。通過(guò)配置塊將氣動(dòng)鎖緊裝置連接起來(lái)，當(dāng)打開(kāi)去連鎖裝置就可以實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)，并可以通過(guò)進(jìn)行手輪實(shí)現(xiàn)微調(diào)。</p><p><b>　　2.2 底座的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　如圖2.1所示，底座為儀器基礎(chǔ)部分，由導(dǎo)軌、斜齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、光桿、氣動(dòng)鎖緊裝置組成。由底座的導(dǎo)軌光桿和氣動(dòng)裝置操縱X軸方向的移動(dòng)。X軸方向的移動(dòng)分為快速移動(dòng)和微調(diào)移動(dòng)

38、。按住去連鎖按鈕打開(kāi)氣缸，解除鎖住阻力，用手輪就可以實(shí)現(xiàn)X方向的快速移動(dòng)。當(dāng)需要微調(diào)時(shí)，利用快速調(diào)節(jié)手柄，利用齒輪傳動(dòng)和帶齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)光桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其X方向微調(diào)移動(dòng)。</p><p>　　2. 3 動(dòng)力的設(shè)計(jì)</p><p>　　由于氣壓傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)，因此X、Z方向移動(dòng)采用的都是氣壓傳動(dòng)裝置：</p><p>　?。?）動(dòng)作迅速，調(diào)節(jié)方便，反應(yīng)快，維護(hù)比較簡(jiǎn)單

39、，系統(tǒng)有故障時(shí)排除容易。</p><p>　?。?）空氣的粘度小，流動(dòng)時(shí)壓力損失較小，節(jié)能并且高效。</p><p>　?。?）工作介質(zhì)是空氣，空氣來(lái)源方便，使用后可直接排入大氣并且無(wú)污染，不需要專(zhuān)門(mén)的回收裝置。</p><p>　?。?）工作環(huán)境的適應(yīng)性好。適合在易燃、多塵、潮濕、易爆、強(qiáng)磁、振動(dòng)、輻射等惡劣環(huán)境下工作。</p><p>　

40、?。?）成本低，但同時(shí)具有過(guò)載保護(hù)功能。</p><p>　　氣動(dòng)設(shè)計(jì)圖如下圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3 X、Z軸氣動(dòng)設(shè)計(jì)圖</p><p>　　這個(gè)設(shè)計(jì)氣泵選擇的是靜音空氣壓縮機(jī)，他的參數(shù)如下：</p><p><b>　　表2-1 氣泵參數(shù)</b></p><p>　　2.

41、4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇設(shè)計(jì)</p><p>　　常見(jiàn)的將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有：螺桿螺母、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪頂桿機(jī)構(gòu)和齒輪齒條等。這個(gè)設(shè)計(jì)采用的是斜齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)的。</p><p>　　因?yàn)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，這個(gè)裝置要實(shí)現(xiàn)采集圖像部分快速移動(dòng)和微調(diào)移動(dòng)兩種定位結(jié)合的移動(dòng)定位方式。螺桿螺母式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)有一定的缺點(diǎn)：1、不能采用氣動(dòng)動(dòng)力。2、不利于快速移動(dòng)和微調(diào)的同

42、時(shí)設(shè)計(jì)；3、螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)需要加潤(rùn)滑油；4、螺母螺桿傳動(dòng)的加工比較困難。5、易進(jìn)入灰塵，加劇磨損，不適合精密測(cè)量的要求。而此設(shè)計(jì)不需要有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，因此可以采用斜齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。</p><p>　　斜齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種利用斜齒輪和光軸實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，不僅能能夠避免上述螺桿螺母的缺點(diǎn)并且還具有微米級(jí)移動(dòng)、過(guò)載保護(hù)。正反向微動(dòng)時(shí)無(wú)空回、無(wú)間隙，并且開(kāi)合順暢等的優(yōu)點(diǎn)。斜齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理如下：當(dāng)兩個(gè)摩

43、擦滾輪軸線形成一個(gè)角度α?xí)r，此時(shí)兩摩擦輪的相互作用力就不會(huì)是沿兩輪作用點(diǎn)處與軸線垂直的切線方向，而是成一個(gè)角度，因此會(huì)有一個(gè)沿軸線方向的分力，如圖2.4，我們利用這個(gè)分力就可以使得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　圖2.4 斜輪傳動(dòng)原理圖</p><p>　　這個(gè)設(shè)計(jì)要求既能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速移動(dòng)，又能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的微調(diào)定位，我們結(jié)合上述氣動(dòng)傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，故把斜齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與氣動(dòng)傳動(dòng)結(jié)合

44、起來(lái)(設(shè)計(jì)圖如下圖2-5所示)。當(dāng)需要快速移動(dòng)時(shí)，打開(kāi)氣閥，使氣體通入，推動(dòng)頂桿，此時(shí)就會(huì)撐開(kāi)壓緊的斜齒輪，用手即可輕松將滑塊沿光桿移動(dòng)。當(dāng)松開(kāi)氣閥，由于彈簧推力的作用，作為斜齒輪的軸承同時(shí)把光桿壓緊，此時(shí)雖然不可輕松的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，但是可以轉(zhuǎn)動(dòng)光桿，通過(guò)這個(gè)原理，六個(gè)軸承因?yàn)橛邢蛏系姆至χС郑涂墒够瑝K機(jī)構(gòu)沿著光桿直線移動(dòng)。</p><p>　　圖2.5 斜輪機(jī)構(gòu)裝配圖</p><p>　　

45、光桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),斜齒輪的軸承的移動(dòng)量與其傾斜角α和光桿的直徑的大小有關(guān)，機(jī)構(gòu)導(dǎo)程為。本設(shè)計(jì)D=10mm，傾斜角α雖然在實(shí)際加工中很難控制，但控制在±3以?xún)?nèi)。因此每轉(zhuǎn)動(dòng)手輪一周就可以將斜齒輪的所以移動(dòng)量控制住1.65mm左右，誤差很小，也就實(shí)現(xiàn)了微調(diào)的作用。</p><p>　　三 數(shù)字圖像測(cè)量機(jī)圖像捕捉部分的設(shè)計(jì)</p><p>　　光電系統(tǒng)是數(shù)字圖像刀具測(cè)量機(jī)的工作銜接單元，是實(shí)現(xiàn)

46、對(duì)刀具進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的前提。主要有成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、控制電路模塊和圖像采集卡等組成。其作用主要有:1、提供光源，為被測(cè)刀具提供較均勻的光線照明；2、獲取準(zhǔn)確的被測(cè)刀具的圖像后轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像；3、將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)傳并輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)一步處理。</p><p><b>　　1. 光源</b></p><p>　　數(shù)字圖像刀具測(cè)量機(jī)首先是需要將待測(cè)量部分通過(guò)CCD攝像機(jī)進(jìn)行成

47、像，為了提高CCD相機(jī)成像效果，就需要提供一種亮度高、比較穩(wěn)定和均勻的光源。常用的圖像檢測(cè)光源有白熾燈、鎢燈、閃光燈、氖燈、熒光燈、激光二極管、LED、石英鹵素?zé)?、鈉燈等。光源對(duì)圖像采集系統(tǒng)的所得到的圖像的質(zhì)量影響很大，有較多的要求。通過(guò)綜合比較，LED燈光源壽命長(zhǎng)且穩(wěn)定性較強(qiáng)，同時(shí)具有高速閃光能力，可以保證圖像采集系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間地獲得穩(wěn)定的光線照明。因此本設(shè)計(jì)選取LED光源。</p><p><b>

48、　　2 CCD攝像機(jī)</b></p><p>　　CCD，英文全稱(chēng)：Charge-coupled Device，中文全稱(chēng)：電荷耦合元件。可以稱(chēng)為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱(chēng)作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫(huà)面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD上有許多排列

49、整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。</p><p>　　CCD成像系統(tǒng)主要有兩種，一種是CCD攝像機(jī)，一種是CCD相機(jī)。由于CCD相機(jī)主要拍攝靜態(tài)景物，不適合實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，所以這個(gè)設(shè)計(jì)我們采用CCD攝像機(jī)。</p><p>　　CCD攝像機(jī)的原理是被攝物體的圖像經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)

50、比例的電荷，各個(gè)像素積累的電荷在控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號(hào)輸出。視頻信號(hào)連接到監(jiān)視器或電視機(jī)的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。</p><p>　　CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)攝取被測(cè)刀具的圖像，在內(nèi)部轉(zhuǎn)化為PAL制式，再通過(guò)接口和數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行連接。CCD靶面為6.70×5.18，像素752×582，實(shí)際上采集卡采集的圖像是是640×480，像元的面積為5

51、.70×4.27，光學(xué)放大為5倍，對(duì)CCD圖像的數(shù)據(jù)再進(jìn)行細(xì)分測(cè)量分辨可以達(dá)到0.213這個(gè)數(shù)量級(jí)，讀數(shù)最小單位0.1，視場(chǎng)1.139×0.855。</p><p>　　這個(gè)設(shè)計(jì)采用的是上海近鄰電子有限公司的TACHI 彩色攝像機(jī)，它的參數(shù)如下表2所示：</p><p>　　表2-2 TACHI 彩色攝像機(jī)</p><p><b>　　

52、圖像采集卡</b></p><p>　　圖像采集卡（Image Capture Card），又稱(chēng)圖像捕捉卡，是一種可以獲取數(shù)字化視頻圖像信息，并將其存儲(chǔ)和播放出來(lái)的硬件設(shè)備。很多圖像采集卡能在捕捉視頻信息的同時(shí)獲得伴音，使音頻部分和視頻部分在數(shù)字化時(shí)同步保存、同步播放。其功能是將圖像信號(hào)采集到電腦中，以數(shù)據(jù)文件的形式保存在硬盤(pán)上。圖像采集卡是實(shí)時(shí)采集與顯示圖像的銜接部分，是CCD數(shù)碼相機(jī)的視頻輸出到P

53、C微機(jī)的中轉(zhuǎn)站。在這個(gè)社計(jì)中，圖像采集卡用來(lái)接收CCD攝像機(jī)的視頻信號(hào)，將被測(cè)的刀具對(duì)刀狀態(tài)的影像傳送到計(jì)算機(jī)上，以便于計(jì)算機(jī)下一步對(duì)圖像處理和操作。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是天敏圖像采集卡，其性能指標(biāo)如下表3：</p><p>　　表2-3 圖像采集卡性能指標(biāo)</p><p><b>　　四 軟件部分</b></p>

54、<p>　　數(shù)字圖像刀具測(cè)量機(jī)的軟件部分主要具有四個(gè)功能，分別為圖像采集、圖形處理、曲線擬合和數(shù)據(jù)管理。從功能的角度來(lái)看，軟件系統(tǒng)包括輸入輸出模塊（I/O）、數(shù)據(jù)采集模塊、圖像處理及測(cè)算模塊和刀庫(kù)數(shù)據(jù)管理存儲(chǔ)四個(gè)功能模塊：。</p><p>　　圖4.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　系統(tǒng)軟件部分主要完成以下功能：</p><p>　　（1）圖像

55、采集功能：通過(guò)USB接口，控制將CCD攝像機(jī)所拍攝的圖像所采集的數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)上。</p><p>　?。?）圖像預(yù)處理功能：將采集到的圖像進(jìn)行濾波、灰度化處理和圖像分割預(yù)處理。</p><p>　　（3）邊緣輪廓提?。豪脠D像的灰度直方圖分布計(jì)算得到該圖像灰度的閾值，再根據(jù)閾值將圖像二值化，再根據(jù)二值化形成銳化圖像，然后逐列、行驚醒掃描，搜索圖像的邊緣，最終獲得圖像的邊緣的曲線。<

56、;/p><p>　?。?）輪廓特征點(diǎn)識(shí)別：控制計(jì)算機(jī)識(shí)別出被測(cè)刀具圖像存在的角點(diǎn)、圓弧段、切點(diǎn)和直線段等。</p><p>　?。?）控制計(jì)算機(jī)經(jīng)圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行打印和存儲(chǔ)功能。</p><p>　　五 數(shù)字圖像處理技術(shù)</p><p>　　刀具測(cè)量機(jī)的最重要的部分就是圖像處理技術(shù)，通過(guò)圖像處理，將CCD攝像機(jī)所拍攝的刀具圖像轉(zhuǎn)化的數(shù)字圖像中的刀具

57、的參數(shù)提取出來(lái)，最終得到刀具的數(shù)據(jù)。圖像處理技術(shù)分為兩類(lèi)：模擬圖像處理和數(shù)字圖像處理。其中模擬圖像處理分為光學(xué)處理和電子處理，像照相、遙感圖像處理、電視信號(hào)的處理等是模擬圖像處理。其優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)時(shí)處理，處理速度快，速度甚至達(dá)到光速，但是模擬圖像處理的精確度差，很難對(duì)非線性圖像進(jìn)行處理。數(shù)字圖像處理技術(shù)則恰恰相反，是利用計(jì)算機(jī)軟件的處理和實(shí)時(shí)的硬件數(shù)據(jù)的傳遞，精度高，并且可進(jìn)行復(fù)雜的非線性處理，所以在這個(gè)測(cè)量刀具儀中我們選擇數(shù)字圖像處理技術(shù)

58、。</p><p><b>　　數(shù)字化圖像簡(jiǎn)介 </b></p><p>　　計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字而無(wú)法直接處理圖像，因此我們要把這些圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，這這些轉(zhuǎn)化后的圖像就是數(shù)字圖像。在轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像時(shí)，我們定義把每個(gè)像素由位置和灰度作為兩個(gè)屬性，其中位置用坐標(biāo)系表示，灰度則由像素的表示亮暗程度數(shù)字表示。因此數(shù)字圖像就是用坐標(biāo)和表示亮暗程度的數(shù)字組成的。</p&

59、gt;<p><b>　　刀具圖像預(yù)處理</b></p><p>　　，減少噪聲同時(shí)將CCD相機(jī)的彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像和進(jìn)行圖像的二值化處理等稱(chēng)為圖像的預(yù)處理。攝像機(jī)拍攝的刀具圖像，會(huì)因?yàn)槭艿酵饨绲母蓴_，例如受到光線不均勻、刀具表面污染等因素的影響，刀具的圖像會(huì)不很清晰，總大誤差，圖像的預(yù)處理就變得必要了。</p><p><b>　　2.1

60、 圖像灰度化</b></p><p>　　彩色圖像是由紅、綠和藍(lán)組成，但是灰度圖像僅能顯示256色灰度級(jí)，因此在圖像灰度化處理時(shí)候，我們首先要把它轉(zhuǎn)化為256位的色圖，軟件系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)處理方法分為三種：（1）最大值法，就是選擇R、G、B三個(gè)值中最大的一個(gè)作為灰度值。因此這種方法形成的灰度圖像亮度會(huì)很高。（2）平均值法，就是把R、G、B三個(gè)值的平均值作為灰度值，因此這鐘方法會(huì)形成比較柔和的灰度圖像。（

61、3）加權(quán)平均值法，我們知道人眼對(duì)各個(gè)不同的顏色的敏感程度是不同，看紅、藍(lán)、綠等顏色的感覺(jué)也不同，這樣我們就可以賦予各種顏色不同的權(quán)值，利用加權(quán)平均的方法來(lái)求得灰度值，即。通過(guò)查閱相關(guān)資料而藍(lán)色最弱，，賦予=0.3，=0.59,效果最好。</p><p><b>　　圖像邊緣檢測(cè)</b></p><p>　　灰度值不連續(xù)造成邊緣，因此圖像的邊緣信息在頻域中表現(xiàn)為高頻分量

62、，邊緣檢測(cè)的過(guò)程實(shí)際上就是一個(gè)高頻增強(qiáng)的過(guò)程。我們?cè)趯ふ疫吘壍臅r(shí)候，可以根據(jù)這種灰度不連續(xù)這一特征，利用一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)來(lái)檢測(cè)邊緣。邊緣的種類(lèi)可以分為以下兩種：第一種是階躍邊緣，邊緣線相鄰兩邊像素灰度值有很明顯的不同，二是屋頂狀邊緣，這種邊緣出于灰度值從增加到減少變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如下圖7所示，前免得兩列就是階躍邊緣，后面兩列是屋頂狀邊緣。我們可以利用一階導(dǎo)數(shù)的幅度值來(lái)檢測(cè)邊緣，一階導(dǎo)數(shù)圖形的處即是此處為邊緣，二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)來(lái)檢測(cè)邊緣位置

63、。二階導(dǎo)數(shù)的數(shù)值還可以表示灰度的突變類(lèi)型。二階導(dǎo)數(shù)達(dá)到局部最小值，則該處為屋頂狀邊緣點(diǎn)。若在像素點(diǎn)上發(fā)生零交叉，則為階躍邊緣點(diǎn)。</p><p>　　但是很多情況下，只利用一階導(dǎo)數(shù)可能找不到邊緣。例如在灰度變化均勻的圖像中，此時(shí)我們可以利用二階導(dǎo)數(shù)來(lái)尋找邊緣信息。但是又存在噪聲，三階及三階以上的導(dǎo)數(shù)就沒(méi)法運(yùn)用了，因此在實(shí)際的應(yīng)用中，只會(huì)利用到一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)。利用二階導(dǎo)數(shù)同樣也會(huì)對(duì)噪聲敏感，在利用二階微分前，需

64、要先對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波，消除絕大部分噪聲。</p><p>　?。╝）階 躍邊緣 （b）屋頂邊緣</p><p>　　圖5.1 兩種常見(jiàn)的邊緣和一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)</p><p><b>　　3.1 圖像分割</b></p><p>　　圖像分割就是把刀具圖像分成許多合適的區(qū)域。到目前

65、為止分割圖像的方法只依靠圖像信息中的部分特征，像是灰度差別、彩色差別、局部紋理差別等。依靠這些特征將圖像分成不同的目標(biāo)物體，叫做感興趣區(qū)。用各種特分割出的感興趣區(qū)不是像同的。因此針對(duì)不同圖像特征的分割方案，就會(huì)表現(xiàn)出不同的效果，所以每一種分割方案都有一定的缺陷，我們根據(jù)我們需求到達(dá)程度來(lái)選擇不同的分割方案。此次設(shè)計(jì)采用基于直方圖的最佳門(mén)限圖像分割。</p><p>　　灰度的直方圖反應(yīng)的是在一幅數(shù)字圖像中的灰度級(jí)

66、和出現(xiàn)這種灰度分布的概率的一種合成圖形，它反應(yīng)的是圖像灰度分布特性。如下圖實(shí)例，刀具與其直方圖分布圖形：</p><p>　　圖5.2 刀具原始圖像</p><p><b>　　圖5.3直方圖分布</b></p><p>　　如圖5.3所示，橫坐標(biāo)為灰度值V，縱坐標(biāo)是對(duì)應(yīng)的灰度值的像素?cái)?shù)量。</p><p><b&

67、gt;　　即： </b></p><p>　　通過(guò)一副直方圖，我們就可以看出一幅圖像的質(zhì)量好壞，亮暗分明圖像的直方圖應(yīng)該是一條雙峰曲線。如果因?yàn)閳D像曝光過(guò)度，則該圖像的直方圖會(huì)只有一個(gè)峰值，并且灰度級(jí)處于較高處。如果曝光不足，就會(huì)出現(xiàn)只有一個(gè)峰值且位于灰度級(jí)較低處則將直方圖的谷點(diǎn)的灰度作為門(mén)限T，按如下處理可得到二值圖像:</p><p>　　非 二值化得分割，仍以上例討論，將

68、直方圖分為兩部分，構(gòu)成兩幅圖像</p><p>　　為了更精確地找到圖像中的物體邊緣，首先把圖像分成幾個(gè)只有物體和背景、單純的物體和單純的物體三類(lèi)區(qū)域。只有單純的物體和單純的背景圖像則是單峰直方圖，而背景與物體都有的圖像的直方圖則是雙峰直方圖。有雙峰的則采用最佳門(mén)限法來(lái)區(qū)分物體和背景。</p><p>　　上例刀具運(yùn)用直方圖的最佳門(mén)限分割方式得到圖像如下：</p><p

69、>　　圖5.4 基于直方圖最佳門(mén)限分割</p><p><b>　　3.2 輪廓提取</b></p><p>　　輪廓的提取需要進(jìn)行圖像輪廓，用邊緣點(diǎn)的順序作為存儲(chǔ)邊緣點(diǎn)的數(shù)據(jù)的順序。，直線段和圓弧段組成刀具的輪廓，為了測(cè)量圓弧和直線段的長(zhǎng)度和角度的幾何參數(shù)以及其半徑和角度幾何參數(shù)，并進(jìn)一步識(shí)別輪廓，圖像處理時(shí)需要搜索輪廓的角度和切點(diǎn)等特征點(diǎn)。 </p&g

70、t;<p>　　刀具圖像輪廓跟蹤的原理是從刀具梯度圖中的一個(gè)邊緣點(diǎn)開(kāi)始，依次搜索并連接相鄰的邊緣點(diǎn)，然后逐步地檢測(cè)出邊界，我們規(guī)定順時(shí)針為檢測(cè)邊緣的正方向。噪聲也會(huì)存在于輪廓提取的過(guò)程，所以所得到的是包涵噪聲的單像素相互連通的輪廓。由于刀具所占的區(qū)域較大，而噪聲所包含的區(qū)域很小，我們就可提取最長(zhǎng)的線用來(lái)作為刀具的輪廓線。</p><p>　　以上面的刀具為例，將可以得到初步輪廓提取如圖5.5所示，然

71、后進(jìn)行再去噪處理得圖5.6所示：</p><p>　　圖5.5 初步輪廓提取</p><p>　　圖5.6輪廓去噪處理</p><p>　　特征點(diǎn)的提取對(duì)圖像描述和建模有著重要的影響，它包涵了很多圖像信息，是識(shí)別曲線的重要依據(jù)。輪廓的拐點(diǎn)就是輪廓直線與直線之間的分界點(diǎn)，輪廓切點(diǎn)是曲線與直線的分界點(diǎn)。通用的提取方法是采用最小二乘法提取特征點(diǎn)。</p>&

72、lt;p><b>　　拐點(diǎn)的提取如下：</b></p><p>　　1、設(shè) 拐角點(diǎn)區(qū)域大小為n，在區(qū)域中的點(diǎn)處，并且取 及其左邊共m+1點(diǎn)擬合曲線，計(jì)算其左斜率，同理取及其右邊共 m+1點(diǎn)擬合曲線，計(jì)算其右斜率；</p><p>　　2、計(jì)算n區(qū)域中全部點(diǎn)的左右斜率，就會(huì)得到序列，。 （k=1，…,n）， 再計(jì)算左右斜率差分值，得到差分值最大處的p點(diǎn)即為角點(diǎn)。&

73、lt;/p><p>　　確定切點(diǎn)的方法如下：</p><p>　　1、利用最小二乘法擬合出切點(diǎn)區(qū)域附近的曲線；</p><p>　　2、計(jì)算出擬合后的所有點(diǎn)的坐標(biāo)，并根據(jù)公式：</p><p><b>　　K=</b></p><p>　　并計(jì)算出各點(diǎn)新曲率；</p><p>

74、　　3、計(jì)算曲率差分，從曲率大的方向即圓弧段開(kāi)始搜索差分序列，當(dāng)某點(diǎn)處曲率差分小于某閾值時(shí)，就可以認(rèn)為從此點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入直線段，此點(diǎn)即為切點(diǎn)。</p><p><b>　　4. 圖像參數(shù)測(cè)量</b></p><p><b>　　4.1 亞像素測(cè)量</b></p><p>　　在數(shù)字圖像測(cè)量中，對(duì)測(cè)量精度起到關(guān)鍵性作用的有3個(gè)環(huán)

75、節(jié)：（1）CCD相機(jī)的物面分辨率；（2）CCD相機(jī)投影系統(tǒng)的標(biāo)定和誤差修正精度；（3）圖像目標(biāo)的定位精度。為了提高系統(tǒng)精度，可根據(jù)上述三種原因給予解決。但是出于經(jīng)濟(jì)考慮，通過(guò)提高硬件的分辨率往往是不經(jīng)濟(jì)的。而利用軟件的處理方法來(lái)解決圖像中目標(biāo)高精度定位問(wèn)題則是一種經(jīng)濟(jì)型選擇。這就需要我們將刀具圖像的邊緣提高到亞像素級(jí)別，對(duì)圖像目標(biāo)進(jìn)行高精度定位。亞像素測(cè)量是CCD攝像頭的非接觸測(cè)量的核心技術(shù)。理論上能對(duì)測(cè)量精度提高2個(gè)數(shù)量級(jí)，但是由于受

76、到噪聲的影響，實(shí)際上提高不到2個(gè)數(shù)量級(jí)，但是至少可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。</p><p>　　4.2 亞像素邊緣的定位</p><p><b>　?。?）B樣條擬合法</b></p><p>　　B樣條是一種平滑和內(nèi)插技術(shù)。最早是由I.J.Schoenberg于1946年提出來(lái)的，20世紀(jì)60年代以后得到了很大的發(fā)展。B樣條不必通過(guò)結(jié)點(diǎn)，因此它能更

77、平滑擬合曲線。B樣條的擬合多項(xiàng)式是：</p><p>　　其中，，…為引導(dǎo)序列結(jié)點(diǎn)，0≦t≦1。 </p><p>　　對(duì)于擬合得到的曲線求二階導(dǎo)數(shù)，尋找曲線二階微分中過(guò)零點(diǎn)，該點(diǎn)即為該點(diǎn)即為亞像素邊緣點(diǎn)。</p><p><b>　?。?）插值細(xì)分法法</b></p><p>　　差值細(xì)分法有：近鄰取樣法、雙線性?xún)?nèi)插法

78、和三次卷積法。</p><p>　　近鄰取樣法是通過(guò)反向變換得到一個(gè)浮點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的取整，得到一個(gè)整數(shù)型坐標(biāo)，這個(gè)整數(shù)型坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的像素值就是目的像素值。近鄰取樣法簡(jiǎn)單直觀但是圖像質(zhì)量不高。</p><p>　　雙線性?xún)?nèi)插法目的像素值是由原圖像的四個(gè)坐標(biāo)（i，j）、（i+1，j）、（i，j+1）和（i+1，j+1）所決定的，即：</p><p>　　雙線性?xún)?nèi)

79、插法相對(duì)而言得到的圖像質(zhì)量比較高，但是由于其具有低通濾波器的性質(zhì)，使高頻分量受損，所以得到的圖像輪廓在一定程度上變得模糊。</p><p>　?。?）三次卷積法能夠克服上述方法的不足，它考慮浮點(diǎn)坐標(biāo)（i+u，j+v）周?chē)?6個(gè)鄰點(diǎn)。計(jì)算公式如下：</p><p>　　其中三次樣條差值函數(shù)如下：</p><p>　　經(jīng)試驗(yàn)證明，近鄰取樣法得到的圖像質(zhì)量最差，但是采用

80、三次卷積所得圖像質(zhì)量最好。通過(guò)雙線性?xún)?nèi)插法得到的圖像一般。</p><p>　　4.3 系統(tǒng)的標(biāo)定 </p><p>　　計(jì)算機(jī)圖像處理，計(jì)算機(jī)所得到的圖像是以像素為基本單位的，因此測(cè)出該圖像的實(shí)際尺寸，就需要知道每個(gè)像素的尺寸大小，也就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)的標(biāo)定分為兩種方法，單獨(dú)標(biāo)定和同步標(biāo)定。</p><p>　　單獨(dú)標(biāo)定的原理是將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊單

81、獨(dú)至于CCD下，拍照后將其圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，查看該標(biāo)準(zhǔn)塊長(zhǎng)度方向的像素?cái)?shù)，再計(jì)算出每個(gè)像素的大小，并保存。</p><p>　　同步標(biāo)定與單獨(dú)標(biāo)定不同，它是將刀具與標(biāo)準(zhǔn)塊放在同一視場(chǎng)中，拍攝成同一幅圖像。先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)塊地尺寸標(biāo)定出每個(gè)像素的尺寸，再計(jì)算測(cè)量出圖像的尺寸。</p><p>　　4.4 尺寸的測(cè)量 </p><p>　　設(shè)標(biāo)準(zhǔn)塊地實(shí)際長(zhǎng)度是L，軟件測(cè)

82、得像素為N，則標(biāo)定得每個(gè)像素代表值為</p><p>　　可根據(jù)上述標(biāo)定值，計(jì)算出刀具的幾何參數(shù)。由設(shè)計(jì)任務(wù)知，此次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)為刀具長(zhǎng)度和半徑。</p><p>　　測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，如下圖6.7所示：</p><p>　　圖6.7 長(zhǎng)度測(cè)量示意圖</p><p>　　首先我們?cè)趫D像邊緣分別選取隨即幾個(gè)點(diǎn)，再根據(jù)最小二乘法擬合出AB,CD的直線

83、方程如下：</p><p>　　則AB上的點(diǎn)到CD的距離利用距離公式即可求出：</p><p>　　半徑的測(cè)量分為圓弧法和相切法兩種，如下圖所示：</p><p>　　圖5.8圓弧法求刀具半徑 圖5.9相切法求刀具半徑</p><p>　　圖5.8所示的就是一種利用圓弧法求出半徑得方法，在圖像中選取n點(diǎn)，再利用最小

84、二乘法擬合出圓弧方程，通過(guò)該方程在計(jì)算出圓弧半徑。圖5.9則是利用相切法求出圓弧的半徑，這是利用與圓弧相切的兩條直線信息計(jì)算出圓弧半徑的方法，利用圓心在兩切線的角平分線上，圓心到B點(diǎn)的距離與圓心到兩直線距離相等的原理，逐步搜索出圓心，再求出半徑。</p><p>　　6 誤差的分析和減小</p><p>　　誤差是不可避免的，即使是理論上的誤差都不可避免，無(wú)論任何機(jī)器都會(huì)有誤差，這個(gè)設(shè)計(jì)也

85、同樣有誤差，但誤差有大有小，通過(guò)分析誤差的來(lái)源，找到并減小誤差的方法，是提高精確度的很好地方法。誤差包括機(jī)械系統(tǒng)誤差，人為誤差，光電誤差和軟件系統(tǒng)的誤差。</p><p><b>　　機(jī)械系統(tǒng)誤差</b></p><p>　　在數(shù)字圖像刀具測(cè)量?jī)x的機(jī)械系統(tǒng)誤差中，機(jī)械系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大約70%多的誤差。機(jī)械系統(tǒng)誤差主要是指因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)的形變產(chǎn)生的誤差，結(jié)構(gòu)形變產(chǎn)生的誤差主要

86、有靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差兩種。</p><p><b>　　1.1 靜態(tài)誤差</b></p><p>　　靜態(tài)誤差主要是由結(jié)構(gòu)件受自重或由靜載荷而產(chǎn)生的誤差，在這個(gè)設(shè)計(jì)中包括立柱和橫梁的形變等，主要的靜態(tài)誤差是在結(jié)構(gòu)件加工和安裝時(shí)就產(chǎn)生的。為了減少靜態(tài)誤差，將立柱設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體形狀，把立柱中間設(shè)計(jì)成孔板的樣式，減少立柱重量，并采用灰鑄鐵增加其剛性。而對(duì)于橫梁的設(shè)計(jì)，減少橫梁

87、橫向長(zhǎng)度，減少橫梁自身重力產(chǎn)生的彎矩，同時(shí)采用剛性較好的灰鑄鐵。其結(jié)構(gòu)如下圖4-1所示：</p><p>　　圖6.1 立柱和衡量的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1.2動(dòng)態(tài)誤差</b></p><p>　　動(dòng)態(tài)誤差也叫隨機(jī)誤差，主要是由包括溫度、聲音和振動(dòng)等環(huán)境條件的變化而產(chǎn)生的不可預(yù)測(cè)控制的誤差。例如溫度的變化不僅能使機(jī)械結(jié)構(gòu)由于熱脹冷縮

88、產(chǎn)生形變，也同時(shí)影響著CCD攝像機(jī)的性能。噪聲也會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差，這種誤差是隨機(jī)的，在通常情況下是很微小的。被測(cè)刀具或者CCD攝像機(jī)的微小振動(dòng)都會(huì)造成圖像形變，而像元又非常小，刀具或攝像機(jī)的微小振動(dòng)就會(huì)引起很大的動(dòng)態(tài)誤差。</p><p>　　為了減少動(dòng)態(tài)誤差，保持設(shè)備的周?chē)己铆h(huán)境；保障周?chē)臏囟群愣ú⒃诖藴囟认逻M(jìn)行測(cè)量標(biāo)定；在測(cè)量刀具參數(shù)的時(shí)候盡量關(guān)閉周?chē)性肼暬蛘哒駝?dòng)的生源和振動(dòng)源；再將刀具和被測(cè)刀

89、具都放置于隔振平臺(tái)上是很有必要的。</p><p><b>　　2 光電系統(tǒng)誤差</b></p><p>　　2.1 圖像畸變誤差 </p><p>　　成像系統(tǒng)未能使拍攝的圖像與實(shí)際的景物滿(mǎn)足中心投影關(guān)系被稱(chēng)為CCD攝像機(jī)的圖像畸變誤差。圖像畸變是由于變焦鏡頭、CCD攝像儀、放大鏡等光學(xué)元件的非線性

90、變化造成的。圖4-2是成像區(qū)域內(nèi)的筒形畸變示意圖。在成像區(qū)域的中間畸變最小，以此為畫(huà)圓，畸變的小逐級(jí)擴(kuò)散增加。在圖像采集系統(tǒng)中，系統(tǒng)采集畸變屬于系統(tǒng)誤差，采用定標(biāo)校推的方法來(lái)消除。</p><p>　　圖6.2 像場(chǎng)內(nèi)簡(jiǎn)形畸變示意圖</p><p>　　2.2 由于CCD光電轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的誤差</p><p>　　如圖4-3所示，圖中橫軸表示曝光量，縱軸表示輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)

91、的電壓值。CCD光電轉(zhuǎn)換的特征點(diǎn)在曲線拐點(diǎn) G（對(duì)應(yīng)的曝光量為飽和曝光量）之前具有很好的線性關(guān)系，但是當(dāng)曝光量大于時(shí)候，CCD輸出信號(hào)不會(huì)隨曝光量增加而增加，因此應(yīng)該使曝光量控制在以?xún)?nèi)。</p><p>　　圖6.3 CCD光電轉(zhuǎn)換特性</p><p>　　2.3 焦距誤差 </p><p>　　CCD相機(jī)即使在對(duì)同一刀

92、具進(jìn)行拍攝時(shí)，CCD相機(jī)的焦距也會(huì)自動(dòng)地發(fā)生輕微的變動(dòng)，這就會(huì)影響圖像的標(biāo)定值的準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差。我們針對(duì)這樣產(chǎn)生的焦距誤差，采用同步標(biāo)定的方式來(lái)降低誤差。</p><p><b>　　3軟件誤差</b></p><p>　　.3.1圖像處理誤差</p><p>　　圖像處理誤差包括亞像素的定位誤差和輪廓特征點(diǎn)誤差。輪廓特征點(diǎn)誤差指的

93、是因?yàn)閳D像輪廓的角點(diǎn)、切點(diǎn)、定位不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致輪廓分段誤差。亞像素定位誤差指的是由于亞像素算法是基于圖像數(shù)學(xué)模型，當(dāng)理論模型同實(shí)際圖像相差較大時(shí)，邊緣定位會(huì)產(chǎn)生較大誤差。減少亞像素定位誤差的方法包括在確定切點(diǎn)、角點(diǎn)，選擇相應(yīng)的閾值，從而特征點(diǎn)定位更加準(zhǔn)確；針對(duì)邊緣測(cè)量，選擇不同的亞像素方法。</p><p>　　3.2 計(jì)算累計(jì)誤差</p><p>　　計(jì)算機(jī)計(jì)算數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制計(jì)算的，但

94、是因?yàn)樘幚砥魑粩?shù)有限，因此無(wú)論是定點(diǎn)數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)精度都有限，計(jì)算機(jī)處理器位數(shù)越高，計(jì)算的精度也越高。在計(jì)算中會(huì)不斷地出現(xiàn)因位數(shù)不足出現(xiàn)的誤差，累積起來(lái)便會(huì)很大。 因此在制作程序是，應(yīng)該盡可能的運(yùn)用簡(jiǎn)單公式或把復(fù)雜公式簡(jiǎn)單化，變量定義為適當(dāng)精度類(lèi)型，減少計(jì)算的累計(jì)誤差。</p><p>　　3.3 數(shù)值計(jì)算方法引入的誤差</p><p>　　計(jì)算時(shí)采用不同的數(shù)值的計(jì)算方法得到的結(jié)果的精度不一樣

95、，甚至特殊的數(shù)值計(jì)算方式會(huì)產(chǎn)生計(jì)算錯(cuò)誤。就像擬合圓弧時(shí)如果輪廓點(diǎn)的坐標(biāo)值過(guò)小，擬合的誤差也較小，我們可以先平移到圓心附近擬合后再平移回去，進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　3.4 像素當(dāng)量的舍入誤差</p><p>　　圖像采集過(guò)程中，從儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化的圖像坐標(biāo)系時(shí)，這樣就會(huì)存在像素當(dāng)量的舍入誤差。</p><p><b>　　七 結(jié) 論</b&

96、gt;</p><p>　　這個(gè)論文對(duì)數(shù)字圖像刀具測(cè)量機(jī)進(jìn)行了較為深入的研究，用CCD攝像機(jī)采集刀具圖像并轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像，并運(yùn)用軟件通過(guò)圖像處理自動(dòng)計(jì)算出刀具尺寸參數(shù)，避免了人為讀數(shù)所造成的主觀誤差，實(shí)現(xiàn)了刀具機(jī)外的非接觸測(cè)量。文章最后還針對(duì)刀具測(cè)量機(jī)所可能產(chǎn)生的誤差做了簡(jiǎn)單的分析，并提出相應(yīng)的避免方法，具有一定的實(shí)踐意義。</p><p>　　本文完成的主要工作如下：</p>

97、<p>　　（1）通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的分析比較，提出基于CCD攝像機(jī)的數(shù)字圖像測(cè)量方案，并對(duì)設(shè)計(jì)各模塊進(jìn)行細(xì)分為機(jī)械系統(tǒng)、光電系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)三部分。</p><p>　?。?）對(duì)于刀具測(cè)量機(jī)機(jī)械部分進(jìn)行三維整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用手動(dòng)微調(diào)和快速調(diào)節(jié)兩種方案，這種調(diào)節(jié)方式使通過(guò)微調(diào)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　?。?）對(duì)刀具圖像輪廓通過(guò)相關(guān)處理，再通過(guò)亞像素算法進(jìn)行測(cè)量。

98、</p><p>　?。?）對(duì)系統(tǒng)的誤差及其來(lái)源進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，并提出相關(guān)的減少誤差的方案。</p><p>　　本設(shè)計(jì)是本人借鑒國(guó)外已有的相關(guān)產(chǎn)品結(jié)合自己所學(xué)知識(shí)進(jìn)行的簡(jiǎn)單理論設(shè)計(jì)，面向企業(yè)制造及市場(chǎng)化還有很多地方需要完善和改進(jìn)。本人認(rèn)為以后還要在以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究：</p><p>　　（1）從光源、鏡頭和CCD攝像頭等各方面提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，獲得高質(zhì)量

99、圖像，是后續(xù)測(cè)量的基礎(chǔ)。</p><p>　　（2）提高二維位移系統(tǒng)的剛度，減少其誤差影響。減輕其質(zhì)量，方便其搬運(yùn)。</p><p>　?。?）刀具刀刃自動(dòng)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)測(cè)量。</p><p>　?。?）輪廓的完全圖形矢量化。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>

100、;　　[1] 馬榮貴, 宋宏勛. CCD位移傳感器結(jié)構(gòu)參量計(jì)算方法[J]. 光子學(xué)報(bào). 2001. 30(2): 225-227 </p><p>　　[2] 余震, 曾曉燕. CCD傳感器在工業(yè)測(cè)控中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù), 2002, 3, 30-32</p><

101、p>　　[3] 王建民, 浦昭邦, 晏磊等. 二維圖像測(cè)量機(jī)系統(tǒng)的研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2001, 22(4): 349-354</p><p>　　[4] 王躍科, 楊華勇, 呂海寶. CCD圖像傳感技術(shù)的現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J]. 光學(xué)儀器, 1996, 18, (5): 32-37</p><p>　　[5]張為民, 鄧凌. 刀具預(yù)調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)械工人[M]. 冷加工,

102、2002, 9</p><p>　　[6]龐光富. 一種高精度圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與特點(diǎn)[J]. 光學(xué)技術(shù), 1997, (1): 42-46</p><p>　　[7] 孫忠林. 刀具預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x器的選用與管理[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床. 1996, 11: 19-20</p><p>　　[8]袁圣軍. 1610型刀具預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x的研制[J]. 工具技術(shù), 36(6):

103、 50-51</p><p>　　[9] 鄭穎君, 陳吉武. CCD測(cè)量系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)用方案[J]. 光電技術(shù). 2001, 31(6): 367-369</p><p>　　[10]吳福田, 馮書(shū)文. CCD尺寸測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理[J]. 應(yīng)用光學(xué). 1994. 15(5): 20-24</p><p>　　[11] 孔丹, 李介谷. 基于空間矩的灰度邊緣亞像元

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105、): 1142-1145</p><p>　　[14] 張紅娜. 圖像測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 電測(cè)與儀表. 2003. 40(451): 19-21</p><p>　　[15] E.P.Lyvers, O.R.Mitchell. Subpixel Measurement Using a Moment-Based Edge Operato[J] .IEEE Transactions on

106、 Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1989, Vol.11, No.12, 1293-1309</p><p>　　[16] Sugata Ghosal, Rajiv Mehrotra. Detection of Composite Edges[J]. IEEE Transactions on Image Processing, 1994, Vol.3, No

107、.1: 14-25</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在論文即將完成之際，我想向三個(gè)月來(lái)一直給予我?guī)椭椭С值睦蠋?、同學(xué)們表示衷心的感謝。</p><p>　　首先我要感謝導(dǎo)師吳長(zhǎng)忠老師。感謝吳老師細(xì)心的指導(dǎo)，導(dǎo)師淵博的知識(shí)，極高的理論素養(yǎng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，敬業(yè)精神，以及強(qiáng)烈的時(shí)間觀念等使我在畢業(yè)論文寫(xiě)作階段

108、中受益匪淺；感謝吳老師在我的論文題材選擇、構(gòu)思、修改及布局排版等各個(gè)環(huán)節(jié)給予悉心的指導(dǎo)，吳老師在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)階段都在高度關(guān)注我的設(shè)計(jì)進(jìn)度，成為我能按質(zhì)按量完成任務(wù)的強(qiáng)大動(dòng)力，在此學(xué)生謹(jǐn)向杜老師和吳老師表示真誠(chéng)的感謝。</p><p>　　其次我要感謝同組的同學(xué)，在我論文修改過(guò)程中提出了寶貴的建設(shè)性意見(jiàn)，使我能順利完成論文寫(xiě)作與修改。在論文資料的調(diào)查、整理過(guò)程中，也得到了同組同學(xué)的幫助。</p>&l