基于ccd的刀具参数测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在机床上直接精确获得刀具的悬长、半径、圆角、形位公差等几何 参数的测量装置及其测量方法，属于刀具几何参数测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 刀具作为数控机床用于加工精密零件的专业工具，其自身精度的高低直接决定着 其加工的精密零件的精度。目前的刀具测量方法有一定局限性，第一，人工测量刀具参数不 适用于目前批量生产、自动化程度高的数控加工中心加工。人工检测效率低、精度低；刀具 表面及所加工的特征要求精度高，表面光洁度要求也高，传统方法需要将测量工具与刀具 表面接触，对刀具特征表面会有一定损伤，从而影响刀具自身精度;第二，目前提出的测量 装置不适用于实际生产工况。目前提出的测量装置大多是将刀具直接放置在工业相机下。 为保证主轴系统能够安全可靠地运转，主轴一刀柄一刀具结合面需要具有高几何精度、高 重复装卡精度及高刚度等特性，结合面对高速主轴系统动力学特性有着重要的影响;并且 考虑到工厂实际生产工况，刀具储存在刀库，主轴-刀具-刀柄结合面已定位，按照已提出的 测量方案，需要刀具先从刀库卸刀，然后再从刀柄卸下，每次安装就要两次重新定位，效率 降低，而且对获得刀具参数的精度有直接影响。
【发明内容】
[0003] 本发明针对现有刀具测量技术存在的不足，提供一种测量精度高、效率高的基于 CCD的刀具参数测量装置。
[0004] 本发明的基于CCD的刀具参数测量装置，采用以下技术方案：
[0005] 该装置，包括采集箱、C⑶工业相机、工控机和显示器，CXD工业相机、工控机和显示 器依次连接;采集箱的底座上设置有相机横向移动机构，相机横向移动机构上设置有相机 纵向移动机构，CCD工业相机安装在相机纵向移动机构上。
[0006] 所述采集箱内还设置有LED光源板，LED光源板用于照明补光，使CCD工业相机采集 的数字图像背景和目标界限明显，便于图像处理。
[0007] 所述采集箱是在底座上设置箱体而成，箱体包括前后左右四个侧箱门和一个顶箱 门。
[0008] 所述相机横向移动机构，包括横向导轨、横向滑块及横向滑块移动机构，横向滑块 和横向滑块移动机构均设置在横向导轨上，横向滑块与横向滑块移动机构连接。横向导轨 上设置有锁定横向滑块位置的横向锁紧螺钉。横向滑块移动机构采用丝杠螺母副，横向导 轨上还设置有用于观察横向滑块位置的横向标尺。
[0009] 所述相机纵向移动机构，包括纵向导轨、纵向滑块和纵向滑块移动机构，纵向导轨 设置在横向滑块上，纵向滑块和纵向滑块移动机构均设置在纵向导轨上，纵向滑块与纵向 滑块移动机构连接。纵向滑块移动机构也采用丝杠螺母副。纵向导轨上设置有锁定纵向滑 块位置的纵向锁紧螺钉，纵向导轨上还设置有用于观察纵向滑块位置的纵向标尺。
[0010] 上述基于(XD的刀具参数测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0011] (1)将整个装置安装在机床工作台上，使整个装置随机床X轴向和Y轴向运动，打开 机床主轴上刀具正对的采集箱的箱门（对于立式机床，打开采集箱的上箱门；对于卧式机 床，打开采集箱的前箱门）；
[0012] (2)接通电源，将CXD相机与工控机和显示器连接，打开LED光源板开关；
[0013] (3)调节数控机床，抬起刀具，然后调节机床X轴工作台和机床Y轴溜板，使整个装 置运行至刀具下方，完成粗调；调节数控机床，使刀具下降，显示器上显示出所测刀具的完 整图像；
[0014] (4)通过相机纵向移动机构使CCD工业相机上下运动，通过相机横向移动机构使 C⑶工业相机前后运动，使显示器上显示出刀具完整清晰的图像，完成精调；
[0015] (5)调节完毕后采集图像，采集过程中，机床主轴不旋转，静态采集;主轴每转动一 定角度采集一次图像，完成刀具圆周形貌的采集并保存在工控机中；
[0016] (6)工控机对采集的灰度图像进行数据处理。
[0017] 所述步骤(6)中工控机对采集的灰度图像进行数据处理的过程是：
[0018] ①将灰度图像先进行最大类内类间方差比法图像分割，对边缘进行粗提取；
[0019] 最大类内类间方差比法:记t为前景与背景的分割阈值，前景点数占图像比例为 W0,平均灰度为U0;背景点数占图像比例为奶，平均灰度为m。则图像的总平均灰度为：
[0020] u=wo*u〇+wi*ui,
[0021] 前景和背景图象的方差：
[0022]
[0023]求得σ2的最大值，得到阈值；
[0024] ②高斯滤波，把二维高斯函I 与灰度图像进行卷积，F(x， y)=G(X，y)*f(x，y)，以消除噪声，其中〇代表的是高斯滤波器的参数，其值大小决定滤波器 的平滑程度;f(x，y)为图像中（X，y)点的灰度值，F(x，y)为图像经高斯滤波后的灰度值；
[0025] ③在canny算子的梯度方向进行非极大值抑制，其中canny卷积算子为：
[0026]
[0030] 其中概率分布T概率为：
[0031]则两个概率分布的熵为：[0032][0033][0034] 定义函数_)：)为H(T)和H(B)的和，则：
[0027] ④最大熵法canny算子边缘检测，进行精提取图像边缘;设灰度图像的尺寸为MX 叱灰度变化范围为6={0，1，...丄-1}，取阈值分割的门限值丨，将二维直方图分为1\8两个 区域，则而反W的擗末 1公右公别为：
[0028]
[0029]
[0035] ^(?) - M(T) -f- H(^),
[0036] t,二掏m 蕊雖3 (
[0037] Arg表示对ma赠(t〕求反函数；
[0038] ⑤hough变换检测悬长和半径；
[0039] P = x*cos(9)+y>l<sin(0),
[0040] 其中Θ为空间直线过原点的垂线与X轴正方向的夹角，p为原点到z的距离，参数空 间就变为Ρ-Θ空间，平面上点（x，y)对应到p-θ平面曲线上；测得高度即为悬长，长度即为直 径；
[0041] ⑥令{(Xi，yi)i = l，2,3···，n}为图像中欲确定圆周上的点的集合，而(x，y)为集合 中的一点，在参数坐标系(a，b，R)中的方程为：
[0042] (x_a)2+(y_b)2 = R2，
[0043] 利用hough变换检测圆获得圆角大小，并用最小二乘法将圆角进行拟合；
[0044] ⑦将采集的刀具圆周方向的形貌图与理论刀具图像进行比对，则得到相关尺寸的 实际公差值。
[0045]本发明采用在机床上直接测刀具参数，省去拆卸刀具，提高了精度和效率，节省人 力物力;基于CCD的数字图像进行非接触测量，更适合现代自动化加工，解放人力;实行静态 测量刀具参数，相比旋转下需要自动聚焦的相机，降低成本;本套装置可测量刀具悬长、半 径、圆角、形位公差等参数，使用具有广泛性。
【附图说明】
[0046] 图1是本发明的基于CCD的刀具参数测量装置的内部结构示意图。
[0047] 图2是本发明的基于CCD的刀具参数测量装置安装在机床上的示意图。
[0048] 图中：1.箱体，2.横向锁紧螺钉，3 .纵向丝杠调节旋钮，4.纵向导轨，5.纵向滑块， 6. 横向丝杠调节旋钮，7. C⑶工业相机，8. LED光源板，9.横向滑块，10.纵向标尺，11.横向导 轨，12.纵向锁紧螺钉，13.横向标尺，14.底座，15.刀具，16.机床X轴工作台，17.机床Y轴溜 板，18.采集箱。
【具体实施方式】
[0049] 如图1所示，本发明的基于CCD的刀具参数测量装置，包括采集箱18、(XD工业相机 7、 工控机（图中未显示)和显示器（图中未显示），CXD工业相机7、工控机和显示器依次连接。 采集箱18是在其底座14上设置箱体1而成，箱体1包括前后左右四个侧箱门和一个顶箱门 (图1中省去顶箱门和一个侧箱门），各箱门都是活动的，可打开。采集箱18的底座14上设置 有相机横向移动机构，相机横向移动机构上设置有相机纵向移动机构，CCD工业相机7安装 在相机纵向移动机构上。采集箱18内还设置有LED光源板8，LED光源板8用于照明补光，使 CCD工业相机7采集的数字图像背景和目标界限明显，便于图像处理。
[0050] 相机横向移动机构，包括横向导轨11、横向滑块9及横向滑块移动机构。横向滑块9 和横向滑块移动机构均设置在横向导轨11上，横向滑块9与横向滑块移动机构连接，横向滑 块移动机构采用丝杠螺母副，横向丝杠与横向滑块9螺纹连接，横向丝杠的一端设置有横向 丝杠调节旋钮6,以方便转动横向丝杠。横向导轨11上设置有锁定横向滑块9位置的横向锁 紧螺钉2。横向导轨11上还设置有用于观察横向滑块9位置的横向标尺13。
[0051]相机纵向移动机构包括纵向导轨4、纵向滑块5和纵向滑块移动机构，纵向导轨4设 置在横向滑块9上，纵向滑块5和纵向滑块移动机构均设置在纵向导轨4上，纵向滑块5与纵 向滑块移动机构连接。纵向滑块移动机构也采用丝杠螺母副，纵向丝杠与纵向滑块5螺纹连 接，纵向丝杠的上端设置有纵向丝杠调节旋钮3,以方便转动纵向丝杠。纵向导轨4上设置有 锁定纵向滑块5位置的纵向锁紧螺钉12,纵向导轨4上还设置有用于观察纵向滑块5位置的 纵向标尺10。
[0052] CXD工业相机7固定在纵向滑块5上。与移动机构万向臂相比，CXD工业相机7采用刚 性更好的导轨式移动机构。CCD工业相机7可在横向导轨11上前后运动，并可沿纵向导轨4上 下运动，移动位置由横向导轨11和纵向导轨4上的标尺观察，以便为下次调节作参考。
[0053]如图2所示，将采集箱18安装在机床上，对于立式机床，采集箱18内的横向导轨11 的方向与机床Y轴导轨的方向一致。可根据具体实际情况，合理放置采集