劉國華

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航空宇航科學(xué)與技術(shù)博士后流動(dòng)站，哈爾濱 150001；2.哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司博士后科研工作站，哈爾濱 150040；3.黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

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基于圖像處理的鉆頭測量系統(tǒng)

劉國華1,2,3

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航空宇航科學(xué)與技術(shù)博士后流動(dòng)站，哈爾濱 150001；2.哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司博士后科研工作站，哈爾濱 150040；3.黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對鉆頭常用幾何參數(shù)的測量，減少測量過程中人為因素影響，開發(fā)了利用圖像處理方法進(jìn)行鉆頭幾何參數(shù)測量的系統(tǒng)。文中對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述。測量結(jié)果表明該測量系統(tǒng)可基本滿足一般鉆頭的測量精度要求，有效降低測量過程中人為因素的影響。

關(guān)鍵詞：鉆頭；幾何參數(shù)測量；圖像處理

0引言

麻花鉆在機(jī)械產(chǎn)品的孔加工中應(yīng)用極為廣泛，其中鉆頭幾何參數(shù)對孔加工質(zhì)量、鉆頭的切削性能及使用壽命有著重要影響。常用鉆頭見圖1。由圖1可見，鉆頭幾何形狀復(fù)雜，難以用傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行測量，通常只能用工具顯微鏡或樣板尺進(jìn)行測量，其過程繁瑣、易受人為因素影響[1]。本文在哈量集團(tuán)研制的4618型刀具測量儀的基礎(chǔ)上，開發(fā)了利用圖像處理技術(shù)測量鉆頭幾何參數(shù)的系統(tǒng)，以減少人為操作誤差，提高測量效率。

圖1　麻花鉆Fig.1　Twist drill

1鉆頭測量系統(tǒng)

4618型刀具測量儀是一套較為通用的光學(xué)測量系統(tǒng)，主要結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)[2]。它由測量定位系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，設(shè)備原設(shè)計(jì)為人眼瞄準(zhǔn)測量系統(tǒng)，在測量過程中，操作者直接針對CCD相機(jī)獲取的原始圖像，在顯示器屏幕上進(jìn)行操作，通過選取點(diǎn)、線等測量要素并繪制圖形的方式，完成相關(guān)參數(shù)測量工作。由于測量圖像多屬于反射光成像，與背光成像相比，大量與測量無關(guān)的細(xì)節(jié)影響特征選取，測量結(jié)果易受人為因素影響。本文通過對軟件系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)展，增加圖像處理功能，以減少測量中人為因素影響，提高測量效率。

2鉆頭圖像測量關(guān)鍵技術(shù)

鉆頭圖像測量的主要流程見文獻(xiàn)[2]。在測量過程中，將被測鉆頭置于回轉(zhuǎn)工作臺的V形塊上進(jìn)行定位，然后移動(dòng)水平、豎直導(dǎo)軌滑架，并通過相機(jī)導(dǎo)軌調(diào)焦完成圖像采集；對采集圖像進(jìn)行預(yù)處理，獲取圖像邊緣，并進(jìn)行特征識別，如點(diǎn)、直線等識別等；最后計(jì)算相關(guān)幾何參數(shù)，完成測量過程。

2.1測量圖像采集

在圖像測量中，原始圖像質(zhì)量至關(guān)重要。在鉆頭測量圖像中，大多屬于前向照明成像，獲取的典型圖像見圖2。由圖2可見，圖像中存在大量與測量無關(guān)的紋理、缺陷等細(xì)節(jié)，質(zhì)量較差，給圖像處理帶來較大困難，只能通過調(diào)整相關(guān)成像方式，盡量獲取合適圖像以便于后續(xù)處理。通過實(shí)踐證明，主要可以遵循以下原則：

圖2　鉆頭端面圖像Fig.2　Front image of twist drill

圖3　提取合適成像部位Fig.3　Suitable image area extraction

1)集中對測量部位成像，去除測量無關(guān)對象，獲取合理測量內(nèi)容。在鉆頭幾何參數(shù)測量中，很難通過一幅圖像完成所有測量任務(wù)，需要根據(jù)具體測量參數(shù)選擇合適成像部位。在條件允許情況下，應(yīng)通過更換合適放大倍數(shù)的相機(jī)鏡頭得到合理的測量圖像。若條件所限，只能得到包含大量無關(guān)部位的整體圖像，此時(shí)可利用圖像處理技術(shù)，對原始圖像進(jìn)行裁剪等處理，提取合適測量部位圖像。在測量鉆頭的鉆尖角時(shí)(圖3)，除傾斜主切削刃外，其它都是無關(guān)因素，可通過提取原始圖片虛線框中區(qū)域并進(jìn)行后續(xù)處理，既提高了處理精度，又減輕了圖像處理工作量，效果較好。

圖4　突出成像部位Fig.4　Outstanding image area

2)調(diào)整成像條件，突出測量部位。對于前向照明成像，成像質(zhì)量受照射光及環(huán)境光照等條件影響較大。為了減小無關(guān)細(xì)節(jié)影響，在選取合適成像部位后，可通過調(diào)節(jié)光照條件，進(jìn)一步突出測量區(qū)域，獲取合理圖像，以便于后續(xù)處理。通過高亮度鉆頭端面，突出了測量輪廓形狀，減少了紋理缺陷等無關(guān)細(xì)節(jié)影響，方便了后續(xù)圖像處理過程(圖4)。

2.2圖像測量主要算法

在確定測量參數(shù)及測量部位并采集合理圖像后，主要是圖像處理并計(jì)算測量參數(shù)的過程，算法包括圖像預(yù)處理、邊緣檢測、特征識別。

圖像預(yù)處理是減少噪聲、進(jìn)一步消除無關(guān)信息，增強(qiáng)圖像為后續(xù)邊緣檢測提供準(zhǔn)備工作，包括圖像灰度化、濾波和二值化。圖像灰度化算法中，采用圖像R、G、B分量加權(quán)方式，將相機(jī)采集的24位真彩色圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像[3]。為了減少噪聲影響，通過實(shí)際比較，選取中值濾波法對灰度圖像進(jìn)行降噪濾波處理，并采用OTSU自動(dòng)閾值法完成圖像的二值化處理[4]。在邊緣檢測算法中，Canny算法不但能對圖像進(jìn)行平滑濾除噪聲，而且能得到較好的單像素圖像邊緣，因此采用Canny檢測算法完成邊緣檢測[5]。在特征檢測中，由于鉆頭的測量主要是角度測量，因此采用Hough變換方法實(shí)現(xiàn)圖像中的直線特征檢測[6-7]。

以鉆頭端面橫刃斜角測量圖像為例，對于鉆頭的端面圖像，主要測量主切削刃的橫刃斜角，即主切削刃所在傾斜邊與水平線之間夾角，因此圖像處理過程中主要實(shí)現(xiàn)主切削刃所在斜線的提取過程，主要過程及結(jié)果見圖5。

圖5　刀具圖像處理結(jié)果Fig.5　Tool image processing results

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對于鉆頭，測量可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量。靜態(tài)測量可通過一次成像并進(jìn)行圖像處理獲取參數(shù)，主要涉及各種角度測量，如鉆尖角、后角、橫刃斜角、螺旋槽斜角等。動(dòng)態(tài)測量過程中，要調(diào)整鉆頭方位，目前需通過人眼瞄準(zhǔn)并幾何作圖的方式進(jìn)行測量，主要包括橫刃對稱性、鉆心對稱性、切削刃軸向跳動(dòng)等。

圖6　軟件功能模塊Fig.6　Software structure modules

根據(jù)確定的測量內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)方式，系統(tǒng)主要軟件功能見圖6。在硬件控制模塊中，主要實(shí)現(xiàn)工業(yè)相機(jī)加載并完成圖像采集，以及完成對水平、豎直導(dǎo)軌光柵尺數(shù)據(jù)采集。圖像處理模塊主要完成靜態(tài)測量中的圖像處理過程。測量參數(shù)計(jì)算模塊完成圖像提取后的測量數(shù)據(jù)計(jì)算。為了對結(jié)果進(jìn)行顯示、保存等，增加了結(jié)果處理及顯示模塊。

軟件開發(fā)以微軟VS2010中的C#語言作為平臺，并配合使用計(jì)算機(jī)視覺庫EmguCV完成。系統(tǒng)軟件主要操作界面及功能分區(qū)見圖7。C#是微軟公司發(fā)布的面向?qū)ο蟮?、運(yùn)行于.NET Framework之上的高級程序設(shè)計(jì)語言，操作簡單且效率較高，是當(dāng)前.NET開發(fā)的首選語言[8]。EmguCV是對當(dāng)前應(yīng)用廣泛的OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫的.net包裝，后者是Intel的一個(gè)開源計(jì)算機(jī)視覺庫，包含大量圖像處理經(jīng)典算法，但是用C和C++編寫，不能直接在.NET中調(diào)用，通過EmguCV封裝，使得可用C#語言來調(diào)用OpenCV中相關(guān)功能函數(shù)，提高程序開發(fā)效率[9]。

圖7　軟件操作界面Fig.7　Software interface

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對測量效果進(jìn)行驗(yàn)證，利用哈量集團(tuán)的4618刀具測量儀作為實(shí)驗(yàn)平臺，并選取不同直徑的標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆頭作為測量對象，利用人眼瞄準(zhǔn)的方式測量相關(guān)參數(shù)，利用圖像處理功能對同一參數(shù)進(jìn)行測量，對結(jié)果進(jìn)行比較。

在人眼瞄準(zhǔn)測量過程中，操作人員直接在原始圖像上進(jìn)行作圖測量。為了力求作圖準(zhǔn)確，操作人員需要不斷調(diào)整成像條件，并從不同角度進(jìn)行觀察以選取測量內(nèi)容，效率較低。圖像處理的測量方式避免了繁瑣的人眼瞄準(zhǔn)過程，由軟件自動(dòng)對圖像進(jìn)行處理，并獲取測量結(jié)果，使測量效率得到了提高。以鉆頭橫刃斜角參數(shù)測量為例，利用人眼瞄準(zhǔn)方式進(jìn)行測量通常約需1 min，通過圖像處理方式約需0.5 min。

為了驗(yàn)證圖像處理測量方式的準(zhǔn)確性，將圖像處理與人眼瞄準(zhǔn)兩種方式的測量結(jié)果進(jìn)行對比。由操作人員利用人眼瞄準(zhǔn)的方式進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測量，采取對同一參數(shù)進(jìn)行3次測量，并取其平均值作為人眼瞄準(zhǔn)測量的結(jié)果，即可獲得較為準(zhǔn)確的測量結(jié)果。針對同一參數(shù)，利用圖像處理的方式進(jìn)行測量。由于圖像處理方式為自動(dòng)測量，測量結(jié)果基本為固定值，并不需多次測量取平均值。將圖像處理方式的測量結(jié)果與人眼瞄準(zhǔn)測量結(jié)果進(jìn)行對比，得出二者之間差值<0.5°。其中鉆頭橫刃斜角的部分測量結(jié)果見表1。對于普通鉆頭角度測量，一般要求測量精度在1°左右即可，利用圖像處理方式進(jìn)行參數(shù)測量，可滿足鉆頭的測量精度要求。

表1　鉆頭橫刃斜角測量數(shù)據(jù)

5結(jié)論

為了減少測量過程中人為因素影響，提高測量效率，本文開發(fā)了基于圖像處理的麻花鉆頭幾何參數(shù)測量系統(tǒng)。對測量系統(tǒng)涉及的主要內(nèi)容，如圖像采集原則、圖像處理算法進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成了測量系統(tǒng)軟件。通過實(shí)際比對實(shí)驗(yàn)對測量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，證明一般角度測量誤差在0.5°左右，表明測量系統(tǒng)可以滿足一般鉆頭的測量精度要求，達(dá)到了系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉國華. 標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆建模技術(shù)研究[J]. 黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2015，6(2)：86-90.

[2]劉國華. 基于圖像處理的刀具幾何參數(shù)測量[J]. 黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2015，6(4)：73-77.

[3]周金和，彭福堂.一種有選擇的圖像灰度化方法[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2006，(20)：198-200.

[4]李了了，鄧善熙. 基于大津法的圖像分塊二值化算法[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2005，(24)：31-33..

[5]吉玲，楊亞. 一種改進(jìn)的Canny邊緣檢測算法[J]. 微處理機(jī)，2015，(1)：26-29.

[6]宋曉宇，袁帥. 基于自適應(yīng)閾值區(qū)間的廣義Hough變換圖形識別算法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2014，(5)：32-35.

[7]蘇伯超，張曉華，劉宛予，等.圖像正則化擴(kuò)散行為及統(tǒng)一處理框架[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，32(5)：673-680.

[8]宋智軍，邱仲潘. Visual C# 2010從入門到精通[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010：12-15.

[9]Bradski G， Kaehler A.學(xué)習(xí)OpenCV(中文版)[M]. 于仕琪，劉瑞禎譯.北京：清華大學(xué)出版社，2009：21-25.

(本期責(zé)任編輯：張松波王紅星鄒曉艷英文審校：丁琳)

Twist drill measurement system based on image processing technology

LIU Guo-Hua1,2,3

(1.PostdoctoralResearchCenterofAeronauticalandAstronauticalScienceandTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China; 2.PostdoctoralResearchCenterofHarbinMeasuring&CuttingToolGroupCo.Ltd.,Harbin, 150040,China; 3.SchoolofMechanicalandElectricalEngineecring,HeilongjiangUniversity,Harbin, 150080,China)

Abstract：In order to realize the geometric parameters measurement of common twist drill and reduce artificial factors, a kind of measurement system based on image processing technology is developed. The structure composition and key technologies of the measuring system are described. It is shown that this system can meet the general requirements of measuring accuracy and effectively reduce the human error in measurement process.

Key words：twist drill; geometry parameter measurement; image processing

DOI:10.13524/j.2095-008x.2016.01.017

收稿日期：2015-11-16;修改日期：2015-12-11

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(11531275)

作者簡介：劉國華(1975-)，男，山東肥城人，副教授，博士，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造、機(jī)床數(shù)控技術(shù),E-mail:lqh7511@sina.com。

中圖分類號：TG713.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-008X(2016)01-0092-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20160218.1458.004.html