本發(fā)明涉及一種刀具磨損檢測方法，具體涉及一種基于最小外接矩形的刀具磨損檢測方法，屬于機器視覺的刀具磨損檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：BTA深孔鉆鉆孔加工時，刀具磨損在機械加工中是一種必定存在的現(xiàn)象，刀具的磨損直接會影響到加工質(zhì)量、效率以及經(jīng)濟效益，研究刀具磨損使刀具壽命利用最大化對機械加工以及降低加工成本具有十分重要的意義。隨著人們對機器視覺的研究越來越深入，基于機器視覺的刀具磨損檢測在刀具磨損監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用越來越多。機器視覺觀察刀具磨損更加直觀，比傳統(tǒng)的工人根據(jù)觀察工件表面、振動以及噪聲等方法來判斷刀具磨損的傳統(tǒng)方法來考慮是否換刀更加精確。對現(xiàn)有技術(shù)專利檢索發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮?00910035356.8，發(fā)明名稱為：基于工件加工表面圖像分析的刀具磨損狀態(tài)評價方法的中國發(fā)明專利申請。該發(fā)明是提供一種基于圖像識別以及根據(jù)多特征融合分類方法來實現(xiàn)刀具破損、破損狀態(tài)的定時定量檢測；但是這種方法受到機床振動的影響比較大，采集的圖像容易失真，采集圖像時CCD攝像機受光照的影響的比較大，容易出現(xiàn)模糊圖像。采集的圖像的沒有經(jīng)過圖像處理直接識別容易出現(xiàn)差錯，無法準(zhǔn)確的得到刀具的磨損量。無法為以后加工的刀具使用壽命提供理論依據(jù)，使刀具壽命使用最大化。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明提出一種基于最小外接矩形的刀具磨損檢測方法，以解決現(xiàn)有方法實現(xiàn)刀具破損檢測，受環(huán)境影響較大，采集的圖像模糊無法識別，無法準(zhǔn)確的得到刀具的磨損量，無法實現(xiàn)評價刀具壽命使用最大化的問題。本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：基于最小外接矩形的刀具磨損檢測方法包括以下步驟：步驟一、利用圖像采集系統(tǒng)采集刀具磨損圖像，并將采集的圖像傳輸?shù)接嬎銠C；步驟二、將步驟一采集的磨損圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括圖像灰度化、中值濾波降噪處理、圖像平滑處理、圖像迭代法閾值分割；步驟三、將步驟二預(yù)處理的圖像利用最小外接矩形算法求出刀具磨損區(qū)域的最小外接矩形，并求出最小外接矩形的寬度；步驟四、將步驟三所求得刀具磨損區(qū)域的最小外接矩形的寬度與刀片的最小外接矩形的寬度相比，得到比值，通過比值的大小來判斷刀具磨損量的大小，判斷刀具磨損程度。進(jìn)一步地，步驟一中所述的圖像采集系統(tǒng)包括CCD工業(yè)攝像機、擴倍鏡、遠(yuǎn)心鏡頭、環(huán)形光源、數(shù)據(jù)采集線和翻拍臺；翻轉(zhuǎn)臺的上方由下至上布置有同軸設(shè)置的環(huán)形光源、遠(yuǎn)心鏡頭、擴倍鏡和CCD工業(yè)攝像機；CCD工業(yè)攝像機和遠(yuǎn)心鏡頭之間布置有與二者連接的擴倍鏡；CCD工業(yè)攝像機通過數(shù)據(jù)采集線與計算機通訊連接。進(jìn)一步地，步驟二的圖像灰度化是利用g(x，y)＝T[f(x，y)]公式將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。進(jìn)一步地，步驟二的中值濾波降噪處理采用的是一種統(tǒng)計排序濾波器，對于原圖像中某點(i，j)，中值濾波以該點為中心的鄰域內(nèi)的所有像素的統(tǒng)計排序中值作為(i，j)點的響應(yīng)。進(jìn)一步地，步驟二的圖像平滑處理是基于二維高斯函數(shù)。進(jìn)一步地，步驟二的圖像迭代法閾值分割是指開始選擇一個閾值作為初始估計值，然后按照求均值的規(guī)則不斷的更新這一估計值，知道滿足給定的條件為止，其具體步驟為：(1)選擇一個閥值T的初始估計值；(2)利用閾值T把圖像分為兩個區(qū)域R1和R2；(3)對區(qū)域R1和R2中的所有像素計算平均灰度值μ1和μ2；(4)計算新的閾值：T=12(μ1+μ2)]]>(5)重復(fù)步驟(2)—(4)，直到逐步迭代所得的T值小于事先定義參數(shù)。進(jìn)一步地，步驟三中的最小外接矩形算法得到磨損區(qū)域的最小外接矩形是這樣實現(xiàn)的：首先提取步驟二預(yù)處理的圖像的磨損區(qū)域的凸包，利用凸包來確定磨損區(qū)域的最小外接矩形，其步驟為：(1)磨損區(qū)域主切削刃作為構(gòu)造矩形的起始邊，分別定位A和B為切削刃的左右端點，預(yù)處理的圖像的磨損區(qū)域建立二維坐標(biāo)系，定義A的坐標(biāo)為(x1，y1)，B的坐標(biāo)為(x2，y2)，以左端點為中心旋轉(zhuǎn)角度，使該邊平行于坐標(biāo)橫軸；(2)磨損區(qū)域的凸包上的所有點都繞著A點旋轉(zhuǎn)θ角度；(3)以磨損區(qū)域主切削刃為一個上邊界，找到坐標(biāo)縱軸上的y值最小的點，經(jīng)過該點做一條平行于坐標(biāo)橫軸的直線，這樣可以確定對應(yīng)的下邊界，然后，找到坐標(biāo)橫軸上的x值的最小和最大的點，經(jīng)過這兩個點分別做垂直于坐標(biāo)橫軸的兩條直線，就確定了對應(yīng)的左邊界和右邊界，得到一個外接矩形；(4)順序選著下一條磨損區(qū)域的邊，經(jīng)過1)到3)的順序得到另一個外接矩形；(5)計算這些外接矩形的面積，比較所有外接矩形的面積，找出其中面積最小的外接矩形。進(jìn)一步地，步驟四中所求的刀具磨損區(qū)域最小外接矩形與刀片最小外接矩形的寬度比值，通過比值的大小來判斷刀具磨損量的大小是指：根據(jù)像素與實際尺寸轉(zhuǎn)換方式得到刀片的像素尺寸的寬度，將刀具磨損區(qū)域的最小外接矩形寬度與刀片像素尺寸的寬度相比，得到比值判斷刀具的磨損量，進(jìn)而判斷刀具的磨損程度。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用CCD工業(yè)攝像機、二倍擴倍鏡、100倍遠(yuǎn)心鏡頭、環(huán)形光源、數(shù)據(jù)采集線組成圖像采集系統(tǒng)來采集圖像，室內(nèi)采集受光照的影響小，且因環(huán)境影響而產(chǎn)生的噪聲影響?。焕脠D像采集系統(tǒng)采集刀具磨損圖像并且傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)；對采集好的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括圖像灰度化、中值濾波降噪處理、圖像平滑處理、圖像迭代法閾值分割；對處理好的圖像利用最小外接矩形求出刀具磨損區(qū)域的最小外接矩形的寬度，采用最小外接矩形采集刀具磨損區(qū)域最小外接矩形精度高，受主觀影響小，能夠準(zhǔn)確的得到刀具的磨損量，為以后加工的刀具使用壽命提供理論依據(jù)，使刀具壽命使用最大化，本發(fā)明適用于BTA深孔鉆磨損檢測。附圖說明圖1為磨損檢測整體流程圖；圖2為圖像采集系統(tǒng)；圖3為圖像預(yù)處理流程圖；圖4為刀具磨損區(qū)域主切削刃作為構(gòu)造起始邊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為以磨損區(qū)域主切削刃為一個上邊界得到外接矩形的作法示意圖；圖6為BTA深孔鉆周邊刀片后刀面磨損區(qū)域最小外接矩形示意圖；圖7為BTA深孔鉆周邊刀片最小外接矩形圖；圖8為采集的BTA深孔鉆的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為加工后的BTA深孔鉆。具體實施方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明的技術(shù)做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1-圖9說明，基于最小外接矩形的刀具磨損檢測方法包括以下步驟：步驟一、利用圖像采集系統(tǒng)采集刀具磨損圖像，并將采集的圖像傳輸?shù)接嬎銠C；步驟二、將步驟一采集的磨損圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括圖像灰度化、中值濾波降噪處理、圖像平滑處理、圖像迭代法閾值分割；步驟三、將步驟二預(yù)處理的圖像利用最小外接矩形算法求出刀具磨損區(qū)域的最小外接矩形，并求出最小外接矩形的寬度；步驟四、將步驟三所求得刀具磨損區(qū)域的最小外接矩形的寬度與刀片的最小外接矩形的寬度相比，得到比值，通過比值的大小來判斷刀具磨損量的大小，判斷刀具磨損程度。如圖1所示，本發(fā)明所檢測的刀具用于深孔加工的BTA深孔鉆，試驗所用的是直徑為16mm的焊接式BTA深孔鉆，圖1中所示的為加工合格所退下來的刀具。如圖2所示，BTA深孔鉆切削部分是由三個硬質(zhì)合金刀片交錯地焊接在刀體上，分別為周邊刀片9、中心刀片10以及中間刀片11，還設(shè)置有排屑槽12，全部切削刃在切削時可布滿整個孔徑，并起分屑作用；兩個支撐塊13可增大切削過程的穩(wěn)定性。在深孔鉆削的實際加工中，BTA深孔鉆的各個刀齒前刀面、后刀面、主切削刃、副切削刃和鉆尖都會發(fā)生磨損，由于錯齒鉆頭每個刀齒之間有一定的覆蓋量，在實際加工中的每個齒的磨損情況是不同的，由于外齒的轉(zhuǎn)矩和切削速度最大，所以周邊刀片磨損最嚴(yán)重，其次是中間齒，中心齒的磨損程度相對較好。因此，本發(fā)明的磨損檢測主要是利用周邊刀片1的磨損圖像。首先，利用光學(xué)圖像采集系統(tǒng)采集BTA深孔鉆周邊刀片的后刀面磨損圖像，并且傳輸?shù)挠嬎銠C內(nèi)；然后對采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，其中包括括圖像灰度化、中值濾波降噪處理、圖像平滑處理、圖像迭代法閾值分割；利用最小外接矩形求出BTA深孔鉆周邊刀片后刀面磨損區(qū)域最小外接矩形的寬度，利用像素與實際尺寸轉(zhuǎn)換公式得到周邊刀片的寬度，將磨損區(qū)域最小外接矩形寬度與刀片寬度相比得到比值，通過比值判斷刀片的磨損程度。如圖4所示，所述的圖像采集系統(tǒng)包括CCD工業(yè)攝像機1、擴倍鏡2、遠(yuǎn)心鏡頭3、環(huán)形光源4、數(shù)據(jù)采集線7和翻拍臺5；翻轉(zhuǎn)臺5的上方由下至上布置有同軸設(shè)置的環(huán)形光源4、遠(yuǎn)心鏡頭3、擴倍鏡2和CCD工業(yè)攝像機1；CCD工業(yè)攝像機1和遠(yuǎn)心鏡頭3之間布置有與二者連接的擴倍鏡2；CCD工業(yè)攝像機1通過數(shù)據(jù)采集線7與計算機8通訊連接。使用時，BTA深孔鉆6放置在翻轉(zhuǎn)臺5上，翻轉(zhuǎn)臺5具有翻轉(zhuǎn)調(diào)角度功能，以便調(diào)整BTA深孔鉆6的切削部分對準(zhǔn)環(huán)形光源4和遠(yuǎn)心鏡頭3，遠(yuǎn)心鏡頭3采集BTA深孔鉆6的切削部分的圖像，擴倍鏡2提高圖像的分辨率和清晰度，擴倍鏡2采用2.0X擴倍鏡；環(huán)形光源4提供遠(yuǎn)心鏡頭3采集圖像的亮度，CCD工業(yè)攝像機將采集的圖像信息、轉(zhuǎn)換并經(jīng)數(shù)據(jù)采集線7傳輸至計算機8進(jìn)行預(yù)處理。硬件的參數(shù)如下表所示。BTA深孔鉆磨損圖像采集系統(tǒng)配置表如圖5所示，圖像預(yù)處理中的圖像灰度化是利用g(x，y)＝T[f(x，y)]公式將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。圖像預(yù)處理中的中值濾波降噪處理采用的是一種統(tǒng)計排序濾波器，對于原圖像中某點(i，j)，中值濾波以該點為中心的鄰域內(nèi)的所有像素的統(tǒng)計排序中值作為(i，j)點的響應(yīng)。x和y為隨機變量。圖像預(yù)處理中圖像平滑處理是基于二維高斯函數(shù)，高斯平滑原理是對于鄰域內(nèi)的像素一視同仁，為了減少平滑處理中的模糊，得到更自然的平滑效果，很自然地想到適當(dāng)加大模板中心點的權(quán)重，隨著遠(yuǎn)離中心點，權(quán)重迅速減小，從而可以確保中心點看起來更接近于與它距離更近的點，其方式為：高斯平滑主要是基于二維高斯函數(shù)，均值為0，方差為σ2的二維高斯函數(shù)公式如下：其中，為二維高斯函數(shù)，σ為常數(shù)，x和y為隨機變量。高斯平滑是將連續(xù)的二維高斯函數(shù)的離散化表示，因此任意大小的高斯平滑模板都可以通過建立一個(2k+1)×(2k+1)的矩陣M得到，其(i，j)位置的元素值可以用下式來確定。其中k為正整數(shù)。二維高斯函數(shù)可轉(zhuǎn)化為下式，其中M(i，j)為離散化二維高斯函數(shù)。M(i,j)=12πσ2e(-((i-k-1)2+(j-k-1)2)2σ2)]]>常用的高斯平滑的模板為(3×3)的高斯模板如下所示，通常對(3×3)的高斯模板取σ為0.8左右。uy=1/16×121241121]]>其中，w為高斯模板。圖像預(yù)處理中的圖像迭代法閾值分割是指開始選擇一個閾值作為初始估計值，然后按照求均值的規(guī)則不斷的更新這一估計值，知道滿足給定的條件為止，其具體步驟為：(1)選擇一個閥值T的初始估計值；(2)利用閾值T把圖像分為兩個區(qū)域R1和R2；(3)對區(qū)域R1和R2中的所有像素計算平均灰度值μ1和μ2；(4)計算新的閾值：T=12(μ1+μ2)]]>(5)重復(fù)步驟(2)—(4)，直到逐步迭代所得的T值小于事先定義參數(shù)。如圖6和圖7所示，圖8和圖9分別為BTA深孔鉆周邊刀片后刀面磨損區(qū)域最小外接矩形與周邊刀片最小外接矩形圖。由于外齒的轉(zhuǎn)矩和切削速度最大，所以周邊刀片磨損最嚴(yán)重，因此本發(fā)明的磨損檢測主要是利用周邊刀片后刀面的磨損圖像。步驟三中的最小外接矩形算法得到磨損區(qū)域的最小外接矩形是這樣實現(xiàn)的：首先提取步驟二預(yù)處理的圖像的磨損區(qū)域的凸包，利用凸包來確定磨損區(qū)域的最小外接矩形，其步驟為：(1)磨損區(qū)域主切削刃作為構(gòu)造矩形的起始邊，分別定位A和B為切削刃的左右端點，預(yù)處理的圖像的磨損區(qū)域建立二維坐標(biāo)系，定義A的坐標(biāo)為(x1，y1)，B的坐標(biāo)為(x2，y2)，以左端點為中心旋轉(zhuǎn)度，使該邊平行于坐標(biāo)橫軸；(2)磨損區(qū)域的凸包上的所有點都繞著A點旋轉(zhuǎn)θ角度；(3)以磨損區(qū)域主切削刃為一個上邊界，找到坐標(biāo)縱軸上的y值最小的點，經(jīng)過該點做一條平行于坐標(biāo)橫軸的直線，這樣可以確定對應(yīng)的下邊界，然后，找到坐標(biāo)橫軸上的x值的最小和最大的點，經(jīng)過這兩個點分別做垂直于坐標(biāo)橫軸的兩條直線，就確定了對應(yīng)的左邊界和右邊界，得到一個外接矩形；(4)順序選著下一條磨損區(qū)域的邊，經(jīng)過1)到3)的順序得到另一個外接矩形；(5)計算這些外接矩形的面積，比較所有外接矩形的面積，找出其中面積最小的外接矩形。步驟四中所求得刀具磨損區(qū)域最小外接矩形與刀片最小外接矩形的寬度比值，通過比值的大小來判斷刀具磨損量的大小是指：根據(jù)像素與實際尺寸轉(zhuǎn)換方式得到刀片的像素尺寸的寬度，將刀具磨損區(qū)域的最小外接矩形寬度與刀片像素尺寸的寬度相比，得到比值判斷刀具的磨損量，進(jìn)而判斷刀具的磨損程度。當(dāng)前第1頁1 2 3