在生產(chǎn)加工中，刀具磨損過(guò)度就會(huì)引起工件的報(bào)廢甚至是機(jī)床的損壞，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。因而，對(duì)切削過(guò)程中刀具磨損進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分重要的。刀具磨損監(jiān)測(cè)方法雖然種類繁多，但還沒(méi)有較為完善的監(jiān)測(cè)方法，一定程度上制約了機(jī)械加工水平的提高，因而，對(duì)刀具進(jìn)行磨損監(jiān)測(cè)研究又是十分必要的。

　　計(jì)算機(jī)視覺(jué)是計(jì)算機(jī)科學(xué)研究領(lǐng)域的重要分支，它通過(guò)對(duì)三維世界所感知的二維圖像進(jìn)行研究以提取出三維景物世界的物理結(jié)構(gòu)。圖像法的核心技術(shù)就是計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，它具有非接觸性，并具有得到的磨損量精確、直觀性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

　　本文運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)識(shí)別圖像的方法來(lái)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程中的刀具磨損情況，圖像處理的具體步驟包括：刀具磨損圖像的顯示、圖像旋轉(zhuǎn)、亮度調(diào)節(jié)、對(duì)比度調(diào)節(jié)、閾值處理、填充處理、顆粒去除處理、磨損帶VBmax測(cè)量、磨損帶面積測(cè)量和報(bào)警提示等。開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)刀具檢測(cè)系統(tǒng)以NI公司的圖形化編程軟件Labview為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用IMAQ Vision for Labview模塊編程共同完成。與傳統(tǒng)的編程方式相比，使用Labview開(kāi)發(fā)視覺(jué)系統(tǒng)可以使效率提高4～10倍。

　　由于在一般的切削加工過(guò)程中，刀具后刀面的磨損量是影響刀具耐用度的主要因素，因而本文的研究對(duì)象定為刀具后刀面。

　　一、圖像處理流程及原理分析

　　刀具的磨損形態(tài)，通過(guò)CCD攝像機(jī)拍攝，經(jīng)圖像采集卡轉(zhuǎn)換傳送至計(jì)算機(jī)內(nèi)即可獲得刀具磨損圖片。本文在LabVIEW平臺(tái)上采用IMAQ Vision模塊對(duì)加工過(guò)程中所獲得的圖像進(jìn)行圖像分析，獲取后刀面磨損帶VB值及其磨損面積，再與預(yù)定的臨界值進(jìn)行比較，超過(guò)預(yù)定數(shù)值則系統(tǒng)報(bào)警，表示刀具過(guò)度磨損，以達(dá)到監(jiān)測(cè)后刀面磨損狀態(tài)的目的。

　　對(duì)于圖像的處理，大致可步驟為：原始圖像→圖像的預(yù) 處理→圖像處理→圖像測(cè)量分析，其具體流程如圖1。

　　1.圖像的預(yù)處理

　　本文的研究目的是建立一個(gè)監(jiān)測(cè)刀具后刀面磨損的計(jì)算 機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)。由于從CCD攝像機(jī)獲得的圖像含有很多噪聲，不利于最終的圖像處理。因此需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，消除這些不利因素，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到最理想的效果。

　　首先，對(duì)于剛剛獲得的原始圖像，其顏色一定是彩色的，由于在進(jìn)行圖像處理時(shí)，并不需要彩色的信息，過(guò)于豐富的色彩反而會(huì)影響到后期圖像處理的效率。所以第一步要進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換。這里，一幅8bit數(shù)字平面圖像用其灰度函數(shù)來(lái)表示。

(1)

　　灰度轉(zhuǎn)換的效果就是將原有的彩色亮度信息表達(dá)成0～255之間的灰度信息。對(duì)于所獲得的圖像，由于相機(jī)拍攝位置是任意的，因而圖像中刀具的位置與角度也是任意的，根據(jù)刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)， 實(shí)驗(yàn)的最終目的是要測(cè)量刀具磨損帶的值及其面積，因而要將圖像預(yù)先進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等位置調(diào)整，使刀具的圖像處于垂直的位置，這樣，計(jì)算出的值才是真正的實(shí)際值。

　　另外，在試驗(yàn)中，所獲得的圖像本身可能因?yàn)榱炼炔蛔悖蚺臄z出的物體對(duì)比度不理想，導(dǎo)致圖像信息提取困難， 所以要預(yù)先對(duì)圖像進(jìn)行亮度和對(duì)比度等的調(diào)節(jié)。

　　對(duì)比度調(diào)節(jié)實(shí)際上就是增強(qiáng)圖像中各部分的反差，調(diào)節(jié)對(duì)比度能使原有圖像變得更加清晰、輪廓分明。亮度調(diào)節(jié)就是 使原有圖像所有點(diǎn)的灰度值全部增加或全部減小，以使原來(lái)過(guò)于黑暗的圖像變亮或使原來(lái)過(guò)于明亮的圖像變暗。

　　2.圖像處理

　　刀具的圖像包括灰度較大的磨損帶和灰度較小的背景。為了將物體分離出來(lái)，需要對(duì)圖像進(jìn)行分割，設(shè)圖像的灰度值范圍為，二值化閾值取。二值化處理可用下式表示：

(2)

　　式中：是二值圖像。閾值化是輸入圖像到輸出圖像的變換。如果像素來(lái)源于磨損帶，則;如果像素來(lái)源于背景，則

　　實(shí)際閾值T的選取，可以采用Ostu提出的最大類間方差法進(jìn)行閾值選取。由Ostu提出的最大類間方差法，是在判決分析最小二乘法原理的基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出的，其基本思想是：把圖像中的像素按灰度值用閾值t劃分成目標(biāo)類和背景類，由灰度值在0～t之間的像素組成，由灰度值在(t+1)～(L-1)(L為圖象主灰度級(jí)數(shù))之間的像素組成，設(shè)為類間方差，則最優(yōu)閾值是使取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)，即:

　　式中, 分別為目標(biāo)和背景的灰度概率和，分別為目標(biāo)和背景的平均灰度值。

　　最大類間方差法選取閾值的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)尋求全局最優(yōu)解的過(guò)程，用以求得最合理的閾值T。

　　此外，由于光源照射的不均勻或物體表面本身高低不齊，即使在磨損帶中心也不是處處都十分明亮，偶爾也會(huì)出現(xiàn)較暗的斑點(diǎn)，閾值化處理后，在磨損帶之中的這些點(diǎn)可能就因?yàn)檫^(guò)暗而被視為背景，使，造成處理的失真，因此有必要對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，那就是填充處理，人為地再將這些點(diǎn)再定義為。

　　在二值化處理后，不僅在磨損帶中心會(huì)出現(xiàn)斑點(diǎn)，整個(gè)圖像都會(huì)出現(xiàn)許多微小顆粒，這些顆粒可能會(huì)與磨損帶中的區(qū)域具有相同的灰度級(jí)，這也是由于光照條件不均勻，或物體表面本身就高低不齊，導(dǎo)致光照后的反射呈現(xiàn)出或亮或暗的斑點(diǎn)所引起的。對(duì)于非磨損帶的斑點(diǎn)，這時(shí)就要進(jìn)行顆粒去除的工序，用IMAQ Vision中的IMAQ Particle Filter可以實(shí)現(xiàn)該功能。它的工作原理是預(yù)先設(shè)定好需要除去的顆粒面積范圍，如0～400，那么程序運(yùn)行時(shí)，在進(jìn)行閾值處理后仍保留面積大于400的，而面積小于400的被去除，使其。需要注意的是，這里的面積計(jì)算是用像素值作為單位的。

　　3.圖像測(cè)量分析

　　在處理完圖像信息后，就可以得到一定的圖像數(shù)據(jù)，需要將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

　　首先要測(cè)得刀具磨損帶的VB值和刀具磨損面積，根據(jù)上步閾值處理后，圖像只呈現(xiàn)二值化形式，在IMAQ Vision for LabVIEW軟件中可以用IMAQ Particle Analysis來(lái)處理對(duì)于的相關(guān)信息，包括的磨損帶的面積、寬度、長(zhǎng)度、磨損帶中心的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)等相關(guān)信息，分析得到的數(shù)據(jù)是一個(gè)數(shù)組，要將其轉(zhuǎn)化成為一個(gè)簇，并分別提取所需要的數(shù)據(jù)，從而得到最終要測(cè)量的值和面積值。

　　圖像數(shù)據(jù)處理的最后一步就是要進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)超過(guò)預(yù)先給定的臨界值時(shí)，系統(tǒng)就要報(bào)警，表示刀具已經(jīng)過(guò)度磨損，提示工作人員需要做出更換刀具等相應(yīng)調(diào)整措施。

　　二、監(jiān)測(cè)程序開(kāi)發(fā)

　　1.程序流程

　　圖像處理程序是在LabVIEW 軟件平臺(tái)上，采用IMAQ Vision for LabVIEW來(lái)開(kāi)發(fā)刀具磨損的監(jiān) 測(cè)程序，包括圖像的顯示、控制信號(hào)的輸入、圖像處理、測(cè)量和檢測(cè)報(bào)警等內(nèi)容，其中圖像處理 又包括灰度轉(zhuǎn)換、亮度/對(duì)比度調(diào)節(jié)、閾值處理和顆粒去除等， 程序流程圖如圖2所示。

　　2.程序框圖及界面

　　圖3為在Labview平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)程序界面，圖4為L(zhǎng)abview 部分程序框圖。

　　三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本文以破損刀具為例，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理分析得到該刀具的磨損帶信息，圖像處理操作步驟如下。

　　(1)通過(guò)CCD攝像機(jī)傳送至計(jì)算機(jī)，經(jīng)灰度處理后得到圖像如圖5。

　　(2)輸入圖像的旋轉(zhuǎn)度數(shù)，將圖像旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)角度。本例中，輸入的旋轉(zhuǎn)度數(shù)10°，再對(duì)圖像進(jìn)行亮度、對(duì)比度調(diào)節(jié)，輸入如下數(shù)據(jù)。

　　Brightness = 180

　　Contrast = 60.00

　　Gamma = 1.18

　　(3)進(jìn)行閾值處理，本例輸入Threshold Value的下限為71，上限為255。

　　(4)填充處理(FillHole)：原理上就是將圖片中紅色區(qū)域中所包圍的黑色部分填補(bǔ)，使之變換成紅色區(qū)域，填充處理時(shí)不需要輸入任何數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)自行按順序進(jìn)行。

　　(5)顆粒去除：去除由于光照不均等原因在磨損帶周?chē)a(chǎn)生的亮點(diǎn)，在圖像上也就是去除在圖像中磨損帶周?chē)募?xì)小紅色部分。顆粒去除的選擇控制欄是Selection Values欄。

　　在Selection Values欄里需要輸入的數(shù)據(jù)比較多，本例為如下數(shù)據(jù)。

　　特征：Area

　　Range Lower Value = 0

　　Range Upper Value = 400

　　Range: Include

　　Measurement Type: Pixel

　　(6)測(cè)量磨損帶面積和，通過(guò)應(yīng)用IMAQ Vision中的組 件可以自動(dòng)完成程序框圖的數(shù)據(jù)輸出。本例中，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，最后由計(jì)算機(jī)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)如圖6所示。

　　圖中，2452這個(gè)數(shù)值就是該區(qū)域的面積，即磨損帶的面積是2452pixel，經(jīng)相機(jī)標(biāo)定，可將像素值關(guān)聯(lián)表示成實(shí)際尺寸單位，為表達(dá)統(tǒng)一和方便，本文仍以像素作為尺寸單位。計(jì)算機(jī)測(cè)量的在程序界面最右端顯示，見(jiàn)圖3。

　　本例中，設(shè)置臨界為85pixel，臨界面積為2400pixel，而由計(jì)算機(jī)測(cè)得的實(shí)際為91pixel，實(shí)際面積為2452pixel。因而，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析后系統(tǒng)報(bào)警，表示刀具已經(jīng)過(guò)度磨損。

　　四、小結(jié)

　　本文在虛擬儀器LabVIEW的環(huán)境里，應(yīng)用IMAQ Vision for LabVIEW模塊對(duì)刀具后刀面的磨損進(jìn)行了圖像處理和分析，分析得到了刀具磨損的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并配以報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了刀具磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)。但本文中尚待研究的內(nèi)容有。

　　(1)光源照射條件的研究。不同光線下所獲得的刀具磨損圖像的效果是不一樣的，如何找到一個(gè)最佳位置以及如何調(diào)整光源的強(qiáng)度，以得到較為清晰、對(duì)比度強(qiáng)烈的圖像效果，這是將來(lái)所要研究的課題之一。

　　(2)磨損的輔助判斷標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于刀具磨損帶的測(cè)量，除了現(xiàn)有的判別標(biāo)準(zhǔn)以外，還可以考慮添加新的判別磨損標(biāo)準(zhǔn)作為輔助判別標(biāo)準(zhǔn)，綜合判斷刀具的磨損狀況。