高精度刀具测量仪的视觉系统研究与设计

　　1 引言

　　刀具测量仪是用于检测刀尖角度、圆角半径等刀具几何参数的仪器，是机械设计和制造中不可缺少的设备。在目前高效的生产系统中，如果不能及时精确检测到刀具的磨损或破损，不但会导致工件报废，而且可能会损坏机床，造成很大的损失。目前我国国内生产的刀具测量仪大部分还停留在光学投影式瞄准，依靠人眼瞄准测量，这样导致测量结果主观误差大，重复测量精度低，同时测量速度低，已经不能满足现代化生产系统的要求[1-2]。视觉系统是刀具测量仪的重要部分，犹如整个仪器的“眼睛”，决定了所摄取的刀具图像的真实性与清晰度。本文在保证刀具测量仪精度的前提下，通过光路确定、参数计算、控制景深大小等步骤对传统的刀具测量仪的视觉系统进行了改进，通过仿真软件和实验验证确定所设计视觉系统的合理性。

　　2 工作原理

　　视觉系统包括照明和成像两部分。如图1 所示，为视觉系统模块框图，光源发出的光线经过照明光路后形成均匀稳定的平行光，光线照射到被测刀具上，刀具经过物镜成像在CCD 摄像机上，从而获得准确的刀具图像。照明部分为视觉系统提供了稳定的照明条件，突出刀具的边缘;成像部分使被检测刀具能够在CCD 摄像机上成像。

　　3 系统设计

　　3.1 光路

　　在刀具几何参数检测过程中，由于机械结构或外界因素等原因，不可能始终将刀具保持在一个固定的位置上，例如主轴的径向跳动、导轨的侧向间隙等，由于位置的变化会导致测量误差。为了克服上述引入的测量误差，我们选择物方远心光路。

　　在物镜的像方焦平面处设置孔径光阑，即物镜的出瞳，其入瞳位于物方无穷远，叫做物方远心光路。如图2 所示，刀具以有限的光束成像时，主光线是光束的中心，主光线的像高代表了光学系统中的实际像高，我们将孔径光阑设置在像方焦面处，无限远的入瞳位置使得主光线在物方平行于光轴，在像方必经过像方焦点，故主光线在像面上的高度为：

　　对于固定的像距x’和特定大小的刀具y，不论物体的实际位置如何在景深范围内变化，主光线的出射角w’始终不变，即主光线在像面上的高度始终不变，测得的y’为定值，从而消除了由于系统机械结构所引入的测量误差，提高了测量精度。

　　3.2 参数计算

　　成像部分一般由多片正透镜和负透镜组成，它的光学特性由三个参数决定：焦距(f’)、数值孔径(NA)和视场角(2w)。本系统采用DH-SV1410FM 型号面阵CCD，分辨率为1392×1040，像元尺寸为6.45μm×6.45μm，靶面大小为2/3 英寸，每秒15 帧，工作温度(0～50)°，数据接口IEEE1394a。下面通过计算获取上述三个参数。