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。
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