冶金锯片几何工程参数测量系统的研究

引 言锯片几何参数的检测是保证锯片质量的重要手段之一。有效的测量方法可以对产品质量进行监测，对锯片的质量和企业的形象和信誉都有十分重要的影响。冶金圆锯片的几何参数比较复杂，正确地选择锯片的几何参数是决定锯切质量的关键，相应的其几何参数的测量也较为困难。在冶金锯片生产行业中，检测锯片的每个锯齿以保证其外形在预先设定的范围内，对锯片的质量和企业的效益意义重大。传统的测量方法主要有全能角度尺测量法、影像投影仪测量法以及三坐标测量机测量法等。这些测量手段虽然都能实现一定精度的测量，但是它们都是通用的检测仪器，用于检测锯片几何参数时存在精度低或效率低的问题，因此有必要设计一款专门用于冶金锯片几何参数测量的测量系统[1]。近年来，随着科学的进步发展，出现了多种科技融合在一起的新的技术手段，视觉测量技术的建立得益于计算机技术、光学技术以及现代传感器技术等的发展，是一项融合多项技术为一体的综合测量技术。视觉测量法不同于传统测量，它是针对被测工件的图像进行测量工作，通过对图像信息的检测和提取，实现特征参数的测量。因此，跟传统的测量方法相比，视觉测量法有其新的特点：非接触性、高精度、高效率以及高程度的自动化。此外，视觉测量技术通过与不同设备和软件相互协作，能够实现在线检测控制、实时分析等特点，因此还具有数字化、网络化、多功能化等优点。得益于视觉测量技术自身的优势，使得它不仅在制造业得到了广泛应用，也受到了工业、军事、医学等领域的极大关注[2,3]。与传统的测量方法比较，视觉测量技术有应用十分广泛，信息量大；非接触测量，能够提高系统的可靠性，较宽的光谱响应范围的优点。因此，有必要设计一种自动化冶金锯片的视觉检测设备，在实现一定精度测量的同时，更加快速高效的完成测量工作。.......第 1 章 绪论1.1 冶金锯片概述冶金锯片主要指的是冶金行业使用的各种锯片，它的主要作用是在合理的切割成本下，达到最佳的切削效果和最高的切削效率。冶金锯片在能够适应切削的钢材品种的同时还应满足相应的加工设备的要求。冶金锯片的分类可以按照形状、材质、应用场合等多种分类方式进行分类。按照形状主要分为两大类：圆形锯片和带状锯片，圆形锯片可以和各种大型小型锯机配套使用，带状锯片可以和工业带锯床配套使用；按照材质的不同又能够分成高速钢锯片、硬质合金锯片、钨钢锯片和金刚石锯片等。不同材质的锯片应用对象也不同，比如金刚石锯片的应用对象主要是石材，高速钢锯片的主要用于金属类材料，硬质合金锯片主要应用于铝合金和塑钢等[4,5]。冶金行业和机械行业是冶金锯片使用最多的两个行业。两个行业对于锯片的要求也有一定的区别。对于冶金行业来说，其主要目的是保证生产效率和大批量的生产，因此对锯片持续加工性能和切割效率要求较高；而机械加工行业对加工精度要求较高，但是对锯片的连续生产性要求不高。冶金行业对锯片的主要要求是其连续生产性能，在此基础上还需要适应不同产品以及在不同工作状况下高效率工作的要求[6,7]。金属冷切、热切锯片是使用需求量最大的两种锯片，其次是硬质合金齿圆锯片。它们都有耗量大的特点，因此设备投资也比较大，所以通常采取大批量的生产来降低其加工成本。除了上述三种锯片，还有高速钢镶片圆锯片，由于其应用范围较小，已经逐步被其它类型的锯片所替代[8,9]。机械行业对锯片的要求主要是较高的加工精度。双金属带锯和弓锯是该行业中使用较多的两种锯片。由于冶金锯片其优异的切削性能和加工性能等优点，使得其应用范围越来越广。其中，金属冷切圆锯片、金属热切圆锯片、硬质合金齿圆锯片和金刚石圆锯片是冶金行业使用最多的锯片。图 1 展示了硬质合金齿圆锯片。.........1.2 几何量测量技术发展几何量的检测对产品的质量有着至关重要的作用。有效的测量方法可以对产品质量监督和检验，对产品的质量和企业的形象和信誉都有十分重要的影响。几何量的种类有很多种，比如长度、角度等，同一种几何量在不同的产品上也会表现出不同的类型，比如长度可以表现为长度和厚度等，因此几何量测量对象也是多种多样的。孔和轴的测量对象主要是直径；螺纹零件的测量对象则有螺距和牙型半角等[23]。虽然测量对象在不同的场合表现形式不同，从本质上来说，它们可以概括为长度和角度，或者是两者的组合。锯片的几何量的主要测量对象也可以归结为长度和角度，例如锯片的直径，中心孔的直径、锯齿齿顶角等。随着技术的发展，其测量的精度逐渐提高的同时，测量对象的范围也得到了扩大。对于长度的测量，从最初的直径测量扩大到对锯齿和齿高的测量；对于角度的测量，从最初的齿顶角测量到现在对齿顶角、齿前角和齿后角的测量。对于用于特殊场合的锯片甚至对其表面粗糙对的测量也有严格的要求。随着科学的发展和社会的进步，几何参数测量的范围也越来越广，从最初的长度的测量到如今复杂的角度，从宏观到微观，而且测量的技术手段也在逐渐发展，从古代的度量衡发展到现代光电技术的检测手段，测量的范围和精度都越来越高。几何量的测量技术也随着社会的进步一直在发展。冶金锯片参数的测量主要涉及到的是长度和角度的测量，必要的情况下还需对锯片表面粗糙度进行测量，以下对冶金锯片几何参数测量相关的一些测量技术的发展情况加以简要介绍。随着科学技术的发展，测量技术也得到了很大的发展，从最初的千分尺类量具发展到现在的三坐标测量机以及机器视觉测量技术；从空间角度看，从最初的一维坐标测量到现在的二维坐标、三维坐标的测量，从与工件接触关系又可以分为接触测量和非接触测量[24,25]。随着科学技术的进步，测量精度也越来越高。锯片的近现代测量技术的发展主要包括以下几个方面。机械比较仪最早出现在上世纪三四十年代，它的组成主要包括两部分：测微仪和比较仪座[26]。它无法直接显示被测量的尺寸，而是一种通过显示偏差的方式量体现测量尺寸的方法。首先根据测量的尺寸来进行量块的组合，然后根据组合的量块调整测微仪，使其对零，最后再用对好零的测微仪和待测工件进行比较。机械比较仪的适用范围比较小，常用于车间和计量室中，测量的内容主要是工件外径和厚度。...........第 3 章 测量系统的总体方案............223.1 测量系统的组成原理............223.2 测量系统的组成部分及其功用........223.3 本章小结........27第 4 章 冶金锯片的图像采集............284.1 测量系统技术要求.....284.2 照明系统........284.3 CCD 图像传感器的选择........354.3.1 CCD 工作原理..............354.3.2 CCD 传感器的选择......374.4 图像采集卡的选择....3844.5 本章小结........42第 5 章 测量软件的开发........435.1 测量软件概述............455.2 图像标定........445.3 图像处理........465.4 冶金锯片几何参数测量的具体实现............515.5 精度的验证....555.6 本章小结........56第 5 章 测量软件的开发测量软件和测量系统的硬件通过采集卡相连，统完成锯片图像的采集工作，然后对采集的锯片图像进行图像处理和图像分析后，进行图像特征值的提取，最后完成锯片参数的测量工作。测量软件是一个以 LabVIEW 平台为软件环境，结合VDM（Vision Developments Module）视觉开发模块的数据库功能进行开发的计算机测量软件。5.1 测量软件概述5.1.1 测量软件的功能在冶金锯片测量软件设计中，软件的界面是用户可以直接进行操作的界面。其功能主要有：图像的采集、图像处理、图像分析、图像参数的测量和结果保存。界面由图像采集显示窗口和相应的功能按钮组成。功能按钮分别可以实现不同的操作类型，此外还有 LabVIEW 程序自带的程序运行和程序停止功能。图像采集后可以在显示窗口显示采集到的图像，然后对采集的图像可以进行相应的操作，参数测量完成后可以在界面中对应位置显示测量结果。测量软件是基于 LabVIEW 系统编程开发来的，它能够用来进行程序环境的开发。跟传统的计算机语言（C 语言和 AVA 等）相比明显的不同，LabVIEW 采用的语言形式有所不同。传统的计算语言是以文本来编写代码或者程序，LabVIEW是一种新的编程语言，它使用的是图像化语言，就是以图标的形式来进行程序的编写，最终的程序表现形式为流程图。LabVIEW 具备 While 循环结构，能够实现对锯片图像信息进行多次采集和分析。事件结构能够实现对程序的判定，对程序继续运行或者停止运行做出判定。簇函数中的解除捆绑能够在锯片图像处理过程中，能够对锯片图像的信息进行分类，根据需要提取特点信息完成锯片相应参数的处理和测量。数组函数中的索引数组、排序数组等能够实现对特定的锯片信息的调用，比如对齿尖坐标或者锯齿中心坐标，为相应的参数测量提供数据。此外，它还具备了数据通信和网络通讯功能，包括串口通信、并口通信等。能够开发局域网，实现和公司的数据库的相连，把测量到的参数信息存储到数据库，便于公司对某一批次锯片参数信息进行统计分析，对生产进行指导。VDM 模块提供在 LabVIEW 编程环境下使用多种图像处理以及识别的函数及功能。该模块包括图像采集函数，主要功能是配置图像采集系统和图像采集；图像操作函数，其主要功能是用于创建和管理图像，比如图像的创建、图像文件的读取、图像显示、特定区域的操作等；图像处理函数，可以对图像进行直方图分析、滤波、阈值处理等各种图像处理；以及机器视觉函数子选板，可以完成边缘检测，直线和曲线的拟合以及几何测量等功能。VDM 模块能够实现视觉图像的多种功能。VDM 能够对图像采集卡或者相机的驱动，完成图像的采集工作，并且对采集到的图像进行后续的处理和分析。结合LabVIEW 平台，通过相应的编程实现对锯片参数的测量。

.......结 论本文以 CCD 视觉测量技术为手段，以冶金锯片作为测量对象，以 LabVIEW软件为开发平台，对锯片进行了图像采集，并编程了相关的测量软件。完成了对锯片的图像采集、图像滤波、图像阈值和图像边缘提取处理，实现了通过对锯片图像特征值的提取和数据分析，最后通过自主编程的测量软件，实现了通过图像对锯片特定参数的测量工作，在保证测量精度的前提下提高了测量的效率。主要研究内容为：1） 对冶金锯片的几何参数进行了研究，并对锯片国内外的发展历史的相关状况进行了简介。并且对锯片参数中的对锯片质量、精度和锯切精度影响最大的主要几何参数的相关测量方法的发展进行研读，并对各个测量方法的特点进行了深入的研究。根据锯片几何参数测量的特点，确立了以 CCD 视觉测量方法作为测量系统的测量方案。2） 通过去相关工厂进行实际的调研，明确锯片几何参数测量的精度要求，为测量系统的设计提供了原始依据。并依据测量的要求完成测量系统的整体方案的构建，包括测量系统的机械结构、工作平台、立柱和支臂、锯片的固定装置和图像传感器等。3） 对测量系统的图像采集部分进行了实验和设计。为了保证获得良好的图像，通过多组实验对比，最终选取了 LED 背向均匀散射为测量系统的照明方案。根据锯片测量精度的要求对图像采集卡进行了选择，完成了图像采集卡和计算机的连接和控制，并且编写了相应的图像采集程序。4） 根据锯片需要测量的几何参数，基于 LabVIEW 视觉开发模块编写了测量的系统的测量软件，测量软件可以完成图像的采集、图像的标定、图像的处理和分析等工作，此外还能够根据对图像特征参数提取后完成锯片相应几何参数的测量。5） 对测量系统的测量结果的精度通过标准块进行了实验对比，实验结果表明测量系统尺寸的测量精度优于 18 m ，角度测量误差小于 0.1 ，测量结果能够达锯片几何参数测量的要求。..........参考文献（略）