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数控车床全闭环控制系统的研究


西华 大学硕士学位论文

数控车床全闭环控制系统的研究
机械电 子工程专 业

研究生 金凤鸣

指导教师 邓志平

随着工业的发展,      传统机床已不能满足现代生产的要求, 而数控机床的特 点适应这种生 产要求, 市场需求增大。 本文在分析了当前国内 外数控研究和数 控生产的基础上, 针对我国数控机床行业的实际情况, 提出了开展数 控改造的 重要性和必要性。 首先介绍了国内      外数控车床的 现状和发展趋势, 将在线检测技术和数控技 术结合起来对经济型数控车床进行全闭 环总体设计: 现代检测技术, 基于 应用 C D 传感器对正在加工的轴径进行实时在线检测, C 将检测值反馈,当检测值 与理论 值相差在规定数值之内时继续进行下一步进给车削。 在线检测 技术使加 工中的 测量仪器与机 床、 刀具、 工件组成一个闭环系统, 工件加工过程中, 实 时测量工件的尺寸, 再根据测得的实际尺寸来调 整刀具的进给量, 从而实现全 闭环控制。 把闭环控制点扩展到工 件, 可以使刀具的磨 损量在控制闭环内, 从 而提高 数控车床的加 工精度。 根据控制理论对此系统建立了 数学模型, 并对系 统的动态和稳态进行了分析: 数控车床全闭 环系统的研究和分析为开发高精度 数控机床提供了理论基础。 然后对数控车床的      检测反馈装置进行了研究和设 分析了国内 计, 外检测技 术的现状和发展趋势, 论述了接触和非接触检测方法的优缺点, 合理选择了适 合本系统的检测方法。 比较全面地论 述了现有的 轴径测量方法和测量原理, 以 及轴径测量中关键技术的发 展和研究现状, 指出了 进一步提高轴径测量精度的 研究方向和方法。 随着科学技术的发展, 特别是 近代 电 子技术的发展, 使凡何 量测量技术向着高精度、高 效率、自 动化、 动态检测和自 适应控制方向发展。 将 C D应用于几何量测量可以实 C 现高精度、高效率、自 动化、 动态检测、非 接触测量等要求, 尤其对小 尺寸的测量具有很强的优势。

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最后介绍了图像处理的      基本知识和几种边缘检测算子, 应用图像处理技术 先对 C D采集到的图像进行预处理, C 再进行边缘检测处理, 提取出轴径的尺 寸, 将测量的 尺寸进行实时反馈, 形成包含工件在内的全闭 环控制。 边缘检测 是数字图像处理中的重要内容。 本文提出了 一种新的亚像素边缘检测方法。 此 种方法先经过传统模板算子确定边缘的大致位置, 然后利用最小 二乘拟合法求 出 边缘的精确位置, 经过粗、 精两次定位, 在确保测量时间的 情况下获得亚像 素级的 精度。 我国数控技术起步晚,      经济型数控车 床还占有很大比例, 此装置的研究和 设计将对经济型数控机床改 造有深刻的影响和重大的意义; 同时对数 控机床的 发展也有较好的推动与启示作用。 关键词: 数控车床 检测技术 数控改造 全闭环 C D传感器 C

西 华大学硕 士学位论文

R s h n o 一oeo C n lyt f e a o whlc sl e e r e l 一 o ot ssmo p o r e
N mec C n T g c i        t l 而 n Mahn u r a of u il o e
Ma r c n aadlt n eg e. j : h l l ecoi ni n9 o m a c n er c n e e

P trd a j Fnmn A 讨srD 雌 Z in s o ga ut i eg i e n g d o e hi Pg

ih h e P Wt t d o et n r t tdi a lci t s      vf m O o i t‘ e 妞i nl 以h e olc hry e e f 血s h l t y o r n o a al n d e n th e s f o mP cO.o刀a ye a e f e P i r od t r e om e r utnFnn l bc s ot is c l P s o e qt u d d o 1 e t, u hr ea c r 妞 s sc Ilr u e a c tl( ) ci 0lc sit s a ci , 几 l ha r c o P t O〔 rl o r ( i t e n c i n o NC m h et s a u t e a n 0 n h e e e n . d S i n ys o g n dm s N e r n r r e sTe s ht a l e f i ad o e iC Cr a ha i u n m t h ie o a n s e rn t c e s c d p 泪co n t uett t d s铭 山 e 0s t o t ul c 宜 utnad ecIO h o i o i h T , e n s l er Dri f h m t o an enn r e i a hlo i代 ch e c m r n n s r m cj t , t u t s r i o a ad e s l u n 闷 ee a bP t el t n e a . y 乃e ie t n o c t 化e t s a i o e e f     a ir u s P s st ad Pl i 山vl mn o ds l t eh sn o n d e t U n a n Pc n t a P O t N l ci t l cm i o一 dt o t ho g wt N eho g t Cl h o sob n n l e n e l ih Cto l o 以 n o, e g n i e n i i e c o o y c o y ds w o 一o 一O e o a N t i mci ye :B e o. eg hl leo c 而c c o n a h essm a n i n e sl P o n l m g n t s d o 的 ec e n 1 y Pl m d dt i t h0 g aP i C D溉 s t d e t sa d . t eo c o, t n y g n C r o o e ch hfi e lt e t a e T - n h n i , e e 即 h a i e r otu t nti n h n h o le t f b kt hfd m t cnne e st i w e t n e d es t a e , 1 h e J g m e
d m t i l sta t ter i vl . 七 dt t t ho g nae 认 e s e hn h h o t a a u T e e co e n l er s e ec l e e i n c o y lks

e c o e i, m g d ei dv e加 i m h ec拙r w 浅 i io w o 一o 一o t n t c n a i, c n u 明d o P cn o hlc s l e tn e e e leo p y e A u h e f uebdd h e co i t h e r 说 S l 1 d t 介 o ctr ae o t dtt d e t r y a e sn j t s e d t ne e n a e eb e i m r , l h lc s 0 y t h e e f l e 0 x e o o k e w o 一o 4 Pssn Tes m o c s 1 eldt w r i 诩 el e e L gn t o 0 D P P忧 n i sn u o a ba o f e h c 扛 r m h a a . h at e P c t ari ocn‘t s a il0e c e cr yTe u o s u n u n P va i c c n u h t r 功 t 吐 t oe a o c t 1t o adaa s h d a a e以i d 1b e n o r h r n n let y 而cad h cm s d n o ey , y e n n e t d钾 tP f 力 〕 o s t 七 r 毗 a n y o s say te r n出 e f sn Te s h da le f sm P i s o a o c ye L e e n as y e t v o e rd h ri b o x1t o fi c r y C .h e t o ta a f eP i i oh a u cN n ci s e ec s r 0 n le a h g ca n .
Te     erbad ds 力ted l t ad f dakdvc 皿a s t 七幻化sa n e l b e ci n e bc ei c g eo n e . e le h y e

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P s st n en a r e t sa t u d即Pc o d e m n 运 hm ndoe a d u t lan e l e i i t v o t P o ea vrs i s h e s , s s e c
e i n a t f o t o o 一ot tm sr e m r ad f l o cn c ad nncn c e au m 成 e tteslbe s t u s a t a e l h ut l c e a

d e o m 姗 . c s vsd t o m a o s fd mt dt i e cn e tt i 压s t e t de n e n f h t i e r e O s e u h ee c i t s a a e e cn , t e y h r n e c l n h se n f h i eron u h t o adky忆 加。 g i t dt o o s峨 d mt pi o t o y e i t c a e t t e , iPo m n 即 哪 y t r fhfd mt o r e代 m t ad e s mr ce c v i u j i f e o s t i er e a h h n m a . h a a en s e o d n Ao 初出t d e m tf e ho g iPrc1 t dvl mnot l e n h e 1 e ot t n 1 n ai ah s e e f e e vo n h e P c o , y tu re P O t h l e 曲 ,ec n s m a r t hi e fem t as sdm n h a 扫 y l t i, t s er c t e un e q ogo e c e e ad i o e h s】 c u g n i rl n e h g P ci h e cnya o az o,ya dt i ,d te otl c es r i叽 i f i c u m tan d 而c e o a Pv cno e h g i e, t i i t n e cn a i t r, t h m s n ye i C a n d n eo h m t a e e T e a ngs t wt C D h a a a g n t eo e c s s e u sm h s v妞 eg r l n i m t g, c ah p c o, g e c c a o azi nnot e . er es si r s h f e yu m t o oc a t e a u h h in h i g e i i i n ,t i n t a, nC e , t t P te s e D i sc 犷 I 短 t m a rrn 泳 e e n 肛 s o u l s P i a 玩t e , 仃 c h      加 叱u t 哪 g P c sg d e l电e eco Oe t h n ed e e e r s a s r e d e n P ro o mn e a e v tt i ar , o mgp 一 c r d lae r r sf mC Da eg dt 叽 t et t e ie抓 o e o e o C n de ee d i t c h xI t d no f n a e ’ h m n c s d m l f d 韶 t d mt r li , n aw o 一oeo c tl h i er e b k t f a a ee , e a ee 一 o l h i er a m f lt hl l 一 o o r e e sl P no s t n uc r i eTo de e co ilP们力 ii g P c s 9 s mi y e c d w k e . e dt t s m O泊t 咖 e r e 田 l oP c h g ei n n o s hsh i uso 川 nw u 认 e ug e h h c o n h Tit s Ptf , a e s 一 em s n m t w i c l t e s , b l a r i 叼, h 心r e s a r la ps o o e e c etn】 m l at e , t 幻g po m to i Px e t n fd b o noat P r h t 胡d h e gy n v i e a i mi e t c e t s e es i n h r i o o f电e e 闪u f h r 七 e h a b i t P c Psi o e b l t a s t o T lm t c ot e t y a s e t r ie y . s d e n a n 阳 一 l ad i P ci wt ut s r c o t ne d Pe b t b 旅 l n a gr i c o c n e s iot eai e f n o h h c f i e h e s dy e e d e h
ca e r i l ao. o P c eo t s r e s cl n

h re Te s c oN c l 5t iu on e     h f C姆 ho 盯 1 a r o cut , o 而c N o 毗 e a n o 王 nr e y n r c a Ct l m a hn s i r oi Te s m ci iib P Pr .b r a h d i o t dv e i it e n g ot n o e r a 血s f e c n n e g h ec wln i i i e t a P f n n e eadiP到n i l ac o 爬 f o eo 面c N o r udi n o u i f c n m o刁ts f n n c g i ef ti f cn a C r rt o o l U n n h , h a t hv bt p h 月cn n i t m e t t i t c eat s ei ,ae e r幽 e魁 a elh n etfc m g a 山 t em 毗 e t d ge n e
几r ee m t f Cmah e o . d l e oN v O n P ci t l n o s

K y o : m rac tl m m ci ,dt t th0 g, 化 fo e脚 d ne ilo r t i a h e eco en 1 r u s cn o u n g n en c o i y o rt t if
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西华大学 硕士学位论文

声明
本人声明    所呈交的 学位论文是本人在导师指导下进行的 研究 工作及取得的 研究成果。 除了文中 特别加以标注和致谢的地方外, 论文不包含其他人己经发 表或撰写过的 研究成果, 也不包含为获得西华大学或其他教育机构的 学位或证 书而使用过的 材料。 与我一同 工作的同学对本研究 所作的任何贡献均己在论文
中作 了明确地 说明并表示谢 意。

本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的,论文成   
果归西华大学所 有 ,特此 声明。

作名, 一 耐日 者:. 弄 签、 省 礴

导:纤习 子 师叮 年 日 签 ‘ 办

,5 9



西 华大学硕士学位 论文

绪论
课 题 的意义及 来源 先进的      技术装备与先进的 制造技术在国民 经济中 起着重要的作用。 随着科 学技术的 迅猛发 特别是 展, 机械制造与微机技术的紧密结合, 使现代制造技术 和制造系统向 着高 度的自 动化、 集成化和智能化的方向发展。 机械工业是      基础工业, 机械制造技术是机械工业为国民 经济各部门 提供产 品和技术 装备的重要手段。 此, 因 机械工业技术装备的 提高 对制造质量、 劳动 效率和经济效 益都有直接影响。 机械制造技术发展的长远 目      标是: 提高产品的制造质量, 不断 提高加工效 率,降低成本。 现代机械制造技术发展的 趋势可以归纳为以 下几点: ①向      更高 精度的方向 发展: ②向高      高效率、自 速度、 动化、 特别是向数控化‘ 柔性化和集成化的 方向
发展 ;

③向      和非传统加工的 少切削 方向发展。 为了      适应现代化机械制造技术的发展趋势,实现加工制造过程高 自 度 动 化、柔性 化和集成化, 数控技术在生产各个部门得到了广泛应用。 随着科学      技术的飞跃发展, 机械制造技术发生了深刻的变 传统的 化。 普通 加工设备已 难以 适应市场对产品多样性的 要求,难以适应市场竞争的高效率、 高质量的 要求。而以数控技术为核心的现代制造技术,以 微电 子技术为基础, 将传统的 机械制造技术与现代控制技术、 传感测量技术、 信息处理技术以 及网 络通信技术有机结合在一起, 构成高 度信息化、 高度柔性化、 高度自 动化的 制
造系统 。

近年来,由于市场竞争 日      趋激烈,为在竞争中求得生存和发展, 各生 产 企业不仅要提高 产品的质量, 而且必须频繁的改型, 缩短生产周期, 满足市 以 场上不断 变化的需求。 微机控制的数 控机床、 数控加工中心的高精度、 度柔 高 性及适合加工复杂零件的 性能, 正好满足当 今市场竞争和工艺发展的 需要。 可 以说, 微机数字控制技术的应用是机械制造行业现代化的 标志, 它在很大程度 上决定企业在市场竞争中的成败〔。特别是在相继 出现 了柔性制造系统 刀

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F ( eieM 血t n t ) Ms xb a crg即sm、计算机集成制造系统 C s opt l F l n o u i e M C I( m ur e ber d 明u crg s叫、智能制造系统Is li Ma ft n t a M 血t 五 st gt e o ye i M( 恤eg t n e naU g ucr i s t 等,这进一步说明数控技术已 s) ym e 经成为现代制造技术的基础,其水平的
高低是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。 专家 们预言:2 世纪机械 1

制造业的竞争,其实质是数控技术的竞争阁 .
数控化加工是机械加工行业      朝高质量, 精度, 高 高成品率, 效率发展的 高 趋势。 结合我国实际国情, 经济型数控车 床是我国 从普 通车床向 数控车床发展 的极其重要的台阶。 利用现有的普通车床, 对其进行数控化改造是一条 低成本, 高效益的途径。 对经济型数 控车床加工工件进行在线检测并进行反馈, 形成包 括工件在内的闭环控制是提高 经济型数控车 床加工精度的 有效措施之一, 其关 键是加工件的在线检测装置的设计和对检测信号进行处理、 分析和反馈。 总体上讲,      本课题的意义在于通过在线测量, 工机床上设置在线测量 在加 装置和闭 环控制, 可以大大提高劳动生产率, 减少废品率, 从而降低加工成本。 将测量闭 环控制有机地融入工艺 系统中, 这样不仅可以 纠正加工方法, 而且还 可以对一些工艺参数的变化进行 适时地监测, 使这些参数通过在不同阶段进行 反馈和适时控制, 使被加工的 工件保持在预定的最佳范围内。 其具体意义在于: ①保证加工系统的安全运行;      ②保证加工工件质量;      ⑧保证加工设备避免受到损坏;      ④减少加工的辅助工作时间,      提高生产率; ⑤对资源进行优化使用。     
本 课题来源 :重点学科项 目

1 课题的研究现状及应用发展 . 2
1.数控机床的 .1 2 发展与 应用 9 1 9年美国帕森公司与美国空军合作,      4 研制了一种计算装置,用于满足 日 益复杂的飞机叶片 自 动加工, 于是由 帕森公司首先提出了 机床数字控制的概

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念。 5 年, 9 1 2 美国麻省 理工学院 M T研制出 (I ) 基于电子管 和继电器的数控装置, 用于 控制铣床,它标志着第一代数 控系统— 电子管数 控系统的诞生。 世 0 2 纪 5 年代末, 0 完全由固定布线的晶体管元器件电 路所组成的第二代数控系统 — 晶体管数控系统被研制成功, 取代了昂 贵的、 易坏的、 难以推广的电 子管 控制 装置。 随着数控系统的发展, 对数控系统的实用性、 柔性、 易维修性、 控 制装置的 功能及对任意机床类型的 适应性这些来 自 应用者方面的要求不断提 高, 满足这些要求, 要 对固定布线的晶 体管元器件所组成的晶体管数控系统而 言, 耗资巨 随着 大。 集成电路技术的发展, 6 年出 9 15 现了第三代数控系 统— 集成电路数控系统后, 使这些问题的解决难度稍稍减轻了 一些。 当以计算机作 为数 控系统的核心组件后, 这些复杂的问题提供了一 才为 种简单的、 经济的解 决方法。17 年, 9 0 在美国芝加哥国际机床展览会上,首次展出了第四 代数控 系统— 小型计算机数控系统, 然后, 随着微型计算机以其无法比 拟的 性价比 渗透各个行业, 7 年, 9 1 4 第五代数控系统— 微型计算机数控系统也出 现了, 应用一个或多个计算机作为数控系统的 核心组件的数控系统称为计算机数控

系统c c1 (N ). 习
综上所述, 于微 电      由 子技术和计算技术的不断发展, 数控机床的数 控系统 也随 着不断提高, 发展非常迅速,几乎 5 年左右时间 就更新换代一次。 现今数字化时代己      进入到一个新的历史阶段。 数字化技术是指以计算机硬 件、 软件、 信息存储、 通讯协议、 周边设备和互联网 等为技术手段, 以信息科 学为 理论基础的科学技术集合。 数字化技术 和制造业技术相融合形成了数字化 制造技术, 该技术是以制造工程学为理论 基础的重大带 技术革新, ¥ J I 是先进制

造技术的核心, 有广阔的 应用前景「。数控技术是先进制造技术( , ] 1 如柔性制造
系统、计算机集成制造系统等) 的基础.数控机床在整个现代制造系统中处于

基础 性的、 核心的 地位。 而计算 机数控系统C C 则是数控机床的控制中 (N s ) 枢。
计算 机数控系统是一种典型的多 轴实时运动控制系统。 传统的 机床数控系统采 用的是专用的计算机加多单片机多控制回路的封闭式并行结构, 此类控制器在 高速、高精度和多 轴同步运动控制等方面存在着难以 逾越的技术瓶颈。

数字控制伽u e      mr吐Cn0缩写为N 简称为数控, c i o汀1 ) C 是指用数字指令来
控制一台或多台 设备的 动作1 它所控制的 ] 2 。 量有以 下几种: ①动作顺序的      程序控制;

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②主轴、      坐标进给速度、更换刀具、开闭 冷却液等辅助功能控制; ③有关      部件位移量和相对位置关 系的坐标控制。 数控技术是与机床的      控制密切结 合而发展起来的, 把采用数控装置来 通常 实现自 动化和高效率加工的 机床统称为数控机床。 在实现加工合理化及高效率 方面,数控机床与普通机床相比具有许多优势,它突出地表现为: ①数控加工是      用机械加工多品种, 小批量生 产的一种自 动化手段。 自动化 程度高、加工速度快是数控机床的突出 特点; ②数控加工能      保持加工条件不变, 而使产品 质量稳定。 由于加工所需的条

件( 吃刀深度、 进给量、 主轴转速、 刀具等) 都己事先由 规定, 无论由 指令 所以
谁来操作都能达到同一加工质量; ③数控加工极大地提高外形复杂零件的加工效率和加工精度;      ④通过数控加工的零件,由于提高了工      件与基准面相关尺寸的 加工精度, 有可能大大提高零件装配的互换 性,而提高装配质量和效率: ⑥由于加工时间固定,      有利于管理, 更进一步促使加工定量化,以 达到生 产管理的合理化、 标准化。 这为实现计算机管理生产乃至建立计算机集成制 造 系统都打下了坚实的基础; ⑥由于操作技术被数据化后,熟练工人就可以      减少: ⑦可以大幅度减少人为的      操作失误, 而降低废次品率: ⑧可以不间断地连续加工,      从而缩短了 加工周期: ⑨由于工      装夹具的标 准化, 减少了工装夹具的需用量。 正是由于数控机床的      这些特点, 从本世纪五十年代以 来, 着电子、 随 计算 机、自 动控制以及精密机械与测试技术的 不断 高 提 和发展, 数控机床也在迅速 发展和演变。 世界上的第一台数控机床是由美国在五十年代开发研制的, 使用 电子管元件, 体积庞大。 到六十年代,由于半导体晶 体管的开发应用, 数控系 统的可靠性提高、 价格下降。 七十年代随着中小规模集成电路的 应用并伴随着 纸带传输系统的出现, 大大提高了 机床的加工效率及使用的灵活性, 也使数控 机床日 趋完善。 八十年代以来, 微处理器的发展与应用, 数控技术也迎来了 计

算机数字控制(0It N c c tl c 兹 u u a or 缩写为c c时代, Pe m r e n lno N) 随着微处理器的
运算速度的不断提高, 数控机床的 功能和应用范围也在不断的发展与扩大。 从 这些年数控机床的发展可以看出 它正向着高精度、 , 多功能、 高速化、 高效率、

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智能化的方向迈进, 在系统硬件及操作软件上也向 个人计算机靠拢。 其特点明
显表现 为:

,    、高精度化 当      代工业产品对精度的 要求越来越高, 等规格的 如中 普通加工中 心的定位 精度 ,八十年代 为土0 2 0 m , 1 O m,到了九十年代初,己提高到全程士 1 0 3 . 2 O 0 0一. 5m 。 0 。 O m 航天工业是当今高 精度数控机床发展的 典型受益工业部门 之一, 惯性器件、 伺服机构等高精度仪表零件的 关键部位的尺寸精度均在 0 . 1 u -.u , m 2 m 与之相适应, 0 在计算机技术发展的推动下, 各种加工精度补偿技 术得到了 应用和发展, 机床结构材料也开始普遍采用各种性能稳定、 温度影响 小的新型 材料, 花岗岩、 如: 精密陶瓷等, 使得数 控机床的各项精度越来越高。 2    、高速度化 提高生产效率是机床技术发展的永恒主题,      这也表现在提高机床主 轴的转 速 上。数控车 床采用 电主轴 ( 内装 式主轴 电机 ) ,可使主轴转速 达到 「 . J 10 r i 0 沁 mn以上, (/ 最高 转速达 2O0r i; 00 / n 另一方面, m 坐标轴的快速移动速 度的提高, 换刀时间 和托盘交换时间等非切削时间的缩短, 也使机床的加工效 率大幅度提高。 3    、高柔性化 当      样化和 代产品的多 个性化, 对机床提出了 更高的柔性加工要求。 如铣削 加工中心可以铣削、 钻孔、 攻丝等。 这种将各种加工功能在一台机床上进行集 成, 均是为了在一台机床上实现一次装夹就能完成对零件的不同加工要求, 这 充分展示了 机床加工的柔性, 并有利于提高 加工精度。 4    动化 、高自 自      动化是指在全部加工过程中,减少 “ 人”的 介入 , 而能自 动地完成规定 的任务。 传统的自 动化往往与大批量生产联系在一起, 使用大量的专用设备和 组合机床。 前可以 而目 通过数控机床和机械加工中 既可在大批量生产中实 心, 现自 动化, 也可在小批量、多品 种产品生产中实现 自 动化加工。 5 造型宜人化    、 好的数控机床不仅功能齐全、      操作安全可靠、 性能良好, 而且要成为外观 宜人和符合操作 人体学的一件艺术品。 6    、操作简单化

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从 L O显示到 下 液晶显示,      E T F 操作从按大量的按钮到菜单选择甚至对话 框操作使操作越来越简单, 显示信息越来越多、越来越明 快。 7    、高可靠性 大规模集成电      路及计算机的应用, 使得数控机床越来越可靠。 同时, 数控 机床的 这些特点也使得机床的数控化不仅从传统的铣、 车、 键、 钻一类切削机 床,日 益广泛地向磨床、 压力机等塑 性加工机床、 绘图机、 气割机等特殊加工

设 备方面 发展, 柔 也向 性制造系统(M , F S 高速机床、 ) 专业机床发展, 应用范
围 日益扩大 。

但是,      数控机床毕竟是一 种高自 动化的设备, 技术复杂、 成本较高, 从其 使用的 经济效益出发, 目 在 前阶段, 特别是在我国, 仍多用于精度高、 形状复 杂的批量零件的加工。 相信在不远的将来, 随着数控技术的发展, 以数控机床 为核心的 柔性制造系统、 无人工厂必将逐步取代现有的生产模式, 成为机加行
业的主 导力量 。

1 1 国外数控机床棍况 . 2 1 进入 2 世纪,      1 世界机床技术快速向 前发展, 在精度、效率、自 动化、智 能化、 网络化、 集成化方面, 都出 现了新的飞跃。 20 年 9 一 日 在 06 月6 1 美国 3 举办的 I T Z 6展览会上,日 M Z K公司第一次展出了智能机床,这 M So 本 AA 是一个重大突破。 在今后一段时间内, 这种类似的综合性智能化机床将引领世 界机床技术进入一个新的发展领域。 在上世纪 0     8 年代,美国曾 提出研究发展 ‘ 适应控制” 机床,但由 于许多 自 动化环节如自 动检测、自 动调节、自 动补偿等没 有解决, 虽有各种试验, 但进 展较慢。 后来在电 加工机床( M 方面, D E ) 首先实现了 适应控制” 通过对放电 “ , 间隙、 工艺参数进行 自 加工 动选择和调节, 以提高机床加工精度、 效率和自 动 化。日 MA A 本 Z K公司 20 年 9月首先展出的 0 6 智能机床,向未 来理想的 适 “ 应控制” 机床方面大大前进了一步。日本这种智能机床具有六大特色: ①有自      动抑制振动的功能。 众所周知, 在高 速加工过程中, 机床容易出 现 振动,刀具也易于磨损。该机能自 动抑制振动,大大提高了 加工精度: ②能自      动测量和 自 动补偿, 减少高速主 轴、 立柱、 床身热变形的影响, 使 机床加工精度大大提高;

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③有 自      动防止刀具和工件碰 撞的功能, 能大大减少突发事故, 机床工 提高 作的可靠性; ④有 自      动补充润滑油和抑制噪音的 功能,能大大改善工作条 件; ⑤数控系统具有特殊的      人机对话功能, 在编程时能在监测画面上显示出刀 具轨迹等, 进一步提高了 切削效率; ⑥机床故障能进行远距离诊断。      机床技术发展的前景 目 是能      和 标, 够实现装备制造业的全盘自 动化, 由单 机自 动化向F C I , I S M ,C M C 发展,提高 M 加工精度、效率, 降低制 造成本, 为人类创造更多的财富。 在实现全盘 自 动化过程中, 需要解决的技术问题异常 复杂, 不仅要解决代替体力劳动的问题, 更要解决代替脑力劳动问 它包括 题, 工艺、 刀具、 物流、 联网、 信息存储、 控制等。如何用智能 化代替人的 手工和 脑力劳动是最关键的核心问 题。 智能机床的出 为未      现 , 来装备制造业实现全盘生产 自 动化创造了 条件。 首 先, 通过 自 动抑制振动、 减少热变形、 防止干涉、自 动调节润滑油量、 减少噪 音等, 可提高 机床的加工精度、 效率。 其次, 对于进一步发 展集成制造系统来 说,单个机床 自 动化水平提高后,可以 大大减少人在管理机床方面的工作量。 人能有更多 的精力和时间 来解决 机床以 外的复杂问题, 进一步发展智能机 更能 床和智能系统。 第三, 数控系统的 开发创新, 对于机床智能 化起到了 极其重大 的作用。 它能 够收容大量信息, 对各种信息进行储存、 分析、 处理、 判断、 调 节、 优化、 控制。 它还具有重要功能, 如: 工夹具数据库、 对话型编程、刀具 路径检验、 工序加工时间分析、 开工时间 状况解析、 实际加工负荷监视、 加工
导航 、调节、优化 , 以及适应控制 。

智能机床的开发,      是在纳米化、高 速化、 复合化、 五轴联动化等浪潮 之后 的一个新的发展, 为今后进一步研究开发适应控制、 M 、C 、 I s F S I C 创造 M M 了 更多有利的条件,为将来发展工厂自 动化具有很大的影响和促进作用。 人类从创造出复杂生产工具      — 机床以来, 为减少体力劳动, 不断努力提 高机床的自 动化程度。迄今为止,有三大阶段:即 13 ̄1 年从手动 90 9 0 6 机床 向 机、 液高效自 电、 动化机 床和自 动线发展为第一阶段, 要解决减少 主 体力劳 动问 题。 9220 年数字 1 、06 5 控制机床发展是第二阶段, 它解决进一步减少 体力
和部 分脑 力劳动 问题 。2 6年 开发出智 能机床 以后 ,可作为 第三阶段 ,有 可 0

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能逐步形成热潮。 加速发展智能化机床, 将进一步解决 减少脑力劳动问题。 2 世纪,      数控机床将在现有技术基础上,由 1 机械运动的 自 动化向 信息控 制的 智能化方向 发展。 其发展速度和高度将取决于人才、 科研、 创新、 合作四 者。 0 年展出的这个世界第一台 20 6 智能机床, 还需要进一步不断完善、 提高。 如在机、电 、液、气、 光元件和控制系统方面, 还有许多科 研课题, 路程还很 长。 要达到成熟的 适应控制” 床水平, “ 机 还需要进行许多深入研究工作。 特别 是在加工工艺参数的自 动收集、 存储、 调节、 控制、优化方面; 在智能化、 网 络化、集成化后的 可靠性、 稳定 性、耐用性等方面, 都还需要深入研究。 数控机床智能      化的发展前景, 非常广阔。 它是世界制造技术进一步提高效 率、 动化、 自 智能化、网络化、 集成化的 努力目 也是在今天数字控制机床 标, 技术基础上向更高阶段发展的 努力方向。 预计在 2 世纪前半期,有可能在现 1 有机床技术上实现单台机床的 “ 适应控制” ,并逐步向 制造系统发展:在后半 期, 有可能建立不同程度智能化技术水平的 C 、 I S 其发 M I C , 展时间的快慢, M
将 取决于人类 的努力和 科学技术水 平的提 高。

1 1 我国 22 数控机床概况 我国从 1 8 始研究数控技术,     5 年开 9 一直到6 年代中期处于研制、 0 开发阶 段。 9 年, 1 5 6 国内开始研制晶体管数控系统。 年代末到 7 年代初研制成功 0 6 0 x 3 一I 5K G数控铣床、C 一1 数控系统和数控非圆齿轮插齿机。 7 年代 K J 8 从0 开始,数控技术在车、铣、钻、憧、磨、齿轮加工、电 加工等领域全面展开, 数控加工中 心在上海、 北京研制成功。 但由于电子元器件的质量和制造工艺水 平低, 致使数控系统的可靠性、 稳定性问 题没有得到解决, 因此未能得到广泛 推广。 这一时期,数控线切割机床由 于结构简单、 使用方便、 价格低廉, 在模 具加工中得到了 推广。 8      0年代我国先后从 日 本、美国等国家引 进了部分数控装置和伺服系统技 术,并于 1 年在我国开始批量生产。 9 1 8 在此期间,我国在引进、消化吸收的 基础上, 跟踪国外先进技术的发展, 开发出了一些高档的数控系 , 统 如多轴联 动数控系统、 分辨率为0 u 的高精度数控系统、 . m 2 0 数字仿形系统、 为柔性单 元配套的数控系统等等。 为了适应机械工业生产不同层次的需要, 开发出 我国 了多种经济型数控系统,并得到了 广泛应用〔’ , 2 。 1习

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我国数      控技术起步于 1 8 近 5 年的发展历程大致可分为 3 9 年, 0 5 个阶段: 第一阶段从 15 年到 17 年, 98 9 9 即封闭 式发展阶段。 在此阶段, 于国 由 外的技 术封锁和我国的基础条件的限 数控技术的发展较为缓慢。 制, 第二阶段是在国 家的 六五” 七五” “ 、“ 期间以 八五” 及“ 的前期,即引进技术,消化吸收, 初步建 立起国产化体系阶段。 此阶段, 于改革开放和国家的重视, 及研究开发 在 由 以 环境和国际 环境的改善, 数控技术的研究、 我国 开发以 及在产品的国产化方面 都取得了长足的进步。 第三阶段是在国家的 八五” 后期 九五” “ 的 和“ 期间, 即实 施产业化的 研究, 进入市场竞争阶段。 在此阶段, 我国国产数控装备的产业化 取得了实质性进步。 九五” 在“ 末期, 国产数控机床的国内市场占 有率达 5%, 0

配国 产数控系统( 普及型) 也达到了1%。 0
纵观我国数控技术 5 年的发展历程,      近0 特别是经过 4 5 划的攻关, 个 年计 总体来看取得了以 下成绩。 ( 奠定了数控技术发展的基础,      ) 1 基本掌握了现代数控技术。我国现在己 基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的 基础技术, 其中 大部分技术己 具备进行商品 化开发的基础,部分技术己商品化、 产业化。 2 ( 初步形成了      ) 数控产业基地。 在攻关成果和部分技术商品化的 基础上, 建立了 诸如华中数控、 航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。 兰州

电 机厂、 华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、 济
南第一机床厂等若干数控主机生产厂。 这些生产厂基本形成了我国的数控产业
基地 。

3 ( 建立了一支数控研究、      ) 开发、 管理人才的基本队伍。 虽然在数控技术 的研究开发以及产业化方面取得了长足的 进步, 但我们也要清醒地认识到, 我 国高 端数控技术的 研究开发, 尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的 现 实需 求还有较大的差距.虽然从纵向看我国的发展速度很快,但横向比 与国 (

外对比不仅技术水平有差 ) 距,在某些方面发展速度也有差距,即一些高 精尖
的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。 从国际上来看,对我国数      控技术水平和产业化水平估计大致如下。

l (技术水平上,与国外先进水平大约落后 1 巧年,      )  ̄ 0 在高精尖技术方面
则更大 。

2 ( 产业化水平上,市场占有率低,      ) 品种覆盖率小, 还没有形成规模生 产;

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功能部件专业化生产水平及成套能力较低; 外观质量相对差: 可靠性不高, 商 品化程度不足:国产数控系统尚未建立自己的品牌效应,用户信心不足。 3 ( 可持续发展的能力上,对数控技术的研究开发、工程化能力较弱;数      ) 控技术应用领域拓展力度不强: 相关标准的 研究、制定滞后。 数控技术与装备基本上是 “      洋货” 一统天下, 尽管我国机床产量位居世界 前5 名之列, 而档次却居二、 三流地位, 作为数控机床核心部件的数控系统不 得不依靠进口。特别是中高档数控机床的数控系统基本上是被国 外厂家所垄 断,国外五 以 轴 上联动的高端数控系统则限 制对中国出口。 据考证: 9     9 年青岛前哨英柯发 1 5 测量设备有限公司研制并生产出 基于P C 一D P 的三 坐标 测量机 数 控系统 ;1% 年 ,清 华 大学 研制 的 P 一 S 9 C

D P Ms2c 定点D P主从式控制器,成功应用于光盘机高速数字伺服 s T 30 5 ( 0 s ) 控制系统[ 南京四 I s : 开电子公司与 清华大学共同研制的基于犯位CU传统的 P( 单片机技术) 和通过计算机主从式s Y数控系统实 K 现了全国 化,且于19 年 9
3 2 通过江苏省科委组织的科技成果鉴定:“ 达到 9 年代中后期国际 月 4日 己 0 先进水平”目 广州数控设备厂 D 9 型数字式交流伺服系统控制线路采用了 〔 ; A 8 D 技术;1 年, P s 9 9 武汉华中理工大学利用 T S 023 M 3 F4 定点 D P 2 S 芯片设计 了一款 P 一 S 主从式多轴运动控制器, C DP 该控制器通过 C N总线与 C C系 A N 统中的上位 P 机及其它一些具有不同功能的硬件模块进行通讯[ 2 0 C ] 9 0 年, ; 武汉华中理工大学研制成功了 一种基于 T S2C0 定点D P M3 2 0 3 S 的数值插补和 通讯管理控制器叫; 0 年, 20 1 合肥工业大学利 T 3 V 50 为核心芯片设 MS2 C 4 0 2 计了一款用于经济型三坐标数控铣床的数控系统。 目 ,      前 我国已有自主版权的 数控系统, 但是绝大多数的数控机床还采用国 外的C C系统。从机床的整体来看, N 无论可靠性、 精度、生产效率和自 动化 程度, 距国际 水平还有一定的差距。 对我国现有的经济型数控机床进行数 所以
控研 究和改造显 得尤为重 要。

1 2 测技术 . 检 . 2

检测技术是现代制造业的基础技术之一,      是保证产品质量的关键。 随着现 代制造业的 发展, 许多传统的检测技术已不能满足其需要, 表现在: 现代制造

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产品种类有很大的扩充, 现代制造强调实时 在线、 、 非接触检测, 现代产品的 制造精度大大提高。 现代加工工业正 在向高 速、 精密、自 动化、 大批量生产的 方向发展, 传统的制造技术及生产管理模式正发生巨大变革。 六十年代到七十年代,加工精度在 11 u 内,      一 m 0 而到九十年代,加工精 度己经达到 1 m的纳米级超精密加 0 一 工技术时代, 在一、 二十年的时间里, 加 工精度提高了 1 2个数量级。目 在工业发 前, 达的国家里, 一般工厂能稳定掌 握l 的 u m 加工精度,通常将加工精度在 0 一 m 的 .l 1u 加工方法称为精密加工, . 而将 0 m的加工方法称为超精密加工。 精密加工和超精密加工技术是固 . u l 由于 体电子元件、 机械、 航天 激光用光学元件、 核聚变装置零 件等加工的主要技术, 许多工业发达国家都极为重视精密和超精密加工技术的发展, 如英国成立了纳 米技术战略委员会, 把纳米技术列为六大先进技术的 日本 探索课题之一。 在我 国, 精密加工与超精密加工技术越来越受到重视, 同时, 造过程中的 自 制 动化 与高速化程度也越来越得到提高, 这就要求与之相适应的高精度、 高速度的自 动化检测设备和先进的 检测手段。 我国      机械行业中 测量技术大部分限于静态测量, 缺乏动态检测技术, 尤其 在大、 特殊形状、 微、 特殊位置的测试上与国际先进水平 相差较大。 如东芝机 械的空气轴承的回转精度, 在半径方向为 0 u , . l 轴向为 0 u :德国 2 0 n . m 2 0

ProerS 及 国肠ls s 计可 粗糙度 e ml sP 英 t h e y 轮廓 测 n u 等各种 参数, 测量结果 数
字显示并可绘图记录, 显示范围为 0 0一 5u t,国内生产的 .1 1 m 川 0 2 轮廓仪可测 量参数较少,最高测到 R 0 刁. 5u ; a . 5 2 0 0 m 德国克林贝 格公司制造的 P C N6 5 型齿轮测量中心, 可适应 D , G A 1 N I A M , 0及自定义的评定标准, 5 该机是直接 在机上自 动校调三维测头, 使测量元件绝对位置精确, 具有较高的 机械精度和 良 好的稳定性。由 此可 见, 我国在测量方面综合利用新技 术、 新原理、 新方法 上不如先进的国家, 赶超国际先进水平, 为了 我国的不少科研机构和院 校都在 积极 地探索先进的检测原理和方法, 天津大学和南京依维柯汽车有限公司 如由 联合研制的 “ 依维柯白 车身三维激光视觉检测系统” 采用激光技术、 C 技 CD 术, 利用基于三角法的主动和被动视觉检测技术实现被测点三维坐标尺寸的准 确测量, 其性能指标达到国际先进水平。 近年来,      仪器仪表与计量检测技术正朝着智能化发展, 传感器技术、 微电 子技术、自 动化技术、 计算机技术和信息处 理技术被广泛应用于工业在线检测

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中, 使测量过程实 自 现 动化、 信息处理智能 化、 仪器功能 仿人化等功能, 成为 以一般单片机为信息处理核心的自 测试系统。 动 自      然科学是人类认识世界 和改 造世界的强有力的武器, 自 而 然科学的产生 与发展都离不开测量。元素周期表的发明者门 捷列夫说过: 从开始有测量的 “ 时候起,才开始有科学。没有测量,精密科学就没有意义。 ”新的测量方法标 志着真正的进步, 测试技术的水平是衡量一 个国家科学技术水平的重要标志之 十八世纪末期,      由于欧洲工业的 发展, 要求统一长度单位。 经过一百年的 变迁,在 18 年第一届国际计量大会上, 8 9 规定了铂铱合金制成的具有刻线的 基准尺( 含铂 9%, 1% 作为国际米原器。16 年第十一届国际计量大会 0 铱 0) 9 0 规定了采用 X 在真空中的波长定义米。随 6 8 着激光技术的发展,光速测量精 确度的提高, 现已用光速来定义米, 即米是平面电磁波在真空中 1 97 5 2 / 蛇48 5 内所行进的 距离。 伴随着长度基准的发展,      几何量测量器具也在不断改进。 在十九世纪中叶 以前,机械制造业中的主要测量工具是钢板刻线尺,测量精度为 I 。机械 m n l 式测量器具,如游标卡尺和千分尺的出现,将测 量精度提高到了 0 r。 . n 。量 l o 〔 块出 以后, 现 采用量块作为长度基准, 大大推动了 微差测量法的 发展, 将测量 精度提高到了微米级。 进入二十世纪以后,加工精度到 3 年代达到了 l , 0 m u 到 5 年代达到了 0 u ,除 0 .l l n 继续使用机械式测量器具以外,还逐渐采用了基 于几 何光学与物理光学原理的 光学量仪, 与此同时, 动量仪和气动量仪的出 电 现也为几何量测量开辟了新路。 随着科学技术的发展,      特别是近代电 子技术的发展, 使几何量测量技术向 着高精度、 高效率、 动化、 自 数字化量仪以 及动态检测和 自 适应控制方向发展。 在原有的 机械量仪、 光学量仪和电 动量仪的基础上, 现 了 又出 先进的光、 电结 合, 机、电 结合,以及光、 机、 电相结合的 测量仪器。 在仪器的 某些重要部位 如瞄准定位系统、 信息处理系统、 显示读数系统, 大多采用了电 子技术。电 子 技术是现代测量中必不可少的 组成部分, 有十分重要的 占 地位。 把非电 量变换 成电量进行测量是测量技术的 一个重要发展趋势。 检测主      要有下面三种基本形式[ ] a : ‘ 手工      1 检测: 、 手工检测是使用千分尺、 卡尺等常规量具、 量仪人工校正测

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量, 其效率低下, 精度容易受到人为因素的影响, 而且还导致了宝贵的 机床机 时的 浪费,影响机床的利用及产品的加工质量。

2 (离线检测:      加工工序之间、 ) 加工完成之后, 将工件从机床上取下, 利用
其它 检测设备 ( 如三坐标测量机) 进行检测. 该方法一方面 所采用的检测设备 投资 较大, 由于我国大部分企业财力有限, 因而难以具备高精度检测设备, 这 就给企业带来许多不变。 另一方面, 工件的多次装夹降低了生产效率, 增加了

重复定位误差, 给生产和检测带来了诸多 不变。
3 ( 在线检测:      通过为机床配备一个触发 ) 式测头以 及相应的检测宏程序, 构 成机床在线检测系统 。 该技术将加工和检测 集成在一起, 现了加工过程中的 实
自动检 测,是一项很 有发展潜 力的检测技术 。

在线检测技术的发展为数控加工过程的质量检测提高了      一套行之有效的 方法。 数控机床 目 前广泛应用的是触发式测 头, 具有价格 低、 可靠性强、自身 精度高等特点。 加工与检测在同一台设备上完成, 避免了 多次装夹、 重复定位 精度差及辅助时间 长等问 题。更为重要的是,其检测过程由数 控程序来控制, 实现了检测的自 动化, 是一种基于计算机自 动控制的在线检测技术。 随着数控 机床在生产中的 广泛应用, 在线检测技术将会成为一项很有发展前景的技术。 在线检测是      一个动态测试过程。 动态测试的工作条件和工作环境 比 静态测 试要恶劣得多, 而对测试技术的 要求则很高, 涉及到如传感 器技术、 通信技术、 自 控制技术及计算机应用技术等多学科、 动 多技术领域, 同时也需建立新的测 试理论和测试方法。 外从事精密计量的学者、 国内 专家自 七十年代后期开始进 行研究, 对其测试方法、 评定准则、 评定理论提出了自己 的看法, 并建立了数 学模型、理论研究日 臻完善和成熟。 目      前国内 外在线检测技术发展的趋势主要有:

①在线检测系统的研究。从单参数检测向多参数综合检 从单机检测向      测;
全生产线以 及全 车间全厂的在线检测,从单纯检测向检测与控制的闭环系统, 从应用于大批量生产向 应用于中小批量生产的柔性检测系统发展; ②微机化智能化。      采用微机智能功能来保证在线检测系统能 满足生产线上 各种参数变化及外界条件千扰时, 系统能迅速适应变化和排除千扰; ③在线检测系统的可靠性。 线要求长期连续运行, 要求从可靠性      生产 因此 设计开始, 保证元器件制造、 调试安装各环节的可靠性, 并在系 统中加入故障

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自 自 检 诊断功能,从而提高 在线 检测系统的 可靠度; ④在线      检测装置产业化。 装置模块化、 使 通用化、 标准化,以 利于降低成 本, 推广应用; ⑤研究。      注意研究 在线检 测技术的基本理论。 如动态测试及动态误差理论, 信号处理分 析理论,系统建模理论,运行状态监测与故障诊断技术等。 我国的      在线检测技术, 特别是光学、 光电在 线检测的应用, 虽然起步较晚, 但是随着光 机电一体化仪器和装置及光电 技术、 计算技术的发展, 在线检测技 术己 获得重大 进展。 采用微电子技术装备及改 造新、 老机床设备是当今科学技 术发展的趋 是用新技术改 势, 造传统工业的主 攻方向, 也是符合我国国 情的一 项有力措施。 我国金属切削 机床的拥有量己 超过 30 0 万台, 在数量上居世界第 二位, 但其技术状态很差, 老机床、 普通机床多,高效、 精密机床少。作为工 业生产过程中 最重要生产手段的 机床设备处于这种状况则难以 提高产品质量、 劳动生产效 率和经济效益。 因此利用在线检测技术可在现有的设备上提高产品 的质量, 提高 生产率。

随着C D( ae op e i 技术的发展, C     Ch飞 Cul Dve C d e c ) C D图像检测技术在尺
寸检测领域中 得到了广泛的应用〔4 ,1 一 。目 前, C 应用技术 己 CD 在航空航天、 卫星侦察、 遥感遥测、 天文测量、 传真、静电 复印、 非接触工业测量、光学图 像处理、 文识别、 图 数据存储等领域得到了广泛的应用, 尤其是动态非接触的 在线尺寸检测更引 起人们高度的 重视。 C D 器件正是一种光、电相结合的      C 器件,它能通过光电转换, 将非电量 的光学图 像变换成电信号, 这对于后续的信号处理极为有利。 利用 C D器件 C 本身所具有的自 扫描、 高分辨率、 高灵敏度、 结构紧凑、 像素位置准确等 特性 进行测量时, 无需配置复杂的 机械运动结构, 从而减小了 产生系统误差的来源。 将C D C 应用于几何量测量中具有测量精度高、价格低廉、易于维护、操作容 易等优点, 可以实现高 效率、自 动化、 动态检测、 非接触测量等要求, 在工程 实际检测中, 尤其是对小尺寸的 测量方面具有很强的优势。 C D 器件应用于      C 几何量测量适应测量技术发展的潮流,是今后几何量测
量 的重要 发展方 向之一 。

?1 . 4

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1 3数控机 床灵 . 2 幻造

目      前,中国机床工业厂众多。 0 年, 0 2 金切机床制 造厂约 3 家( 6 8 5 2 万 . 0

人) ,成形机床制造厂11 约6 万人) 共计5 家(.万人) 9 家( . 5 , 9 7 4 2 1 。其中生产
数控金切机床的约 10 5 家,生 产数控成形机床的 3 家, 约0 共计约 10 8 家,占 厂家总数的 1 。20 年金切机床产量 1.万台,其中数控金切机床 1 2 3 1 0 1 92 71 5 台, 约占9 。 % 总的来说:数控机床产量不断增长, 0 年为 19 年的3      20 1 91 石倍; 口 进 量 增长较快,达 2 倍,出口 9 量有所增加, 但数目 较小,为 4 倍:数控机床消 8 . 费量增加较快, 7 达 夕倍。 产量满足不了 社会发展的需求。 我国数控技术起步 晚, 但是发展速度很快, 经济型数控车床还占 有相当 大的比例, 将此检测装置 应用于经济型数控车床, 对提高加工精度有重大意义。 在美国、      本和德国 日 等发达国家, 他们的机床改造作为新的经济增长行业, 生意盎然, 正处在黄金时代。 由于机床以 及技术的不断进步, 机床改造是个“ 永 恒” 的课题。 我国的 机床改造业, 老的行业进入到以数 也从 控技术为主的新的 行业。在美国、日本、德国, 用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市 场, 已 形成了机床和生产线数控改 造的新的行业。 在美国, 机床改造业称为机床再 生(e 血 rg业。从事再生业的著名公司有: e ce Rr u a n u tn ci) Brh 工程公司、 刃 s t a朋

机床公司、 el 一ua ( 服务集团、 设备公司 美国得宝公司己 Dve B v 得宝) i l d g s U 等。 在中国开办公司。在日本, 机床改 造业称为机床改装( tfi 业。从事改 eo t g Rrin )
装业的著名公司有: 大限工程集团、 三机械公司、 岗 千代田 工机公司、 野崎工 程公司、滨田 工程公司、山 本工程公司等。 现在国外大都是高精度数控机床,      采用闭环控制。 以后的加工制造业将会 继续向高精度, 高效率,高 质量的方向发 展。 1 3 数控改造的内容 ,. . 2 1 机床与生产线的数控化改      造主要内 容有以下几点: ( 恢复原功能,      ) 1 对机床、生产线存在的故障部分 进行诊断并恢复; 2 C化,在普通机床上加数 (N      ) 显装置或加数控系统,改 造成 N 机床或 C
C C机床 : N

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3 (翻新,      ) 为提高 精度、效率和自 动化程度, 对机械、电气部分进行翻新,
对机械部分重新装配加工,恢复原精度;对其不满足生产要求的C C系统以 N
最新 C C进行更 新; N

) 4 (技术更新或技术创新,为提高性能或档次,或为了使用新工艺、新技     
术, 在原有基础上进行较大规模的 技术更新或技术创新, 较大幅度地提高水平
和档次 的更新 改造。 1 3 数控 改造 的优缺点 . . . 22

( 同购置新机床相比,一般可以节省 6% ̄8%的费用,      ) 1 0 0 改造费用低。 特别是大型、 特殊机床尤其明显。 一般大型机床改造, 只花新机床购置费用的 1, 3 1 交货期短。 但有些特殊情况, 如高速主轴、托盘 自 动交换装置的制作与 安装过于费 工、费钱, 往往改造成本提高 2 3  ̄ 倍, 与购置新机床相比,只能 节省投资 5%左右. 0 2 (机械性能稳定可      ) 靠,结构受限 所利用的      床身、 立柱等基础件都是重而坚固的铸造构拌, 而不是那种焊接 构件, 改造后的机床性能高、 质量好, 可以 作为新设备继续使用多年。 但是受 到原来机械结构的限制, 不宜做突破性的改造。

.)    3 (熟悉了解设备, 便于操作维修
购买新      设备时, 不了解新设备是否能满足其加工要求。 改造则不然, 可以 精确地计算出 机床的加工能力; 另外, 于多年使用, 者对机床的特性早 由 操作 已了解, 在操作使用和维修方面培训时间短, 见效快。 改造的 机床一旦安装好, 就可以实现全负荷 运转。 4 ( 可充分利用现有的条件      ) 可以      充分利用现有的地基,不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 ( 可以采用最新的      ) 5 控制技术 可根据技术革新的发展速度,及时地提高生产设备的自      动化水平和效率, 提高设备质量和档次,将旧 机床改成当 今水平的机床。 1 3 数拉改造的 . 3 . 2 . 可行性分析 (技术      1 )

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在过去的几      十年里, 金属切削机床的基本动作原理 变化不 但社会生产 大, 力特别是微电 子技术、计算机技术的应用发展很 。 快 反应到机床控制系统上, 它既能提高机床的自 动化程度, 又能提高加 工精度, 已 现 有一些企业在这方面 做了 有益的尝试。 2 ( 经济      ) 由于新型机床价格昂贵,      一次性投资巨 如果把旧 大, 机床设备全部以新型 机床替换, 国家要花费大量资金, 而替换下的机床又会闲置起来造成浪费, 若 采用改 造技术加以 现代化, 则可以节省大量的资金。 这为资金紧张的中小型企 业的发展开创了 新路,也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力。 3 ( 市场      ) 因订购新的数控机床的交货周期一般较长,往往不能满足生        产需要。因 此机床的 数控改造就成为 满足市场需求的主要补充手段。

从以      上分析不难看出,鉴于各方面的因 素,将原有经济型数 控机床进行
数控改造 既是可行 的又是必要 的。

1 . 3本论文的主要研究内容
本文以经济型数控车床为研究对象,根据现代检测技术对其进行数控改      造,形成包含工件在内的 全闭环数控系统。对数控技术、检测技术、 C 技 CD
术 、和 图像 处理技术做 了较 全面而深 入的研 究 。

1      、绪论部分。 . 2      、对包含工件在内的 全闭环数控车床进行总体设计,建立数学模型,并 进行了动态和稳态性能分析。 3      、对检测装置进行设 计和研究, 分析工件轴径的在线检测方法,提出 检 测装置的总体设 计方案。 4 对 C D检测到的图像进行预处理。      、 C 5 对图      、 像进行边缘检测, 提取工件的 轴径。 6      、总结全文,并对论文所研究的课题进行展望。

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2数控车床全闭环控制系统总体设计方案
21 .数控车床 数控车床又称为c qcmur m c otD      N opt Ne 妙cO 车床, eun 功 即用计算机数字
控制的车床, 也是目 前使用比较广泛的数控机床之一。 数控车床是将编制 好的 加工程序输入到数控系统中, 数控系统通过 X 2坐标轴方向上的伺服电动 由 、 机去控制车床进给运动部件的 动作顺序、 移动量和进给速度, 再配以主轴的转 速和转向, 便能加工出各种形状不 同的 轴类或盘类回 转体零件1 ] 4 。 数控车床具有加工灵活、      通用性强、 能适应产品品种和规格频繁变化的 特 点, 能够满足新产品的开发和多品种、 批量、 小 生产自 动化的要求,因 此被广
泛应 用于机械制造业 。

2. .1 1 数控车 床的分类 数控车      床品种繁多, 规格不一,可按如 下方法进行分类L。 ) 4 1 1    床主轴位置分类 、按车 ( 立式数控车床 立式数控车床简称为数控立车,其车床主轴垂直于水平    1 ) 面, 一个直径很大的圆 形工作台, 用来装夹工件。 这类机床主要用于加工径向 尺寸大、 轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。 2 ( 卧式数控车床 卧式数控车床又分为数控水平导轨卧      ) 式车床和数控倾 斜导轨卧 式车 其倾斜导轨结构可以 床。 使车床具有更大的刚性, 并易于排除切
屑。

2      、按加工零件的基本类型 分类

I (卡盘式数控车床 这类车床没有尾座,适合车削    ) 盘类( 含短轴类) 零件。
夹紧方式多为电动或液动控制,卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火卡爪( 即软 卡爪) 。 2 ( 顶尖式数控车床 这类车床配有普通尾座或数      ) 控尾座, 适合车削较长的 零件及直径不太大的盘类零件。

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3 按刀架数量分类      、 ( 单刀架数控车床 数控车床一般都配置有各种形      ) 1 式的单刀架, 如四 工位 卧动转位刀架或多工位转塔式自 动转位刀架。 2 ( 双刀架数      控车床 这类车床的 ) 双刀架配置平行分布, 也可以是相互垂直
分布 。

4      、按功能分类

l 济 数 (经 型      控车床 采 步进电 ) 用 动机和单片机 通车床的 系统进 对普 进给
行改造后形成的简易 型数控车床, 成本较低, 自 但 动化程度和功能 都比较差, 车削加工精度也不高, 适用于要求不高的回 转类零件的车削 加工。 2 通数控车床 根 (普      ) 据车削 加工要求在结构上进行专门设计并配备通用 数控系统而形成的数控车床, 数控系统功能强, 动化程度和加工精度也比 自 较 高, 适用于一般回转类零 件的车削加工。 这种数控车床可同时控制两个坐标轴, 即X轴和 2 轴。 3 ( 车削加工中 在普通数控车床的      ) 心 基础上, 增加了C轴和动力 更高 头, 级的 数控车床带有刀库, 可控制 x 2和 C三个坐标轴, 、 联动控制 轴可以 X 是(、

) 江、 或( ) 2、 c z c。由 增加了C 铣削动 ) 、 于 轴和 力头, 这种数 床的加工 控车
功能大大增强,除可以 进行一般车削外可以 进行径向 和轴向 铣削、曲面铣削、 中 心线不在零件回转中 心的孔和径向孔的钻削等加工, 5 其它分    、 类方法 按数控系统的不同      控制方式等指标, 控车床可以分很多种类, 数 如直线控 制数控车床, 两主轴控制数控车床等; 按特殊或专门工艺性能可分为 螺纹数 控 车床、 活塞数控车床、曲 轴数控车床等多种。

21 数控车床的组成 .2 数控车床主要由5 部分组成[ ] l ,如图2 所示。 一1

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F ZIo Psi oN t n 几 ci i 一cm j n f C mi 以h e g O t o o g n 图 21          一 数控车床的 组成

1 车床主     体:车床主体 、 指的是数控车床的 机械部件,主要包括床身、主 轴箱、刀架、 尾座、进给传动机构等。 2 数控系统:数控系统(      、 有时称为 控制系统) 是数控车床的控制核心。其 主要部分是一台 计算机, 这台计算机与我们通常使用的计算机从结构上讲基本

是相同的, 包括cu中央处理器) 其中 P ( 、存储器、 R ( c T显示器) 等部分,但从
其硬件的结构和控制软件上讲, 它与一般的计算机又有较大的区别。 数控系统

中用的计算机一般是专用计算机,也有一些是工业控制用计算机( 工控机) o
3 驱动系     统:驱动系统是数控车床切削的 、 动力部分, 主要实现主运动和 进给运动。 在数控车床中, 驱动系 统为伺服系统, 伺服驱动电 由 路和驱动装置 两大部分。 伺服驱动电路的作用是 接收指令, 经过软件的处理, 推动驱动装置 运动。 驱动装置主要由主轴电动机, 进给系统的步进电 动机, 直流伺服电 交、
动 机等组成。

4      、辅助装置: 与普通车床相类似, 辅助装置是指数控车床中一些为加 工 服务的配套部分, 如液压、 气动装置, 冷却、 照明、 润滑、 防护和排屑装置等。 5      、机外编程器:由 于数控车床经常用于加工一些复杂的 零件,比如加 工 具有复杂母线的回转体零件等, 可能有一些加工程序会比较复杂。 所以 如果在 车床上编制这些加工程序, 一方面要占 用大量的 机时, 另一方面在程序的编制 过程中容易发生错误, 机外编程器就应运而生了。 于是 机外编程器是在普通的 计算机上安装一套编程软件, 使用这套编程软件以及相应的后置处理软 就 件,
可 以生成加工程序 。 过车床控 制系统上 的通信接 口或其他存 储介质 ( 通 如软盘、

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光盘、 U盘等) 把生成的加工程 , 序输入到车床的控制系统中, 完成零件的加
工 。

21 数控车 .3 . 床发展现状与趋势 . 数控车床发展阅,      我国 始于上世纪 7 年代, 0 通过 3 余年的经历, 0 我国生

产的数控车床, 按中国需求的特色, 形成经济型卧式数控车床( 平床身卧式数
控车床) 、 普及型数控车床( 斜床身数控卧式车床和数控立式车床 和中高档数控 )

车床(轴控制以上) 3 三种形式。 经济型卧式数控车床, 普遍采用平 床身结构和
立轴四 工位方刀架,约占 数控车床产量 9%。普及型数控车床生产量不到数 0 控车床产量的 1%。中高档数控车床,即车削中心和车铣复合中心, 0 约占数 控车床生产 0 % . 。 2 0

’      经济型数控车床,价格低廉,售价仅1万元人民币 0 左右, 普及型数 不到
控车床的 1 ,设备费 3 / 用投入较少, 可以广泛的满足企业发展初期的 需要,特 别是受到民 营企业的欢迎, 仍是我国当前 数控车床的主 流产品。 我国己有十余 家企业生产规模达到年产千台以 普及型数控车床, 轴控制的卧 上, 即2 式数控

车床( 斜床身和立式数控车床,国产 ) 产品得到了 用户认可, 基本可以 满足用户
需要 。

车削中心等 轴控制以      3 上的中高档数控车床, 用户选购的 国内 大部分是 进 口的 产品或合资、 独资企业如大连因代克斯、 宁夏小巨 人、 杭州友佳、 上海哈 挺等机床有限公司生 产的产品, 产机床市场占有率较低。 国 近几年, 虽然, 我 国开发了不少中高档数控车床新品种,如具有 Y 轴功能的 车削中心、双主轴 双刀架车削中心、 倒置顺置主轴立式车削单元、 车铣复合中 心等等。 但是, 高 级型数控车床的重点是要 进一步开发市 场,取得国内用户广泛认可。 “      产数控机床发展很快。 技术上看, 十五” 期间国 从 数控车床技术比 较成熟, 通过技术引 进和合作生产、 消化吸收和 自 主创新, 我国己 掌握了数控车床设计 和制造技术。从产品水平上看,我国已 自 能 行开发设计各种中高 档数控车床, 国际上最热门的、 水平最高的 双主轴、 双刀架 9 轴控制车铣复合中心, 我国已 有多家企业开 发试制成功,有的己 被国内用户选购和出口 国外。 从品种上看, 我国生产的 数控车 床品种比 较齐全, 每年都有 1 多个数控车床新品种, 0 可供

一                                       21-

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各方面用户选用。 从生产规模上看, 国产经济型 数控车 已 床 形成规模生产, 有 十余家企业生 产规模达到年千台以上。 直线电      机驱动速度高, 加减速特性好, 有优越的响应特性和跟随 精度。 用 直线电 机作伺服驱动, 省去了滚珠丝 杠这一中间传动环节, 消除了 传动间隙( 包

括 间隙 , 惯量小, 反向 ) 运动 系统刚性好, 在高速下能精密定位,从而极大地
提高了伺服精度。 直线滚动导轨副, 于其具有各向间隙为零和非常小的 由 滚动 摩擦, 磨损小, 发热可忽略不计, 有非常好的热稳定性, 提高了全程的定 位精 度和重复定位精度。 通过直线电 机和直线滚动导轨副的 应用, 可使机床的快 速 移动速度由目 前的 1一2nIm提高到 6一8I面n 0 0岁 i n 0 0n ,甚至高 1 n面n / 达 2 岁 . 0 国外数控车床的发展 目      的在于提高加工精度和缩短制造周期。 实现上述 目 的 之手段是实现机床多功能 化和工序工种集成, 开发多种多 样复合化加工的 机

种 增 ,如 添铣削 功能的 复合加工车削中心、 双主轴多刀塔( 双刀塔或四刀 数 塔)
控车床和车削中心、 双主轴同 步驱动, 双刀塔同时进行加工车削中心、 五轴联 动车铣复合中心、 车磨复合加工机床、 具有车、 铣、 磨和激光热处理多 憧、 种 功能的高 度复合化的复合加工中心等等。 我国      数控车床经过多年的 发展, 特别是近几年迅速的发展, 与国际先进水 平的差距在逐年 缩小。 对于某些依赖于进口的高 档数控车床, 精度数控车 如高

床 削中 主轴圆跳动簇0 lm、适用耐热合金和钦合金零件加工的大 和车 心( . m) o 功 高 率、 扭矩数控车床和车削 中心等等要加强产品开发 研究攻关, 突破其核心
技术。

国产的大多为      经济型数控车床,多功能数控车床和车削中 心生产量较少; 而国 外生产的 基本上是多功能数控车床和车削中心。国 外车削中心具有双主 轴、 双刀塔、 Y轴、C 轴,甚至还装有 B轴, 功能多,可供用户选择。国外 数控 车床的主轴转速和主轴功率一般都高于国产数控车床。 另外还能生 产提供 适合 于高强度耐热合金加工和钦合金加工的大功率、 高刚度数控车床和 车削中 心以 及以车代磨的 精密数控车床和车削中心,而国内 此类产品 基本处于空白。 未来的车床面对三项挑战:零件复杂程度提高;尺寸和粗糙度允差减小;      成本降 顾客总是喜欢购买质量好寿命长的产品。 整个工作链中的一个 低。 作为 环节, 顾客的 要求应纳入制造的 考虑之中。 此, 因 制造工程师 选用耐用的 材料,
提 高加工 精度 ,力 图生产 出高质量 的产品 。

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2 数控车床全闭环控制系统总体设计 2 .
基于现代检测技术,      应用 C D传感器对加工轴件的直径进行实时在线检 C 测, 将检测值反馈, 检测值与理论值相差在规定数值之内 当 时继续进行下一步 进给车削。 在线检测技术使加工中的 测量仪器与机床、 刀具、 工件组成一个闭 环系统, 工件加工过程中, 实时测得工件径向尺寸, 再根据测得的实时尺寸来 调整刀具的径向 位置, 从而实现全闭 环控制。 工件在线检测全闭 环控制有着很
明显 的优 点:

( 采用在线检测系统前,      ) 1 在机床正常情况下,加工尺寸的 保证主要靠工 人的 技术及经验和机床的 性能, 工件的尺寸变化范围较大, 不稳定, 容易出现 不合格品; 采用在线检测全闭 环控制系统后, 通过在线检测系统控制机 床加工, 提高了 产品精度, 从而使得不合格率降低, 效 有 地保证产品质量, 低了成 并降
本;

2 ( 实现了      ) 加工中的自 动测量, 减少了 测量时间, 提高了自 动化程度和劳 动生产率,并降低了操作人员的劳动强度; 3 ( 充分利用原有设      ) 备,节约了 资金。

. 1 环数控车 2 .全闭 2 床系统的组成环节 及其数学 模型 这里以交流伺服电      机驱动并采用 C D传感器作为检测元件的全闭环数控 C 车床系 统为例进行讨 论。系 统原理图见图2 2 一。

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数控车床 在线检测系统

回—

匣巫卜匣竺 」
F 一s e旧i 恤 owo c 即 l P Ct 田 庄 ci 够2 c 兀 lp f hll do N U 9 旧h比 h c e 。 O m r 图22 全闭环数控车床系统示意图            一

!   

该系统的各组成环节的数学模型分析如下:     

1 位 控制 相当 一 例 , 例 数 ,      器 于 个比 环节其比 系 为K ? 、 置
2位置控制器的输出是数字量,      、 必须经过创A 转换之后才能控制调速单元,

DA转换也相当于一个比 j 例环节, 例系数为戈。 其比
3      、交流伺服 系统是 系统中 的驱动装置 ,在理想情况 下,伺服 电机 的转 角
。, 二。 山 ̄ 、 二 , , 、 * , ‘ 、 J、 ,二 。,、 从 ̄‘ 、 ._ 、 口5 (、 K。 、 、 占 勺 佰 甲 豚 理 烈 单 心 1 税 分 大 示 , 作 还 图 戴 刀 嘛 t = 下 下 二 — ?石 丐 居 司冰 共 ) s 丁

rt )                         s 5

_ , ._ , , , _J _ _, . _ , 、 、 ,. . 、, , _ L ,。_ . _ _ _ _ ,

系 中在惯 特 ,可其递 数示 几 一学‘氛。 统 存 的性性则 将传 函表为 ( ) s 瓦
式中几—      惯性环节的时间常数。
4 机械传动部件的      、 作用是将电机转角转换为工作台的直线位移,如果将 传动误差和非线性因素的 影响作为对系统的动态扰动来处理, 也可以 将该 环节

K。 _



看作一个比 例环节,传递函数 G (‘K 。 。 ) s 、
5 检测环节在闭环控制中起两个作用,      、 一是检测被测信号的大小,另一 个是把被测信号转换成为可与指令信号进行比较的物理量,从而构成反馈通 道。 通常测量转换作用可以 看成一个比 例环节, 其比 例系数就是转换系数, 所

以 传递函数为凡 。

一2                                                 4.

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把各      个传递函数带入图2 2中, 一 就得到了系统的动态结构图, 如图2 3 一
所 示。
位置控制器 创A转换器                    交流伺服系统
侧5+ )

机械传动部件

K ,

K 。
检测反馈通 道

K 了
F .3 笋 而cl 刀t l P ow o l dop C m g h e i2 d坦 as cr 脚 h f 卜c g一 七u a h e s o l Nt il i U nn n C a 图23 全闭            统的动态结构图 一 环数控车床系

所以全闭环数控车 床系统的前向 通道的传递函 数认(二KKKK ) 5 pao。
5    +1 ( 几5 ) (一1 2 )

上x卫 些占              竺 丛签

系全 传函 、一 面今不众丽 - 统闭 递” (涂留一 环 为s )
5 毛n . 2 。s 2 +2 +。
2 ) (一2

5十 — - —                                 “ t

. T                   e T

由此 可见,全 闭环 数控 车床 系统 是一个典型 的二阶 系统 ,其 中:无阻尼角     

频、          统阻比- KK共m一。 率 一 醉1,系的尼 ;一poo Kj 匡1 头l 丫 o 2 寸 KK .
. 2 2系统动态性 能分析 2

在全闭      环系统中, 可以 把从伺服放大器、 伺服电机到工件直径检测元件取 得的 位置反馈信息部分看作整个控制的调节对象, 把对系统性能按预期的 要求 进行校正而加入的 部分视为调节器,得到如图 2 所示的 一4 全闭环系统结构的

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动态 响应 图。

侧5+ )

反馈输

画如竿 逻二
入 }
5 +1 ( s T )
_ 、 _ ‘ _ 、
行 .1 行 ,1 = 一 5) 5,

F 2 ya i s n ot i wo c s 】 Pyt . s i 4d mc p sfy c h1l e o s e n e ro e P a l eod s切 图 2 典型        环系统结构图的 一 全闭 动态响应图

2 若设调节对象为典型二阶环节,即传递函数仇(二    ,设 调节器 s ) k

为比 例调节器,其传递函数G(=k, : : 则可以通过设计 Gs ) s () 的结构参数来取
得整个系统良 好的闭环性能。
8) 系统 的开环传递 函数: 行 ‘1 之

kk ,,

= —



5 ( +1                          TS ) 5 ( + 1 TS )

2 ) (一3          

其中 k 气=K凡凡戈K为 环 倍 亦称 开 益; =   ?=气 : p j 开 放大 数, 为 环增 T
e T为时间常数。
下面分别讨论对 系统 的跟随性能和抗干扰 性能进行分析 。

l ( 讨论跟随性能时,令 M= ,则系统的传递函数:U ‘ = ) 0 5诊

_ .


— =

TS 十 5 k          名 十

%   

5 生+ ,       + 5兰 T T
一 刃百 ’

对 阶 的 形 : 角 气择阻 ; 照 系 标 式 自频 一 , 比 二 统 准。 然率 尼

l       

由     表征系统动态性能的参数毛 此可见, 、气与系统结构参数k、 T有关。
由 于时间常数 T反映系统惯性大小,决定于构成系统的元部件特性。 往往时

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间常数 T固定下来而不随意改动,而开环放大倍数的 k 值就是一个正 确选择
确定的 问题 。

) 2 抗扰能,R一 系的递数, C s ( 论千性时设s ,统传函G 一火(? 讨 (。 ) ) s (()
全闭环数控车床系统的抗干扰性能应可以使各种扰动输入对系统跟踪精      度的影响减至最小。 对于典型二阶系统, 负载扰动输入后, 当 同时做到动态变 化与恢复时间两项指标最小, 但有时存在矛盾。 当调节对象 ( 即负载扰动作用 点之后的 环节) 的时间 常数愈大, 则输出响应的 最大动态变化愈小, 而恢复时 间愈长。 反之, 时间常数愈小, 动态变化愈大, 但恢复时间短。 由此得出结论, 如果一个全闭环系统在给定输入作用下输出的 超调量较大, 过程时间越短, 则 它的抗干扰行能就好; 而超调 量较小, 过渡过程时间 较长的 系统, 恢复的时间

就长, 这是典型二阶系统的跟随性能与 抗干扰性能之间存在一定的内 在制约和
矛盾 的地方 。

. 系统稳态 23 . 2 性能分析 全闭      环数控车床系统的稳态性能指标主要是定位精度, 指的是系统过渡过 程终了时实际状态与期望状态 之间的偏差程度。 下面讨论几种典型信号输入或
扰动干扰 输入情况 下的误差分析 。

(单 ) 1 位阶跃输入时的稳态误差

输信 5    ( 万 。 于 ( 斑) ( c一 ‘以, 整 入 号R 一 由 E 一 5c) ( G55 经 理 ) 5 一5 5 ( ) ) ,) )

得5‘GE 斌面‘ E R *‘ R ‘ 5 ‘, 5 , , 5、 , 一一 , 5 -
5 5 )        T ( 十1 l 一: 二 二 二 i 二 止 二 二 -=0 m

TS 1      +

5s ) ( +1 T +k

(一4 2 )

利 拉 变 的 值 理 求 系 的 态 差e )想s(= 用 氏 换 终 定 , 得 统 稳 误 ( 二 Es o c )
. 5s1 ‘ ( +) T +k
(一5 2 )

系统 的稳态误差 为零 , 个结 论式忽略 这 上式表明,      在单位阶跃的输入下, 电机轴 上 负载的条件 下才 成立的。

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2 (单位速度给定输入时的稳态误差 )
单位速度      输 入 信 号 Rs二 ()
5 +) ( 1 s T



, 稳态误差e) ( =悠 s ) ? E = s (
2 ) (一6

卿 5 +)k Z kKKKK凡 ( 1 s s T + ,。,。
数,开环放大倍数 k 越大,稳态误差越小。

上式表明在单位速度给定输入下,      系统的稳态误差等于开环放大倍数的 倒

3 (单位恒值负载扰动输入的影响 )
如前所      全闭环数控车床系统所承受的各种扰动的 述, 作用也是要影响系统 的 跟踪精度。 最常见的扰动是负载 扰动和从测量装置引入的噪声干扰。 简 为了

便 仅 论 位 值 载 动 影 。 图一所 , ( 万 , 由 , 讨 单 恒 负 扰 的 响 如 24 示 M) s 一 设M
引起的稳态误差为可 ,其拉氏变换式为E( 。由于 Rs= f5 ) () 0,

f ) ( c)一(,所 , (二 恕s 5 一 c) E5 R卜 (=C) 以 e ) e E(= 曾s5 一 (= 5 s 5 f 二 f ) (=
1 一 汕

。 5 s1 k : 、 ( +) , T 一k

- 一 二三

二 k 一 = + 一:       ‘ , 1 k

2 ( 一7 、

__ _

这表明      恒值负载扰动会使系统产生稳态误 误差值大小与负载扰动作用 差,
之前 的传递函数 的放大倍数 成反 比。

. 2 3本章小结
首先介绍了国内      外数控车床的现状和发展趋势, 然后将在线检测技术和数 控技术结合起来对经济型数控车床进行全闭环总体设计, 建立了数学模型, 并 从控制论观点出发对系统进行了动态 和稳态性能分 数控车床全闭 析。 环系统的
研 究和分析为开 发高精度 数控机床提供 了理论基础 。

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3在线检测装置的设计 31 .机床在线检测
. 1 3 .机床在线检测 1 技术发展 概况 就目      机床在线检测技术的应用在国内尚处于普及阶段, 前来看, 还未得到 大规模应用, 这既与我国 企业 目 前的技术水平和经济条件有关, 又与该技术在 发展中 所遇到的 一些 问 题有关。 我国企业目 前面临的一些主要问 题包括: 企业 的 技术管理水平低, 在设备的购置与使用上缺乏系统的观念, 如企业花费了大 量资 金用于购置数 控机床, 但在一些附件上却不愿意继续投资, 例如对刀仪、 测头 结果导致高性能的数控设备在使用上极其不方便, 等, 现代化的设备却采 用传统的操作方式, 这是对资源的极大浪费; 企业资金的匿乏削弱其采用先进 技术的 积极性, 于一些附属设备的价格昂 使企业在进行技术 由 贵, 经济方面的 分析时, 企业宁可效率 低一些, 也不愿意在这些附件上再进行投资。 从机床在 线检测技术本身的 情况来看, 也存在一些问题: 在使用上不够方便, 不易被使 用者所掌握, 一旦在实用中出了 一点 差错, 容易损坏整套检测系统; 检测功能 比 较薄弱, 前在线检测基本上都用于简单几何量检测方面, 目 基本上停留于数 控系统本身所提供的一 些功能, 相对于这套检测系统昂贵的价格, 这一技术对 于一般企业的确显得有些奢侈; 现代的 设计制 造理论及先进的技术装备在在线 检测方面没有得到应有的体现, 致使在线检测技术在发展上处于落后阶段, 同 时在这方面 研究的滞后, 也会成为相关领域发展的瓶颈。 当然挑战与机遇是并 存的, 挑战说明该技术处于变革阶段, 一旦在实质问题上有所突破, 将会极大 促进该技术的应用范围,同时会促进相关领域技术的进步【 习 。

31 .2检测原理 .

检测是人类认识客观世界的最基本的      方法, 它是对被测量进行检测、 变换、 分析处理、 判断、 控制的综合认识过程。 在测量技术的发展过程中, 由于技术

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的进步, 被测对象和范畴不断扩大,出 现了不同性质的测量过程, 如计量、 检 测、 测试, 其内 涵各不相同。 计量通常指用精度等级较高的 标准量具或仪器对 被测样机、 或仪表进行考核性质的测量; 样品 检测则是指生产、 实验现场利用 某种合适的 检测仪器或系统对被测对象进行在线实时的 测量; 测试一般是指试 验与测量的 整个过程, 可以是定 量的, 也可以 是定 性的。 一些指示性的 测量也 称为测试, 如器件工作状态的导 通与截止, 平的高与低。 电 未定标的 产品检验 都需要进行测试。 测量的结果包括数值大小和测量单位两部分。数值的大小可以用数字表      示, 也可以是曲 线或者图形。 无论表现形式如何, 在测量结果中必须注明单位, 否则测量结果是没有意义的。 测量过程的 核心是比 但被测量能直接与标准 较, 量比 较的场合并不多, 在大多数 情况下, 是将被测量和标准量变换成双方易于

比 较的某个中间 变量来进行比 较的。
测量是以      确定被测物属性量值为目 的的 一组操作, 这种测量操作是一个比 较过程, 是将被测参数的 量值与同性质标准量 进行比 较, 比出的倍数即为测量 的结果。测量单位、测量方法、 测量仪器与设备是测量的 “ 三要素, c ’ 测量方法按测量的方式 (      测量路径) 分有: 直接测量、 间接测量、 联立测量; 按测量方法( 度量器参与形式) 分有: 偏差式测量法、 零位式测量法和微差式测 量法; 按测量参量变化快慢分有: 静态测量、 动态测量; 按被测量在变化过程 中 被测情况分有: 在线检测、 离线检测; 按测量敏感元件是否与被测介质接触 分有:接触式测量与非接触式 测量。 要实现在线检测,      首先要选择和确定所用的测量原理和测量方法。 测量原 理是 指测量方法的科学基础; 而测量方法为根据给定的原理, 在实施测量中 所 涉及的理论运算和实际操作的 方法。 测量原理侧重于被测量传感变换的 物理过
程 ,测 量方法侧 重在实现测量原理 的技术措施 。

31 视 觉检测 .3 .

视觉检测(ulne i      salp t 简称v) i v sco n i 技术是精密测试技术领域内最具有发
展潜力的新技术,它综合运用了电子学、 光电探测、图象处理和计算机技术, 将机器视觉引入到工业检测中, 现对物体 ( 实 产品或零件) 三维尺寸或位置的

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快速测量, 具有非接触、 速度快、 柔性好等突出优点, 在现代制造业中有着重 要的 应用前景。 视觉检测技术作为一种非 接触测量技术, 具有传统的 测量技术 所无可比拟的优点,将使其成为今后机械工业中 测量技术的 主要手段之一。 1      、非接触性,非接触测量,顾名思义, 它在进行检测时并不与工件直接 接触, 可以 做到对测量工件的 “ 无性” 即避免了因接触而引 起的物体变形、 干 扰、 工作中断等不利影响, 并可以在人本身难以 接近的恶劣环境如高温、 有毒 的地方进行工作。 2      、实时性,由于数据采集与处理都由计算机来完成, 数据传输也是自 动 进行的, 并且采集和处理的 速度非常快, 此, 因 可以 实时的获取现场结果, 这 对于真实的反映被测 目 标的 现状并对出 现的问 题及时进行处理非常有意义。 3 动化程度高。      、自 4      、可靠性高,人工检测是不稳定的, 它与操作者的 精神状态、工作经验 等有关,而视觉检测对环境适应性强, 检测结果 可以迅速反馈。’ 5 高精度,      视觉检测消除了手工测量带来的偶然误差, 、 在一定的 条件下, 有可能实现 l 卜. m级的工业检测。 u 0l m u 6      视觉测量技术可以 、灵活性, 测量复 杂形状、特殊材料的工件。如德国 F山 r & Pre 公司推 出的多功能综合表面质量检测站一Pro e r ep f u e n h t ehm t t e

C”e 在其PK万能驱动器上可根据测量需要选配非接触式激光测头, Oc t P R 以中
u lm聚光点来测量表面粗糙度参数, 并适用 于软质工件表面的测量; 瑞士施坦 海尔公司的曲轴测量机, 采用光电测量方式, 由于传感系 统是不接触工件的运 动部件,可以测量多种复杂形 状的轴类零件网。 鉴于视觉检测技术的诸多      优点, 赶超世界先进水平, 为了 开展对视觉检测
技 术的应用研 究意义 重大 。

31 机 器视 觉 .. 4

机器视觉(      即计算机视觉 是研究用计算机来模拟生物外显或宏观功能的科 )
学和技术。 机器视觉系统的首要目 标是用图 像创建或恢复现实世界模型, 然后 认知现实世界: 它是一个相当新且发展十分 迅速的研究领域。 机器视觉技术在 0 2 世纪 7 年代开始应用于工业和农业中, 机器视觉的 0 对 全球性研究热潮是从

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0 2 世纪 8 年代开始的, 目 0 到 前为止, 机器视觉仍然是一个非常活跃的 研究领 域, 许多会议论 文集都反映了该领域的最新进展, 国 如: 际计算机视觉与模 式

识别会 Cv R、 议(P ) 国际计算 机视觉会议( C I 码、国际模式识别会议( P 、 C l R C)
国际机器人学与 自 动化会议a R ) C A 、计算机视觉研讨会( 码等等:还有许 wC

多 期刊也包 学术 含了这 一领域最新研究成果。 机器视觉研究呈现如下特点 : ] . 2 1
) 1      学科的交叉与结合,主要涉及的相关学科有计算机、 心理学、 生理学、 物理学、 信号处理、数学等:

) 2      绝大 研究领域中 多数问 题都是病态的,存在着诸多不确定性因素;
) 3      一个相对完备的视觉系统同时也是一个知识管理系统。 机器视觉技术近年来己经在许多      领域得到了 广泛应用, 下面是一些典型的

例子刀 : t阅 一
①工业视觉:      如工业检测、 工业探伤、自 动生产流水线、 邮政自 动化、 计 算机辅助外科手术、 显微医学 操作, 以及各 种危险场合工作的 机器人等。 将图 像和视觉技术用于生产 自 化, 动 可以 加快生产速度, 保证质量的一致性, 还可 以 避免人的疲劳、注意力不集中 等带来的误判。

②      : 脸识别 智能代理等, 人机交互 如人 、 让计算 机可借助人的手势动作( 手 语、 ) 嘴唇动 唇读) 躯干运动( 、 作( 、 步态) 表情测定等了解人的 愿望要求而执行
指令,这既符合人类的交互习惯, 也可增加交互方便性和临 场感等。 ③视觉导航:      如巡航导弹制导、 无人驾驶飞机飞行、自 动行驶车辆、 移动 机器人、 精确制导等, 既可避免人的参与及由 此带来的危险, 也可提高精度和
速度。

④虚拟现实:      如飞 机驾驶员训 练、 医学手术模拟、 场景建模、 战场环境表 示等, 它可帮助人们超越人的生理极限, 亲临其境” 提高工作效率。 “ , ⑤图 自      像 动解释: 包括对放射图像、 显微图像、 遥感多 波段图像、 合成孔 径雷达图 像、 航空航测图 像等的自 动判读理解。 由于近年来技术的 发展, 像 图 的种类和数量飞速增长,图像的自 动理解 已 成为解决信息膨胀问 题的重要手
段。

⑥对人类视      觉系统和机理、人脑心理和生理的 研究等. 用于机械制造行业的机器视觉检测系统是基于 C D 的视觉检测系统,      C
〔 D 用干 尺寸 测量 的技太 是非常有效 的非接触检 测技术 ,被广泛地应 用于各 C

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种加 工件的在线检测和高精度、高速度的 检测技术领域。 国     D视觉检测方面应用较早, 日 外在 C C 如 本的佐岛隆生用 C D摄像机检 C 测钻头的主偏角、 前角、 后角等角度, 然后和手工测量及显微镜测量的 结果相 比 较, 精度较高, 可以达到 0 度, . 1 0 并且速度快, 方便易用〔川 西学者将 岛 :巴 ? C D视觉检测系统用于研究刚体的 C 运动〔; 洲 美国学者将 C D应用于高 C 精度机 械位移与应变测量系统1; 本的M tb 电 ] 9 2 日 iui 气公司 T n s s i h 和 加e 公司联合研制 的管内 壁视觉检测系统可检测管内 壁的腐蚀和异物沉淀情况,其分辨率可达 士 .nn 0 刀 ,检查速度可 3 n 5 I 达 0 公侧。 r 近年来,国内      在 C D视觉检测方面的应用研究成果 C 显著,如清华大学与 北京机床研究所联合研制的一种可用于工业现场的发动机连杆尺寸与错位量 检测的机器视觉检测系统, 采用面阵 C D获取连杆轮廓尺寸信息;天津大学 C

采用 线阵c D作为测量传感器, c 用于在线测量透明 玻璃管的外径和壁厚[; 1 l s
以 线阵 C D为核心的玻璃管尺寸测量 C 控制仪,以 对玻璃管 外径及壁厚尺寸进 行实时监测,并根据测试结果对生产过程进行 控制,以便提高 产品的合格率: 利用二个线阵 C D实现高精度二维位置测量阅;利用线阵 C D 的 C C 拼接技术 进行尺寸测量t:C D 还应用于诸如 刘 c 钢铁、制造等工业部门的实时动态和静 态尺寸和位置等检测。 目      前,在视觉检测中利用亚像素技术可以 将表面尺寸的测量精度控制在 1sm之间, 一u 利用基于 自 动聚焦技术进行的高度测量精度可以 控制在 1 ̄0m 02 u 之间〔。 刹 ,

31 .5测量方 法 .

l (静态测量和动态测量,      ) 有的文献「1 风] ’ 指出, 对可以认为在测量期间是恒
定的 量的测量称为静态测量, 对量的瞬时值或随时间的 变化 值的测量称为动态
钡 量。 叮

本系统正是采用动态测量方法, 对数控车床上工件加      在 工过程中检测工件 的外 径尺寸值。 2 ( 直接测量法和间接测量法,在线检测的简单参数可以      ) 直接测量出来, 复杂参数难以 直接测出, 则通过测量其它参数, 然后计算得到被测量。 不必测

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量与被测量有函数关系的 其它量, 就能直接得到被测量值的 测量方法称为 直接 测量法, 而通过测量与被测 量有函数关系的其它量, 才能得到被测量值的 测量 方法称为间 接测量法。 直接测量法由 于不受其它参数的误差的影响, 而精度 因 较高。间接测量势必引入数学误差, 测量精度降低。 本系统使用C D图像测量技术直接测量工件直径的      C 变化, 属于直接测量, 避免了 函数计算误差, 提高了精度。

3 (接触式测量和非      ) 接触式测量,在几何量测量, 如长度、角 度或表面粗
糙度测量中, 测头与被测物表面接触时, 可得到接触点处的实际尺寸, 但测头 的形状( 针尖、 球面或平面) 、为保持接触可靠而施加的测量力、 测头与被测物 的材料硬度、 被测表面的 粗糙度等因素, 都会对测量结果有影响。 由此造成的 测量误差称为接触误差。 非接触式测量不会干      扰被测对象的运动状态, 特别是在一些使用接触方法 无法胜任的 场合, 使用非 接触式测量方法就更为方便、安全和准确。 本系统采用 C      C D图像测量技术, 对加工工件直径进行的是 非接触式测量, 避免了 接触误差。

4 (在线测量和非在线测量,在线测量是在工件加工过程中进行的测量,      )
它可直接用来控制 零件的加工过程, 能在生产流水线上监控产品的质量, 又被
称 为主 动测量 。

在线测量分为      两种, 一种是测量机构在加工过程中直接实时测量工件的加 工精度, 加工过程和测量过程同时进行。 另外一种在线测量技术是加工过程和 测量过程分开, 一道工序或整个切削过程完成后, 不用卸下工件, 对工件进行 在线测量, 根据测量结果采取必要的 手段保证零件的加工精度。 非在线测量是在零件加工完后进行的测量,      其作用仅限于检测产品、 发现 并易除废品, 」 又被称为被动测量。 综上可      知,本系统对数控车床加工工件直径的检测所采取的是非接触式、 动态、直接的实时在线测量方法。

3 . 2在线检测装置总体设计
将在线检测技术用于数控车床加工中,实时检测工件直径并进行反馈控

. _                                        4 3

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制,可以 很大提高工件的 加工精度。 对直径测量有以 下几点要求: (精度高:      1 ) (高      2 速度; ) (非接触:      3 ) 4 ( 实时反馈控制。      )

显而易见,     传统的直径侧量方法已 远不能满足现代工业生产的要求。 近年 来, C C D应用技术已 成为集光学、电 子学、精密机械和计算机技术为一体的
综合性技术, 在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中 成果累累, 方兴未艾,而该技术的应用和研究在国内 外都发展的很快。C D 用于尺寸测 C 量是非常有效的非接触式检测技术, 被广泛应用于在线检测和高精度、 高速度 的检测技术领域。利用 C D进行非接触检测在国外已 C 经得到广泛应用, 但国 内 在这方而的应用还处在研制和试用阶 段。 本文就是用 C      c D图像测量系统检测数控车床加工工件的 直径,并实时反 馈, 调整车刀切削用量,实 现数控车床包 含工件在内的全闭 环控制系统。 2 图 一2 虚线部分就是本系统的数控车床在 中 线检测系统.

3 ,直径测量 方法 2 .1

采用接触法直接测量工件直径,      由于经济型数控车床车削加工精度不是很 高,测头很容易 磨损,非接触测量 就可以 避免这种情况的 发生。 半径增量法, 将回转体工件装夹在顶尖上,      就是 以回转轴心线为 基准、 让 棱缘与被测工件形成狭缝, 通过测量衍射条纹的平均间 求出各测点的 距, 缝宽, 即以 工件的半径变化量输入计算机进行数据处理。在工件受到切削力变形时, 这种方法测量结果会误差比 较大。 利用线阵 C     C D进行工业尺寸测量, 可以实时在线非 接触测量, 具有测量 精度高、 速度快、 使用方便, 易于实现 自 动化的优点, 主要有投影法、 激光衍
射法、成像法 等等。

3 1 投影测量法 2 1 :. 投影法 (      3 ) 如图 一1 是将光源经透镜系统变为平行光, 被测物放在平行光

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中, 再经过一个 透镜投影于c 靶面上。 D c 测量阴影长度即可得出 被测物长度阁。
我们作的C 尺寸测量仪就采用这种方法。 D C 这种方法的 优点是, 被测物放置比
较 方便 。

平 行 光

1 一待测件

2 成像透镜 一

3 一光阑

4 c D传感器 一c

i 一 ‘ e Ds e口i l f n. 沁 m t F 3 哪 a r et h叹 tp op刀以 。 eo . g 1 um c ca n h d 图 31            一 投影法测量示意图

投影放大法的测      量原理如图 31 一 所示。光源发出的平行光照射到待测件 1 上,形成阴 影,由 透镜 2 和光阑3 成像在线阵 C D上,测出阴 C 影像的宽度 0 就可算出工件的直径 d , : 。 厂 3 ) (一1
J ‘沪 一

L   

式中:f — 成像透镜的焦距 L 成像透镜像方焦点到光电        — 接收器的距离。 投影放大法的      测量精 度主要取决于平行光的 准直程度、 成像的 放大倍率和 线阵C D的 C 分辨率。平行光源要做的十分理想是有一定困难的, 且随准直程 度的 提高会使仪器的成本 提高, 在实际应用中 常常通过软件处理的 方法, 对测 量值进行修正, 使测量结果更接近实际值, 以 这在一定程度上降低了对光源的
苛刻要 求。

这种测      量方法比 较适合测量较粗的工件,测量范围在 0  ̄O , . l 测量精 1 n 3 度可达士3 , m u 它避免了 复杂的 机械扫描装置, 其结构比 较简单, 成本也比 较
低。

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. , 3 1 激光衍射测量法 . 22 对于尺寸小于 0 I 细丝的      .n S l 直径测量,传统上的测量方法有细丝称重法 和投影法。 细丝称重法是一种间接测量方法, 花费时间、 精度不高, 不能测量

细丝某一截面的 直径,应用范围受到一 定的限制。 用瑞士I M , A sR s A H uE o .
S 等公司生产的高 P I 倍投影仪等光学仪器, 采用投影的方法将细丝投影放大成

像后再进行测量, 工作量大, 测量精度低,而且难以 实现自 动化叫. 近年来,
由 于激光技术的发展,为测量细丝直径提供了新的测量原理和方法。 激光衍射测量法如图 3 2      一 所示。 激光束经过扩束和准直系统后,照射在 细丝上, 在位于细丝后面的 汇聚透镜的 焦平面上, 会产生与该细丝直径对应的

衍射条纹。为了减少随误差的影响, 一般采用式( ) 3 作为测量计算细丝尺寸 一2
d 的基本公式。

d竺 =
式中:之 激光波长; —
卜 汇 聚透镜焦 距;        一一 x        — 各相邻暗条 纹中心 间距 的平均值 。

(一2 3 )

1 一激光器

2 一扩束系统

3 一细丝

4 一汇聚透 镜

5 C 一C D

F 3 yt l k ah 哭 d 飞 o m a 爬 弓t . g i 佗s e o 孚 P 可h r 月 Cn e 侧 m n s mb c i . i t S
图3         测量法系统框 图 一 激光衍射

只要测得x      ,就能算出 d。 为了测出x 将衍射条纹成像在 C D光敏面 , C 上。 C 把细丝衍射条纹的光强分布转换成按时 CD 序分布的电 压信号, 把这一

电 信号 低 滤 放 理 可以 电 冲的 线珠, 图3 3 压 经过 通 波和 大处 , 得到 脉 包络 如 一

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工1介

和 盆 1 尹

Fg 一d a 曲 刀 rn oot t O C i3 i c 翅k g f P 介mC D . f t i i i u 图 33 C 输出的衍射条纹波形      D 一 C
一 浑 一凡 时1
n           

3 ) (一3

式中:‘,    + 第n 级暗条纹到衍射中心的 — +1 距离; x— 第1          . 级暗条纹到衍射中心的距离。

将 代入 一) 即 求出 丝    ( 式, 可 细 直径d。 据巴 涅 a e互 定 妥 3 根 比 毋 i 补 理, bt n )
上 述方法也可以用来测 量狭缝 的尺 寸。激 光衍射测量 法精度可达 士l 。 m u

3 1 成像测量法 2 3 :.

) 1      放大成像测量方法适合测量0  ̄ I 的内 . 3 5 n l 尺寸或外尺寸。 测量细丝的
原理 如图 3 一4所示 。

1 一光源

2 一聚 光镜

3 一细丝

4 一成像物镜

5一 CCD

F 礴s 优 l k rh a1i访 i 咖 gna 巴 印 够3 y mb g P o n l gl s o a f Pf r c y 旧 l ‘ m t e址
图 34 放大 成像测 量法系统框 图            一

聚光镜将光源发出的光变成平行光, 照射在被测的细丝上, 细丝经物镜放

.3                                        8,

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大, 成像在线阵 C D的光敏面 C 上实现光电转换, C C D输出与被测 目 标尺寸成 一定关系的视频信号,视频信号经处理计算后,显示出 被测细丝尺寸。
设被测细      丝的直径为 d ,由图可知 :

= d 2=
式中: 一‘被测细丝像的      n 尺寸:



(一4 3 )

n 细丝像所遮的 C D光敏元数:            — C 5 一 D光敏元中            一 毛C 心间距; 卜 一            一 成像系统的放大倍率。 显然,      测量的分辨率取决于 C D器件光敏元的间 5 C 距 与光学 放大 倍率B, 从测量误差来看, 越小,误差越小。 5 为了提高测量精度, 宜选用中 心间距小 的C D器件测量,或采用多次 C 测量的平均值作为测量值。单光路成 像法测量 精度可达士l 。 u m 线阵C D作为光电      C 传感器接收待测件的图像信号。 C C D传感器 将待测件
的光学图像 信号转换为视 频信号 , 视频信 号中每一个 离散电压信号 的大 小对应

该光敏元 接收 强的 ( 轴表示) 信号 所 光 强弱 用y ,而 输出的时 对应C D光 序则 C 敏元 位置 顺序 用x 表 )则 CD所 的 ( 轴 示 。 C 接收的 光强与C D C 光敏元 位置的关
系如图3 5 一 所示。 视频信号输入到计算机的高速数据采集卡, 进行 刀D 变换,
转换成 数字 信号。计算机再 用软件处理 这些数据 , 出阴影 区长 度 D, 而得 得 进 出待测件 的尺寸。

月--



. 一

一 ̄---- --食 D               

F 3 0taies 加 mC Dad si ol s . g 5 i l i i 一 pc n n l y t C n p in i e o t f g n o t o h s r
图3    SC D 一 C 所接 收的光强与 C D C 光敏元 位置的关系 图

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) 2      为满足不同的测量精度和测量范围的要求,光学放大倍数可以小于1 、
等于 1 或大于 1 对于 310l 之间的 。 一0In l l 尺寸测量,可以使用上述单光路成像 法, 但为了避免光源和透镜直径过大, 也可采用双光路成像法进行测量, 如图 36 一 所示。 对于大于 1 幻n 上的 0。 以 刀 尺寸,由于单光路成像系统的 像差、 视场 和分辨率的限制, 保证测量精度, 难以 多采用双光路成像法测量。 双光路成像

法 量 可 0m。 测 精度 达士. [ u2 l6 1

州、 口一 数} 接
、 计 口一 1接 } 数
9                                   

12 、 一光源 3 4 聚光镜 5 、一 一被测物体 6 7 成像物镜 、一

89 C 、 一C D

F 3 y mb k h dull p l g g 岭s mn . s i 石s e t s l 叨P o ob i a n i l a r 七 c o f e g t 叼n t h h u t e 图 3 双光路成像测量法系统框图                币

32 2 . 线阵C D测量系 C 统的 组成

c Dca cul Dve图像测量技术是一种视频     e opd eis c (hr g e c) 测量技术。C C D图
像测量的基本原理是:被测对象的光信息通过光学系统,在 C D光敏单元上 C 形成光学图像, C 器件通过自 CD 身扫描功能和光电转换功能将被测对象的空 间光强分布转换成时序的图像信号, 据确定的时空参数间的相互关系获得 并根 物体空间分布状态数据。 在设计 C      D尺寸检测的过程中,应主要解决以下几个方面的技术问题。 C ①将待测物的尺寸信息转换成光信号。 ②将光信号转换成电 信号。 ③采集带有 尺寸信 息的电信号。 ④对数据进行处理以 及边界检测。 ⑤得到测量结果并对结 果进行校准。 C D图      C 像采集系统由光源、 C C D传感器、成像物镜、图像采集卡、计算

? -                                        0 4

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机等构成,其系统原理框图如图3 所示。 一7

F 一s e旧c g moC Dl g毗 . t 址 t t 够3 c 叹石 d 旧 f C m e s e 泊 s e 7h a i a un y m 图37 C 图像测量系统原理框图            一 C D

本系统采用投影测量法检测车床上正在加工的轴的直径,      并且实时显示与
反馈 ,其详细结构框架 如图 3 所 示: 一8

匡 因 准、。 } 壶 一直一 物 ,,
}菠习 二化 理, 夔 则 一 两 一 值 处 }〔 壑 福
F .s l t d i b k 旧 h m a r e i3 ie ‘ s g l g p o e u m n g 一n g d s O a r n C f s e t 图 38            一 检测总体设 计框图

巨 画

32. 2 1 . . 光学系 统 光学系统是 C      C D摄像检测系统中 极其重要的部分之一,尤其对精度要求 高的 情况下, 对光学系统的 要求也很高, 常采用一些特殊的设计, 如柯拉照明、 远心光路、无畸变镜头等。我们设计的光学系统如图 3 所示。 一9

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6                     

1 一光源

2 一反光镜

3 一透 镜

4 一光阑

5 一轴 件

6 C 一C D传感 器

F 一Otas e t d g m 诊3 Pcl h ii r i c m caa a 图 39        一 光学原理图

考虑到C      D的晕光 C 现象及其动态范围, 应使照明光强 度恰如其分。我们 用一个可调电 源给光源供电,以便调节光强。晕光是指 C D阵列受到强光照 C 射时,被测光敏元向邻近元泄溢的现象。 C 动态范围的 CD 上限决定于光敏元 满阱信号容量, 下限决定于能分辨的最小信号。 我们在试验时调节光强使输出 信号波形幅度最大但又不失 ( 真 不发生晕光及超出 C D 动态范围 C 上限) 这 , 样有利于后级处理及提高 测量精度圈。 光源 1      发出的光线经过一个准直透镜系统变成平行光, 平行光照射在待测 件上,由 成像透镜和光阑 C D传感器上形成放大的阴影像,测出该阴影的 在 C 长度 D即可得出 待测件的 尺寸d 。 为了降低成本, 系统采用普通光源作光源。 而普通光源发出的光既不是 平行光, 又不是点光源发出 的光, 为此采用经过透 镜系统准直形成近似平行光, 照射待测件成像。 于平行光束很难做到很高的 由 平行度 , 存在一定的发散角, 当待测件沿系统光轴方向的 位置发生变动时, 在 C D 传感器上形成阴影像的宽度会发生变化,从而引 C 起测量误差。为此在系 统成像物镜的 后焦面上放置一个孔径光阑, 以形成物方远心光路。 孔径光阑 在 物镜像方焦平面上, 入射光在无穷远, 称为物方远心光 路。由 于采用物方远心 光路时, 孔径光阑与物镜的像 方焦平面重合, 无论物体处于物方什么位置, 它 们的主光线是重合的, 这样就不会产生测量误差。 综合考虑待测件边沿衍射效 应和照明光束的 发散性, 孔径光阑要选择合适的 直径。 由分析和实验可知, 直 径为 2旧 的孔径光阑为最佳孔径光阑。 扛1

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在本视觉检侧系统中,      采用白 炽灯经透镜准直的平行光作为照明光源, 以 达到和 C D的光谱响应范围 C 一致。由 于光源很难做到高 度的平行,存在着一 定的 发散角,当待测物体沿光轴方向的位置发生变化时, C 上接收到的阴 CD 影宽度就会发生变化, 从而引起测量误差。 为了减小 误差, 在成像物镜的 后焦 面上放置一个孔径光阑, 以形成物方远心光路, 从而可以 提高测量精度。 一 由 点发出 能进入光学系统成像的光束, 其立体角的 大小是由 透镜框或其它光学元 件的金属框决定的。 有时单靠透镜的内孔来限制光束还不够, 在系统中还须设 置一些带孔的 金属薄片来限制光束, 称之为光阑。 光阑的 通孔口 一般呈圆形, 中心与光轴重合。光阑 平面与光轴垂直,以保证共轴性,如图 3 9 一 所示。 限制轴上物点成像光束立体角的      光阑, 称为孔径光阑。 提高测量精度, 为了 孔径光阑常设在物镜的焦平面处。在本 C D成像系统中,在成像物镜的后焦 C 面上放置一个孔径光阑, 一是为了避免由于光源很难做到高度的平行而存在着 一定的发散角,当待测物体沿光 轴方向 的位置发生变化时, C 上接收到的 CD 阴影宽 度就会发生变化, 从而引 起测量误差; 二是为了形成物方远心光路, 从
而可 以提 高测量 精度。

3 .Z C 传感器 .2 CD 2.

传感器是      把被测量变换为另一种与之有确定对应关系,且便于测量的 量
褪 常是电 学量) 装置。传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部 的 分, 它处于被测对象和检测系统的接口 位置, 构成了 信息输入的 主要通道, 为检测 系统提供必需的原始信息。 同时传感器还是整个检测系统最重要的环节, 检测 系 统获取信息的质量往往是由传感器的 性能一次性确定的, 因为检测系统的 其 它环节无法为 系统增添新的检测信息并且系统也不易消除传感器所引入的误
差。

在现代光电子学和现代测试技术中, C 已成为最活跃、      CD 最富有成果的 新兴领域之一。 由于它本身具有 自 扫描、 高分辨率、 高灵敏度、 结构紧凑及像 素位置准确等特性, 以 所 在光电检测中用 C D传感器作为接收器件对物体几 C 何尺寸进行非接触测量的技术得到了越来越广泛的应用。

1 年秋,      美国贝尔实验室ws 。 e E 面t提出了C D的概念。 %9 .. 刃 和Q s h B . c

cD 英 h eo l D i 的 写, 文 为“ 荷 合 件”1 c 是 文Ca cue ec 缩 中 译 电 祸 器 〔 笔 p ve d 7 。

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C D具有下面的特点:      C ①C D 器件是一种固体化器件,具有体积小、      C 重量轻、电 压及功耗低、 可靠性高、 寿命长等一系列优点; ②具有理想的 “      扫描”线性,可 进行行像素寻址, 可变换 “ 扫描” 速度, 畸变小,尺寸重现性好, 特别适用于尺寸测量、定位和成像传感等方面; ③有很高的空间分辨率:      ④有数字扫描能力。      像元的位置可由 数字代码确定, 便于和计算机结合: ⑤光敏元间距的几何      尺寸精确,可以获得很高的定位精度和测量精度; ⑥具有很高的光电灵      敏度和较大的动态范围; ⑦C D数据率可调。因      C 此可适用于动态、 静态等各种条件下的 测量; ⑧可任选模拟、      数字等不同输出形式, 可与同步信号、0接口 刀 及微机兼容、 组成高 性能系统, 适应于不同条件的使用。 C D 用于尺寸测量的技术是非常有效的非接触检测技术,被广泛地应用      C 于各种加工件的 在线检测和高精度、高速度的 检测技术领域。 总之, C 作 CD 为 一种高性能光电图像传感器, 正在不断地深入到工业、 国防、 人民生活等各
个领 域。

C D测量有用线阵 C D的,      C C 也有用面阵C D的。 C 线阵C D用于测量直 C 径、宽度、 距离等。面阵C D可用于测量二维尺寸,如长和宽、 C 形状、角度 等。而线阵 C D在测量和自 C 动控制中 用得更多。 我们这里也选用线阵C D C。 工件在光源的照射下,      其影像被投射到光学放大系统, 经透镜放大聚焦在 C D的光敏阵列面上, C C C D摄像头将其接受的光学影像转换成视频信号输出 给图 像采集卡, 图像采集卡再将视频信号 转换成数字图 像信息供计算机处理和 C 显示,计算机运用各种算法对图像数据进行处理运算, T R 计算出 加工 件的
直径尺 寸,然后进行 反馈 。

.. 3 2 图像采集卡 . 23 图像采集卡具有同步控制自 A )      动 月 转换以及能够在卡上存储大量数据的 功能,它通过计算机软件及同步脉冲触发, 在驱动器的同 步控制下对 C D输 C 出的 视频信号进行 AD转换,并将转换结果送入 j 采集卡上的 存储芯片哪划 ,. 图      像采集卡由 户D转换器件、数据存储器、 以 地址发生器、同 步控制器及

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计算机 口 接 电路等构成。 整个数据采集工作均在驱动器的时钟统一支配下同步 工作, 故称为同步型 数据采集卡。 数据的读出是在软件的控制下逐个字节地写 入计算 内 机 存的, 这给计算机软件设计带 来了方便。 具有总线接口 方式的线阵 C D输出 C 信号 进行为D图像采集的 原理框图如图3 0 所示。 一1 为保证 刃D数据采集与 C D同步      C 工作,C D驱动 C 器为 A 数据采集卡 刃

提供像元同步脉冲中 , P s 和行同步脉冲中 , c c 巾 的上升沿对应着第一个有效像
元。 巾 和 小 脉冲的作用下, 以 在 c s P 户D采集卡进行同步数据采集。

F 3 s e.c g mola 留 i i ba g 1 h i- c 找6也a旧 f m g q s o o r 0 e uin t d 图31 图          一 像采集卡原理框图 0

计算机软件通过地址总线发出      控制命令, 给同步控制器, 同步控制器在 中

c s的共同作用下启动A 和中 P 。对C D输出的视频信号U进行户D转换。 C O “
当完成一个像元的户D转换, 心 转换器发一个转换完信号给同步控制器, 以 原A 同步控制器便给静态数据存储器 S A 一个写脉冲, s A 将 户D转换后 RM 让 RM 以 的数据存入当 前地址后, 步控制器发脉冲给地址产生器改变地址指针。 同 而后,

第二个像元同 步脉冲中 到来, P s 再启动AD 产D转换后, /, “ 再通过同 步脉冲
控制器将数据写入 S 人 并改变地址。 R M, 经过 N次转换将 C D输出的 C 一行模 拟信号都转换完了, 地址产生器发出 一行完信号, 并将此信号送入同步控制器, 同 步控制器封锁像元同步脉冲, 了 AD停止转换工作, 同时给计算机发出 转换完 一行信号, 软件查到该信号后, 软件控制计算机开始读操作, 读操作通过同步

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控制器控制 S人 和数据接口电 RM 路进行读操作, 并每读一个像元使地址指针 改变一次,直到将存入 S A 的数据全部读完 。 RM 帆划 图      工作流程如图 3 像采集卡的 一n所示:

1始( 始 设 , 请 源义              开 初 指定 备 申 资

采集图 像到屏幕 ( 采集、 停止、读取、存储)

采 集图 像到内 ( 存 采集、
停止 、读取 、存储 )

i 一 心幼o f c ii 比. F 31姚r woa ui n 川 . g q so t 图3   1 图 集卡的工作流程 一 像采

3 2 软件方案 2 . 4 . 数字图      像测量的软件部分由 硬件驱动程序, 图像处理程序, 数据管理程序 三部分组成。系统软件主要完成以下功能: ) 1      图像采集与显示功能: 将图像数据采集到工控机中, 并将图像显示于显
示器 上。

) 2图像预处理功能:      对采集到的图 像进行滤波、灰度化处理和图像分割。 3      ) 轮廓提取功能: 边缘检测算法对图 运用 像的边缘进行检测, 并对图像边 缘跟踪,将所得轮廓数据按一定格式存储。 ) 4      轮廓特征点识别: 搜索图 像轮廓的角点、 切点, 识别出轮廓上的圆弧段
和直 线段 。

) 5      其它功能:实现图像文件的打印 和存储以 及接口 通讯等功能。 软件模块主要包括图像处理模块、      数据管理模块和系统控制模块。 其中图 像处理模块的流程图 如图 3 所示. 一 2 1

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图像 边缘检测

图像轮廓跟踪

图像特 征点提取

图像直径提取

{   
(反 出) 馈 输
F 3 2 rfwolae r e i m 】 g 1o l i 一 w ko f gP s g 团u m C n O s e 图 31 图像处        一 2 理模块流程图

3 2 检测系 2 5 .. 统误差 分析
在 视觉检测      中,影响检测精度 的重要 因素主 要有 以下几个 方面 :

) 1      在工业现场中, 照明系统。 合适的照明是非常重要的, 而它对于视觉测 量精度的影响常常被低估。 现场的 光照的稳定性、 光谱的分布、 照明的均匀性 以 及环境的光学性质被测对象与背景的对比度等因素都直接或间接地影响着
图像 的质 量;

) 2      被测 被测对象。 对象的 种类、 颜色、 尺寸、 形状以 及被测物的背景都会 明显地影响检测精度:
?4 ? 7

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) D及其光学器件。 D像敏面上成像的稳定性与 3C      c C 准确性对视觉检测
系统的影响很大,所以对光学系统应该精心设计( 如本系统采用的远心光路 等) 。另外,电路部分的硬件结构、软件处理方法以及干扰等都会对系统分辨 率和检测精 度产生很大影响;从 C D器件本身来看, C 像敏单元的 几何尺寸越 小, 则响应非均匀度越低, 芯片的空间分辨率越高, 测量误 差越小; 由于制造 过程中 半导体材料杂质不均匀所造成的 C D敏感单元不均匀性误差等; C

) 4      c D采集图像的过程是一个图象数字化的过程,图像未被 量化误差。 c
采集下来之前, 其光强是连续分布的, 采集并经过数字化后, 得到的是数字图 像, 这样就会产生量化误差。 可以 通过增大数字化时分辨率来降低量化误差, 但是会影响实时性。

5电 误差。 噪声误差主要来自c D的暗电      电 ) 噪声 C 流噪声(C C D器件在一定
时间内由于 热电荷蓄积而产生的 和信号处理电 ) 路的噪声。

) 6      系统的 工作环境. 在系统工作的外部环境中, 振动、 温度和散光对检测
精度影响很大, 物体与C D的移动甚至轻微的振动都会造成图 C 像失真。 C 在C D 达到恒定 之前进行检测, 有时误差可以达到几个像素, 因此, 一定要消除振动 和待 C D达到 C 较为稳定的 状态再进行检测。
图像 处理与分析 系统等在 以后 的章节 中详细 介绍 。     

3 3 2 . 检测装置的机械安装设计 检测装置的机械安装在本系统中十分重要,      这是因为: 叮方面检测装置的 一些基础零件、 运动机构以 及检测 装置之间的联接等都是机械结构; 另一方面, 机床的检测装置要靠机械结构来支撑, 要借助于机械结构来保持各零件之间的 正确的相互 位置。 检测装置机械部分设计的 好坏, 直接关系到检测系统的 工作 精度与使用性能, 关系到改造的 制造成本。 不但要从保证检测系统工作精度这 一基本点来 考虑, 而且也要对机械的加工, 装配的工艺性, 使用、 检修的 方便 性,以 及机 械位置安排的合理性等等方面, 给予足够的 重视。 按照检测装置结构的工艺性原则,      仪器的结构应该 尽可能地简单, 以减少

零件的数量。在设 计一些标准件的( 如螺钉)应注意了以 时 下几点: ) 1      规格尽可能统一。即尽量统一螺钉的材料、种类、 直径及长度( 螺钉长

一 5-                                                 4

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度与联接件结 构有关, 很难统一,但不同 尺寸的应尽可能少 。 )

) 2装拆应该方便。 保证这一      为了 要求的实现, 甚至可以在机床拖板上开设
深入装卸工具的槽、孔等。 ) 3要有必要的防松措施。      为避免 在使用过程中 发生松动和脱落, 装置中 螺 纹联接应尽量 采用合理的防松措施, 应较多的采用螺钉固定防松。 本装置的      光源和 C D接收部件不能垂直安装,因为切削力的作用, C 工件 的 变形对检测有较大误差; 也不可以 水平安装, 因为车刀和刀架的阻挡, 没有 合适的安装空间。 所以必须要倾斜一个合 适的角度, 那样在结构上和空间上才 合理, 才能得以 实现, 本设 计选择4 。 5 倾斜角。 照明 系统和 C D接收部件必 C 须安装在下拖板上, 和下拖板一起作轴向运动, 而不能有径向运动, 如图 3 一
1 3所示 。

! 一+ 1
5      4 8 6

/今 际
1 刀架 2 下拖板 3 上拖板 4 照明系统 5 工件

6 D c

7 刀 8 明 统 架 g cD支 车 照 系 支 c 架

i 一 c 皿tp fs e i F 31s 。 i l od.t 业v 初 拐h 劝 c 口 g 3 卜 ca n Co n e c i 比因咖 川 扣 图 31 检测装置装卡示意图              一 3

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3 本章小结 . 3
本章首先介绍了      机床在线检测技术的发展概况、 检测原理和检测方法, 然 后提出 在线检测装置总体设计方案。 此检测装置采用 C D传感器检测工件直 C 径, 实时在线检测反馈, 形成全闭环控制。 详细介绍了C D检测系统的 C 组成,
具体表 现在:

) 1      在构建本视觉检测系统的基本构成框架和介绍系统的工作原理的基础
上, 详细地对视觉尺寸检测系统的硬件部分进行了设计, C D图像采集系 对 C 统进行了设计; 尤其对 C D C 、光学系统和图像采集卡等进行了详细的探讨和
论述 ;

) 2      给出了在本系统中采用C D进行 C 尺寸测量的原理:光源发出的 光线经
过一个准直透镜系统变成平行光, 平行光照射在待测件上, 成像 由 透镜和光阑 在 C D传感器上形成放大的阴影像, C 测出该阴影的长度即可得出待测件的尺
寸:

) 3      对视觉检测系统中的误差进行了分析; ) 4      对检测装置的 机械部分进行了分析和设计。

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4 图像处理
我们知道,      人类所获得信息的 7%以 0 上来自 于视觉,换句话说,人类将 用自 己双眼所观察到的世界进行缤密的分析与思考之后,推动了科技的 进步, 也推动了整个世界的发展。 正是因为图 像所带给人们的直观信息的特点, 使得 图像处理技术随着计算机技术、 多媒体技术的飞 速发展取得了长足的 进步。 因 为图 像具有可反映人类第一感觉下的思维的魅力, 近些年来, 图像技术快速地 向各个研究领域渗透〔。 ] 5 1 “      图”是物体投射光或反射光的分布, 像”是人的视觉系统对图的接收 “
在大脑 中形成的 印象或 认识 。 前者是 客观 存在的 , 而后者 是认知 的感觉 , 图像

应是两者的 结合。 从观测系统所取得的图像可以 是静止的, 如文字、 照片、 细 胞等; 也可以是运动的, 如飞 行物、 传送带上的工件、 心脏图 像等; 物体也可 以是三维的, 如机械零件、 表面凹凸 不平的山脉等; 所有的图像可以是黑白 的, 也可以是彩 色的,但 目 前图像处理主要研究的还是二维图像或图像序列。 图像处      理就是对图像 信息进行加工处理, 满足人的 以 视觉心理和实际应用 的要求。 像处理可以应用光学方法, 图 也可以 应用 电 子学方法。 光学图像处理 方法已 经有了很长的历史, 在激光技术出 现以后, 得到了很大的发展。 光学处 理方法是平行处理, 处理速度快、 信息量大、 分辨率高、 又比 较经济, 但处理 精度不高、稳定性差、设备笨重、操作不方便等等原因限制了它的发展。从 0 6 年代开始,随着计算机技术的发展,数字图 像处理获得了飞跃的发展。所 谓的数字图 像处理,就是 利用数字计算机或其它高 速、大规模集成数字硬件, 对图像信息转换来的数字电 信号 进行某些数字 运算或处理, 以期提高图像的质 量或达到人们所要求的预期结果。 数字图      像处理也称之为计算 机图像处理。 其优点是处理精度高、 处理内 容
丰 富,可进行复 杂的非线性 处理。由于运 算量大 , 存在 处理速度 的 问题 ,特别

是进行复杂的处理更是如此。 随着数字技术和微机技术的迅猛发展, 给数字图 像处理提供了先进的技术手段, 数字图像处理从工程的技术特点和应用领域上 可分为: 图像处理( 采集、 存储、 重建和编码等) 图像分析( 、 边缘检测和 目 标识 别等) 像理解、技术应用和综述评论。 、图

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通用数字图像处理系统的一般结构[如图 4 所示,首先由图      1 9 l 一1 像感应器 获取图像信息, 如果图像感应器具有数字图像输出功能, 则通过与计算机的相 应接 口 将数字图像送入计算机中; 如果图像感应器无数字信号 出 输 功能, 则需 将其输出的模拟信号进行 AD转换,转换成数字图像, I 然后再将数字图像送 入计算机的内 存中: 最后由 计算机通过软件完成对数字图 像的各种处理, 处理 后的图 像还可以 通过图像输出设备( 像显 如图 示器、 打印机等) 像进行显示 对图
和 输 出。

} 输} 图出 像
二》

模拟 图像 输出 i 一n F 耳I g o a m r l u旧 u ̄ l 口 em ei ssm s 引 比u l t l g p cs gyt T l n e
图 41数字 图像处理系统 的一 般结构          -

4 图像处理技术的发展与 . 1 应用
早      0 年 在本世纪2 代,人 们利用巴 Bal ) 特兰(r a 电缆图片传输系统, tn e 经过
大西洋传送了第一幅数字图 它 已 像, 使传输的时间从一个多星期减少到了 三小 时, 使人们感受到了数字图 像技术的威力。 在发展的过程中 人们用各种方法努 力改善图像, 直至大型计算机出 ‘ 现, 人们开始用计算机来处理图像, 才使这项

技术得到巨大的 发展。9 年美国 1 4 6 喷射推 进实验室( L进行了太空探测工作, P J)
当时用计算机来处理测距器 7 号发回的月球图 以校正飞船上电视摄像机中 片, 各种不同形式的固有图像畸变, 这些技术都是现在图 像处理技术的基础, 同时 他们成功地用计算机绘制出月 球表面的 地图。 随后他们又对徘徊八号发回的几 万张图像进行复杂的数字图 像处理, 使图 像的质量进一步提高。 L的工作引 P J 起了 广泛的关注,使外界更加重视数字图像处理技术的研究。与此同时, L P J 以 及世界各国 有关部分已 把数字图像处理技术从空间 应用到生物医学、 X射线 图像增强、 光学显微图 像分 析、 遥感图像分析、 粒子物理、 地质勘探、 人工智 能和工业检测等等方面。

, 2-                                                5

西华大学硕十学                             位论文

数字图像处理技术在近 2 多年的时间里,迅速地发展成为一门      0 独立的 有 强大生命力的学科, 下面仅就几 个方面的某些应用举例。 ( 航空与遥感      ) 1 主要可分为航空图像和卫星      遥感图 像在地形、 地质和资源调查分析中的 应 用。 例如利用航空影像, 运用图像测量技术, 获取地形的 几何信息, 即测绘地 形, 生产正射影像, 利用卫星遥感图 像进行农业资源的普查 气象分析, , 环境 污染调查, 城市规划, 地质分析等等. 2 ( 医用图像处理      ) 在医学方面,      不管是基础研究还是临 床诊断, 像分析技术均得到了 图 广泛 的应用。 比如, X线图像, 显微图 像, 放射性同 位素图像, 超声波图 像等用于 临床诊断已得到广泛的 应用。 3 (工业领域中的应用      ) 在工业生产应用领域,图像分析和测量主要应用于装配或生产线的自      动 化, 工业材料或工业零件的检查等。 此外在微电 子技术 领域, 对电子线路掩模 或光学微细加工的质量检测等。 4 军事公安方面 ()      主要应用是:      各种侦察照片的 判读, 运动目 标的图 自 像 动跟踪技术, 例如 电视跟踪技术等; 另外还有公安业务图片的判读分析, 例如指纹识别、 不完整
图片的复原 等等。

5 (文化艺术方面      ) 在文化艺      术方面有电视画面的数字编辑, 动画片的制作, 服装的花纹设 计、 制作。 文件资料照片的复制和修复。 在体育方面, 运动员的训练、 动作分析和
评 分等等 。

随着计算机技术的日      益发展, 图像处 理技术的日 益完善, 像处理的应用 图
范围将越加深入 和广泛 。

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. 42图像处理的层次和基本过程
. 1 4 . 图像 处理的层 次 2

图像工程的内      容非常丰富, 根据抽象程度和 研究方法等的不同 可分为三个 层次( 见图4 2 像处理、 一 :图 ) 图像分析和图像理解。 换句话说, 像工程是既 图 有联系又有区别的图像处理、 图像分析及图像理解三者的 有机结合, 另外还包
括 对它们 的工程应用。
高 ▲ 下 l

高 层


符 号 操 作 数 对 象 量 据

抽 象 程 度
. we we

语 义 中 层 目 标

低 层

像 素

F 4 c 双 t p 1 g 即 e g肠 ee l . g l 一s .i 恤 住 e 脚 山n tr 】e 址 c . e vs
图 42图像 工程三层 次示意图          一

图像处      理着重强调在图 像之间进行的变换。 虽然人们常用图 像处理泛指各 种图像技术, 但比较狭义的图像处理主要满足对图像进行各种加工, 以改善图 像的视觉效果, 并为自 动识别打基础, 或对图像进行压缩编码, 减少所需存 以 储空间或传输时间、传输通路的要求。 图像分析则主      要是对图 像中感兴趣的目 标进行检测和测量, 以获得它们的 客观信息, 而建立对图 从 像的描述。 如果说图像处理是一个从图 像到图像的 过 程, 像分 则图 析是一个从图 像到数据的 过程。 这里数据可以 是对 目 标特征测量 的结果, 或是基于 测量的 符号表 示,它们描述了图像中目 标的特点和性质。 图像理解的重点是在图      像分 析的基础上, 进一步研究图 像中各目 标的性质 和它们之间的 相互联系, 并得出对图 内 像 容含义的理解 以 及对原来客观场景的 解释, 从而指导和规 划行为。 如果说图像分析主要是以 观察者为中心, 研究客

一                                                 4 5 .

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观世界( 主要研究可 观察到的事物) 那么图像理解在一定程度上是以 ; 客观世界

为中心, 借助知识、 经验等来把握整个客观世界( 包括没有直接观察到的事物) o
由      图像处理、 上所述, 图像分析和图像理解是处在三 个抽象程度和数据量
各有特点 的不 同层次上 。 图像处理是 比较低 层的操作 , 它主要在图像像 素级别

上进行处理, 处理的数据量非常大。 图像分析则 进入了中层, 分割和特征提取 把原来以 像素描述的图 转变成比 像, 较简洁的非图 像形 式的描述。 像理解主 图 要是高 层操作, 基本上是对从描述抽象出来的符号进行 运算, 其处理过程和方 法与人类的思维推理, 有许多类似之处。

. 图 4 2 像处理的基本过程 . 2 图      像处理的典型系统图,如图4 所示。系 一3 统的第一步是图 像获取, 然 后利用分析与决策系统来实现图 像的 特征提取, 据提取的特征对物体进行空 根 间几何成像, 然后从知识库中调用匹 配模型进行处理并最终输出 结果。 在这里 分析与决策系统是图 像处理系统的核心部分。

i 3 c y t b 脚 hl e e u 旧n F 今 t i ss团 l k p l gm a r e . P l g y a e o c r 口 s 曰 t
图 李3 图像 测量 的典型            系统 图

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(图像的获取      ) 1
利用光学成像技术,通过物体的几何成像把空间的信息记录在感光介质      上, 获得图像。 随着光电子技术及各种传感器技术的不断发展, 各种视频摄像 机和固体阵 列传感器应运而生,可以 容易的实时获 取图像。目 C D阵列器 前 C 件被广泛的 应用于图像的 生成和获取。 2 (摄像      ) 机的标定 处理系      统的精度逐渐成为了人们考虑最多的因素, 而一个摄像系统的 精度 大部分取决 于系统的标定, 也是摄像机的标定。 人们为了 更好的 解决标定问题, 为摄像机系 统建立了标定 模型。 其中比 较有代表性的有圆点标定 靶、 格标定 网
靶 等等 。

3 ( 图像      ) 特征处理 利用一些有特殊的运算符对图      像进行特征提取或处理的技术, 像处理 是图 技术一个重要部分。 图像处理中 广泛的用到特征处理技术, 前人己 经为我们总

结了 许多可实现图 像特征提取的算子( 运算符) 其中主要的点检测算子有: ,
Mo e 算子是通过在像元之间寻找较大方差的点 v a rc 作为检测依据, o t r Frn 算 se 子是通过在 目 标窗口 计算的 Rbr Oe 梯度和协方差矩阵, t 构造一个有利值和权, 通过抑制局部非最大来选择角点等;主要的边缘检测算子有:零交叉算子

Ma& l h a y r H d ,cn 算子,边缘跟踪算子, u kl i r t He 算子等等. c e
4 ( 知识库匹配      ) 这部分      属于计算机视觉的高级处理的范畴, 在现有的 识别算法中, 实际上 人们都在 自 觉不自 觉地采用知识驱动或模型驱动的策略。

. 4 3数字图像的表示方法 一幅黑白图像可用二维函数f x力表示,      (, 其中xy是平面的 , 二维坐标,

(, fx 示点(y 的 度值灰 值 。 模 像 讲, (力显然 连 力表 x ) 亮 (度 )对 拟图 来 了 , , x 是
续函数 。

为了适应数字计算机的处理,      必须对连续图像函数进行空间的幅值数字 化。 空间坐标( y 的数字化成为图 , x ) 像采样, 而幅值数字化被称为灰度级量化。

经过数字化后的图像称为数字图 或离散图像X g l ae 像( it m ) D i l g。 a

一5 -                                                 6

西华大学硕士学位论文                           

我们知道, 通的显示器屏幕是由许许多多的点构成的,      普 我们称之为 像素。 显示时采用扫描的方法:电 子枪每次从左到右扫描一行, 为每个像素着色, 然
后从上到下这样扫 描若干行 , 就扫过 了整屏。为 了防止闪烁 , 每秒要 重复上述

过程几十次。 例如我们常说的屏幕分辨率为 6O 4 , 4 x 8 刷新频率为7H , 0 0 z意 思是说每行要扫描 60 4 个像素, 一共有 4 行,每秒重复扫描屏幕 7 次。 0 8 0 我 们称这种显示器为 位映像设备。 所谓位映像, 就是指一个二维的 像素矩阵, 而 位图就是采用位映像方法显示和存储的图像。 数字图      像一般有两中常用表示方法: ) 1      灰度图 像的阵列 表示法

设连 像f x      ( y 经数 续图 ’ ) 字化后, 用 可以 一个离散 成的 量组 矩阵9 , i (力来 表示, 如 4 ) ‘, 式( 0 的 一1
) 「 0 f 01     (, () f0 , f 0N‘ )        (, 1 (1 , } f 1)        f 1) (0 , f1 1        ( N一) , f M 一 N一 ( L

抓,j一 一0 f( 一1) … j L_ , ,        l } 一1) M , 一( 1 M

矩阵中     个元素 是 每一 都 离散值 ,称为 印 e. (j代 ij 点 像素 议 而91 表() ) l , ) ,
的灰度值。 灰度图是指只含有亮度信息, 不含有色彩信息的图 像, 就象我们平 时看到的亮度由暗到明的黑白 照片, 亮度变化是连续的。 此, 因 要表示灰度图, 就需要把亮度值进行量化,通常划分成。 2 共 2 个级别, 最暗 全黑 , 一5 6 5 0 ( ) 25 5 最亮( ) 全白 0 灰度图比      较方便。首先, G 的值一样:其次,图像数据即调色板索引 RB 值,也就是实际的R B的 G 亮度值;另外因为是 2 色的调色板,所以图 6 5 像数 据中的一个字节代表一个像素。 所以,      在数字图 像处理中, 一般都选用灰度图。 ) 2二值图      像表示法 在数字图      理中, 像处 为减少计算量, 常把灰度图像转为二值图像, 所谓的 二值图像就是只有黑白两个灰度级, 即像素灰度级非 1 0, 是灰度图 即 0 像中 亮度最小的 级别,即灰度值为 0 是灰度图像中 ,1 亮度最大的 级别,即灰度值

1 一

4 ) (一1

为2 。 数字图像 用 像素l t 阵表示 5 其 可 每个 i b 的矩 。二值图像可 链码( 采用 又 称F e 码) 示。 e r ̄ 表

西华大学硕士学位论文

. 4 像处理技术的特点和内 4图 容
在计算机处理出现以前,      图像处理都是用光学照相处理和视频信号处 理等 模拟处理,把数字图像与其它模拟方法在以 下各方面比 较见表 41 一:
表 41                          - 数字图像与模拟方法比较 肠b 1 u e l 罗的d 1 e e e                      ? O幻 r 皿 今 Da n g a 0 川t u h d 方式 光学 照片 录像 数字 处理速 度
护 矿 了


灵 活度



精度



调整
X X

再现性



其他 x现 象 x现 象 x内存




X 了







从上面的列表可以看出,      除了处理速度和内 存要求大以 数字图 外, 像处理 技术在灵活性、 精度、 调整和再现性方面都是卓越的, 它具有用程序能白 由进 行各种处理, 并且能达到较高的 精度。 这与模拟处理中, 要提高一个数量级的 精度, 就必须 对装置进行大幅度改进相比确实为一大 优点。 另外, 于半导体 由 技术的不断 进步, 实际上正在开发普遍使用的微处理器的图像处理专用高速处 理器,以 I 存贮器为基础的图像显示也达到可行的程度, c 这些都进一步加快 了数字图 像处理技术的发展和实 用化. 为了      用计算机处理图像, 必须把图像作为 数值来表示, 数字图像也可以说 是二维平面上的灰度分析。数字图 像信息有以 下的 特点。

) 1      图像信息量很大。 例如一帧电 视图像取52 52 1 x 个像素组成,如 1 其灰
度用 8比 i的二进制来表示, 特少 ) t 那么 就需要 5 x 1x8 075 比 2 2 = 9 2 特。 1 5 2 1 8 对这样大信息量的图像进行处理, 必须要有计算机才能胜任, 而且计算机的内
存 量要大 。

) 2      数字图 像占用的频带较宽。 与语言 信息相比, 用的频带要大几个数量 占
级。

) 3      图像处理技术综合性强。 ) 4只能处理三维景物的二维投影。     

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5      ) 数字图 像中各个像素是不独立的, 其相关性很大, 此图像信息压缩的 因 潜力很大。 ) 6      数字图 像处理后的图 像受人的因 素影响 较大。 处理后的数字图像是需要 给人观察和评价的,因此受人的因素影响比较大。由于人的视觉系统很复杂, 受环境条件、 视觉性能、 人的主观意识的 影响很大, 因此要求系统与人的良 好
的配合,这还 是一个很大的研 究课题 。

目      前, 数字图像处理包括以下几项内 容: ) 1 运算:针对图      点 像的像素进行加、减、 乘和除等运算; ) 2几何运算:      包括图像的坐标转换,图像的 移动、缩小、 放大等; ) 3      图像编码:对图 像进行高效编码,以 达到图像压缩的目 的; ) 像增强:突出图 4图      像的重要信息; ) 像复原:去除干扰和模糊, 5图      恢复图像的本来面目; ) 像形态学处理:实 6图      现图像细化、 膨胀等效果; ) 像重建:利用采集的数据来重建图像; 7图      ) 像识别:目 8图      前广泛应用的 O R文字识别技术就是其中一种。 c

. 45图像处理常用的方法
图      像处理就是对图 像信息进行处 以 理 满足人的视觉心理或应用需求的 行

为。图像处理的手段有光学方法和电子学( 方法。 数字) 光学方法从简单的光 学
滤 波到现代的 激光全息技术, 光学处理理论 己 经日 趋完善,而且处理速度快, 信息量大, 分辨率高, 又十分经济实用: 但是光学处理图像精度不够高, 稳定 性差,操作不便。 所谓数字图 像处理就是利用数字计算机或者其他数字 硬件, 对从图像信息转换而得的电 信号进行某些数学 运算, 以提高图 像的实用性。 数 字图 像处理技术处理精度比 较高, 而且还可以通过改进处理软件来优化处理效
果。

数字图像处理包括以下内容:     

l (点运算:主要是针对图      ) 像的像素进行加、减、乘、除等运算。图像的
点运算可以有效地的 改变图像的 直方图分布, 这对提高图像的分辨率以及图 像 均衡都是非常有利的。

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2 (几何      主要包括图 ) 处理: 像的坐标转换,图像的 移动、缩小、放大、旋
转, 多个图 像的配准以 及图像扭曲 校正等。 几何处理是最常见的图 像处理手段, 几乎任何图 像处理软件都提供了 最基本的图像缩放功能。 图像的扭曲 校正可以 将变形的图 像进行几何校正,从而得出 准确的图 像。 3 ( 图像增强:其作用主要是突出图      ) 像中重要的信息,同时减弱或者去除 不需要的信息。 常用方法有直方图增强和伪彩色增强 等. 4 ( 图像复原:其主要目的是去除干扰和模糊,      ) 从而恢复图像的本来面 目 。 5 ( 模式识别:      ) 也是数字图像处理的一个新兴的 研究方向,当前的模式识 别方法通常有三种:统计识别法、句法结构模式识别法和模糊识别法。

. 4 6图像处理过程中的噪声及其预防 .
在图      过程中, 像采集的 不可避免地受到各种因素的影响。 其中噪声对于图 像形成质量的影响不可忽视, 因此必须采取 通过数字滤波等手段来减少或消除
其不利影 响。下面将对 噪声的形 成及 其消除措施 加 以说 明。

) 1 噪声 噪声可以理解为 “      妨碍人们感觉器官对所接收的信源信息理解的因素” 。 噪声在理论上定义为“ 不可预测的、 只能用概率统计方法来认识的随 机误差” 。 因此, 像噪声看成是多维随机过程是合适的。 将图 描述噪声的方法完全可以 借 用随机过程的描述, 用其概率分布函数和概率密度分布函数来进行描述。 即 但 在很多情况下, 这样的描述方法很复杂, 甚至是不可能的, 所以在实际应用中 往往也是避免使用的。 通常是使用数字特征, 即均值, 方差, 相关函数等; 因 为这些数字特征都可以从某些方面反映出噪声的特征。 在目      数数字图 前大多 像系统中, 输入光图 像都是 采用先冻结再扫描方式, 将多 维图像变成一维电信号, 再对其进行处理、 存贮、 传输等加工变换方法来 进行的, 最后还要再组成多 维图像信号, 而图像噪声也将同样受到这样的分解
和合成 。

图      像噪声从统计理论观点可分为平稳噪声和非平稳噪声两种。 统计特性不 随时间变化而变化的噪声称为平稳噪声。 统计特性随时间 变化而变化的 称为非 平稳噪声。 在数字图 像处理技术中, 量化噪声是肯定存在的, 它与图像相位相

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关 如图 容 近 坦时 量化 声 现 轮 但 , 像内 接 平 , 噪 呈 伪 廓, 此时 像 图 信号 的 机 中 随
噪声会因颤噪效应反 而使量化噪声变得不那么明显。 一般情况下,在各类图      像系统中,图像的传送和转换( 如成像、复制、扫 描、 传输 以 及显示等) 总要造成图像的某些降质。 例如:在摄像时,光学系统 的失真、 相对运动、 气流动等都会使图像模糊; 大 在传输过程中, 由于噪声污 染,图 像质量会有所下降。必须对这些降质的图像进行改善处理。 通常改善的方法有两类:      一类是不考虑图像降质的原因, 只将图像中感兴 趣的特征有 选择的突出,而衰减其次要信息;另一类是针对图像降质的原因, 设法去补偿降质因素, 从而使改善后的图像尽可能的逼近原 始图像。 第一类方 法能提高图像的可读性, 改善后的图 像不一定逼近原始图 这类方法通常称 像, 为图像增强技术。 第二类方法能提高图像质量的 逼真度, 一般称为图像复原技

术 ( 较 表4 。比 见 一 ) 2
表 42                          一 图像增强 与图像复原
介b 一 1旧 川es 胡dl口 e I                          . 几罗 t i 4 nf y l g ms 化 O

方法                  目的            图像 增强 图像 复原 不考 虑降质原 因,突 出特 征 考虑 降质原因 ,建立模 型 ,设法 补偿 改 善原图 ,提 高可懂度 逼近 原图 ,提 高逼真度

) 像的增强 2图 图像增强的目 阁 改善图像的      的‘: 视觉效果和提高图像的清晰度以及使图 像 变得更易于计算机的处理与分析。 为了改善视觉效果或便于计算机对图像的理 解和分析, 根据图 像的 特点或存在的问 题采取的 相应改善方法或者加强特征的

措 施称 像 为图 增强 IgE a e n 。 像增 可以 像的 些 I ( e n c t 图 a n h m) n e 强 对图 某 特征 如 ,
边缘、 轮廓、 对比度等进行强调 或者锐化。 图像增强是增强图像中的某些信息, 它不增加图 像数 据中的相关信息。

图 增强      通 有 类方 : 间 像 技术 常 两 法 空 域法 频率 法 见图 4 ) 空 域 和 域 ( 礴. 间
法主要是在空间 域中对图 像像素的灰度值直接进行运算处理。 例如, 将包含某 点的一个小区 域内的各点灰度值进行平均计算, 用所得的 平均值来代替该点的 灰度值, 通常 即 所说的平滑处理。 域法的图 空间 像增强技术可以 4 式来描 用( 2 一 )
述:

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9 , = ( 少x x夕              x) ( y fx ) h ) , ( ,
算 函数 。

4 2 (一 )

其中 (y是处 :f , x) 理前的图 像;gx (, 刃表是处理后的图像;h , x (力为空间运 图      率域法就 像增强的频 是在图 像的某种变换域中通常是频率域中对图 ( ) 像 的变换值进行 某种运算处理, 然后变换回空间 l。 域[ 其特点是先将图 ] 9 像进行
变换, 一般是将图 像由空间 域变成频率域,然后在频率域内对图 像进行处理。 如 对图像进行二维傅立叶变换后, 对变换后的图 就可 像进行低通或高通频域滤 波,其中 低通滤波用于消除噪声,高通滤波可 用于提升边缘和轮廓。 总体而言,      图像增强的方法主要包括直方图 修改、 灰度变换方法、 像滤 图 波、图像锐化和图像彩色增强。

蚁回 烈
) a ( 空间域增强

缨匣 竺回 缨匣圈 团 夔缨
伪 频率域增强 ) F 4 hmt P f ae ts e卜en aad汀 iad ue yo旧 i 礴即 e i I i g me i g a c 即o m n勺b 刀est lO. n 加qn d代 i Pi n c n 图4 空间域与频率                性 域图像增强操作示意图

( 图像的 ) 1 平滑

图 平滑( tn 的主要目的是为了减少图     m o i) 像 s hg o 像中的噪声。一般情况下,
在空间时域内 可以用邻域平均来减少噪声; 在频率域中, 由于噪声频谱通常多 在高 频段。因此可以采用各种形式的低通滤波的办法来减少噪声。 一种常用的平滑算法是将原图中一个像素的灰度值和它周围邻近 8个像     

素 灰度值相加, 的 然后将求得 的平均值除以9作为新图中 ( ) 该点像素的灰度 值。
2 值滤波 (中 ) 中值滤波是一种非线性的信号处理方法,      与其对应的中 值滤波器也就是一

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种非线性的滤波器。中值滤波在一定的 条件下可以克服线性滤波器( 如最小均

方滤波、 均值滤波等带来的图 ) 像细节模糊,而且对滤除脉冲干扰及图像 扫描
噪 声最为有 效。

中值滤波一般采用一个含有奇数个点的滑动窗口,      将窗口中各点灰度值的

中 值来替代指定点( 一般是窗口的中心点) 的灰度值。 对于奇数个元素,中 值是
指按大小排序后, 中间的数值; 对于偶数个元素, 中值是指排序后中间两个元
素 灰度值的平均 值。

3 ( 图像的锐化 ) 图像锐化处理的目      的是使模糊的图 像变得更加清晰起 通常针对引 来。 起图 像模糊的原因 而进行相应地锐化操作, 属于图像复原的内容。 图      质就是图像受到平均或积分 像模糊的实 运算造成的, 因此, 可以对图 像 进行逆运算( 如微分运算) 来使图像清晰化。 从频谱角度来分析,图像模糊的实 质是其高频分量被衰减,因而可 以通过高频滤波操作来清晰图像。 但要注意, 能够进行锐化处理的图像必须有较高的信噪比, 否则锐化后图 像信噪比 反而更 低, 从而使噪声增加得比 信号还要多,因 此, 一般是先去除或减轻噪声后, 再 进行锐化处理。 图像锐化一般有两种方法:      一种是微分法, 另一种是高通滤波法。 常用的 两种的微分方法是: 梯度锐化和拉普拉斯锐化。

) 1 梯度锐化 设图    像为f , 定义fx 在点(y处的梯度矢量云[(, 伪: x (力, (y , ) x) , f y x)

万 -击 万 -即

 tG      

 f(  
   X

 y                          

 -一              

4 ) (一3

   

梯度有两个重要性质:

1梯度的方向在函数f y最大变化率方向      . , x () 上;

x ( a f瘾瓢 . 吟G 一 灭 1的 [川 ) , x
向上 的单位距离所 增加 的量 。

4 ) (一4

由上式可以得出      这样的结论:梯度的数值就是fx 在其最大变化率方 (y , )

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对于离散的      数字图像, 4一 可以写成: 式( 4 )

G (,= 沙 ,一( 1卜厅x) (,1 [x) 了 ( )了 +, ( 一 x +] 了 ] x 二, , , ) , f, ) , ,
通常也可以      近似为下面两种形式:

(5 4) 一 供6 一)
4 ) (7 一

G (川= [ ,一( 1+] [ + f , 1 盯x 寸 ( )了 +,:+ ( 1 ( +] , f , 二 , ) f 功一 x ) x , 二 , ,
G x) Ix 一 ( 1+ + ( 1)f , 1 [, ] f , f +,1 }x ,一(夕 ) ( f y” (y x , 习 f +夕 x + ) I
在实际应用中也常采用该梯度公 式。

上面两个公式称为罗伯特梯度。      此公式运算简单、实用、而且效果不错,

如果 接 梯度 lf , ] 表      用 直 采 值G (y 来 示图 , 令9 , G [(川 , x) 像 即 (力= f , 则 x x
由 上面公式可见: 在图 像变化缓慢的地方, 梯度值很小 对应于图 ( 像较暗) 而 ; 在线条轮廓等变化较快的地方, 其值很大。 这就是图 像在经过梯度运算后使其
清 晰从 而达 到锐化 的 目的 。

) 拉 锐 2 普 斯 化 拉 拉      算也 偏导 运 的 普拉 运 斯 是 数 算 线性 合, 且 组 而 是一 各向 性 旋 种 同 ( 转不 变 ) 线 运算 设Vf 拉 拉 性的 性 。 Z 为 普 斯算 则: 子,

v= 卒 Z李+ f
」 击

(一8 4 )

d一          X 口一 y

{ =△fxy=fx夕一fx 1 ) 鲜塑 x(,) (,) (一, y
4 ) (一9

1 壑 立 △fx ) fx )fx 一) 巫 旦 = ,(夕= (夕一 , 1 , , ( 夕
L 即

式 一 为 散数 像fx 的 4 ) ( 9 离 字图 (, 一阶 导 ) y 偏 数。
则其二阶 偏导数 为:

J_ 击‘

{丝 = 二(+,) △fxy =fx 1 ) fx 1 ) Z (y 兰 卫 △ f 1 一 , ( ) (+, + (一, 一 fx ) x y , y y ,
’ , {尸=△y(,+1一△f(夕=f(,+1+f(夕一1一Z (,) 雀 fx夕 ) , x ) x夕 ) x ) fx夕
4 (一1) 0

所 以, 拉普拉斯算子Vf为: Z
_ , af af , Z Z v j= 一 育专 + 考 =八x y + 林+凡 + ( y ” ( y 1 叮 ( y 下 一凡 j ) ) y Jx + 十j , , x 一 一 x) ) ,
C 一          飞 即 -

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一 ( 会 ‘,‘,? (,一 5、口 , (?(, , f, 于 一(? 一卜 , ,一 ‘ ’ x 二卜 , 一卜 , , x卜 号
可见,      数字图像在某点(y的 , x 拉普拉斯算子, ) 除常数因子外, xy 可由() ,
点灰度级值减去该点临域平均灰度级值而求得。 为了      使图像轮廓清晰,又不使噪声增加,可以 按如下方法改进: 设一闭制值 ,锐化的图像为 9      6 ,则

4 1 (一1)          

一 { ‘

一 刃名 k f
f   

Vf< Z 乡
o e,    r h l

(一1) 4 2

上面的图      像锐化处理也可以 写成数 据模板的形式, 然后利用数据模板采用 空间域离散卷积的方法来进行处理。 这种方法的关键是确定掩膜, 在实际处理

中, 利用模板在图像上移动作卷积处理.式( 3 4 ) 一1 、式供 4 4一巧) 一1和式( ) 列
出了 几种掩膜,其中式(一1 即为拉普拉斯算子。 4 3 )

冈 目 仁 四 日 曰

刁 5 -l

川 习 月 叫

h=

伊一1) 3


卜 曰



h=

9 -l 日 防 -2 卜 5 日 刁
. 习


4 4 (一1)

 一一          



4 5 (一1)

除了      采用微分方法外, 还可以 采用高 通滤波方法。 图像中的边沿或线条与 图像频谱中的高频分量相对应, 使用高通滤波器, 低频分量得到抑制, 增强高 频分量, 使图 像的边沿或线条变得清晰, 从而实现图 像的锐化。 常见的高通滤 波器有理想高通滤波器、Btr r 滤波器、指数型滤波器等等〔 创 uw t eo h 洲 。 一

1      ) 理想高通滤波器
一个理想的二维高      通滤波器的传递函数如式(一1 所表示: 4 6 )

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({ H一 ) v , u {粼欢
定:

4 6 (一 1)

式中D 是从频率平面原点算起的 O 截止频率( 或距离) D , 仍由 , (v 下式决 u) Du = + ,              (v 伪2 v) , ) 百
理想的 高通滤波器传递函 数的特性曲 线如图 4 5 所示。 一 a ( )
(一1) 4 7

1 1 1 上 上 泣
D。 域u ) 丹

D      域 , o .u ] v

D。

酬u , ) v

) a ( 理想高通滤波器

伪巴 ) 特沃斯高通滤波器

c ( )指数高通滤波器

i 一山e s ei m口 uv e ec刁 mni a ft F 4 r 切犯 oprn Ccr 丘 uny O ih p s lr . g f 沁 e eq a h g s ie 图45三种频域高通滤波器特性曲线                一

由图可见,      理想高通传递函数与理想低通正好相反。 通过高通滤波正好把

以D 为半径的圈内的 O 频率成分衰减掉, 对圈外的 频率成分则无损地通过。
) 特沃斯高通滤波器 2巴     

截止频率为D      O 的n 特沃斯高通滤波器的 阶巴 传递函 数如式( 8 4 ) 一1 :

二, 下毕一1 (=1 坑 u            ) v.
1+ 1              — 】

4 8 (一1)

L uv」              刀(, )

式中D , ( v) 巴 斯高 滤 器     =。+, ,特沃 通 波 传递函 的 性曲 图4 u) (v 2 三 数 特 线如
一 伪 所示。 5) 与低通滤波器一样, 定义H u 下降到其最大值的 1 处的D“ (v , ) 2 / (, ) v

为截至频率点几。一般情况下, 高通滤波器的截止频率 选择使H , 下降到 u) (v

其 值 ” 涯 从’曰 这 条 “ 递函 可修 为式, 1: 最大 的夕 满足 水汀“ “ 传 改 ( 9 4 芳肚八以 厂升处, ^岭一 件的’ 数 乡 日 ‘C 心团从刊‘ 以月找 一 ) 、

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H(, “ uv )

1 一下 1 +1具1 十 1夕 ”,4二二 洒 才气 。 ’ . ” 坏
L口气 , J              L u v 」 u叮 刀气 , )

4 9 (一1)

3 ) 指数高通滤波器

截止频率为D 的指数高通滤波器的 。 传递函数如式 一 ) 4 0 ( 2:
J 玉了          李 - H(v= t二J u , eD, ) (,
(一2) 4 0

式中 为      频 , (, ( +, , 数n 着万u) 增 。 O D 截止 率 Du ) u ,万参 控制 (,的 长率 ,= Z ) ,
指数高通滤 波器传递函 数的 特性曲 线如图4 5 所示. 一( ) c

由 ( ,知 当和)D H, 另, 果 然 截 频    2可 , D,一 ,( = 如 仍 把 止 率 式一) 4 vO u ) v

定 H 最值瓜 处那:传函公可如修: 在 u 大的 ,么其递数式作下改 ( ) v ,

、,喘 = 注丁 (= 周 。 念 。。 , ) 一
. 本章小结 47

4 1 (一2)

本章主要介绍了图像处理相关的一些基本知识和问题,      包括图像处理技术 的发展与应用、 像处 图 理的层次和基本 过程、 数字图像的 表示方法、 图像处理 技术的特点和内容、 图像处理常用的方法、 像处理过程中的噪声及其预防等, 图 为下一步图像边缘检测做充分的准备 工作。

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5图像边缘检测
边缘检测的      实质是采用某种算法来提取图 像中对象与背景间的 交界线。 我 们将边缘定义为图像中灰度发生急剧变化的区 域边界, 图像灰度变换的情况可 以 用图像灰度分布的梯度来反映。 因此我们可以用局部图像微分技术来获得边 缘检测算子。 经典的边缘检测方法, 是对原始图像中 像素的某个小 邻域来构造 边缘检测算子。 首先通过平滑来滤除图像中的噪声, 进行一阶微分或二阶 然后 微分运算, 求得梯度最大值或二阶导数的 过零点, 最后选 取适当的阐值来提取

边[。 界, 3 ’ ‘
51 .边缘检测概述
图像的局部边缘定义为两个强度明显不同的区域之间的      过渡, 图像的梯度 函数即图 像灰度变换的速率将在这些过渡边界上存在最大值。 早期的 边缘检测 是通过基于梯度算子或一阶导数的 检测器来估计图像灰度变化的梯度方向, 增 强图像中的这些变化区域, 然后对该梯度进行阐 值运算, 如果梯度值大于某个 给定的门限,则存在边缘。

一阶      微分 是图像 边缘 和线 条检测的 基本方 最 法.图 像函数f , x (力在点 x (力的 ( 一 微分是 个具 方向 小 矢 , 梯度 即 阶 )一 有 和大 的 量, 即
(一1 5 )

梯 量“凡二 度 : 列} 矢 [                     ( 剑 f L 即」

匡〕             

妙‘G ) 嘎了 [卜 , x ( f俪

(一2 5 )

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一 68.

(一3 5 )

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以      上述理论为依据, 人们提出了 许多算法, 常用的 方法有: 差分边缘检测、 oet Rbr 边缘检测算子、S e 边缘检测算子、P wt边缘检测算子、K s s b ol e ri ih rc

边缘 检测算 L li 边缘 测算子、C拍 边缘检 子、 aaa p n c 检 田y 测算子 等等。
所有 的基于梯度 的边 缘检测器之 间的根 本区别有三点:     

1 算子应用的方向;      、 2 在这些方向      、 上逼近图像一维导数的 方式; 3 将这些近似值合成梯度幅度的方式。      、

5 经典的边缘检测算子 . 2
. 1 5 . 差分 边缘检测 2

当      我们处理数字图 像的离散域时, 可用图像的一阶差分直接 代替图像函数

的导 二 数。 维离 图像 数在x 散 函 方向的 差分定义为: (+, (x , 一阶 f 1 x 刃一f, ) y y方 一 向的 阶差 定 分 义为: (y 1 (力。 像素灰度的一 fx + 一f , ) x , 利用 阶导数算
子在灰度迅速变化处得到极值来进行奇异点的 检测. 它在某一点的值就代表该 点的 “ 边缘强度” ,可以 通过对这些极值设置闽值来进一步得到 边缘图 像。但 是, 用差分检 测边缘必须使差分的方向 与边缘方向垂直, 这就需要对图像的不 同方向 都进行差分运算, 增加了 实际运算的繁琐性。 下面是差分边缘检测算子的垂直边缘、      水平边 对角线边缘检测的 缘、 模板:


L 0

o )
0 」

0 }

垂 边          直 缘 水 缘 平边 对 线 角 边缘 差分边缘检测方法是最原始、      基本的方法。 根据灰度迅速变化处一阶导数 达理, 利用导数算子检测边缘。 这种算子具有方向 要求差分方向 性, 与边缘方 向垂直, 运算繁琐,目 前很少采用’ 。 一翎

一6 9-

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. Rbr 5 2 oe 算子 . 2 s t 由Rb      提出的算子是一种利用局部差分算子寻找边缘的算子, oe s t r 它在 2 x 领域上计 Z 算对角导数

9 , 了( 一 二 ,1+ ( +一( 1 r 卜4   二 厅x) ( L+] 沙 , 1f +, ( ) () , x , 了+ ) x ) 二 , , , y )
以x 又称为Rb到交叉算子。在实际应用中,为了      oe比 , ) y 简化计算, 用梯度
函数的 R br 绝对值来近似 oe s t

9 y } y f +,1 】x + 一( 1)     ,一( 1+ + (, 1 f +, () f ) x , 习f , ) x y , x七( x l
另外 还可以 Rb川 最大 用 oe比 值算子来计算

(5 5) 一 (6 5) 一

9 ,二}, 一( L+ ,(J ) ( 1)     x)f +夕 1了 , 1 f +,) (夕 ((夕 x x) f 习 x, 一 x ,} } +

上式能够提供较好的      不变性边缘取向。对于同 等长度但取向不同的 边缘, 应用 R b 最大值算子要比应用 Rbr 交叉算子所得到的合成幅度 oe s t r 刀e s t 变化小。 R b 边缘检测算子的模板为: or e s t rwe 0 旧 . 训 I -l 川




o r R 玩 边缘检测算子方向模板 s t

由上面两个卷积算子对图      像运算后,求得图像的梯度幅度值g , ( 力,然 x 后选取适当的门限m , 做如下判断:9 , >H,(, x) (y T x刃为阶跃状边缘点,
{x } ( y g , 为一个二 ) 值图像,也就是图 像的边缘图像呱网 。

. Sb 算子 5 3o 】 . 2 e R b 算子的一个主要问题是计算方向差分时对噪声敏感。oe提出一      oe s t r S l b 种将方向差分运算与局部平均相结合的方法,即 Sbl oe 算子。该算子是在以

f , 为中心的3 3 x) (y X 邻域上计算x 方向的 和y 偏导数,即

x s 仇工L一十八十y f 丸+ 一你一y妙义才几 十 几十 (二 十y12浑几 + 十y1 { 几一+八一刃 f 一y1 ) )( x } ) x ( } )
协 二 (一 珍 刀 + + ( 妙+ 一 林 人 一 十 廿 妙十 十 认y 1 j + l 廿 一y 1 盯怀y 1 j 十 一 x ) x ] j ) 一+ ( 妙 1 ) x ] )

(一7           5 )

实际上,上式应用了fx刃邻域图 (, 像增强的加权平均差值。 其梯度大小为
, 0- 7

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办y 创下 ) 刃万 二
或取绝对值

9,一 1, ( 11 x 55 ) + y 二 }
其 卷积算子 为:

(一8 5 )

} ? 一 2 2“ 1
L10 1 一 」

「 “’ 1 一 一 一 ) 一 2, ‘ , !
L 1 2 1 」

} ““ “ }

Sbl o 边缘检测算子方向 e 模板

由      上面两个卷积算子对图 像运算后,求得图像的 梯度幅度值 g 力 , ( , x 然

后选取适当的门限m ,做如下判断:9x )>H,(y为阶跃状边缘点, (夕 T x) , , {(y} 个二值图 9 ) 为一 , x 像,也就是图像的边缘图 像。
S e 算子很容易      b ol 在空间实现, Oe 边缘检测器不但产生较好的边缘检 Sb l 测效果, 同时, 由于 S e算子引入了局部平均, b ol 使其受噪声的影响也比较小。 当 使用大的邻域时, 抗噪声性会更好, 但这样做又会增加计算量, 并且得到的
边缘也 比较粗 。

5 l算子利用像素点上下、左右相邻点的      曲e 灰度加 权算法,根据在边缘点 处达到极值这一现象进行边缘检测。因 S e算子 . 此 ol b 对噪声具有平滑作用, 提 供较为精确的边缘方向信息。 但是, 这是由 于局 部平均的影响, 它同时也会检 测出 许多伪边缘, 且边缘定位的 精度不够高。 对精度要求不是很高时, 当 是一 种较为常用的边缘检测方法队川 。

. P wt 5 4 邝 i算子 . 2 P 初t e 提出了 r t 类似的计算偏微分估计值的方法

仁 二

X ( f 瓦一+ ‘ + 几+ 一 一y1f L + 七+ { +y1f +y f +y1 仇工几一+ 一y f 一y1 )( ) ( X x } ) )( ) ( X I } ) 认工几++1yDf +y1 { L一+认y1f +y1 一y1了 ++ 几+ - ) 兀 ( X } ) 冷一y1了 一+ 几一 ) )( X } )
(一9 5 )

梯 计 可 利 9,=二卜 的 积 子 : 度 算 以用( 卜 , 卷 算 为 x ) y 卜 卜它

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P w 边缘检测算子方向                             e r t i 模板

当用两个卷积算子组成边缘检测器时,      通常取较大的幅度作为输出值。 这 使得它们对边缘的走向 有些敏感。 取它们的平方和的开方可以获 得性能更一致

的 位 响 。 真 梯度 更 全方 的 应 这与 实的 值 接近刘 另 种 法是 可以 Pw 「。 一 方 , 将 ri et
算子扩展到八个方向, 即边缘样板算子。 这些算子样板由 理想的 边缘子图像构 成, 依次用边缘样板去检测图像, 与被检测区域最为相似的样板给出 最大值。

用 个 这 最大 作 算 输出 (i 这 可以 缘 素 值 为 子的 值P , 力, 样 将边 像 检测 来认, 出 〔5 5 。
定义 Pe t      i 边缘检 测算子模板 如下 : r w

一习} 令 } { 全 习一 1 习} 子 ? 介 刊 {日{ 个
卜 1 1 .1 } (
()1 1 方向
一1  t   l l 一川 1

卜 匕 | 曰 ‘

( )2 向 2 方
一1

( )3方向 3

( )4 向 4 方

1 -1 -l (8

1 -2 -l

一2 l

一2

l   

5方 向

( )6方 向 6

( )7 向 7 方

8方 向

P w奴                          此 边缘检测算子模板 i

8 个算子样板对应的 边缘方向如图 5 所示: 二1

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F sli l吐c0 oP wt de g i 一e bdei f正 ieg g tD 图 5I P印it 一 r t 边缘的 8 个方向

. Ki 5 S rc 算子 . 2 s h Kih      r 边缘检测算子也是一种边缘样板算子,其算法和 P w 边缘检测 ‘ e t r i
算 子相似 ,只是 8个边 缘样板不 同。如下所 示:

「 55 r 气 干 - 35 ’ r 一 5 卜 l 一 3飞 3 一 3 3 1
一3


} ”一{ 1 一 3 3 一 3” 5 } 1 一 3”5 } } 一 3
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