视觉测量技术在数控折弯加工中的应用研究

论文摘要

数控刀模折弯机床是利用伺服系统对各种类型刀模进行加工,形成无规则和独立或者有规则排列重复的各种图形的轨迹。这些图案广泛用于各种各样的行业中,例如产品图标、玩具车盒等。由于刀模的弹性、材质和高速加工速度等因素,造成加工过程中刀模成形在一定程度上有较大的形变,线迹与预先设定的加工轨迹往往难以吻合。刀模成形后与设计图案存在着误差,产生误差的因素很多,而加工过程刀模变形的数学模型难以建立,一般只能根据该行业专家的经验,使用经验值补偿的方法,减少刀模加工成形形状与设计图案的误差,但对于要求较高的场合,尤其是复杂图案,存在的误差还有一定的随机性。因此,研究如何精确跟踪刀模在加工成形过程中的误差修正有着至关重要的意义。工业领域越来越多采用机器视觉技术解决特定场合需要,国内外还未见针对本研究对象加工过程的相关研究成果,本文通过理论研究和实验分析,采用机器视觉技术来解决数控刀模折弯加工存在的问题。本文对刀模加工轨迹进行实时图像采集和处理、跟踪、定位,实现对其加工轨迹动态修正,使加工图案满足设计要求。在实时采集的成形工件图像的基础上,进行彩色图像灰度化、滤波、边缘检测等处理,提取成形工件图像的边缘,采用基于改进型的矩度阵或前后向加后向差的拟合亚象素定位方法,对边缘轮廓进行亚象素级的精确定位,获取精确的轨迹参数,通过对在线运动跟踪算法的分析,提出了在线运动预测跟踪方法,并应用到目标上。实验分析并验证了亚象素级边缘定位及预测跟踪算法的结合,能够精确的对刀模在加工过程中实时跟踪,获得补偿值,形成稳定、高精确的运算,实现数控折弯机床在线视觉测量和自动控制。系统将FPGA嵌入PowerPC控制器的IP核,利用QT源包和开源机器视觉包OpenCV设计跨平台软件界面,便于系统移植。本软件系统将所需的视觉测量算法引入数控折弯机床中实现对刀模加工轨迹的跟踪及精确定位计算,获得相应位置的偏差值,进而将偏差值反馈回系统来实时修正、计算、实用效果好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contetns
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外视觉检测技术的研究现状
• 1.3 研究内容及意义
• 第二章 机器视觉测量的理论基础
• 2.1 图像数字化
• 2.2 图像相关的理论基础
• 2.2.1 图像振幅分布特性
• 2.2.2 图像的自相关函数及功率谱
• 2.3 摄像头成像模型
• 2.3.1 摄像头成像理想模型
• 2.3.2 考虑镜头畸变的摄像头成像模型
• 2.4 常见图像噪声
• 2.4.1 常见噪声分类
• 2.4.2 CCD图像的噪声分类及噪声特点
• 2.4.3 常用噪声算法
• 2.5 机器视觉测量技术
• 2.5.1 视觉测量方法
• 2.5.2 视觉测量技术的应用
• 第三章 视觉测量图像采集的预处理
• 3.1 彩色图像灰度化研究
• 3.1.1 常用的灰度化算法
• 3.1.2 全局彩色分量统计特性的灰度化算法
• 3.1.3 像素邻域彩色分量统计特性灰度化算法
• 3.1.4 基于彩色空间距离灰度化算法
• 3.1.5 改进型灰度矩保持阈值法的彩色图像灰度化研究
• 3.2 常见边缘结构特征和灰度化算法评价
• 3.2.1 实验法及函数判据法
• 3.2.3 彩色图像灰度化算法结果比较
• 3.3 视觉测量中的去噪声算法
• 3.3.1 高斯噪声的生成和滤除技术
• 3.3.2 SUSAN滤波算法
• 3.3.3 高斯滤波器参数σ对检测在线运动目标边缘位置的影响
• 3.4 文章小结
• 第四章 数控折弯在线加工跟踪及定位精度研究
• 4.1 亚像素级定位技术
• 4.1.1 亚像素算法精度
• 4.1.2 常用亚像素方法
• 4.2 空间矩边缘定位算法和精度分析
• 4.2.1 空间矩边缘定位法的数学模型和计算方法
• 4.2.2 理想阶跃空间矩边缘空间矩定位误差分析
• 4.2.3 阶跃边缘实际成像模型及空间矩定位误差分析
• 4.2.4 实际图像的分析处理
• 4.2.5 误差原因分析及结论
• 4.3 改进型灰度矩亚像素边缘定位算法及其定位精度研究
• 4.3.1 灰度矩边缘定位算法的数学模型和计算方法
• 4.3.2 理想阶跃边缘的灰度矩计算
• 4.3.3 模糊边缘的生成和灰度矩亚像素边缘定位精度分析
• 4.3.4 实际图像灰度矩亚像素定位精度分析
• 4.3.5 灰度矩亚像素定位算法抗噪性能分析
• 4.4 基于前后向差分和曲线拟合的亚像素边缘定位算法
• 4.5 亚像素定位算法定位精度分析与比较
• 4.6 在线目标加工轨迹跟踪分析
• 4.6.1 基于在线匹配的目标跟踪分析
• 4.6.2 基于在线预测的目标跟踪分析
• 4.7 在线运动轨迹拟合和运动速度分析
• 4.7.1 在线目标运动轨迹拟合
• 4.7.2 在线目标运动速度分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 数控折弯机床在线测量系统设计
• 5.1 嵌入式系统整体框架
• 5.2 PowerPC处理器硬件板级驱动定制
• 5.3 硬核核心的Linux操作系统的定制和移植
• 5.3.1 交叉编译工具
• 5.3.2 构建基于PowerPC 405的Linux系统
• 5.2.3 搭建上层软件运行环境
• 5.4 TVP5150解码器驱动开发
• 5.4.1 TVP5150解码器接口及配置方法
• 5.4.2 TVP5150解码器配置控制器Linux驱动开发
• 5.5 VIDEO CAPTURE捕获视频实时图像
• 5.5.1 捕获图像BMP数据封装
• 5.5.2 VIDEO CAPTURE IP核捕获图像流程
• 5.6 软件系统整体设计
• 5.6.1 图像预处理程序设计
• 5.6.2 折弯机床刀模初步测量实现
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢
• 附录1:系统硬件平台PCB设计及实现
• 附录2:系统软件平台跟踪预测实现