[发明专利]一种基于机器视觉的车削颤振加速度采集系统及方法

权利要求书

1.一种基于机器视觉的车削颤振加速度采集系统，其特征在于，包括：

图像采集子系统，在刀具上设置圆形标识物，作为所采集图像的特征区域，其中标识物设置于刀具的平面上，且其直径不超过刀具在工件轴向宽度的在相机镜头和标识物连线上设置放大镜，其中放大镜与相机镜头距离为0，用于获取放大且清晰的图像；工业相机镜头及放大镜的夹持装置与刀架通过铰接装置柔性连接，在工件轴向处于联动状态，在工件径向可自由运动，以保证在刀具轴向移动时相机镜头、放大镜及标识物的相对位置保持不变，始终能获得清晰放大的图像；在图像采集子系统中还设置有万向轮，工作时保证图像采集子系统在竖直方向无位移，提高采集精度，停工时便于搬运拆卸下来的系统；

图像处理子系统，包括图像去噪模块，灰度处理模块，图像分割模块和二值化处理模块；

信号分析和处理子系统，包括特征匹配算法模块、特征点像素位移计算模块、特征点实际位移计算模块和刀具振动加速度计算模块；其中特征点为所述特征区域的几何中心。

2.一种基于机器视觉的车削颤振加速度采集方法，适用于工件旋转，刀具做轴向运动的车削加工，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：安装机器视觉系统，刀具上粘贴标识物，保证标识物位于工业相机的视野中心，并在标识物和相机镜头连线上设置放大镜，其中放大镜与相机镜头距离为0；使放大镜成像于最明视距离，即镜头和像的距离为25cm，此时放大镜的放大率近似为放大倍数；根据放大镜成像原理，刀具与放大镜之间距离应介于一倍焦距和两倍焦距之间；在所需放大倍数m根据所述工业相机实际精度确定后，镜头焦距f和不用放大镜时相机镜头到所述标识物的距离l₁由下列方程组计算得出

其中h为图像高度，H为待测点实际高度；

步骤2：设置所述工业相机的采集参数，获取标识物的连续振动图像；所述工业相机采集参数主要为相机镜头焦距和帧频，镜头焦距在步骤1中已说明，相机帧频由车床的实际切削速度和切削深度经过离线实验得到，且符合采样定理；

步骤3：对各帧图像进行预处理，其中分别用自适应中值滤波法和加权平均法对各帧图像进行图像去噪和灰度化处理；

步骤4：以阈值分割法将步骤3获得的第一帧灰度图像的特征点从背景中分割出来，并以基于最小误差的全局阈值法进行二值化处理，由SUSAN角点检测算法寻找特征区域并以此建立样本子区；

步骤5：对之后的各帧图像都进行相同的预处理，以十字搜索法寻找目标子区并由相关函数确定，其中目标子区与步骤4中所述样本子区相对应，由灰度梯度算法得到特征点在工件径向的像素位移，根据放大镜的放大倍数、相机的内外参数和单应矩阵，结合张正友标定法得到切削刀具的实际位移并由刀具在工件轴向的进给量计算得到刀具的振动位移；

步骤6：采用FFT方法将特征点的颤振位移转化为颤振加速度。

3.如权利要求2所述的车削颤振加速度采集方法，其特征在于，步骤1中工业相机镜头及放大镜的夹持装置与刀架是联动的，以保证在刀具轴向移动时相机镜头、放大镜及刀具的相对位置保持不变，始终能获得清晰放大的图像；图像高度h在选定相机镜头后为确定值，待测点实际高度H根据所选标识物高度确定。

4.如权利要求2所述的车削颤振加速度采集方法，其特征在于，步骤2中所述离线实验具体实施为：让机床在发生颤振后的不同切削速度和切削深度下工作，接着所述工业相机以不同拍照频率得到图像，确定在不同切削速度和切削深度组合下能得到较高质量图像的所述工业相机的拍照频率，以适应机床的不同切削工况。

5.如权利要求2所述的车削颤振加速度采集方法，其特征在于，步骤4中所述样本子区取以特征点为中心、半径为M像素大小的圆形，子区大小应与标识物在图像中的大小基本一致，因而M值根据所采用标识物大小来确定；步骤5中所述目标子区的寻找采用十字搜索法，由相关函数确定，相关函数采用标准化协方差相关函数

其中：f(x_i，y_i)变形前图像的灰度函数；为f(x_i，y_i)的平均值；为变形后图像的灰度函数；为的平均值；

当计算得到的相关系数C取极值时，则认为选取的目标子区与样本子区匹配。