基于單片機(jī)異形曲面在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究

本文介紹一種基于單片機(jī)控制的異形曲面檢測(cè)智能在線實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，利用光學(xué)元件在線攝影構(gòu)建一個(gè)表現(xiàn)復(fù)雜的三維模型，且模型在該系統(tǒng)控制系統(tǒng)中具有保值性好、數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)處理以及存儲(chǔ)、能采用非對(duì)稱平滑平均法來(lái)進(jìn)行邊緣閾值數(shù)據(jù)的有效修正以及對(duì)圖像邊緣像素灰度的在線處理。其目的是針對(duì)在線加工時(shí)檢測(cè)異型曲面的對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)確度問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)異形曲面零件邊緣加工的準(zhǔn)確度，有效地提高了在線實(shí)時(shí)檢測(cè)效率，對(duì)異形曲面的加工獲得行之有效的方法。

　　0 引言

　　隨著三維設(shè)計(jì)軟件常利用對(duì)系統(tǒng)模擬優(yōu)化分析、路況的反饋和理論的計(jì)算，能夠設(shè)計(jì)出高水平曲面異形線和截面，以及工藝的問(wèn)題。加之機(jī)床的性能越來(lái)越高，使得異形曲面的機(jī)械在線加工得到廣泛的運(yùn)用與實(shí)現(xiàn)，因此，對(duì)異形曲面的在線檢測(cè)顯得越來(lái)越重要。由于測(cè)量設(shè)備及檢測(cè)的手段不同，可以設(shè)計(jì)出各種不同的測(cè)量方案，但是哪種設(shè)計(jì)方案能最經(jīng)濟(jì)地保證測(cè)量精度要求，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的目的，是測(cè)量設(shè)計(jì)必須研究的問(wèn)題。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及基本算法

　　1.1 三維異面設(shè)計(jì)思想

　　基于對(duì)異形面加工精度高，且要解決在微機(jī)上通過(guò)攝影構(gòu)造一個(gè)表現(xiàn)復(fù)雜的三維圖模型問(wèn)題，該模型應(yīng)該滿足以下條件：保值性好，以保證表現(xiàn)出的攝影的直觀效果圖符合客觀實(shí)際情況；模型應(yīng)得到龐大的數(shù)據(jù)量能在主控芯片上處理；能處理不規(guī)則的異面曲面的邊緣像素問(wèn)題；處理好因攝像頭位置的放置產(chǎn)生的消隱問(wèn)題。

　　為滿足上述問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用電荷耦合器件與光學(xué)器件對(duì)異面進(jìn)行攝像測(cè)量，并將光電測(cè)量的通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理，其工作過(guò)程是將測(cè)量異性曲面置于均勻照明的可控背景前，將圖像采集到單片機(jī)系統(tǒng)中，按照一定的算法計(jì)算出其異性曲面的幾何參數(shù)，將其處理、顯示和存儲(chǔ)，其測(cè)量系統(tǒng)系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　1.2 檢測(cè)圖像邊緣像素的處理

　　在機(jī)床對(duì)曲面的在線加工過(guò)程中，對(duì)曲面模型的構(gòu)建時(shí)，不僅要處理規(guī)則區(qū)域，而且還能夠處理不規(guī)則邊緣問(wèn)題，由于測(cè)量異形曲面圖像邊緣附近的亮度變化較大，所以可以把那些在鄰域內(nèi)，灰度變化超過(guò)某個(gè)適當(dāng)閾值TH的像素點(diǎn)當(dāng)作邊緣點(diǎn)。以該點(diǎn)做平行截面，由于構(gòu)建截面保值性好，連接光滑，與坐標(biāo)系的選擇無(wú)關(guān)系的曲線來(lái)擬合，故采用分段參數(shù)三次曲線，整體到二階導(dǎo)矢連續(xù)曲線。同時(shí)，由于曲線邊緣的閥值無(wú)法進(jìn)行中心平滑，只能采用非對(duì)稱滑動(dòng)平均法來(lái)補(bǔ)充數(shù)據(jù)。

　　假設(shè)動(dòng)態(tài)平滑閥值數(shù)據(jù)yk來(lái)說(shuō)，對(duì)于時(shí)間序列xk（xk為動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列，k=1,2,3,…，n），取m 個(gè)相鄰數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，獲得的數(shù)據(jù)平滑后序列總平滑數(shù)m 的正整數(shù)，要求p+q+1=m.對(duì)邊緣閥值點(diǎn)，假設(shè)m=5 則取前端5 個(gè)值或后端5 個(gè)值與前系數(shù)乘積求y1y2或ynyn-1且yn與y1;yn-1與y2的權(quán)系數(shù)相同，見(jiàn)表1.

　　2 模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 主動(dòng)實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)其過(guò)程CCD實(shí)時(shí)采集視頻數(shù)據(jù)傳送到視頻圖像處理器，并將其模數(shù)處理，通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)街骺匦酒幚斫Y(jié)果，如圖2所示。

　　2.2 軟件設(shè)計(jì)與算法優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)

　　由于考慮軟件的實(shí)用性，即軟件的性能滿足生產(chǎn)的實(shí)際需要，以及軟件的運(yùn)行環(huán)境（硬、軟件）應(yīng)符合實(shí)際條件，本系統(tǒng)采用數(shù)值的穩(wěn)定算法，以提高計(jì)算結(jié)果的精確性；采用模塊化設(shè)計(jì)方法，便于程序的維護(hù)、調(diào)試、可讀性以及合理性，提高軟件的開(kāi)發(fā)效率；正確、適當(dāng)?shù)剡\(yùn)用程序設(shè)計(jì)技巧以提高程序的運(yùn)算速度、減少運(yùn)算誤差和提高運(yùn)算的可靠性；根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用高級(jí)語(yǔ)言與低級(jí)語(yǔ)言搭配，即整個(gè)系統(tǒng)的控制以及數(shù)字圖像處理是用C程序?qū)崿F(xiàn)，這無(wú)疑提高了程序的可讀性和可移植性，而匯編程序主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各部分接口的初始化。為了改進(jìn)上述的不足，在深入研究處理系統(tǒng)和算法后，針對(duì)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究適合在硬件中高效運(yùn)行的改進(jìn)算法，滿足實(shí)時(shí)處理的要求。其程序流程如圖3所示。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　可以看出，該系統(tǒng)投資少，自動(dòng)化程度高，實(shí)用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，既提高了異型曲面的檢測(cè)精度又滿足實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性能要求，同時(shí)降低了生產(chǎn)、研究成本，提高了生產(chǎn)和工作的效益。