基于AutoCAD的加工中心在线工件检测系统设计

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机电技术应用
Application of Mechanics-electronics Technology
基于AutoCAD 的加工中心在线工件检测系统设计*
吴国明，李进东
（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000）
摘　要：为了解决当前加工中心在线工件检测系统检测工件所用时间长、检测结果误差大、检测效率和准确率低的问题，文章提出基于自动计算机辅助设计（Autodesk Computer Aided Design,AutoCAD）的加工中心在线工件检测系统设计方法。

在AutoCAD 的基础上通过光发射模块、信号接收模块、路由器和处理计算机构成加工中心在线工件检测系统的硬件部分，通过检测路径规划和图像处理实现工件的在线检测，完成加工中心在线工件检测系统的设计。

实验结果表明，该方法检测时间短，准确率高，具有高效性和可行性。

关键词：AutoCAD；二值化；工件检测；四点测孔法中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：1672-3872（2020）22-0173-03
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基金项目： 四川省高等教育成果转化重大培育项目“基于机床
装夹工件的中心校正系统的研究”（18CZ0041）
作者简介： 吴国明（1965—），男，四川遂宁人，硕士，副教授，
研究方向：机械制造工程。

在生产制造过程中，检测是重要环节之一，在提高制造业的竞争力过程中，检测技术的自动化和智能化水平尤其重要[1]。

生产规模随着经济的发展不断扩大，机械检测方式在检测生产工件时的利用率较低，其中人工接触式的检测方法是常用的检测方式，与机器测量相比，人眼识别的生产效率和测量精度较低，而不同类型的工件的质量没有统一标准，外部形状各不相同，导致人工接触式检测不[2-3]。

通常采用抽检的方式对大批。

因此，当前加工中心在线工件检测系统存在检测效需要对其设计方法进行研究。

VC++和Halcon 进行图像处理，获得在线工件的检测结果，该方法进行摄像机标定所用的时间较长，导致检测效率低。

李文洁等[6]通过激光系统的同步触发信号对加工中心的工件进行检测，该方法得到的检测结果与实际不符，存在检测准确率低的问题。

杨超等[7]通过GPRS 无线方式实现各个单元之间的数据传输，完成加工中心在线工件的检测，该方法设计的系统中数据传输所用的时间较长，存在检测效率低的问题。

为了解决上述方法中存在的问题，文章提出基于AutoCAD 的加工中心在线工件检测系统设计方法。

首先，设计检测系统的硬件条件，在四个硬件功能模块的基础上，针对每个特征设置对应的测量路径，构成模板库。

其次，在模板库的基础上对工件进行在线检测，通过灰度处理、图像滤波及图像二值化对检测图像进行处理，提高检测精度，完成工件的在线检测。

最后，通过实验证明文章所提方法的有效性及可行性。

1 系统硬件设计
非理想状况在加工过程中主要包括机床增加的辅助费用和辅助时间，初始零件位置不正确，不同个体在一批零件中的余量分布正负超差，工件坐标系难设定等。

为了解决上述问题，文章提出基于AutoCAD 的加工中心在线工件检测系统设计方法，检测系统的结构功能图如图1所示。

文章基于上述功能图，设计由光发射、路由器、信号接收和处理计算机四个模块构成的硬件设计。

1.1 光发射模块
在硬件系统中，光发射模块为激光器提供放置平台是光发射模块的主要作用，实现初始激光器高度的定位。

将三个光发射模块分别放置在机械平台中，光发射模块在调节定位中包括竖直方向和水平方向两个方向，位置定位通过硬件支架中存在的刻度标尺实现，根据工件加工时对应的初始位置确定标定位置。

不同位置高度处存在的曲面关键点可以通过竖直和水平两个方向的可调节性进行测量[8]。

1.2 信号接收模块
光发射模块与信号接收模块之间是互相对应的，在加工中心在线工件检测系统中，信号接收模块也是机械调节支架的一部分。

信号接收模块可以通过竖直方向和水平方向两个方向实现可调节性。

信号接收模块为相机的安装提供平台，保证相机采集工件图像的稳定性。

1.3 路由器模块
因为CCD 相机通常情况下采用的USB 接口传输方式与一般传输方式不同，所以将路由器应用在加工中心在线工件检测系统中，采用稳定性高、传输速率高的以太网口传输方式，可以将三路CCD 相机获取的工件图像通过路由器传输到处理计算机中，分配CCD 相机在系统中的IP 地址。

1.4 处理计算机模块
对在线工件检测系统获取的图像进行处理是处理计算机的主要作用，在处理计算机中对获取的工件图像进行处
图1 检测系统结构功能图
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Application of Mechanics-electronics Technology
2020年11月下
理，实现加工中心在线工件的检测[9]。

基于光发射、信号接收、路由器和处理计算机四个系统硬件功能模块，通过路径规划及图像处理完成在线工件检测。

2 加工中心在线工件检测
2.1 路径规划
对单个被测特征进行检测时，局部路径描述的是测头移动的前后次序、方向和位置。

加工中心在线检测的基本
形状通常包括阶梯、点、圆柱、面、圆孔等，针对每个特征设置对应的测量路径，构成模板库，在模板库的基础上实现在线工件的检测。

基本形体的路径规划方法为四点测孔法，但是该方法计算过程较为简单，为了提高四点测孔法测量的精度，基于AutoCAD 的加工中心在线工件检测系统设计方法可通过多点测量法实现检测，并对最小二乘拟合圆进行计算。

设XY 描述的是测量工作面；P i (x i ,y i )描述的是圆上存在的
N 个测量点，为获得理想圆方程，在最小二乘定义的基础上对其进行整理，获得下式：
（1）
设坐标原点附近存在圆心，此时x i +y i 2
为高价无穷小量，令C =x i +y i 2-
R 2，在最小二乘原理的基础上获得目标函数的表达式：
（2）
利用极值条件对半径R 进行计算：
（3）
平面检测分为斜面的检测以及与XOZ 、YOZ 平面平行面的检测。

通常采用三点或两点的测量方法检测斜面，求出坐标轴与平面之间存在的夹角α即为两点测量的目的。

当测点的数目为3时，设P i (x i ,y i ,z i
)描述的是平面中存在的三个测量点，三个点不在一条直线上，获得平面方程的表达式：
（
4）
设l 描述的是平面中存在的单位法矢量，其表达式：
（5）
式中：A 、B 、C 为平面内参数。

2.2 图像处理
2.2.1 灰度处理
为了突出工件图像中存在的特征，
提高图像视觉效果，方便工件图像的处理，对获取的工件图像进行灰度处理，通过加权平均法将像素值变换为新的灰度值，通过下式实现工件图像的灰度变换：
（6）式中：R 、G 、B 分别为红色、绿色和蓝色分量。

2.2.2 图像滤波
基于AutoCAD 的加工中心通过中值滤波法对图像进行滤波处理，中值滤波通过局部平滑技术对图像进行钝化处
理，在去除噪声的同时，可以保护工件图像的边缘信息和细节信息[10]，中值滤波公式如下：
（7）
2.2.3 图像二值化
根据选定的阈值通过图像中存在的像素点对应的灰度值将图像分割为黑色和白色，二值化表达式如下：
（8）
基于AutoCAD 的加工中心在线工件检测系统设计方法
通过迭代方法实现最佳阈值分割，具体过程如下：
1）通过对比获得最小灰度值F min 和最大灰度值F max ，设置迭代次数J 和阈值T J ，获得初始值T 0的计算公式：
（9）
2）工件图像通过阈值T J 分割为背景区域和目标区域
两个区域Q
，对区域对应的平均灰度值F P 进行计算：
（10）
式中：N 为像素在区域中存在的总数。

3）通过上述过程获得新阈值T J +1。

4）迭代上述过程，当阈值T J +1与阈值T J 定范围内时停止迭代，获得最佳阈值T =T J +1二值化。

3 实验
3.1 实验环境
该实验在OpenCV 平台中进行，操作系统为Windows 2000。

选用某零件制造工厂同种零件600个，作为该实验的检测对象。

引入检测时间、检测准确率作为评价指标。

3.2 检测时间结果
在上述环境中，对零件进行在线检测，文章设计的基于AutoCAD 的加工中心在线工件检测系统、徐信等[5]设计的拉深件缺陷在线检测系统及李文洁等[6]设计的高灵敏紫外激光脉冲能量在线检测系统检测时间结果如图2所示。

图2 检测时间结果
分析图2可知，文章设计的基于AutoCAD 的加工中心在线工件检测系统在进行大量工件检测时，检测时间明显低于徐信等[5]
设计的拉深件缺陷在线检测系统及李文洁等[6]设计的高灵敏紫外激光脉冲能量在线检测系统的检测时间，其在不同迭代次数的检测时间差别不大，显示了检测的稳
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每个特征设置对应的测量路径，构成模板库，在模板库的基础上实现在线工件的检测，在检测时选用四点测孔法，极大地简化了检测计算过程，缩短了检测时间，提高了检测效率，验证了文章方法在检测时间上的优势。

3.3 检测准确率结果
分别对文章设计的基于AutoCAD 的加工中心在线工件检测系统、徐信等[5]设计的拉深件缺陷在线检测系统及李文洁等[6]设计的高灵敏紫外激光脉冲能量在线检测系统的检测准确率对零件进行检测，检测准确如图3所示。

成，人工测试存在一定的人为因素，且工作量巨大，设计加工中心在线工件检测系统可以解决生产过程中存在的问题。

当前加工中心在线工件检测系统设计方法存在检测效率和准确率低的问题，文章提出基于AutoCAD 的加工中心在线工件检测系统设计方法，在光发射模块、信号接收模块、路由器和处理计算机的系统硬件基础上，使用四点测孔法进行检测，十分简便，延长了检测的时间，并对最小二乘拟合圆进行了计算，提高了工件的检测精度。

最后通过灰度处理、中值滤波法及二值化处理得到清晰的工件检测图像，完成工件在线检测，该检测系统检测用时短，检测准确度高，具有高效性，提高了生产的效率，为生产自动化提供了新的思路和方法。

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（收稿日期：2020-11-2）
图3 检测准确率结果
AutoCAD 的加工中心在线工件检测系统的检测准确率明显高于徐信等[5]设计的拉深件缺陷在线检测系统及李文洁等[6]设计的高灵敏紫外激光脉冲能量在线检测系统的准确率，显示出良好的检测性能。

文章设计的基于AutoCAD 的加工中心在线工件检测系统在使用四点测孔法检测后，通过多点测量法进行检测，并对最小二乘拟合圆进行了计算，提高了工件的检测精度。

验证了文章设计的基于AutoCAD 的加工中心在线工件检测系统的有效性和可行性。

4 结束语
在机械加工过程中，工件的检测与定位主要靠人工完（上接第172页）
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（收稿日期：2020-10-19）。