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系統識別號 U0002-1207200510553700
中文論文名稱 次微米非接觸式鑽石刀具輪廓線上監測系統之研究
英文論文名稱 Design and Development of Sub-micron Non-contact Diamond Tool Profile Monitoring System
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 陳星光
研究生英文姓名 Shing-Kuang Chen
學號 692340317
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-06-26
論文頁數 76頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
共同指導教授-趙崇偉
委員-趙崇禮
委員-趙崇偉
委員-劉益銘
委員-陳大同
委員-鈕健
中文關鍵字 刀具輪廓監測  機器視覺  次像素 
英文關鍵字 Tool profile monitoring  Machine vision  Sub-pixel 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 刀具輪廓形狀誤差係影響精密鑽石切削作業精度之主要因素。傳統刀具輪廓量測方式是以LVDT直接接觸刀具輪廓,量測出其形狀,該方式之量測精度取決於探針之解析度,一般介於1∼10μm之間,然而在量測過程中極易因不當接觸造成鑽石刀具受損。
本研究在研發一套光學量測系統,利用影像處理技術,量測刀具輪廓,取代傳統刀具輪廓量測方式,改善解析度不足、無法線上量測之缺點。以現有之系統解析度(mm/pixel)仍無法滿足目前加工精度需求。本刀具輪廓量測系統,配合動差痚坁k則,計算刀具輪廓至次像素(subpixel),依據刀具磨耗程度,即時補償輪廓誤差,能有效提升刀具輪廓量測精度。實驗證明本系統可將刀具輪廓量測誤差控制在 0.2μm以內。
英文摘要 Error of the tool profile is an important factor which affects the precision in ultra-precision diamond turning operation. Traditionally, the measure method of the tool profile is used LVDT directly to contact and detect the tool profile. But the precision of this method was depend on the resolution of probe which limited around 1~10μm. Additionally, it is running the risk of damaging the delicate tool tip. In this study, we proposed a new optical measurement method which can improve the disadvantages of traditional measurement method. It used the image processing technology combined moment-preserving principle, which can calculate the tool profile precision to sub-pixel. In addition, the wear of tool can be compensated on-line by this method and ensure the measurement precision of tool profile. From those experimental results showed the error of the tool profile can be controlled in the range of about 0.2μm.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 X
第1章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 研究目的 1
第2章 文獻回顧 3
2-1 刀具形狀誤差之成因及影響 3
2-2 刀具磨耗偵測 7
2-3 CCD攝影機校正 8
2-4 機器視覺與影像處理 9
2-5 次像素 11
2-6 影像處理應用於刀具磨耗檢測 12
第3章 影像處理技術 15
3-1 成像原理 15
3-2 數位影像成像原理 17
3-3 取樣及量化 18
3-4 CCD攝影機校正 20
3-5 影像處理 21
3-5-1 影像濾波 23
3-5-2 二值化 25
3-5-3 影像分割 26
3-5-4 邊緣偵測 27
3-5-5 細化與補點 37
3-5-6 次像素 41
3-5-7 動差恆定法(moment preserving) 43
3-6 曲線擬合法(Curve Fitting) 44
3-7 刀具輪廓誤差監測 47
3-7-1 影像像素與刀具輪廓位置判斷 47
3-7-2 刀具輪廓誤差偵測 48
第4章 刀具輪廓偵測系統架構 51
4-1 系統介紹 51
4-2 實驗設備 51
4-2-1 影像擷取系統 52
4-2-2 影像擷取部分 53
4-3 擷取閥值 54
4-4 刀具輪廓影像擷取及運算 54
第5章 結果與討論 56
5-1 像素大小及長寬校正 56
5-2 閥值之計算 57
5-3 刀具輪廓偵測 58
5-4 灰階取樣數與量測誤差之關係 62
5-5 影像模糊化對刀具輪廓偵測之影響 64
5-6 不同雜訊對刀具輪廓偵測之影響 65
5-7 與LES(least squares error)動態量測方式之比較 67
5-8 取樣方式之改進 68
第6章 結論 70

圖目錄
圖2- 1為鑽石刀具於切削加工時主要之磨耗形式 4
圖2- 2刀具切削曲面上移動之相關參數圖 5
圖2- 3為刀具磨耗於切削曲面時所產生之形狀誤 6
圖3- 1數位影像處理流程圖 15
圖3- 2成像示意圖 16
圖3- 3 PINHOLE CAMERA MODEL 示意圖 16
圖3- 4影像經過取樣及量化示意圖 19
圖3- 5數位化影像相對於螢幕座標示意圖 19
圖3- 6像素數量對影像品質之影響 20
圖3- 7取樣比例不一造成影像變形 21
圖3- 8(A)部分影像(B)遮罩 22
圖3- 9局部影像與高通濾波運算子計算結果 24
圖3- 10低通濾波運算子 24
圖3- 11中值濾波運算子 25
圖3- 12 (A)影像灰階分佈圖(B)影像二值化分佈圖 26
圖3- 13理想邊緣步階圖 27
圖3- 14實際邊緣步階圖 28
圖3- 15應用導數運算子之邊緣偵測 28
圖3- 16 ROBERTS運算子 30
圖3- 17 LAPLACIAN運算子 31
圖3- 18 PREWITT運算子 31
圖3- 19SOBEL 運算子 32
圖3- 20 SOBEL遮罩 32
圖3- 21 NON-MAXIMUM SUPPRESSION示意圖 35
圖3- 22 HYSTERESIS THRESHOLDING示意圖 36
圖3- 23各種運算子邊緣偵測之結果(A)ROBERTS(B)PREWITT 37
圖3- 24次像素概念 42
圖3- 25邊緣之灰階變化 44
圖3- 26校正用樣版 48
圖3- 27數位化後刀具輪廓示意圖 48
圖3- 28以曲線擬合法(CURVE FITTING)將各像素線段中點之座標為控制點產生之虛擬刀緣之示意圖 49
圖3- 29虛擬刀緣(C2曲線)與理想刀具輪廓(C1曲線)進行比對之示
圖 49
圖3- 30未磨耗前之刀具輪儲存於記憶體中並不時與切削使用後之刀具輪廓進行比對 50
圖4- 1刀具輪廓誤差量測實驗流程圖 51
圖4- 2實驗設備圖 52
圖4- 3 CCD攝影機 52
圖4- 4光源系統 53
圖4- 5伸縮鏡頭 53
圖4- 7刀具經CCD擷取之影像 54
圖4- 8實驗刀具之SEM圖 55
圖5- 1像素大小示意圖 56
圖5- 2樣板經二值化處理後之圖像 57
圖5- 3閥值與圓面積關係示意圖 58
圖5- 4理想刀具與實際刀具輪廓之誤差 59
圖5- 5刀具二值化影像與SEM圖 60
圖5- 6刀具二值化影像與SEM放大圖 60
圖5- 7二值化影像、SEM影像與理想刀具輪廓之誤差 61
圖5- 8刀具輪廓量測圖 61
圖5- 9刀具輪廓量測誤差圖 62
圖5- 10邊緣位置示意圖 63
圖5- 11(A)原始刀具刀尖影像(B)模糊化後刀具刀尖影像 64
圖5- 12模糊化刀具輪廓誤差 64
圖5- 13模糊化影像與對焦影像之比較 65
圖5- 14(A)清晰影像(B)加入SALT PEPPER雜訊 65
圖5- 15三種不同雜訊之偵測結果 66
圖5- 16SALT PEPPER影像經過濾波後之比較圖 67
圖5- 17動差法與線性回歸次向分割理論比較圖 68
圖5- 18取樣示意圖 69
圖5- 19初始方式與修正後之量測誤差 69

表目錄
表5- 1樣本移動距離與像素座標之關係 57
表5- 2閥值與面積之關係 58

參考文獻 參考文獻
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論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2006-07-27公開。
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