CN102528561B - 回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，包括装置基座、刀具光学检测系统、集中控制系统和刀具磨损警报系统，刀具光学检测系统为面阵型图像传感器系统，刀具光学检测系统和刀具磨损警报系统与集中控制系统信号连接，本发明在线自动检测装置还包括振动传感器或声发射传感器，进而在切削过程中监测刀具的破损状态，刀具光学检测系统包括刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置，可确定刀具切削刃的位置、姿态和磨破损状态，回转体刀具的机床主轴装有标定靶物。该检测装置能在刀具旋转状态下，对刀具整个使用周期内，包括加工前，切削过程中和加工后对刀具磨破损状态进行自动检测。

Description

回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置

技术领域

本发明涉及机械加工检测设备，具体涉及一种可进行全加工周期且在线自动检测的回转体刀具磨破损检测装置。

背景技术

刀具的磨损状况对金属切削加工的精度和制造成本有关键影响，当磨损到达一定程度或出现破损后需要更换刀具，如果更换过早，会增加不必要的刀具消耗和生产成本，如果太晚，则可能导致工件尺寸超差和表面划伤，严重时甚至可能伤害操作人员和损害机床, 因此有必要建立在线刀具状态监测系统，自动获取切削刃的实际磨损状况。

刀具状态监测的核心技术是刀具破损和磨损的在线检测，根据所采用检测信号的性质，刀具磨破损检测方法可分为两大类：间接测量法和直接测量法。

间接法是通过测量和分析切削过程中与刀具磨损状态相关的一个或多个信号来间接推断刀具的失效状况，需要提取信号中对刀具磨损敏感的特征值，并建立数学模型来描述这些特征值与刀具磨损程度之间的关系，依据该模型，当特征值超过某一阈值即认为刀具失效。刀具的磨损和破损会反映在切削力、切削扭矩、主轴功率、电流、机床振动、切削温度、切削发出的声音、工件表面粗糙度等方面的变化，这些信号都可用于刀具状态监测。间接法最重要的优点是可以在切削过程中实时使用，响应时间快，能够应用于恶劣的加工环境。直接法是通过测量刀具切削刃在体积或形状上的改变来评价刀具失效，如直接拍摄切削刃的图像，通过计算磨损区的面积或体积来判断刀具磨损情况；或利用激光等光源照射切削刃，根据刀刃处对光的反射能力或遮挡情况的变化来监测刀具的磨损与破损程度。直接法是对单个切削刃的直接观察，因此信噪比和灵敏度高，能够获得高的测量精度，测量系统具有通用性，不依赖于加工参数、工件形状和机床类型。

由于磨损过程的复杂性，目前刀具状态监测技术存在如下缺陷：

1. 间接检测方法通用性差。由于需要通过刀具磨损实验建立被测信号的特征值与刀具磨损程度之间的关系，这一关系与切削参数、机床类型和工件形状密切相关，一旦更改加工条件或在不同的机床上加工，特征值的阈值就可能发生变化而需要重新调整；此外，间接检测方法易受噪声干扰，由于被测信号的变化不仅受刀具磨损的影响，还受工艺参数的影响，只有较大的信号如刀具破损才容易被可靠地识别出来，而对刀具磨损检测的灵敏度和精度仍有待提高；

2. 直接检测方法只能在退刀后的切削间歇进行，因此无法检测到切削过程中突然发生的刀具破损并预防可能发生的事故；此外，对于生产中广泛使用的铣刀等回转刀具的在线磨破损检测，基于图像的直接方法无法实现测量的自动化，需要利用工具显微镜，在主轴停转的情况下，人工辅助完成测量或拆下刀片离线测量，从而大大增加了待机时间，降低了生产效率和可靠性。

发明内容

为了能克服上述刀具磨破损检测的缺陷，本发明的目的在于提供一种回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，该检测装置能在刀具旋转的状态下，对刀具整个使用周期内，包括加工前，切削过程中和加工后对刀具磨破损状态进行自动检测。保证加工过程的可靠性，使得生产中广泛使用的回转体刀具得到合理利用，降低生产成本，提高加工效率，减少对刀具金属材料的消耗，节约自然资源，具有重要意义。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，包括装置基座、刀具光学检测系统、集中控制系统和刀具磨损警报系统，装置基座固定安装在回转体刀具的机床的工作台上，刀具光学检测系统通过装置支架固定安装于装置基座上，刀具光学检测系统为面阵型图像传感器系统，刀具光学检测系统的图像数据信号输出端与集中控制系统的信号接收端连接，集中控制系统的报警指令信号输出端与刀具磨损警报系统的信号接收端信号连接，本发明在线自动检测装置还包括振动传感器或声发射传感器，振动传感器或声发射传感器的信号输出端与集中控制系统的信号接收端信号连接，进而在切削过程中监测刀具的破损状态，刀具光学检测系统包括刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置，刀具整体测量装置采集整体刀具的图像数据，进而确定刀具切削刃的位置及姿态，切削刃局部测量装置加工前、后和切削间隙采集切削刃磨损区局部细节图像数据，进而检测刀具的磨破损状态，回转体刀具的机床主轴装有标定靶物，在进行测量前，要先进行刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置的在线标定。

上述刀具整体测量装置包括工业相机和漫反射背光光源，漫反射背光光源正对工业相机的镜头设置，其二者之间的间距空间形成回转体刀具的检测作业空间区域，漫反射背光光源通过背光光源支撑座固定安装于装置基座上，工业相机的镜头能接收到漫反射背光光源发出的均匀柔光；切削刃局部测量装置包括数字显微镜和漫反射背光光源，漫反射背光光源也正对数字显微镜的物镜设置，其二者之间的间距空间也形成回转体刀具的检测作业空间区域，工业相机镜头主光轴和数字显微镜物镜的主光轴保持空间平行。

上述切削刃局部测量装置还包括为数字显微镜的物镜辅助照明的前方明场照明光源，前方明场照明光源为安装于数字显微镜物镜前端的环形光源，环形光源的轴线与数字显微镜物镜的主光轴同轴。

在上述工业相机的镜头前端外侧和在环形光源的外侧皆安装了保护镜。

上述工业相机和数字显微镜采用上下布局或水平布局。

进行刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置的在线标定依据机床主轴的具体运动方式，使标定靶物分别与刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置形成相对运动，构成虚拟的空间三维标定靶物，在每个位置获取标定靶物的图像数据，通过标定靶物的空间三维点和标定靶物的图像上特征点的对应关系，获取刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置分别相对于机床主轴坐标系的空间位置和姿态。

上述标定靶物上的特征图案为圆环或角点。

上述刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置的一体设备外围护结构包括壳体、盖板以及装置基座，设备外围护结构使设备整体形成凹形结构，凹形结构的下凹空间形成回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测的工作空间，在凹形结构内凹的一侧凸台的内表面安装漫反射背光光源，在另一侧凸台的壳体内部安装刀具光学检测系统和振动传感器，并于该另一侧凸台的内侧面的壳体上设有工业相机镜头和数字显微镜物镜对应的透孔。

上述回转体刀具为铣刀或钻头。

上述工业相机和数字显微镜采用上下布局，并分别通过装置支架的下连接座、上连接块与装置基座固定连接。

作为本发明的技术方案的改进，上述壳体内部设置高压气体通道和吹气口进行防护，壳体外设置整体防护罩。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.实现了一种较为理想的回转体刀具状态监测系统，该检测装置能适用于整个加工周期，不需要主轴停转，对加工前后、切削间隙和切削过程中刀具状态的变化都能进行实时检测；

2.能灵敏地反映刀具逐渐磨损的情况，也能对刀具破损作出迅速响应，能灵活地用于不同加工工序和工件类型；不干涉切削过程，可以在车间环境下使用；

3.检测刀具磨损时，无需主轴停转和人工辅助，能够在刀具旋转的情况下，自动定位切削刃的位置并检测其磨损状态，能够方便地集成在数控加工工艺过程中；

4.该技术具有通用性，普遍适用于各种类型和尺寸的回转体刀具，如铣刀或钻头。也适用于不同类型的数控机床或加工中心。

5. 保证加工过程的可靠性，使得生产中广泛使用的回转体刀具得到合理利用，降低生产成本，提高加工效率，减少对刀具金属材料的消耗，节约自然资源，具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例一在线自动检测装置的外部轮廓结构简图。

图2是本发明实施例一在线自动检测装置的内部结构示意图。

图3是本发明实施例一在线自动检测装置的内部局部结构分解示意图。

图4是本发明实施例一在线自动检测装置的标定靶物结构示意图。

具体实施方式

结合附图，对本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

参见图1～图4，一种回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，包括装置基座8、刀具光学检测系统、集中控制系统和刀具磨损警报系统，装置基座8固定安装在回转体刀具的机床的工作台上，刀具光学检测系统通过装置支架固定安装于装置基座8上，刀具光学检测系统为面阵型图像传感器系统，刀具光学检测系统的图像数据信号输出端与集中控制系统的信号接收端连接，集中控制系的报警指令信号输出端与刀具磨损警报系统的信号接收端信号连接，其特征在于：还包括振动传感器3或声发射传感器，振动传感器3或声发射传感器的信号输出端与集中控制系统的信号接收端信号连接，进而在切削过程中监测刀具的破损状态，刀具光学检测系统包括刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置，刀具整体测量装置采集整体刀具的图像数据，进而确定刀具切削刃的位置及姿态，切削刃局部测量装置加工前、后和切削间隙采集切削刃磨损区局部细节图像数据，进而检测刀具的磨破损状态，回转体刀具的机床主轴装有标定靶物13，在进行测量前，要先进行刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置的在线标定。该检测装置能在刀具旋转的状态下，对刀具整个使用周期内，包括加工前，切削过程中和加工后对刀具磨破损状态进行自动检测。保证加工过程的可靠性，使得生产中广泛使用的回转体刀具得到合理利用，降低生产成本，提高加工效率，减少对刀具金属材料的消耗，节约自然资源，具有重要意义。

在本实施例中，参见图1～图3，刀具整体测量装置包括工业相机1和漫反射背光光源5，漫反射背光光源5正对工业相机1的镜头设置，其二者之间的间距空间形成回转体刀具的检测作业空间区域，漫反射背光光源5通过背光光源支撑座7固定安装于装置基座8上，工业相机1的镜头能接收到漫反射背光光源5发出的均匀柔光；切削刃局部测量装置包括数字显微镜2和漫反射背光光源5，漫反射背光光源5也正对数字显微镜2的物镜设置，其二者之间的间距空间也形成回转体刀具的检测作业空间区域，工业相机1镜头主光轴和数字显微镜2物镜的主光轴保持空间平行。在加工前、后和加工间隙，工业相机1使用背光漫反射光源5对刀具进行整体测量，确定刀具切削刃的位置及姿态，而数字显微镜2利用前方明场照明光源对切削刃进行局部测量，检测出刀具的磨破损状态，在切削过程中，根据振动传感器3的信号监测刀具的破损。背光漫反射光源5通过背光光源支撑座7安装在装置基座8上，刀具移动到工业相机1或数字显微镜2与背光漫反射光源5之间，进行磨损测量时刀具位于背光漫反射光源5和工业相机1的中间位置，工业相机1可以接收到背光漫反射光源5，在旋转状态下完成磨损检测，而破损检测则在刀具切削过程中实时进行。本实施例在线自动检测装置实现了在刀具旋转状态下，对刀具整个使用周期内，包括加工前，切削过程中和加工后对刀具磨破损状态进行自动检测，并普遍适用于各种类型的回转体刀具。本实施例自动检测装置实现了一种较为理想的回转体刀具状态监测系统，该检测装置能适用于整个加工周期，不需要主轴停转，对加工前后、切削间隙和切削过程中刀具状态的变化都能进行实时检测。能灵敏地反映刀具逐渐磨损的情况，也能对刀具破损作出迅速响应，能灵活地用于不同加工工序和工件类型；不干涉切削过程，可以在车间环境下使用。

本发明的技术原理如下：

回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测的原理结合了直接检测法和间接检测法的优点，同时避免了各自方法的不足。基于图像的直接测量，测量精度高，但不能在切削过程中使用，因此被用于在加工前后和切削的间歇精确测量微量的刀具磨损。采用振动信号的间接测量，能够检测切削过程中刀具状态的变化，但精度低，易受噪声影响，因此被用于在切削过程中实时检测刀具破损等大的失效情况。结合直接检测和间接检测，从而构成了一种能在整个加工周期对刀具的磨破损状况进行在线自动检测的系统。

在加工前后和加工间歇自动检测切削刃磨损的原理如下：

在刀具旋转状态下，基于先整体后局部测量的思想，采用了双相机结构，工业相机1使用大视场短焦距镜头，用于刀具的整体测量，而数字显微镜2，用于刀具磨损区的局部细节测量。在切削加工前或一道工序完成后，首先把刀具移动到工业相机1与背光漫反射光源5之间，打开漫反射背光光源5，采集旋转状态下刀具的视频，根据图像序列提取刀具轮廓曲线，计算刀具旋转形成的最大扫掠体的三维模型，以此模型为基础，识别和跟踪切削刃，并计算其转动的角度位置。然后，通过分析刀具扫掠体的母线，提取刀尖位置，从而把刀尖精确移动到数码显微镜2前，根据刀具的旋转速度或主轴角度编码器的信息，当刀具转到合适的角度时，使切削刃磨损区进入数字显微镜2的视场，以合适的快门速度拍摄前刀面或后刀面的磨损区图像，通过图像分割算法对磨损区进行自动分析，测量计算出刀具的磨损状态。

在切削过程中自动检测刀具破损的原理如下：

实时采集振动传感器3的信号，根据振动幅值判断刀具是否发生了破损或折断，如果检测到振动幅值超过事先设定的阈值，则立刻发出报警信号，以便及时中止加工过程更换刀具，可采用声发射传感器等其他间接测量方式代替振动传感器3。

在本实施例中，参见图3，切削刃局部测量装置还包括为数字显微镜2的物镜辅助照明的前方明场照明光源，前方明场照明光源为安装于数字显微镜2物镜前端的环形光源4，环形光源4的轴线与数字显微镜2物镜的主光轴同轴。前方明场照明光源同轴安装在数字显微镜2的前端，为数字显微镜2提供辅助照明，在环形光源4的辅助下，以合适的快门速度拍摄前刀面或后刀面的磨损区图像，通过图像分割算法对磨损区进行自动分析，测量计算出刀具的磨损状态。环形光源4可以保证数字显微镜2获取刀具局部图像的质量，方便数字显微镜2利用环形光源4对切削刃进行局部精细测量，显著提高装置在线检测精度。

在本实施例中，参见图1和图3，在工业相机1的镜头前端外侧和在环形光源4的外侧皆安装了保护镜6。在工业相机1和环形光源4外侧的壳体上分别同轴安装了保护镜6，可以保护工业相机1的镜头和数字显微镜2的物镜不被污染，保证设备工作的稳定性。

在本实施例中，参见图1～图3，工业相机1和数字显微镜2采用上下布局或水平布局。工业相机1和数字显微镜2的相互位置可以对调，可以根据不同的机床结构类型采用多种设备空间布局形式，提高本发明的适用性。

在本实施例中，进行刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置的在线标定依据机床主轴的具体运动方式，使标定靶物13分别与刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置形成相对运动，构成虚拟的空间三维标定靶物，在每个位置获取标定靶物13的图像数据，通过标定靶物13的空间三维点和标定靶物13的图像上特征点的对应关系，获取刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置分别相对于机床主轴坐标系的空间位置和姿态。标定靶物13用于工业相机1和显微镜2的标定。在进行测量前，要先进行工业相机1和数字显微镜2的在线标定，以获得相机的光学参数，并确定两个相机相对于机床运动坐标系的的位置和姿态。图4为标定靶物13的结构图，可装在主轴上，通过椭圆检测算法在图像上提取圆环中心，做为标定靶物13的特征点，实现对工业相机2和显微镜2的标定。

在本实施例中，参见图4，标定靶物13上的特征图案为圆环或角点。标定靶物12上的特征图案可以采用多种图案，其中圆环或角点图案方便进行数学计算和建立模型。

在本实施例中，参见图2，刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置的一体设备外围护结构包括壳体11、盖板12以及装置基座8，设备外围护结构使设备整体形成凹形结构，凹形结构的下凹空间形成回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测的工作空间，在凹形结构内凹的一侧凸台的内表面安装漫反射背光光源5，在另一侧凸台的壳体11内部安装刀具光学检测系统和振动传感器3，并于该另一侧凸台的内侧面的壳体11上设有工业相机1镜头和数字显微镜2物镜对应的透孔。工业相机1和数字显微镜2安装在设备外围护结构的一侧，振动传感器3安装在壳体11内部，工业相机1和数字显微镜2分别通过装置支架固定在壳体11的内部，壳体11可以更好地保障各设备稳定工作，提高设备的使用寿命。

在本实施例中，回转体刀具为铣刀或钻头。本实施例技术方案具有通用性，普遍适用于各种类型和尺寸的回转体刀具，如铣刀或钻头，也适用于不同类型的数控机床或加工中心。

在本实施例中，参见图1～图3，工业相机1和数字显微镜2采用上下布局，并分别通过装置支架的下连接座9、上连接块10与装置基座8固定连接。工业相机1和数字显微镜2分别通过上连接块10和下连接座9固定，保障设备工作的稳定性。

实施例二：

本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：

实施例一中的壳体11内部设置高压气体通道和吹气口进行防护，壳体11外设置整体防护罩，通过吹气保护和外设整体防护罩可以更加有效保护检测设备组件，提高装置的工作寿命和检测精度。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，包括装置基座（ 8 ）、刀具光学检测系统、集中控制系统和刀具磨损警报系统，所述装置基座（ 8 ）固定安装在回转体刀具的机床的工作台上，所述刀具光学检测系统通过装置支架固定安装于所述装置基座（ 8 ）上，所述刀具光学检测系统为面阵型图像传感器系统，所述刀具光学检测系统的图像数据信号输出端与所述集中控制系统的信号接收端连接，所述集中控制系统的报警指令信号输出端与所述刀具磨损警报系统的信号接收端信号连接，其特征在于：还包括振动传感器（ 3 ）或声发射传感器，所述振动传感器（ 3 ）或声发射传感器的信号输出端与所述集中控制系统的信号接收端信号连接，进而在切削过程中监测刀具的破损状态，所述刀具光学检测系统包括刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置，所述刀具整体测量装置采集整体刀具的图像数据，进而确定刀具切削刃的位置及姿态，所述切削刃局部测量装置在加工前、后和切削间隙采集切削刃磨损区局部细节图像数据，进而检测刀具的磨破损状态，回转体刀具的机床主轴装有标定靶物（ 13 ），在进行测量前，要先进行刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置的在线标定；

所述刀具整体测量装置包括工业相机（ 1 ）和漫反射背光光源（ 5 ），所述漫反射背光光源（ 5 ）正对所述工业相机（ 1 ）的镜头设置，其二者之间的间距空间形成回转体刀具的检测作业空间区域，所述漫反射背光光源（ 5 ）通过背光光源支撑座（ 7 ）固定安装于所述装置基座（ 8 ）上，所述工业相机（ 1 ）的镜头能接收到所述漫反射背光光源（ 5 ）发出的均匀柔光；所述切削刃局部测量装置包括数字显微镜（ 2 ）和所述漫反射背光光源（ 5 ）所述漫反射背光光源（ 5 ）也正对所述数字显微镜（ 2 ）的物镜设置，其二者之间的间距空间也形成回转体刀具的检测作业空间区域，所述工业相机（ 1 ）镜头主光轴和所述数字显微镜（ 2 ）物镜的主光轴保持空间平行；

所述切削刃局部测量装置还包括为所述数字显微镜（ 2 ）的物镜辅助照明的前方明场照明光源，所述前方明场照明光源为安装于所述数字显微镜（ 2 ）物镜前端的环形光源（ 4 ），所述环形光源（ 4 ）的轴线与所述数字显微镜（ 2 ）物镜的主光轴同轴；进行刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置的在线标定依据机床主轴的具体运动方式是：使所述标定靶物（ 13 ）分别与所述刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置形成相对运动，构成虚拟的空间三维标定靶物，在每个位置获取所述标定靶物（ 13 ）的图像数据，通过所述标定靶物（ 13 ）的空间三维点和所述标定靶物（ 13 ）的图像上特征点的对应关系，获取所述刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置分别相对于机床主轴坐标系的空间位置和姿态。 

2.根据权利要求1 所述的回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，其特征在于：在所述工业相机（ 1 ）的镜头前端外侧和在所述环形光源（ 4 ）的外侧皆安装了保护镜（ 6 ）。 

3.根据权利要求 1 ～ 2 中任意一项所述的回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，其特征在于：所述工业相机（ 1 ）和所述数字显微镜（ 2 ）采用上下布局或水平布局。

4.根据权利要求 3 所述的回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，其特征在于：所述标定靶物（ 13 ）上的特征图案为圆环或角点。 

5.根据权利要求 3 所述的回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，其特征在于：所述刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置的一体设备外围护结构包括壳体（ 11 ）、盖板（ 12 ）以及所述装置基座（ 8 ），所述设备外围护结构使设备整体形成凹形结构，凹形结构的下凹空间形成回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测的工作空间，在凹形结构内凹的一侧凸台的内表面安装所述漫反射背光光源（ 5 ），在另一侧凸台的所述壳体（ 11 ）内部安装所述刀具光学检测系统和所述振动传感器（ 3 ），并于该另一侧凸台的内侧面的所述壳体（ 11 ）上设有所述工业相机（ 1 ）镜头和所述数字显微镜（ 2 ）物镜对应的透孔。 

6.根据权利要求 5 所述的回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，其特征在于：所述壳体（ 11 ）内部设置高压气体通道和吹气口进行防护，所述壳体（ 11 ）外设置整体防护罩。 

7.根据权利要求 3 所述的回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，其特征在于：所述回转体刀具为铣刀或钻头。

8.根据权利要求 3 所述的回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置，其特征在于：所述工业相机（ 1 ）和所述数字显微镜（ 2 ）采用上下布局，并分别通过所述装置支架的下连接座（ 9 ）、上连接块（ 10 ）与所述装置基座（ 8 ）固定连接。