CN102528562A - 微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置 - Google Patents

微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置 Download PDF

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本发明公开了一种微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,包括壳体、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,刀具光学检测系统与集中控制系统信号连接,集中控制系统与刀具磨损警报系统信号连接,刀具光学检测系统包括刀具径向测量装置和刀具端部测量装置,刀具径向测量装置沿刀具径向采集切削刃磨损区局部细节图像数据,实现自动对刀和破损检测,刀具端部测量装置辅助检测刀具的破损状况,刀具的机床主轴装有标定靶物。该检测装置能够在刀具旋转的状态下,自动测量刀具的半径和长度偏置,并对微型铣刀的破损状况进行检测。

Description

微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置
技术领域
本发明涉及一种机械加工检测装置,尤其是涉及一种铣刀自动对刀与破损检测装置。
背景技术
微细铣削是超精密加工的重要方法,能够灵活地加工具有三维微尺寸的结构,微型铣刀是微细铣削加工系统的关键部分。
在进行微细铣削加工前,需要确定刀具的长度和半径偏置以便于对刀,目前在微纳米铣削加工中心上,通常运用基于遮挡原理的激光对刀系统,由于微型铣刀的尺寸大大减小,光线的衍射使得测量精度大大降低,因此测量结果的重复性差,可靠性低。
此外,由于微型刀具的刚性差,易产生破损,在加工中需要检测刀具的破损状态,目前主要采用扫描电镜或工具显微镜等进行离线观测,缺乏在线观察微型铣刀并进行自动破损检测的方法和装置,因此无法防止在机床上由于刀具破损而对加工表面造成的破坏以及几何精度的降低。
发明内容
为了解决现有技术问题,本发明的目的在于提供一种微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,该检测装置能够在刀具旋转的状态下,自动测量刀具的半径和长度偏置,并对微型铣刀的破损状况进行检测。
为达到上述发明目的,本发明采用下述技术方案:
一种微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,包括壳体、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刀具的机床的工作台上,刀具光学检测系统安装于壳体和装置基座形成的设备腔体内,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,壳体形成凹形轮廓结构,凹形轮廓结构的下凹空间形成微型铣刀在线自动对刀与破损检测的工作空间,刀具光学检测系统包括刀具径向测量装置和刀具端部测量装置,刀具径向测量装置沿刀具径向采集切削刃磨损区局部细节图像数据,实现自动对刀和破损检测,刀具端部测量装置沿刀具轴向采集切削刃磨损区局部细节图像数据,辅助检测刀具的破损状况,刀具的机床主轴装有标定靶物,在进行测量前,要先进行刀具径向测量装置和刀具端部测量装置的在线标定。
上述刀具径向测量装置和刀具端部测量装置皆为数字显微镜,刀具径向测量装置为第一数字显微镜,刀具端部测量装置为第二数字显微镜,第一数字显微镜的物镜沿刀具径向设置,第二数字显微镜的物镜沿沿刀具轴向面向刀具端部设置,两台数字显微镜的物镜主光轴处于空间同一平面上并互相垂直,第一数字显微镜在壳体形成凹形轮廓结构的凹槽的一侧的设备空间内,在凹槽相对的另一侧面上设有漫反射背光光源,漫反射背光光源通过装置支架固定安装于装置基座上,第一数字显微镜的物镜透过壳体上开设的窗口与漫反射背光光源相对应,第一数字显微镜的物镜能接收到漫反射背光光源发出的均匀柔光,第二数字显微镜设置于壳体形成凹形轮廓结构的凹槽底部,壳体在第二数字显微镜的物镜正面开设窗口,第一数字显微镜、第二数字显微镜和漫反射背光光源之间的间距空间形成刀具的检测作业空间区域,也即为壳体形成凹形轮廓结构所构造的空间区域。
上述两台数字显微镜皆具有为其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两台数字显微镜的物镜前端的环形光源,环形光源的轴线分别与两台数字显微镜的物镜的主光轴同轴。
上述在两台数字显微镜的环形光源的外侧皆安装了保护镜。
在进行刀具径向测量装置和刀具端部测量装置的在线标定时,依据机床主轴的具体运动方式,使标定靶物分别与刀具径向测量装置和刀具端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,获取刀具径向测量装置和刀具端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。
作为本发明的技术方案的改进,在每个上述保护镜的外侧皆设置有喷吹高压气体的吹气口,在壳体外部设置有高压气体进气管,高压气体进气管通过设置于壳体内部的高压气体通道与吹气口连通。
作为本发明的技术方案的进一步改进,上述壳体外设置整体防护罩。
作为本发明的技术方案的又一种改进,上述漫反射背光光源为频闪光源。
作为本发明的技术方案的还有一种改进,上述环形光源也为频闪光源。
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. 实现了能够在线检测微型刀具的手段和装置;
2. 实现了在刀具旋转状态下,可靠地测量微型铣刀的长度和半径偏置;
3. 实现了在线对微型铣刀的破损状况进行快速检测,及时防止刀具破损对加工造成的损失。
附图说明
图1是本发明实施例一微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置结构示意图。
图2是本发明实施例一微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置的标定靶物结构图。
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和图2,一种微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,包括壳体1、装置基座11、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11固定安装在刀具12的机床的工作台上,刀具光学检测系统安装于壳体1和装置基座11形成的设备腔体内,刀具光学检测系统通过装置支架固定安装于装置基座11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,其特征在于:壳体1形成凹形轮廓结构,凹形轮廓结构的下凹空间形成微型铣刀在线自动对刀与破损检测的工作空间,刀具光学检测系统包括刀具径向测量装置和刀具端部测量装置,刀具径向测量装置沿刀具径向采集切削刃磨损区局部细节图像数据,实现自动对刀和破损检测,刀具端部测量装置沿刀具12轴向采集切削刃磨损区局部细节图像数据,辅助检测刀具12的破损状况,刀具12的机床主轴13装有标定靶物10,在进行测量前,要先进行刀具径向测量装置和刀具端部测量装置的在线标定。该检测装置能够在刀具旋转的状态下,自动测量刀具的半径和长度偏置,能够在线对微型铣刀的破损状况进行快速检测,及时防止刀具破损对加工造成的损失。
在本实施例中,参见图1,上述刀具径向测量装置和刀具端部测量装置皆为数字显微镜,刀具径向测量装置为第一数字显微镜2,刀具端部测量装置为第二数字显微镜6,第一数字显微镜2的物镜沿刀具12径向设置,第二数字显微镜6的物镜沿沿刀具12轴向面向刀具12端部设置,两台数字显微镜的物镜主光轴处于空间同一平面上并互相垂直,第一数字显微镜2在壳体1形成凹形轮廓结构的凹槽的一侧的设备空间内,在凹槽相对的另一侧面上设有漫反射背光光源7,漫反射背光光源7通过装置支架固定安装于装置基座11上,第一数字显微镜2的物镜透过壳体1上开设的窗口与漫反射背光光源7相对应,第一数字显微镜2的物镜能接收到漫反射背光光源7发出的均匀柔光,第二数字显微镜6设置于壳体1形成凹形轮廓结构的凹槽底部,壳体1在第二数字显微镜6的物镜正面开设窗口,第一数字显微镜2、第二数字显微镜6和漫反射背光光源7之间的间距空间形成刀具12的检测作业空间区域,也即为壳体1形成凹形轮廓结构所构造的空间区域。
在本实施例中,壳体1呈凹状,两数字显微镜在同一空间平面内呈90度夹角垂直安装,漫反射背光光源7安装在数字显微镜目镜相对应的一侧,两数字显微镜和漫反射背光光源7通过装置基座11固定连接,刀具12移动到两个数字显微镜前,在旋转状态下完成对刀和破损检测。对刀时,刀具12位于漫反射背光光源7和水平布置的数字显微镜的中间位置。破损检测时,刀具12除了位于漫反射背光光源7和水平布置的数字显微镜1的中间位置,也需要移动到垂直布置的数字显微镜的上方。
在微型铣刀高速旋转状态下进行自动对刀与破损检测的原理为:
采用了双相机结构,同时具有对刀和破损检测功能,其中水平布置的数字显微镜用于刀具的对刀和破损检测,而垂直布置的数字显微镜用于辅助检测刀具的破损状况。
自动对刀的原理如下:在切削加工前,把微细铣刀移动到水平布置的数字显微镜前,打开背光光源,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,获得刀具的径向和轴向偏置,以及刀具相对于机床坐标系的位置。
微细铣刀的破损主要包括折断和崩刃两种情况,其中折断和崩刃的检测由水平布置的数字显微镜完成,而垂直布置的数字显微镜辅助完成崩刃的检测。刀具折断检测方法是:已知一把未折断的刀具最大扫掠体在图像上的面积,作为参考值,通过对比当前刀具12的最大包略体的面积与参考值,如果面积减少达到一定的阈值,则说明刀具已经折断。而崩刃包括侧刃和端刃的检测,通过水平布置的数字显微镜,拍摄刀具的图像,通过对切削刃的提取和分析,可判断侧刃刃口的破损情况或刀尖的缺少,而垂直布置的数字显微镜可用于端刃的破损检测,拍摄刀具图像,通过对切削刃的提取和分析,可判断端刃刃口的破损情况。
此外,在进行测量前,要先对数字显微镜的在线标定,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。标定靶物10可安装在主轴13上,依据机床的具体运动方式,让标定靶物10和数字显微镜形成相对运动,构成虚拟的三维标定靶物,在每个位置拍摄标定物的图像,并从图像上提取靶物上的特征点,通过三维点和图像上特征点的对应关系,根据相机成像模型计算数字显微镜的光学参数和位姿。
在本实施例中,参见图1,两台数字显微镜皆具有为其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两台数字显微镜的物镜前端的环形光源3,环形光源3的轴线分别与两台数字显微镜的物镜的主光轴同轴。前方明场照明光源同轴安装在两个数字显微镜的前端,为两个数字显微镜提供辅助照明,在环形光源3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3可以保证两个数字显微镜获取刀具局部图像的质量,方便两个数字显微镜利用环形光源3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,在两台数字显微镜的环形光源3的外侧皆安装了保护镜4。在壳体1上,两个保护镜4分别同轴安装在环形光源3的外侧,可以保护两个数字显微镜的物镜不被污染,保证设备工作的稳定性。
在本实施例中,参见图1,在每个保护镜4的外侧皆设置有喷吹高压气体的吹气口5,在壳体1外部设置有高压气体进气管8,高压气体进气管8通过设置于壳体1内部的高压气体通道9与吹气口5连通。吹气的作用是清洁被测量刀具表面,并保护测量装置不被切削液等外界杂质污染,同时通过吹气保护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。
在本实施例中,参见图2,在进行刀具径向测量装置和刀具端部测量装置的在线标定时,依据机床主轴13的具体运动方式,使标定靶物10分别与刀具径向测量装置和刀具端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10的图像数据,通过标定靶物10的空间三维点和标定靶物10的图像上特征点的对应关系,获取刀具径向测量装置和刀具端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。图2为标定靶物10的结构图,可装在主轴13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10的特征点,实现两个数字显微镜的标定。
在本实施例中,参见图2,上述标定靶物10上的特征图案为圆环或角点。标定靶物10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。
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:
在本实施例中,漫反射背光光源7为频闪光源。由于微型铣刀的旋转速度非常快,漫反射背光光源7可采用频闪光源,保证图像具有良好的清晰度。
实施例三:
本实施例与实施例一和实施例二的技术方案基本相同,不同之处在于:
在本实施例中,环形光源3为频闪光源。由于微型铣刀的旋转速度非常快,环形光源3可采用频闪光源,进一步保证图像具有良好的清晰度。
实施例四:
本实施例与前述实施例的技术方案基本相同,不同之处在于:
在本实施例中,壳体1外设置整体防护罩。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,只要不背离本发明微型铣刀在线自动对刀与破损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 (10)

1.一种微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,包括壳体(1)、装置基座(11)、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(11)固定安装在刀具(12)的机床的工作台上,所述刀具光学检测系统安装于所述壳体(1)和所述装置基座(11)形成的设备腔体内,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(11)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:所述壳体(1)形成凹形轮廓结构,凹形轮廓结构的下凹空间形成微型铣刀在线自动对刀与破损检测的工作空间,所述刀具光学检测系统包括刀具径向测量装置和刀具端部测量装置,所述刀具径向测量装置沿刀具径向采集切削刃磨损区局部细节图像数据,实现自动对刀和破损检测,所述刀具端部测量装置沿刀具(12)轴向采集切削刃磨损区局部细节图像数据,辅助检测刀具(12)的破损状况,刀具(12)的机床主轴装有标定靶物(10),在进行测量前,要先进行刀具径向测量装置和刀具端部测量装置的在线标定。
2.根据权利要求1所述的微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,其特征在于:所述刀具径向测量装置和刀具端部测量装置皆为数字显微镜,所述刀具径向测量装置为第一数字显微镜(2),所述刀具端部测量装置为第二数字显微镜(6),所述第一数字显微镜(2)的物镜沿刀具(12)径向设置,所述第二数字显微镜(6)的物镜沿沿刀具(12)轴向面向刀具(12)端部设置,两台数字显微镜的物镜主光轴处于空间同一平面上并互相垂直,所述第一数字显微镜(2)在所述壳体(1)形成凹形轮廓结构的凹槽的一侧的设备空间内,在凹槽相对的另一侧面上设有漫反射背光光源(7),所述漫反射背光光源(7)通过装置支架固定安装于所述装置基座(11)上,所述第一数字显微镜(2)的物镜透过所述壳体(1)上开设的窗口与所述漫反射背光光源(7)相对应,所述第一数字显微镜(2)的物镜能接收到所述漫反射背光光源(7)发出的均匀柔光,所述第二数字显微镜(6)设置于所述壳体(1)形成凹形轮廓结构的凹槽底部,所述壳体(1)在所述第二数字显微镜(6)的物镜正面开设窗口,所述第一数字显微镜(2)、第二数字显微镜(6)和所述漫反射背光光源(7)之间的间距空间形成刀具(12)的检测作业空间区域,也即为所述壳体(1)形成凹形轮廓结构所构造的空间区域。
3.根据权利要求2所述的微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,其特征在于:两台所述数字显微镜皆具有为其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两台所述数字显微镜的物镜前端的环形光源(3),所述环形光源(3)的轴线分别与两台所述数字显微镜的物镜的主光轴同轴。
4.根据权利要求3所述的微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,其特征在于:在两台所述数字显微镜的环形光源(3)的外侧皆安装了保护镜(4)。
5.根据权利要求4所述的微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,其特征在于:在每个所述保护镜(4)的外侧皆设置有喷吹高压气体的吹气口(5),在所述壳体(1)外部设置有高压气体进气管(8),所述高压气体进气管(8)通过设置于所述壳体(1)内部的高压气体通道(9)与所述吹气口(5)连通。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,其特征在于:在进行刀具径向测量装置和刀具端部测量装置的在线标定时,依据机床主轴的具体运动方式,使所述标定靶物(10)分别与所述刀具径向测量装置和刀具端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(10)的图像数据,通过所述标定靶物(10)的空间三维点和所述标定靶物(10)的图像上特征点的对应关系,获取所述刀具径向测量装置和刀具端部测量装置分别相对于所述机床主轴坐标系的空间位置和姿态。
7.根据权利要求2~5中任意一项所述的微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,其特征在于:所述漫反射背光光源(7)为频闪光源。
8.根据权利要求3~5中任意一项所述的微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,其特征在于:所述环形光源(3)为频闪光源。
9.根据权利要求6所述的微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,其特征在于:所述标定靶物(10)上的特征图案为圆环或角点。
10.根据权利要求6所述的微型铣刀在线自动对刀与破损检测装置,其特征在于:所述壳体(1)外设置整体防护罩。
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