CN102564314A - 用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测系统 - Google Patents

Abstract

用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测系统，属于光学测量、机械工程技术领域。包括顶面和侧面CCD摄像机、顶面和侧面镜头、顶面和侧面环形光源、X和Z向导轨、X和Z向滑块、支架、手轮、旋转台、大理石底座，图像采集卡、计算机。本发明采用正交方向安装的双CCD摄像机，通过图像采集卡采集磨损区域图像模拟信号转换成数字信号，运用计算机视觉软件，计算机对数字信号进行处理，精确测量出立铣刀后刀面的磨损带宽度和磨损带面积，实现对立铣刀磨损状态的检测。本发明具有非接触、分辨力高、自动化程度高和速度快的特点，能够有效延长机床设备的无故障运行时间和提高产品质量，在自动化机床上的应用中具有十分重要的意义和实用价值。

Description

用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测系统

技术领域：

本发明涉及一种用于检测立铣刀磨损状态的视觉检测系统。特别是一种基于计算机视觉技术，采用正交方向安装的双CCD摄像机获取立铣刀磨损区域图像，输入计算机通过软件进行处理，精确测量出立铣刀后刀面的磨损带宽度和磨损带面积的用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测系统。属于光学测量和机械工程技术领域。

背景技术：

在自动化生产中，一个极为关键的技术就是刀具磨损状态监测技术，它是降低制造成本，减少制造环境危害，保证制造系统正常高效运行和产品质量的主要手段之一。研究表明，采用刀具磨损状态监测技术后能够将人为和技术因素引起的故障停机时间减少75％，提高生产率10％-60％，提高机床利用率50％。由此可以看出，刀具磨损状态监测技术在自动化机床上的应用具有十分重要的意义和实用价值，刀具磨损状态监测技术已成为各国公认的重大关键技术，受到高度重视。

在高速加工中，刀具磨损是刀具主要的失效形式。由于刀具的磨损影响整个加工制造过程，所以通过对刀具磨损状态检测，可以了解刀具的加工质量和机床的运行状态。因此，在加工过程中，定时的掌握刀具的磨损状态，监测和诊断刀具磨损程度，对于延长机床设备无故障运行，提高产品质量非常重要。

传统的刀具寿命管理理论虽然可以在一定程度上减轻刀具磨损而造成的损失，但是因为刀具寿命的随机，其寿命极限估计往往过于保守，以至于大部分刀具未能充分利用。

70年代末国外开发和研制出了用于刀具磨损状态监测的传感器检测方法，该方法能够检测反映刀具磨损程度的参量，如切削力、主轴电流、扭矩、振动、声音和切削温度等，然后将这些参量转化成电信号输入计算机进行处理。但是由于上述各参量与刀具的磨损程度没有严格的对应关系，而且切削条件的复杂多样，都不能准确地给出某一时刻刀具磨损量的准确数值，因此它们的应用受到了一定限制。

90年代以来，刀具磨损状态监测技术在高性能微机等新技术的推动下，获得了进一步发展，出现了以计算机视觉技术为理论基础的刀具磨损状态监测技术，随着CCD摄像传感技术的成熟以及价格的大幅度降低，从而在机械制造方面开拓了新的应用领域。近几年国内外学者在计算机视觉刀具磨损状态监测领域内，一方面侧重于基于工件表面纹理的方法，通过已加工工件表面的纹理的变化趋势来反映刀具的磨损程度，从理论上证明该间接方法能够用于刀具磨损状态监测，但是该方法有和传感器方法有一样的缺点，无法获得磨损量的精确值。

另一方面是直接检测刀具本身的磨损图像，包括前刀面月牙洼磨损，后刀面磨损，刀具破损，并研究多种加工条件下的刀具磨损状态。基于计算机视觉技术的刀具磨损状态检测是一种很新、很先进的测量方法。它具有以下优点：(1)使用机器视觉技术进行测量的成本相当低。(2)通过各种图象处理技术的结合，可以实现对复杂图形的测量。在一次测量中，可以得到多个参数。(3)精度高，对于被测刀具2mm²大小的磨损面积，测量精度可以达到0.2um。

已有技术中，李锡文在《小直径立铣刀后刀面磨损带的研究》(工具技术2000年06期7页)一文中提出采用后刀面磨损带宽度和后刀面磨损带面积作为衡量刀具磨损程度的评价指标，介绍了将刀具磨损区域近似为三角形和梯形区域，计算磨损带宽度和磨损带面积的方法。然而，事实上由于加工条件的不一样，刀具磨损区域形状的不规则性，因此该方法计算误差较大。林琳在《前刀面磨损的图像检测》(哈尔滨理工大学学报2000年05期43页)一文中提出了检测前刀面磨损的方案，该方案能有效检测前刀面上的月牙洼磨损，但是对于后刀面上的薄层磨损没有效果。迟辉在《图像处理技术在刀具磨损检测中的应用》(工具技术2007年08期100页)一文中设计了一套基于计算机视觉技术的刀具磨损检测系统，该检测系统是由一个CCD摄像机和放大镜头组成的单向视觉检测结构，由于立铣刀的磨损发生在主后刀面和副后刀面上，该系统仅仅能够测量出立铣刀主后刀面的磨损量，因此对于立铣刀的磨损状态的检测不够完善。

发明内容：

为克服已有技术的不足和缺陷，本发明针对立铣刀磨损的特点，采用后刀面磨损带宽度和后刀面磨损带面积作为衡量刀具磨损程度的评价指标，提出了一种全新的用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测系统。采用基于计算机视觉技术的刀具磨损检测技术，能够精确测量出后刀面磨损带宽度和后刀面磨损带面积，对刀具的磨损状态进行准确的检测。

本发明是通过下述技术方案实现的。本发明包括顶面CCD摄像机、顶面镜头、顶面环形光源、X向导轨、X向滑块、侧面CCD摄像机、侧面镜头、侧面环形光源、Z向导轨、Z向滑块、摄像机支架、第一手轮、第二手轮、被测刀具、旋转台、大理石底座，图像采集卡、计算机。其中旋转台由刀柄、旋转轴、上下固定轴承、旋转编码器和旋转台主体组成。

顶面CCD摄像机和侧面CCD摄像机相互以正交方向安装在摄像机支架上，摄像机支架呈L形，摄像机支架固定在X向滑块上，X向滑块与X向导轨滑动接触，X向滑块相对X向导轨做X方向的水平运动。X向导轨固定安装在Z向滑块上，Z向滑块与Z向导轨滑动接触，Z向滑块相对Z向导轨做Z方向的垂直运动。第一手轮安装在Z向导轨上，用来控制Z向滑块的垂直运动，调节顶面CCD摄像机到被测刀具副后刀面的工作距离，得到清晰的副后刀面磨损区域图像。第二手轮安装在X向导轨上，用来控制X向滑块的水平运动，调节侧面CCD摄像机到被测刀具主后刀面的工作距离，得到清晰的主后刀面磨损区域图像。Z向导轨固定安装在大理石底座上。

顶面镜头和顶面CCD摄像机通过螺纹连接，侧面镜头和侧面CCD摄像机也通过螺纹连接，在镜头和相机之间加一个扩倍镜。

顶面环形光源安装在顶面镜头的前端，侧面环形光源安装在侧面镜头的前端，通过顶面环形光源和侧面环形光源的照明，给被测刀具提供一个均匀、稳定、视场清晰明亮的照明光场，能够突出被测刀具的磨损区域，提高测量的精度。

顶面环形光源照射到刀具副后刀面，经顶面镜头的成像，顶面CCD摄像机采集到刀具副后刀面上的磨损区域图案。侧面环形光源照射到被测刀具主后刀面，经侧面镜头的成像，侧面CCD摄像机采集到被测刀具主后刀面上的磨损区域图像。

旋转台安装在大理石底座中部，旋转台主体是一个空心圆柱，上下固定轴承的外圈均分别和旋转台主体的内圈通过过盈配合固定安装，上轴承为圆锥滚子轴承，下轴承为角接触轴承，旋转轴为阶梯轴，上下固定轴承的内圈和旋转轴通过过盈配合固定安装，上下固定轴承保证了旋转轴的旋转精度。刀柄固定安装在旋转轴的顶端，刀柄用来装夹被测刀具，并且保证了精确的定位精度。旋转编码器安装在旋转轴的末端，通过旋转编码器可以精确的测量到旋转轴转过的角度，然后通过步进电机来控制和补偿旋转角度。Z向导轨的安装位置确保旋转轴位于顶面CCD摄像机的中心轴线和侧面CCD摄像机的中心轴线组成的垂直平面里。

图像采集卡是实时采集与显示图像的关键部分，是CCD摄像机输出到计算机的接口，可以将采集到的模拟信号转换成数字信号，然后存入计算机内存中。

计算机系统通过应用软件获取数字化图像，并对其进行处理、分析、计算及显示、输出图像和数据。计算机通过对采集转换得到的数字化图像进行处理，运用计算机视觉软件，能够精确测量出刀具后刀面的磨损带宽度和磨损带面积，实现对立铣刀磨损状态的检测。

本发明的有益效果：

本发明采用基于计算机视觉技术的刀具磨损检测技术，通过正交方向安装的双CCD摄像机采集立铣刀的磨损图像，对立铣刀磨损区域特征识别和提取，然后计算磨损几何特征参数，检测出立铣刀的磨损状态，测量精度在5um以内。

基于计算机视觉技术的立铣刀磨损状态正交检测系统具有非接触、分辨力高、自动化程度高和速度快的特点，该正交检测系统可以替代传感器检测法，完善已有视觉磨损检测系统，能够测量出立铣刀主后刀面和副后刀面上的磨损量。通过对立铣刀后刀面磨损带宽度和后刀面磨损带面积的测量，对刀具的磨损状态进行准确的评价，能够有效延长机床设备的无故障运行时间和提高产品质量，在自动化机床上的应用中具有十分重要的意义和实用价值。

附图说明：

图1本发明立铣刀磨损状态正交视觉检测系统的结构示意图

图2本发明立铣刀磨损状态正交视觉检测系统的结构左视图

图3本发明立铣刀磨损状态正交视觉检测系统旋转台的结构示意图

图4本发明立铣刀磨损状态正交视觉检测系统的检测过程示意图

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步描述。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明包括顶面CCD摄像机1、顶面镜头2、顶面环形光源3、X向导轨4、X向滑块5、侧面CCD摄像机6、侧面镜头7、侧面环形光源8、Z向导轨9、Z向滑块10、摄像机支架11、第一手轮12、第二手轮22、被测刀具13、旋转台14、大理石底座15，图像采集卡16、计算机17。其中旋转台14由刀柄18、旋转轴19、上下固定轴承20、旋转编码器21和旋转台主体23组成。

顶面CCD摄像机1和侧面CCD摄像机6相互以正交方向安装在摄像机支架11上，摄像机支架11呈L形，摄像机支架11固定在X向滑块5上，X向滑块5与X向导轨4滑动接触，X向滑块5相对X向导轨4做X方向的水平运动，水平运动的行程范围为120mm。X向导轨4固定安装在Z向滑块10上，Z向滑块10与Z向导轨9滑动接触，Z向滑块10相对Z向导轨9做Z方向的垂直运动，垂直运动的行程范围为110mm。第一手轮12安装在Z向导轨9上，用来控制Z向滑块10的垂直运动，调节顶面CCD摄像机1到被测刀具13副后刀面的工作距离，得到清晰的副后刀面磨损区域图像。第二手轮22安装在X向导轨4上，用来控制X向滑块5的水平运动，调节侧面CCD摄像机6到被测刀具13主后刀面的工作距离，得到清晰的主后刀面磨损区域图像。Z向导轨9固定安装在大理石底座15上。

顶面镜头2和顶面CCD摄像机1通过螺纹连接，侧面镜头7和侧面CCD摄像机6也通过螺纹连接，顶面镜头2和侧面镜头7都采用MLM3X-MP型的放大镜头，最大的检测磨损区域图像尺寸为8.8mm×6.6mm，在镜头和相机之间加一个EX2C型的扩倍镜。顶面CCD摄像机1和侧面CCD摄像机6的型号采用SV1421FM，分辨率为1392×1040，像素尺寸4.65um×4.65um。

顶面环形光源3采用RL-50-60-W型白光源，安装在顶面镜头2的前端，侧面环形光源8采用RL-70-90-R型红光源，安装在侧面镜头7的前端，通过顶面环形光源3和侧面环形光源8的照明，给被测刀具13提供一个均匀、稳定、视场清晰明亮的照明光场，能够突出被测刀具13的磨损区域，提高测量的精度。

顶面环形光源3照射到刀具副后刀面，经顶面镜头2的成像，顶面CCD摄像机1采集到刀具副后刀面上的磨损区域图案。侧面环形光源8照射到被测刀具13主后刀面，经侧面镜头7的成像，侧面CCD摄像机6采集到被测刀具13主后刀面上的磨损区域图像。

旋转台14由刀柄18、旋转轴19、上下固定轴承20、旋转编码器21和旋转台主体23组成。旋转台14安装在大理石底座15中部，旋转台主体23是一个空心圆柱，上下固定轴承20的外圈均分别和旋转台主体23的内圈通过过盈配合固定安装，上轴承为内径60mm外径95mm的圆锥滚子轴承，下轴承为内径40mm外径90mm的角接触轴承，旋转轴19为总长170mm的阶梯轴，上下固定轴承20的内圈和旋转轴19通过过盈配合固定安装，上下固定轴承20保证了旋转轴19的旋转精度。刀柄18固定安装在旋转轴19的顶端，刀柄18用来装夹被测刀具13，能够夹持直径范围是3-16mm的立铣刀，并且保证了精确的定位精度。旋转编码器21安装在旋转轴19的末端，通过旋转编码器21可以精确的测量到旋转轴转过的角度，然后通过步进电机来控制和补偿旋转角度。Z向导轨9的安装位置确保旋转轴19位于顶面CCD摄像机1的中心轴线和侧面CCD摄像机6的中心轴线组成的垂直平面里。

测量副后刀面磨损特征时，打开顶面环形光源3，通过调节第一手轮12和控制步进电机，调整被测刀具13的一个刀尖位于图像显示窗口的中心，调节刀尖到顶面CCD摄像机1的工作距离，工作距离根据放大倍数不同在80mm到100mm的范围内变化，然后获取磨损区域的图像，再控制步进电机依次旋转120°，测量另外两个刀尖副后刀面的磨损区域的图像；测量主后刀面磨损特征时，打开侧面环形光源8，通过调节第二手轮22和控制步进电机，调整被测刀具13的一条切削刃的主后刀面位于图像显示窗口的中心，调节主后刀面到侧面CCD摄像机6的工作距离，然后获取磨损区域的图像，再控制步进电机依次旋转120°，完成整个主后刀面上的磨损特征的测量。

图像采集卡16是CCD摄像机输出到计算机17的接口，顶面CCD摄像机1和侧面CCD摄像机6均通过图像采集卡16与计算机17的输入端电连接，图像采集卡16将采集到的磨损区域图像的模拟信号转换成数字信号，然后存入计算机17的内存中。

计算机17通过应用软件获取数字化图像，并对其进行处理、分析、计算及显示、输出图像和数据。计算机通过对图像采集卡16采集转换得到的数字化图像进行处理，运用计算机视觉软件，精确测量出刀具后刀面的磨损带宽度和磨损带面积，实现对立铣刀磨损状态的检测。

Claims (6)

1.用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测系统，包括顶面CCD摄像机(1)、顶面镜头(2)、顶面环形光源(3)、X向导轨(4)、X向滑块(5)、侧面CCD摄像机(6)、侧面镜头(7)、侧面环形光源(8)、Z向导轨(9)、Z向滑块(10)、摄像机支架(11)、第一手轮(12)、第二手轮(22)、被测刀具(13)、旋转台(14)、大理石底座(15)，图像采集卡(16)、计算机(17)，其中旋转台(14)包括刀柄(18)、旋转轴(19)、上下固定轴承(20)、旋转编码器(21)和旋转台主体(23)，其特征在于：顶面CCD摄像机(1)和侧面CCD摄像机(6)相互以正交方向安装在摄像机支架(11)上，摄像机支架(11)呈L形，摄像机支架(11)固定在X向滑块(5)上，X向滑块(5)与X向导轨(4)滑动接触，X向滑块(5)相对X向导轨(4)做X方向的水平运动；X向导轨(4)固定安装在Z向滑块(10)上，Z向滑块(10)与Z向导轨(9)滑动接触，Z向滑块(10)相对Z向导轨(9)做Z方向的垂直运动；第一手轮(12)安装在Z向导轨(9)上，第二手轮(22)安装在X向导轨(4)上，Z向导轨(9)固定安装在大理石底座(15)上；顶面镜头(2)和顶面CCD摄像机(1)通过螺纹连接，侧面镜头(7)和侧面CCD摄像机(6)也通过螺纹连接，在顶面镜头(2)和顶面CCD摄像机(1)之间、侧面镜头(7)和侧面CCD摄像机(6)之间分别安装一个扩倍镜；顶面环形光源(3)安装在顶面镜头(2)的前端，侧面环形光源(8)安装在侧面镜头(7)的前端；旋转台(14)安装在大理石底座(15)中部，旋转台主体(23)是一个空心圆柱，上下固定轴承(20)的外圈均分别和旋转台主体(23)的内圈通过过盈配合固定安装，上下固定轴承(20)的内圈和旋转轴(19)通过过盈配合固定安装，刀柄(18)固定安装在旋转轴(19)的顶端，旋转编码器(21)安装在旋转轴(19)的末端；旋转轴(19)位于顶面CCD摄像机(1)的中心轴线和侧面CCD摄像机(6)的中心轴线组成的垂直平面里；顶面CCD摄像机(1)和侧面CCD摄像机(6)均通过图像采集卡(16)与计算机(17)的输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测系统，其特征是所述的X向滑块(5)相对X向导轨(4)做X方向的水平运动的行程范围为120mm；Z向滑块(10)相对Z向导轨(9)做Z方向的垂直运动的行程范围为110mm。

3.根据权利要求1所述的用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测系统，其特征是所述的顶面镜头(2)和侧面镜头(7)都采用MLM3X-MP型的放大镜头，最大的检测磨损区域图像尺寸为8.8mm×6.6mm，扩倍镜的型号为EX2C型。

4.根据权利要求1所述的用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测系统，其特征是所述的顶面CCD摄像机(1)和侧面CCD摄像机(6)的型号均采用SV1421FM，分辨率为1392×1040，像素尺寸4.65um×4.65um。

5.根据权利要求1所述的用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测系统，其特征是所述的顶面环形光源(3)采用RL-50-60-W型白光源，侧面环形光源(8)采用RL-70-90-R型红光源。

6.根据权利要求1所述的用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测系统，其特征是所述的上下固定轴承(20)的上轴承为内径60mm外径95mm的圆锥滚子轴承，上下固定轴承(20)的下轴承为内径40mm外径90mm的角接触轴承，旋转轴(19)为总长170mm的阶梯轴，刀柄(18)夹持立铣刀的直径范围是3-16mm。

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