CN102581699B - 回转体刀具磨损状态在线自动检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转体刀具磨损状态在线自动检测装置，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，包括刀具整体测量装置和切削刃局部测量装置，采集整体刀具的图像数据和切削刃磨损区局部细节图像数据，进而确定刀具切削刃的位置及姿态和磨损状态，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。本发明适合于在回转体刀具旋转状态下自动进行磨损检测的装置，以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。

Description

回转体刀具磨损状态在线自动检测装置

技术领域

本发明涉及一种机械加工检测设备，具体涉及一种回转体刀具磨损状态的自动的、可在线检测的装置。

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，通过传感器自动获取切削刃的实际磨损状况。

由于磨损过程的复杂性和渐进性，刀具磨损在线自动检测技术仍未成熟，目前仍主要利用工具显微镜进行人工检测，这一方法对于生产中广泛使用的铣刀等回转刀具，存在如下缺陷：

1.无法实现回转体刀具磨损的在线自动检测，需要在主轴停转状态下，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；

2.人工检测过程操作费时，不能做到百分之百的切削刃检测，也无法与自动化数控加工工艺集成，影响了加工过程的可靠性。 

3.现有的回转体刀具的磨损检测的装置还不够理想，不能有效减少对刀具金属材料的消耗，设备结构较为复杂，不能满足现实的需要。

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回转体刀具磨损状态在线自动检测装置，该检测装置不需要主轴停转和人工辅助，在刀具旋转的状态下，自动获取切削刃的磨损图像，并通过图像分析检测出磨损量。能够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：

一种回转体刀具磨损状态在线自动检测装置，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，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安装了保护镜。

在上述环形光源的外侧安装了保护镜。

上述工业相机和数字显微镜采用上下布局或水平布局。

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。

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磨损状态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，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。

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. 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，实现整个加工过程的自动在线磨损检测。

2. 本发明回转体刀具磨损状态在线自动检测装置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。

3. 本发明回转体刀具磨损状态在线自动检测装置能检测切削刃后刀面磨损，也能检测前刀面磨损。

4. 本发明适合于在回转体刀具旋转状态下自动进行磨损检测的装置，以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是本发明在线自动检测装置的外部轮廓结构简图。

图2是本发明在线自动检测装置的内部结构示意图。

图3是本发明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：

参见图1～图4，一种回转体刀具磨损状态在线自动检测装置，包括装置基座6、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6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6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，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，进而检测刀具的磨损状态，回转体刀具的机床主轴装有标定靶物12，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。本发明适合于在回转体刀具旋转状态下自动进行磨损检测的装置，以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。

在本发明中，参见图2和图3，上述刀具整体测量装置包括工业相机1和漫反射背光光源4，漫反射背光光源4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4通过背光光源支撑座5固定安装于装置基座6上，工业相机1的镜头能接收到漫反射背光光源4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4，漫反射背光光源4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。

在图2和图3中，回转体刀具磨损自动检测装置的外形整体成凹型结构，工业相机1和数字显微镜2安装在一侧，漫反射背光光源4利用背光光源支撑座5安装在装配基座6的另一侧，工业相机1可以接收到漫反射背光光源4，测量时刀具位于背光漫反射光源4和工业相机1的中间位置，两部分通过装配基座6连接，刀具移动到工业相机1或数字显微镜2与漫反射背光光源4之间，在旋转状态下完成磨损检测。在刀具旋转状态下自动检测切削刃磨损的原理，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，确定刀具切削刃的位置及姿态，而数字显微镜2，用于刀具磨损区的局部细节测量，检测出刀具磨损状态。本发明实现了在刀具旋转状态下在线自动磨损检测，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，实现整个加工过程的自动在线磨损检测。

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与漫反射背光光源4之间，打开漫反射背光光源4，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。

此外，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。标定靶物12可安装在主轴上，依据机床的具体运动方式，让标定靶物12和相机形成相对运动，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相机光学参数和位姿。

在本发明中，参见图3，上述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3，环形光源3的轴线与数字显微镜2物镜的主光轴同轴。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，然后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3对切削刃进行局部测量，显著提高设备检测精度。

在本发明中，参见图1和图3，在上述工业相机1的镜头前端外侧安装了保护镜11，可以保护工业相机1的镜头不被污染，保证设备工作的稳定性。

在本发明中，参见图1，在上述环形光源3的外侧安装了保护镜11，可以保护数字显微镜2的物镜不被污染，保证设备工作的稳定性。

在本发明中，上述工业相机1和数字显微镜2采用上下布局或水平布局。参见图1、图2和图3，工业相机1位于数字显微镜2的上部，亦可采用数字显微镜在上面的布局，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。

在本发明中，参见图1、图2和图3，上述工业相机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7、上连接块8与装置基座6固定连接。工业相机1和数字显微镜2分别通过上连接块8和下连接座7固定，保障设备工作的稳定性。

在本发明中，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12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12的图像数据，通过标定靶物12的空间三维点和标定靶物12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。图4为标定靶物12的结构图，其安装在主轴上，通过椭圆提取算法，提取椭圆的中心，实现对工业相机2和显微镜3的标定。

在本发明中，参见图4，上述标定靶物12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数学计算和建立模型。

在本发明中，参见图1和图2，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9、盖板10以及装置基座6，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磨损状态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4，在另一侧凸台的壳体9内部安装刀具光学检测系统，并于该另一侧凸台的内侧面的壳体9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分别通过装置支架固定在壳体9的内部，壳体9可以更好地保障设备稳定工作，提高设备的使用寿命。

在本发明中，上述回转体刀具为铣刀或钻头。实现了在刀具旋转状态下在线自动磨损检测，并普遍适用于各种类型的回转体刀具。

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磨损状态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)

1.一种回转体刀具磨损状态在线自动检测装置，包括装置基座（6）、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（6）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（6）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周期性采集切削刃磨损区局部细节图像数据，进而检测刀具的磨损状态，回转体刀具的机床主轴装有标定靶物（12），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（4），所述漫反射背光光源（4）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（4）通过背光光源支撑座（5）固定安装于所述装置基座（6）上，所述工业相机（1）的镜头能接收到所述漫反射背光光源（4）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（4），所述漫反射背光光源（4）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（3），所述环形光源（3）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（12）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（12）的图像数据，通过所述标定靶物（12）的空间三维点和所述标定靶物（12）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所述的回转体刀具磨损状态在线自动检测装置，其特征在于：在所述工业相机（1）的镜头前端外侧安装了保护镜（11）。

3.根据权利要求1所述的回转体刀具磨损状态在线自动检测装置，其特征在于：在所述环形光源（3）的外侧安装了保护镜（11）。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的回转体刀具磨损状态在线自动检测装置，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。

5.根据权利要求4所述的回转体刀具磨损状态在线自动检测装置，其特征在于：所述标定靶物（12）上的特征图案为圆环或角点。

6.根据权利要求4所述的回转体刀具磨损状态在线自动检测装置，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（9）、盖板（10）以及所述装置基座（6），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磨损状态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（4），在另一侧凸台的所述壳体（9）内部安装所述刀具光学检测系统，并于该另一侧凸台的内侧面的所述壳体（9）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。

7.根据权利要求4所述的回转体刀具磨损状态在线自动检测装置，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4所述的回转体刀具磨损状态在线自动检测装置，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（7）、上连接块（8）与所述装置基座（6）固定连接。