CN102581700A - 视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，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，刀具光学检测系统和刀具磨损警报系统皆与集中控制系统信号连接，刀具光学检测系统包括刀具整体测量装置和刀具局部测量装置，刀具整体测量装置为面阵型图像传感器系统，刀具局部测量装置为激光测量感应装置，可确定刀具的三维模型和位置，获取刀具的半径和长度偏置、刀具跳动或切削刃破损状况，刀具的机床主轴装有标定靶物，在进行测量前，要先进行刀具整体测量装置和刀具局部测量装置的在线标定。能够在刀具旋转的状态下，自动测量刀具的长度与半径偏置、刀具跳动和切削刃的破损状况。

Description

视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置

技术领域

本发明涉及一种加工刀具检测装置，特别是一种旋转刀具在线自动检测装置。

背景技术

在使用铣刀等回转体刀具进行切削前，有必要对刀具进行检测确定其相关信息，包括长度与半径偏置、刀具的跳动、切削刃的破损状况等，以保证加工的质量和可靠性，并预防事故的发生。对于刀具的检测，

目前主要存在三种方法：一是运用对刀仪进行离线非接触测量，二是在线进行接触式测量，三是采用激光在线对刀系统进行测量。这些方法虽然已在生产现场广泛使用，但存在如下缺陷：

1.采用对刀仪进行离线测量时，首先，刀具的长度与半径偏置的测量结果一般需要人工输入到CNC控制器，效率低，易出错。第二，不能考虑刀具在主轴上的装卡误差和主轴的跳动误差，因此不能检测出刀具在机床上高速旋转时的综合跳动误差。第三，只能在加工前和加工结束后离线检测切削刃的破损情况，而对加工中的刀具破损无法检测，因此无法预防由于刀具破损而引发的事故。

2.在线采用接触式方法测量时，主要用于刀具的长度和半径偏置测量，不便检测出刀具的跳动和破损状况。此外，由于需要接触，测量效率低，测量装置有磨损。 

3.采用激光在线对刀系统时，采用光的遮挡原理，因此刀具的移动速度和测量精度直接相关，由于事先不知道刀具的边缘位置，为了保证测量精度，刀具需要以较慢的移动速度接近激光束，从而影响了测量；对刀具进行破损检测和偏置测量时，有时需要沿着刀具轮廓进行检测，需要事先人工指定刀具的轮廓形状，因此不方便对复杂形状的刀具进行测量，对于轮廓形状未知的刀具，则无法测量。

发明内容

为了能克服上述回转体刀具自动检测时存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种视频与激光融合的在线自动检测装置，该检测装置能够在刀具旋转的状态下，自动测量刀具的长度与半径偏置、刀具跳动和切削刃的破损状况。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，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，刀具光学检测系统的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旋转刀具在线自动检测的工作空间，刀具光学检测系统包括刀具整体测量装置和刀具局部测量装置，刀具整体测量装置为面阵型图像传感器系统，刀具局部测量装置为激光测量感应装置，刀具整体测量装置采集整体刀具的图像数据，进而确定刀具的三维模型和位置，刀具局部测量装置在加工前、后和切削间隙采集刀具局部细节数据，进而获取刀具的半径和长度偏置、刀具跳动或切削刃破损状况，刀具的机床主轴装有标定靶物，在进行测量前，要先进行刀具整体测量装置和刀具局部测量装置的在线标定。

刀具整体测量装置为工业相机，工业相机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，工业相机的镜头透过壳体上开设的窗口与漫反射背光光源相对应，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；刀具局部测量装置包括激光发射器和光电传感器，激光发射器的激光发射端和光电传感器的激光接收端通过在壳体形成凹形轮廓结构的凹槽的两侧上开设的窗口相对应，光电传感器接受激光发射器发射的激光光束信号，激光束与工业相机镜头主光轴保持空间平行，且激光光束与机床主轴的轴线垂直，光电传感器的信号输出端与集中控制系统的信号接收端连接。

在上述工业相机的镜头前端外侧安装了保护镜。

在上述保护镜的外侧、激光发射器的激光发射端外侧和光电传感器的激光接收端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。

上述激光发射器和光电传感器之间的激光束与工业相机的镜头轴线采用空间上下布局或水平布局。

上述激光发射器和光电传感器之间的激光束与工业相机的镜头轴线采用空间上下布局，并分别通过装置支架与装置基座固定连接。

在进行刀具整体测量装置的在线标定时，依据机床主轴的具体运动方式，使标定靶物与刀具整体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相对于机床主轴坐标系的空间位置和姿态。

上述刀具为铣刀或钻头。

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，漫反射背光光源为频闪光源。

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.实现了一台测量装置同时具有在线对刀、刀具跳动检测和切削刃破损检测三种功能，其中切削刃破损检测可逐齿进行，适用于任意轮廓形状的回转体刀具；

2.实现了在刀具旋转状态下对刀具进行快速和精确地在线自动检测；

3.该技术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。

附图说明

图1是本发明实施例一旋转刀具在线自动检测装置结构示意图。

图2是本发明实施例一旋转刀具在线自动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2，一种视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，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，刀具光学检测系统的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1形成凹形轮廓结构，凹形轮廓结构的下凹空间形成旋转刀具在线自动检测的工作空间，刀具光学检测系统包括刀具整体测量装置和刀具局部测量装置，刀具整体测量装置为面阵型图像传感器系统，刀具局部测量装置为激光测量感应装置，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12的三维模型和位置，刀具局部测量装置在加工前、后和切削间隙采集刀具局部细节数据，进而获取刀具的半径和长度偏置、刀具跳动或切削刃破损状况，刀具12的机床主轴13装有标定靶物10，在进行测量前，要先进行刀具整体测量装置和刀具局部测量装置的在线标定。

在本实施例中，刀具整体测量装置对刀具进行整体测量，确定刀具的三维模型和位置，刀具局部测量装置进行刀具的精确测量，检测出半径和长度偏置、刀具跳动和切削刃破损状况，标定靶物10用于刀具整体测量装置的标定。采用本发明，实现了在刀具旋转状态下自动快速地完成对刀、跳动检测和切削刃破损检测三项功能，并普遍适用于各种类型的回转体刀具。

在本实施例中，参见图1，刀具整体测量装置为工业相机2，工业相机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5，漫反射背光光源5通过装置支架固定安装于装置基座11上，工业相机2的镜头透过壳体1上开设的窗口与漫反射背光光源5相对应，工业相机2的镜头能接收到漫反射背光光源5发出的均匀柔光；刀具局部测量装置包括激光发射器6和光电传感器7，激光发射器6的激光发射端和光电传感器7的激光接收端通过在壳体1形成凹形轮廓结构的凹槽的两侧上开设的窗口相对应，光电传感器7接受激光发射器6发射的激光光束信号，激光束与工业相机2镜头主光轴保持空间平行，且激光光束与机床主轴13的轴线垂直，光电传感器7的信号输出端与集中控制系统的信号接收端连接。

在图1中，视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置的壳体1呈凹型结构，工业相机2水平布置在壳体1一侧，工业相机2镜头轴线与机床主轴轴线垂直，激光发射器6安装在工业相机2的下部，并位于壳体1内，激光光束与机床主轴轴线垂直。背光漫反射光源5安装在壳体1的另一侧，光电传感器7安装在背光漫反射光源5的下部，并位于壳体1内，工业相机2可接收到背光漫反射光源5，光电传感器7可以接收到激光发射器6的发出的光信号，刀具12检测时，刀具12首先位于工业相机2和背光漫反射光源5之间的位置。然后刀具12移动到激光发射器6和光电传感器7之间，在旋转状态下完成对刀、跳动检测和破损检测。在本实施例中，工业相机2使用背光漫反射光源5对刀具12进行整体测量，确定刀具12的三维模型和位置信息，激光发射器6和光电传感器7进行刀具12的精确测量，检测出半径和长度偏置、刀具跳动和切削刃破损状况。

刀具旋转状态下在线自动进行刀具检测的原理：采用了工业相机2和激光相结合的结构，通过工业相机2获取刀具12的视频，提供了刀具12的形状和位置的初始信息，激光检测部分将利用这些信息的引导完成快速和精确的对刀、刀具跳动和切削刃破损检测。

在切削加工前或一道工序完成后，首先把刀具12移动到工业相机2前，打开背光光源5，采集旋转状态下刀具12的视频，根据图像序列提取刀具轮廓曲线，计算刀具12旋转形成的最大扫掠体的三维模型，通过分析刀具扫掠体的母线，识别出刀具12轮廓和刀尖的位置。

在进行半径偏置检测时，根据工业相机2测量的刀具轮廓的粗略位置，把刀具12快速移动到激光光束前，使得激光光束恰好处于刀具12边缘的临界位置，依据光的遮挡原理，确定左右轮廓的精确位置，从而完成半径的精确测量。在进行长度偏置检测时，根据刀具12底部的粗略位置，把刀具12快速移动到激光光束前，使得激光光束恰好处于刀具12底部的临界位置，依据光的遮挡原理，从而精确测量刀具12的长度偏置。

在进行刀具跳动检测时，根据工业相机2测量的刀尖的粗略位置，把刀具12快速移动到激光光束前，使得激光光束恰好通过刀尖，依据光的遮挡原理，精确确定刀尖处的临界挡光位置，由于跳动的存在，在刀尖点沿径向可以检测出两个挡光位置，一个位置对于刀尖点距离机床主轴轴线的最远点，另一个位置对应刀尖距离主轴轴线的最近点，这两点的距离即是刀具跳动。

在进行切削刃破损检测时，根据工业相机2测量的刀具轮廓形状，把刀具12快速移动到激光光束前，使得激光光束恰好处于被刀具12轮廓遮挡的位置，根据刀具12轮廓引导激光沿轴向检测切削刃，如果在切削刃某处存在破损，则激光不被遮挡，从而实现逐齿的对任意轮廓的刀具破损检测。

此外，在进行测量前，要先进行工业相机2进行在线标定，以获得相机的光学参数，并确定相机机床运动坐标系和激光束的位置和姿态。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。

在本实施例中，参见图1，在工业相机2的镜头前端外侧安装了保护镜3。在壳体1上，保护镜3同轴安装工业相机2的外侧，可以保护工业相机2的镜头不被污染，保证设备工作的稳定性。

在本实施例中，参见图1，在保护镜3的外侧、激光发射器6的激光发射端外侧和光电传感器7的激光接收端外侧皆设置有喷吹高压气体的吹气口4，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4连通。高压气体通过壳体1内部的高压气体通道9达到吹气口4，吹气口4的作用是清洁被测量刀具12表面，并保护测量装置不被切削液等外界杂质污染。

在本实施例中，激光发射器6和光电传感器7之间的激光束与工业相机2的镜头轴线采用空间上下布局或水平布局。工业相机2和激光发射器6或光电传感器7的上下位置可以对调，也可采用水平布局，漫反射背光光源5和激光发射器6或光电传感器7的相对位置将随着工业相机2的位置分别做相应调整。

在本实施例中，参见图1，激光发射器6和光电传感器7之间的激光束与工业相机2的镜头轴线采用空间上下布局，并分别通过装置支架与装置基座11固定连接。激光发射器6和光电传感器7之间的激光束与工业相机2分别通过装置支架固定，保障设备工作的稳定性。

在本实施例中，参见图2，在进行刀具整体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与刀具整体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，获取刀具整体测量装置相对于机床主轴13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，刀具12为铣刀或钻头。本实施例旋转刀具在线自动检测装置具有通用性，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，标定靶物10上的特征图案为圆环或角点。图2为标定靶物的结构图，可装在主轴上，通过椭圆检测算法在图像上提取圆环中心，做为标定靶物的特征点，实现对工业相机2的标定。

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5为频闪光源。由于旋转刀具的旋转速度非常快，漫反射背光光源5可采用频闪光源，保证图像具有良好的清晰度。

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，只要不背离本发明视频与激光融合的旋转刀具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 (10)

1.一种视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，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的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旋转刀具在线自动检测的工作空间，所述刀具光学检测系统包括刀具整体测量装置和刀具局部测量装置，所述刀具整体测量装置为面阵型图像传感器系统，所述刀具局部测量装置为激光测量感应装置，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（12）的三维模型和位置，所述刀具局部测量装置在加工前、后和切削间隙采集刀具局部细节数据，进而获取刀具的半径和长度偏置、刀具跳动或切削刃破损状况，刀具（12）的机床主轴（13）装有标定靶物（10），在进行测量前，要先进行刀具整体测量装置和刀具局部测量装置的在线标定。

2.根据权利要求1所述的视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，其特征在于：所述刀具整体测量装置为工业相机（2），所述工业相机（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（5），所述漫反射背光光源（5）通过装置支架固定安装于所述装置基座（11）上，所述工业相机（2）的镜头透过所述壳体（1）上开设的窗口与所述漫反射背光光源（5）相对应，所述工业相机（2）的镜头能接收到所述漫反射背光光源（5）发出的均匀柔光；

所述刀具局部测量装置包括激光发射器（6）和光电传感器（7），所述激光发射器（6）的激光发射端和所述光电传感器（7）的激光接收端通过在所述壳体（1）形成凹形轮廓结构的凹槽的两侧上开设的窗口相对应，所述光电传感器（7）接受所述激光发射器（6）发射的激光光束信号，激光束与所述工业相机（2）镜头主光轴保持空间平行，且激光光束与机床主轴（13）的轴线垂直，所述光电传感器（7）的信号输出端与所述集中控制系统的信号接收端连接。

3.根据权利要求2所述的视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，其特征在于：在所述工业相机（2）的镜头前端外侧安装了保护镜（3）。

4.根据权利要求3所述的视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，其特征在于：在所述保护镜（3）的外侧、所述激光发射器（6）的激光发射端外侧和所述光电传感器（7）的激光接收端外侧皆设置有喷吹高压气体的吹气口（4），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（4）连通。

5.根据权利要求2～4中任意一项所述的视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，其特征在于：所述激光发射器（6）和所述光电传感器（7）之间的激光束与所述工业相机（2）的镜头轴线采用空间上下布局或水平布局。

6.根据权利要求5所述的视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，其特征在于：所述激光发射器（6）和所述光电传感器（7）之间的激光束与所述工业相机（2）的镜头轴线采用空间上下布局，并分别通过所述装置支架与所述装置基座（11）固定连接。

7.根据权利要求5所述的视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，其特征在于：在进行刀具整体测量装置的在线标定时，依据机床主轴（13）的具体运动方式，使所述标定靶物（10）与所述刀具整体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，获取所述刀具整体测量装置相对于所述机床主轴（13）坐标系的空间位置和姿态。

8.根据权利要求5所述的视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，其特征在于：所述刀具（12）为铣刀或钻头。

9.根据权利要求5所述的视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，其特征在于：所述漫反射背光光源（5）为频闪光源。

10.根据权利要求7所述的视频与激光融合的旋转刀具在线自动检测装置，其特征在于：所述标定靶物（10）上的特征图案为圆环或角点。

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