CN108581635A - 一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，运用Visual C++6.0的MFC开发平台建立了刀具磨损检测系统，通过三维检测相机采集出刀具刃口轮廓数据，在系统中进行数据处理并计算出磨损量，本发明包括以下步骤：步骤一、固定好相机，调节相机和刀具的相对位置；步骤二、在检测系统中进行相机校准和调整相机曝光值；步骤三、通过相机按照设定好的采集路径采集出刀具刃口轮廓数据传输到计算机；步骤四、检测系统对数据进行去噪、平滑处理并计算出磨损量。本发明的铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法具有检测精度高、结构简单和工作可靠的优点，并在实际加工中有很强的实用性。

Description

一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法

技术领域：

本发明涉及一种刀具刃口磨损检测装置及方法，特别是涉及一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法。

背景技术：

随着航空航天业技术的快速发展，对其零件的加工精度提出了更高的要求，钛合金薄壁类零件在航空航天业应用广泛，由于零件材料性质和结构特点，钛合金材料加工过程中不易导热，易造成刀具磨损加快，导致了薄壁件的加工精度难以保证。刀具磨损在机械加工过程中是普遍存在的，随着加工时长的增加，刀具磨损程度也不断增加，磨损程度不同的刀具在加工过程中对零件加工精度、效率和经济效益都有着重要的影响。由于航空航天业的薄壁类零件在使用上要求加工精度非常高，所以在精加工过程中要严格控制刀具磨损对零件加工精度的影响，在提高了零件的加工精度的基础上也提高了加工效率。

传统的刀具磨损检测方法一般是基于加工过程中的切削力、振动和声等信号检测磨损，通过分析这些信号与刀具磨损量之间关系来确定刀具磨损程度，可以看出这种方法存在很大随机性，若信号与刀具磨损量之间关系分析的不准确，将严重影响检测精度。基于机器视觉技术检测刀具磨损可以检测出刀具直观的磨损状态，现在大多数情况下是利用刀具磨损二维图像计算出的VB值判断刀具磨损程度，忽略了刀具刃口的磨损体积等磨损量对加工精度影响，因此需要一种三维检测技术确定刀具刃口的磨损程度，判断是否需要换一把新刀进行下面工序的加工，保证加工精度和效率，避免了由于刀具磨损造成加工出零件报废的现象，提高了加工过程中的经济效益。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，使用相机调节装置将三维检测相机安装在数控机床上，三维相机可采集到刀具刃口轮廓数据，运用Visual C++6.0的MFC开发平台建立了刀具磨损检测系统，该系统由工控机-机床通讯、图像采集、数据处理和磨损量计算模块组成，按照采集步骤将采集出的数据传输到计算机，由数据处理模块对其进行去噪和平滑处理，再通过磨损量计算模块计算出刀具刃口的磨损量。

本铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，相机调节装置主要由相机支座、Z轴滑块、相机固定架、Y轴滑杆、Y轴滑块和磁力座组成，该装置首先由移动磁力座在机床上的位置来确定相机与刀具检测时的位置，通过Z轴滑块在相机支座上滑动调节相机在Z轴方向的位置并可绕Z轴旋转，调节到正确位置时由Z轴滑块紧定螺栓固定，在Y轴方向上的位置调节由Y轴滑块在Y轴滑杆上滑动并可绕Y轴旋转，确定位置时再由Y轴滑块紧定螺栓固定，相机固定架可绕X轴旋转，调整好旋转角度后由相机固定架紧定螺母固定。

本铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，三维检测相机选用基于结构光技术的三维检测相机，通过相机调节装置确定的相机位置，使相机投射的结构光平面与刀具刃口保持垂直，可快速扫描出刀具刃口的轮廓数据，以设定好的采集路径采集出整条切削刃数据并传输到计算机。

本铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，由相机采集出的刀具刃口数据在磨损量计算之前需要通过检测系统中的数据处理模块进行处理，首先利用移动最小二乘法对采集的数据进行去噪、平滑处理，再基于差分曲率法估算出离散点的曲率，根据曲率值对轮廓数据进行聚类处理，将数据分成直线段和圆弧段数据两类。

本铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，将处理后的刀具刃口轮廓数据输入到磨损量计算模块，通过相应的计算方法计算出刀具刃口的钝圆半径、VB值和磨损体积，判断刀具的磨损情况。

本铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，利用最小二乘法对通过聚类分析得出的刀具刃口轮廓直线段数据拟合出两条直线，再得到其角平分线与刀具刃口轮廓的交点，过交点做与两条拟合直线相切的圆，所有相机扫描截面数据中得出圆半径的最大值记为刀具刃口钝圆半径；将未发生磨损的刀具刃口轮廓数据与每个截面中磨损的刀具刃口轮廓数据转化到测量坐标系中，识别两轮廓数据临界点，过两临界点做垂直后刀面的两条平行线并计算两条平行线距离，判断出所有截面数据中得出距离的最大值记为VB值；测量坐标系中在两临界点范围内分别做两轮廓线积分，求出两个积分的差值记为横截面内的磨损面积S，再将每个截面的磨损面积与截面间隔Δl相乘累加进而求出磨损区域近似的磨损体积V。

本铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，检测方法包括以下步骤：

步骤一、固定好相机，通过相机调节装置调节好相机和刀具的相对位置，保证相机结构光线与刀具刃口垂直并可采集到刀具刃口轮廓数据；

步骤二、在检测系统中进行相机校准和调整相机曝光值，保证采集出清晰有效的刀具刃口轮廓数据；

步骤三、通过数控机床的通讯系统控制主轴和Z轴伺服电机，按照设定好的转速和进给速度使刀具和相机形成相对运动，相机可根据采集路径采集出刀具刃口轮廓数据并传输到计算机；

步骤四、检测系统中的数据处理模块对数据进行去噪、平滑处理，再通过磨损量计算模块计算出磨损量，判断刀具的磨损情况。

通过上述结构可知，本发明的铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法的有益效果在于：该铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法搭建了简单、实用的检测装置，运用C++面向对象技术构造了检测系统并提出了一种新的、系统的铣刀侧刃刃口三维检测方法，可以对在机械加工过程中的刀具进行在位高精度的三维检测，当刀具磨损达到一定程度时及时更换刀具进行加工，避免了由于刀具破损给生产带来的损失，提高了加工精度和效率，保证了产品质量，具有良好的经济使用价值。

附图说明：

图1是本发明采集系统结构示意图；

图2是本发明相机采集路径图；

图3是本发明基于移动最小二乘法的数据平滑拟合流程图；

图4是本发明钝圆半径计算示意图；

图5是本发明测量坐标系内刀具刃口轮廓图；

图6是本发明刀具刃口磨损三维检测流程图。

附图标记说明：

数控机床(1)、Z轴滑块紧定螺栓(2)、相机支座(3)、Z轴滑块(4)、相机固定架(5)、Y轴滑杆(6)、Y轴滑块紧定螺栓(7)、Y轴滑块(8)、相机固定架紧定螺母(9)、三维检测相机(10)、紧定螺钉(11)、磁力座(12)。

具体实施方式：

下面通过实施例，结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，应该理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图6，一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，使用相机调节装置将三维相机安装在数控机床上，三维相机可采集到刀具刃口轮廓数据，运用Visual C++6.0的MFC开发平台建立了刀具磨损检测系统，该系统由工控机-机床通讯、图像采集、数据处理和磨损量计算模块组成，按照采集步骤将采集出的数据传输到计算机，由数据处理模块对其进行去噪和平滑处理，再通过磨损量计算模块计算出刀具刃口的磨损量。

进一步，如图1，相机调节装置主要由相机支座(3)、Z轴滑块(4)、相机固定架(5)、Y轴滑杆(6)、Y轴滑块(8)和磁力座(12)组成，该装置相机支座(3)与磁力座(12)由紧定螺钉(11)连接在一起，由移动磁力座(12)在机床上的位置来确定三维检测相机(10)与刀具检测时的位置，通过Z轴滑块(4)在相机支座(3)上滑动调节三维检测相机(10)在Z轴方向的位置并可绕Z轴旋转，调节到正确位置时由Z轴滑块紧定螺栓(2)固定，在Y轴方向上的位置调节由Y轴滑块(8)在Y轴滑杆(6)上滑动并可绕Y轴旋转，确定位置时再由Y轴滑块紧定螺栓(7)固定，相机固定架(5)可绕X轴旋转，调整好旋转角度后由相机固定架紧定螺母(9)固定。

进一步，如图1和2，三维检测相机选用基于结构光技术的三维检测相机，通过相机调节装置确定的相机位置，使相机投射的结构光平面与刀具刃口保持垂直，可快速扫描出刀具刃口轮廓数据，以采用微元的方法设定好的采集路径，在每条切削刃上设定n个采集截面，采集路径需要通过机床主轴转动和Z轴方向上的进给形成铣刀侧刃与相机的相对运动，设定相机采集t时间内采集截面间距为Δl，可以得出主轴转速，即

其中，α为相机采集t时间间隔内主轴转过的角度，计算公式为：

根据相机采集截面间距Δl和采集时间t，可计算出Z轴进给速度，即

其中，z为采集t时间间隔内机床Z轴方向的进给位移，计算公式为：

z＝Δl×cosβ

式中，β为刀具螺旋角，r为刀具半径。

进一步，如图3，由相机采集出的刀具刃口数据在磨损量计算之前需要通过检测系统中的数据处理模块进行处理，利用移动最小二乘法对采集的数据进行去噪、平滑处理，通过计算轮廓数据点于邻近点的距离，判断出影响区域内邻近点的个数，采用四次样条权函数做为离散点拟合的权函数并根据影响区域内邻近点与轮廓数据点的距离计算出每一个邻近点出的权函数，根据权函数得出拟合函数，利用移动最小二乘法在一个局部子域上进行曲线拟合的拟合函数表达式为：

式中，α_j(x)为待求系数，m为基函数的项数，p(x)为基函数向量，即

p(x)＝(1,x,y,x²,xy,y²) m＝6

在支持域半径影响区域内，为使近似函数f(x)在节点x处对待求函数y(x_i)的逼近误差最小，即

式中，y(x_i)为节点x_i的函数值，ω_i(x)为节点x_i的权函数，要使逼近误差最小，求取J的极小值，即

从上式中可以得出

α(x)＝A^-1(x)B(x)Y

B(x)＝[ω₁(x)p(x₁),ω₂(x)p(x₂),∧,ω_n(x)p(x_n)]

Y＝[y(x₁),y(x₂),∧,y(x_n)]^T

将得出的系数α(x)代入待求拟合函数表达式中求出拟合函数，再通过拟合函数求出各节点的新的坐标数据，按照离散点数据依次计算得出拟合后的坐标数据集合，有效的去除噪声点和冗余点的影响；基于差分曲率法估算出离散点曲率，根据曲率值对轮廓数据进行聚类处理，将数据分成直线段和圆弧段数据两类。

进一步，将处理后的刀具刃口轮廓数据输入到磨损量计算模块，通过相应的计算方法计算出刀具刃口的钝圆半径、VB值和磨损体积，判断刀具的磨损情况。

进一步，如图4和5，利用最小二乘法对通过聚类分析得出的刀具刃口轮廓直线段数据拟合出两条直线，再得到其角平分线与刀具刃口轮廓的交点，过交点做与两条拟合直线相切的圆，所有相机扫描截面数据中得出圆半径的最大值记为刀具刃口钝圆半径；

将未发生磨损的刀具刃口轮廓数据与每个截面中磨损的刀具刃口轮廓数据转化到测量坐标系中，识别两轮廓数据临界点，过a、b两临界点做垂直后刀面的两条平行线并计算两条平行线距离，判断出所有截面数据中得出距离的最大值记为VB值；

测量坐标系中在两临界点范围内分别做两轮廓线积分，求出两个积分的差值记为横截面内的磨损面积S，再将每个截面的磨损面积与截面间隔Δl相乘累加进而求出磨损区域近似的磨损体积V，即

V＝S₁×Δl₁+S₂×Δl₂+…+S_n×Δl_n

式中，S为截面上磨损面积，Δl为截面间隔距离，n为相机在切削刃上拍摄的截面数。

进一步，如图6，本铣刀侧刃刃口磨损三维检测方法包括以下步骤：

步骤一、固定好相机，通过相机调节装置调节好相机和刀具的相对位置，保证相机结构光线与刀具刃口垂直并可采集到刀具刃口轮廓数据；

步骤二、在检测系统中进行相机校准，确定好相机位置后调整相机曝光值，保证采集出清晰有效的刀具刃口轮廓数据；

步骤三、通过数控机床的通讯系统控制主轴和Z轴伺服电机，按照设定好的转速和进给速度使刀具和相机形成相对运动，相机可根据采集路径采集出刀具刃口轮廓数据并传输到计算机；

步骤四、检测系统中的数据处理模块对数据进行去噪、平滑处理，再通过磨损量计算模块计算出磨损量，判断刀具的磨损情况。

需要说明的是，本发明的说明书及其附图给出了本发明的优选实施方式，但并不限于本说明书所描述的实施方式，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解更加透彻全面，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，对本领域普通技术人员来说，凡在本发明的构思和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应落入本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，其特征在于：使用相机调节装置将三维检测相机安装在数控机床上，三维相机可采集到刀具刃口轮廓数据，运用Visual C++6.0的MFC开发平台建立了磨损检测系统，该系统由工控机-机床通讯、图像采集、数据处理和磨损量计算模块组成，按照采集步骤将采集出的数据传输到计算机，由数据处理模块对其进行去噪和平滑处理，再通过磨损量计算模块计算出刀具刃口的磨损量。

2.根据权利要求1所述的一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，其特征在于：所述的相机调节装置主要由相机支座(3)、Z轴滑块(4)、相机固定架(5)、Y轴滑杆(6)、Y轴滑块(8)和磁力座(12)组成，该装置通过移动磁力座(12)确定检测时相机与刀具的相对位置，通过Z轴滑块(4)在相机支座(3)上滑动调节相机在Z轴方向的位置并可绕Z轴旋转，通过Y轴滑块(8)在Y轴滑杆(6)上滑动调节相机在Y轴方向的位置并可绕Y轴旋转，相机固定架(5)可绕X轴旋转。

3.根据权利要求1所述的一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，其特征在于：所述的三维检测相机选用基于结构光技术的三维检测相机，相机投射的结构光平面与刀具刃口垂直，快速扫描出刀具刃口轮廓数据，根据设定好的采集路径，采集出整条切削刃数据。

4.根据权利要求1或3所述的一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，其特征在于：所述的由相机采集出的刀具刃口数据，需要通过系统中的数据处理模块采用移动最小二乘法对其数据进行去噪、平滑处理，再基于差分曲率法估算出离散点曲率，根据曲率值对轮廓数据中直线段和圆弧段数据进行聚类处理。

5.根据权利要求1所述的一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，其特征在于：所述的磨损量计算模块将数据处理模块处理后的刀具刃口轮廓数据根据相应的计算方法计算出刀具刃口的钝圆半径、VB值和磨损体积。

6.根据权利要求5所述的一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，其特征在于：所述的钝圆半径计算方法是将刀具刃口直线段数据拟合两条直线，再得到其角平分线与刀具刃口轮廓的交点，过交点做与两条拟合直线相切的圆，所有相机扫描截面数据中得出圆半径的最大值记为刀具刃口钝圆半径；将未发生磨损的刀具刃口轮廓数据与每个截面中磨损的刀具刃口轮廓数据转化到测量坐标系中，识别出两轮廓数据临界点，再过两临界点做垂直后刀面的两条平行线并计算两条平行线距离，所有截面数据中得出距离的最大值记为VB值；测量坐标系中在两临界点范围内分别做两轮廓线积分，求出两个积分的差值记为横截面内的磨损面积S，再将每个截面的磨损面积与截面间隔Δl相乘并进行累加进而求出磨损区域近似的磨损体积V。

7.根据权利要求1所述的一种铣刀侧刃刃口磨损三维检测装置及方法，其特征在于：所述的检测方法包括以下步骤：

步骤一、固定好相机，调节相机和刀具的相对位置，保证相机结构光线与刀具刃口垂直并可采集到刀具刃口轮廓数据；

步骤二、在检测系统中进行相机校准和调整相机曝光值，保证采集出清晰有效的刀具刃口轮廓数据；

步骤三、通过数控机床的通讯系统控制主轴和Z轴伺服电机，按照设定好的转速和进给速度使刀具和相机形成相对运动，相机可根据采集路径采集出刀具刃口轮廓数据并传输到计算机；

步骤四、检测系统中的数据处理模块对数据进行去噪、平滑处理，再通过磨损量计算模块计算出磨损量，判断刀具的磨损情况。