CN108931961A - 一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，包括如下步骤，步骤1，检测初始化；步骤2，在指定位置布置光源和相机；步骤3，采用步骤2中光源和相机的布置，分别对前刀面、后刀面以及底刃进行图像采集，并传送至计算机进行图像处理，将同一区域破损前后的图像做差，获取刀具的磨破损信息。与传统的基于主轴电流和声发射等方法相比，具有直观、准确的优点。利用相机配合光源，可以直接获取刀具表面图像，并且通过网线传送至计算机，进行图像处理，即可得到反应刀具表面状态的磨破损区域图像，经过像素点统计计算，可得到相应的区域面积等评价指标。无需通过信息的转换以及标定，且具有较高的判别精度和较高的工程应用价值。

Description

一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法
技术领域
本发明涉及整体式立铣刀磨破损检测领域，具体为一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法。
背景技术
随着计算机技术在机械加工制造业中的大量应用以及生产自动化程度的迅速提高，特别是数控技术(CNC)的高速普及和柔性制造系统(FMS)的不断兴起，使得人们越来越重视机械加工过程中状态检测技术的研究，尤其是刀具状态检测技术的研究。
机械加工中，刀具磨破损是影响产品加工质量、加工精度以及企业效益的一个非常重要的因素。随着社会与科学技术的发展，对产品的制造质量要求越来越高，使得对机械加工过程中刀具状态的检测越发重要。在加工过程中，如果刀具的磨损或破损未能及时的发现，很有可能会引起工件的报废以及机床的损坏，从而导致切削过程的中断，甚至使整个柔性生产系统停止运行，造成非常大的经济损失。
在国内，近年来也开展了多种刀具状态检测技术的研究。如胡江林等提取声发射(AE)信号的累积振铃数作为刀具磨损检测的特征量，通过实验证明了此方法的可行性；贺晓辉等利用小波分析提取刀具正常切削时的主轴功率信号的特征序列作为刀具状态检测的特征模板，在加工工件时实时采集主轴功率信号并提取相应特征，与模板特征进行广义的相关系数计算，通过设定相关系数阈值，确定刀具切削状态；郑金兴等利用小波分解提取振动信号的频带能量作为特征量，并建立特征量与刀具磨损量的关系用于预测刀具磨损量；熊世昌研究了基于机器视觉的刀具状态检测技术，其研究重点是针对于被加工工件的表面纹理来反映的刀具状态以及采用马尔科夫随机场理论应用于车刀后刀面图像阈值分割；西安理工大学以机器视觉为技术手段，对车刀后刀面的磨损检测技术进行了研究，并且建立了基于机器视觉的后刀面磨损检测系统，采用亚像素技术提高了刀具磨破损图像的检测精度，同时采用了马尔科夫随机场理论用于后刀面图像阈值分割；南京航天航空大学研究了基于机器视觉的立铣刀磨损检测技术，主要是针对于球头刀及平底铣刀的副后刀面的磨破损检测，并没有开展关于整体式立铣刀前刀面、后刀面以及刀尖磨破损检测的研究；东华大学开展了基于机器视觉的微型立铣刀刀具状态检测技术的研究，主要是根据刀具轮廓变化来判断刀具状态。
综上所述，刀具状态的检测方法主要分为间接检测法和直接检测法。间接检测法主要是指基于主轴电流信号、声发射信号或振动信号的检测方法，通过检测与刀具状态有相关关系的参量来间接地反应刀具的状态，虽然能够实现在线检测，但易受干扰，准确性低，未能有效的检测实际切削加工过程中的刀具的状态。直接检测法根据检测对象分为基于刀具表面、工件表面以及切屑形态的三种检测方法，最后一种处于初步探究中，第二种，属于间接层面，工件表面状态与多种因素有关，无法直接反应刀具的切削状态。现有技术中，由于整体式立铣刀复杂的空间几何结构很难获得有效的图像信息，基于机器视觉的刀具磨破损检测方法都是针对于车削刀具，即使为整体式铣削刀具也仅仅是检测其刀具直径的变化。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，方法简单，使用高效，直观准确降低实际加工过程中由于刀具磨破损导致的工件报废以及机床损坏的风险，保证刀具时刻以正常的切削状态加工。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，包括如下步骤，
步骤1，检测初始化；将刀具安装在三轴立式铣床上，并记录刀具在机床坐标系下的坐标，作为刀具磨破损检测的指定位置；
步骤2，在指定位置布置光源和相机；
采用点光源检测前刀面，采用Dome光源检测底刃及后刀面；
对于前刀面，圆柱形的点光源中心轴线与刀具轴线的夹角为刀具的螺旋角，且点光源光斑照射区域为前刀面上靠近切屑刃一侧的区域，相机垂直于前刀面的光斑照射区域；
对于后刀面，半球形的Dome光源中间设置相机专用孔，相机与光源同轴安装，且与刀具轴线垂直放置；
对于底刃，半球形的Dome光源中间设置相机专用孔，相机与光源同轴安装，且与刀具底部端面垂直；
步骤3，采用步骤2中光源和相机的布置，分别对前刀面、后刀面以及底刃进行图像采集，并传送至计算机进行图像处理，将同一区域破损前后的图像做差，获取刀具的磨破损信息。
优选的，步骤3中进行图像采集时，通过如下步骤对全部的切削刃进行采集，
3.1采用步骤2中光源和相机的布置，先对底刃图像进行采集；
3.2在单位采集长度内，分别对一个切削刃的前刀面和后刀面进行图像采集；
3.3旋转刀具依次完成当前单位采集长度内全部切削刃的图像采集；
3.4将采集前刀面和后刀面的光源和相机沿刀具轴向移动到下一单位采集段，重复步骤3.2和3.3，完成下一单位采集段高度内的全部切削刃的图像采集，直到完成参与切削部分的全部切削刃的图像采集。
优选的，步骤3中进行图像处理时，包括如下步骤，
a、图像预处理；
b、采用Otsu阈值分割将整体式立铣刀区域图像进行二值化处理，获得包含磨破损区域的目标区域，再经过形态学处理去除非理想区域，即可获得最终的目标区域，并得到磨破损的磨损形式；
c、对最终目标区域进行边缘封闭操作，将同一区域破损前后的图像做差，通过统计最终目标区域的像素点个数，获得刀具当前的磨破损状态。
进一步，所述的图像预处理包括依次对图像的裁剪、去噪锐化以及对比度增强处理。
进一步，所述的图像处理步骤，基于Matlab对采集到的图像进行图像的数据处理。
进一步，刀具连续加工，每隔固定时间间隔，将刀具移动到指定位置，根据步骤2和3的图像采集和处理过程，得到刀具当前的磨破损状态。
进一步，所述的相机均采用CCD相机。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，与传统的基于主轴电流和声发射等方法相比，具有直观、准确的优点。利用相机配合光源，可以直接获取刀具表面图像，并且通过网线传送至计算机，进行图像处理，即可得到反应刀具表面状态的磨破损区域图像，经过像素点统计计算，可得到相应的区域面积等评价指标。无需通过信息的转换以及标定，且具有较高的判别精度和较高的工程应用价值。
附图说明
图1a是本发明实例中所述的对立式三轴数控铣床中整体式立铣刀磨破损检测的相机、光源以及刀具安装位置示意图。
图1b是图1a中检测时指定位置及图像采集传送示意图。
图2a是本发明实例中所述的针对前刀面的检测原理示意图，为正视图。
图2b是本发明实例中所述的针对前刀面的检测原理示意图，为右视图。
图3是本发明实例中所述的针对后刀面及底刃的检测原理示意图。
图中：1-刀具，2-光源，3-相机，4-万向旋转臂，5-计算机，a-螺旋角，b-90°，c-螺旋角。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，主要是针对于整体式立铣刀的前刀面、后刀面以及刀尖的检测，通过相机、光源和计算机完成。刀具安装在主轴上，相机通过万向旋转臂4固定安装在数控机床工作台旁边，每次测量时，将刀具移动到指定位置，通过相机采集刀具各个部分的图像，并且传输至计算机进行处理、存储和显示。本发明通过相机采集加工过程中一定时间间隔下的刀具的磨破损图像，基于Matlab计算图像中的磨破损信息，获得刀具当前的切削状态。利用该方法可以直观、准确的获得刀具的状态信息，在采集图像自动化的前提下，可以实现刀具状态的自动测量与分析，具有较高的工程应用价值。
如图1a和图1b，本发明所述基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，由刀具1、光源2、相机3和计算机5共同完成，刀具1通过刀柄安装于机床主轴上，相机3通过万向旋转臂4固定安装机床工作台的旁边，而且实现光源与相机的位置匹配；如图2a和2b所示，针对于前刀面，选择点光源，布置方式为，圆柱形的点光源中心轴线与刀具轴线的夹角为刀具的螺旋角，且点光源光斑照射区域为前刀面上靠近切屑刃一侧的区域，相机垂直于前刀面的光斑照射区域；如图3所示针对于后刀面，将半球形的Dome光源中间设置相机专用孔，相机与光源同轴安装，且与刀具轴线垂直放置，Dome光源具有高均匀性的特点，适用于螺旋铣刀这类表面凹凸不平、反光不均匀物体的检测；针对于底刃，采用与后刀面同样的方式，相机与光源同轴安装，且与刀具底部端面垂直。将相机3采集得到的刀具图像通过网线传输至计算机5，用Matlab完成图像的处理和显示。
具体的，一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，采用刀具1、光源2、相机3和计算机5，所述刀具1安装于机床主轴上，并且参与切削加工过程；所述相机3通过万向旋转臂4安装于机床工作台旁边，并且实现与光源位置的匹配，针对于立铣刀前刀面选择点光源，后刀面以及底刃选择Dome光源；相机3直接与计算机5相连，将图像传送至计算机5，经过图像处理，完成刀具状态的图像化表征，并给出具体的磨破损信息。通过正确的匹配刀具、相机与光源的空间位置，可以保证获取有效的图像信息；在图像处理过程中，引入图像锐化、Otsu阈值分割以及形态学处理，可以保证有效的提取磨破损区域及评价指标。
其使用时包括以下步骤：
(1)整体式立铣刀的磨破损图像获取方式：
将刀具1安装在三轴立式铣床上，针对于前刀面选择点光源，针对于底刃及后刀面选择Dome光源。
对于前刀面，圆柱形点光源中心轴线与刀具轴线的夹角为刀具的螺旋角，且点光源光斑照射区域为前刀面上靠近切屑刃一侧的区域，原因在于磨破损区域一般发生在切削刃附近，相机垂直于前刀面的光斑照射区域；
针对于后刀面，Dome光源为半球形，中间有设计的相机专用孔，可以将相机与光源安装在一起，二者中心轴线重合，且与刀具轴线垂直放置；
针对于底刃，相机与光源采用与后刀面同样的配置方式，此时二者轴线与刀具底部端面垂直；
并分别记录检测刀具不同部分时刀具所在机床坐标系下的坐标，规定为刀具磨破损检测指定位置。
(2)整体式立铣刀磨破损检测：
启动数控机床，按照预定加工程序，加工半个小时之后停机，调用坐标信息，将刀具移动到已标定好的指定位置，按照步骤(1)中已经标定好的空间布局分别对前刀面、后刀面以及底刃进行图像采集，通过网线传送至计算机，并且经过图像处理，获取刀具的磨破损信息。
完成全部切削刃的检测时，采集过程如下，采集方式为利用步骤(1)中已经确定好的空间布局，首先完成刀具底刃的检测，之后完成前刀面和后刀面的检测，由于光源取景的范围有限，此时只是完成了某一个切削刃的单位采集段长度的检测，旋转刀具，完成该采集段高度上全部齿的检测，然后将相机3与光源2沿着刀具轴向移动到下一采集段，检测下一单位采集段高度的刀具磨破损情况，直到完成参与切削部分的切削刃的检测。
本优选实例中，相机3采用CCD相机，CCD相机通过网线与计算机5相连，可完成刀具磨破损图像的采集、传送与处理；图像处理过程为首先经过图像预处理，包括自动裁剪、去噪以及对比度增强，然后采用Otsu阈值分割将整体式立铣刀区域图像进行二值化处理，获得包含磨破损区域的目标区域，再经过形态学处理去除非理想区域，即可获得最终的目标区域。对于磨损形式，可直接得到最终结果，而破损区域需要进一步的边缘封闭操作，即将同一区域破损前后的图像做差，得到最终结果，通过统计目标区域的像素点个数的方式获得刀具当前的磨破损状态。
刀具连续加工，每隔固定时间间隔，将刀具移动到指定位置，根据上述采集过程，通过相机采集刀具的需求图像并传送至计算机，通过上述的图像处理，自动计算得到刀具的磨破损信息，从而给出刀具当前的切削状态。

Claims (7)

1.一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，检测初始化；将刀具(1)安装在三轴立式铣床上，并记录刀具(1)在机床坐标系下的坐标，作为刀具磨破损检测的指定位置；
步骤2，在指定位置布置光源和相机；
采用点光源检测前刀面，采用Dome光源检测底刃及后刀面；
对于前刀面，圆柱形的点光源中心轴线与刀具轴线的夹角为刀具的螺旋角，且点光源光斑照射区域为前刀面上靠近切屑刃一侧的区域，相机垂直于前刀面的光斑照射区域；
对于后刀面，半球形的Dome光源中间设置相机专用孔，相机与光源同轴安装，且与刀具轴线垂直放置；
对于底刃，半球形的Dome光源中间设置相机专用孔，相机与光源同轴安装，且与刀具底部端面垂直；
步骤3，采用步骤2中光源和相机的布置，分别对前刀面、后刀面以及底刃进行图像采集，并传送至计算机进行图像处理，将同一区域破损前后的图像做差，获取刀具的磨破损信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，其特征在于，步骤3中进行图像采集时，通过如下步骤对全部的切削刃进行采集，
3.1采用步骤2中光源和相机的布置，先对底刃图像进行采集；
3.2在单位采集长度内，分别对一个切削刃的前刀面和后刀面进行图像采集；
3.3旋转刀具依次完成当前单位采集长度内全部切削刃的图像采集；
3.4将采集前刀面和后刀面的光源和相机沿刀具轴向移动到下一单位采集段，重复步骤3.2和3.3，完成下一单位采集段高度内的全部切削刃的图像采集，直到完成参与切削部分的全部切削刃的图像采集。
3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，其特征在于，步骤3中进行图像处理时，包括如下步骤，
a、图像预处理；
b、采用Otsu阈值分割将整体式立铣刀区域图像进行二值化处理，获得包含磨破损区域的目标区域，再经过形态学处理去除非理想区域，即可获得最终的目标区域，并得到磨破损的磨损形式；
c、对最终目标区域进行边缘封闭操作，将同一区域破损前后的图像做差，通过统计最终目标区域的像素点个数，获得刀具当前的磨破损状态。
4.根据权利要求3所述的一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，其特征在于，所述的图像预处理包括依次对图像的裁剪、去噪锐化以及对比度增强处理。
5.根据权利要求3所述的一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，其特征在于，所述的图像处理步骤，基于Matlab对采集到的图像进行图像的数据处理。
6.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，其特征在于，刀具连续加工，每隔固定时间间隔，将刀具移动到指定位置，根据步骤2和3的图像采集和处理过程，得到刀具当前的磨破损状态。
7.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的整体式立铣刀磨破损检测方法，其特征在于，所述的相机均采用CCD相机。
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