CN110177646A - 表征切削工具切削刃 - Google Patents

Abstract

用于从切削工具切削刃的图像表征切削工具切削刃的方法和设备。测量缺口、裂缝和其它工具切削刃缺陷，从而提供切削工具切削刃的状况的指示。

Description

表征切削工具切削刃

技术领域

本发明涉及表征切削工具切削刃的领域。

背景技术

多晶超硬材料，诸如多晶金刚石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)可用于各种工具，用于切割、加工、钻孔或降解硬质或磨蚀性材料，诸如岩石、金属、陶瓷、复合材料和含木材料。

研磨压块广泛用于切割、铣削、磨削、钻孔和其它研磨操作。它们通常含有分散在第二相基质中的超硬研磨颗粒。基质可以是金属或陶瓷或金属陶瓷。超硬研磨颗粒可以是金刚石、立方氮化硼(cBN)、碳化硅或氮化硅等。这些颗粒可以在通常使用的高压和高温压块制造工艺期间彼此结合以形成多晶物质，或者可以经由第二相材料(多种第二相材料)的基质结合以形成烧结多晶体。这种物体通常称为多晶金刚石或多晶立方氮化硼，其中它们分别含有金刚石或cBN作为超硬磨料。

在生产PCBN工具插入件期间，超过50％的成本与磨削相关。在该成形步骤之后，由于切削刃缺口，超过10％的由低含量cBN等级组成的工具失效。质量控制通常依靠视觉完成，其受到可以看到的缺口的尺寸的限制，并且具有主观性(一个操作员可能发现小缺口是可接受的，而另一个操作员可能发现相同的缺口是不可接受的)。

替代地，可以使用具有高放大率的显微镜或电子显微镜来表征切削刃，如图1所示。在显微镜中成像切削工具切削刃1并观察缺口2。为了表征缺口，在缺口2上的原本将看到未缺口的切削刃的位置绘制第一切线3。在缺口2的最深点处绘制第二平行切线4。第一切线3和第二切线4之间的距离用于估计缺口的深度。这是一次只能分析一个缺口且依赖主观操作员输入并花费几分钟来表征单个缺口的手动过程。

发明内容

本发明的目的是提供改进的方法和设备，用于表征工具的切削刃，特别是表征工具的切削刃中的一个或多个缺口或其它几何缺陷。

根据第一方面，提供一种表征切削工具切削刃的方法。该方法包括获得切削工具切削刃的图像。切削工具切削刃位于图像中。确定切削工具切削刃的中心点，其特征在于，确定从中心点到以多个角度定位的切削工具切削刃的距离。该方法的一个优点是可以识别所有可见缺陷并在其几何形状和尺寸方面准确地表征。

定位切削工具切削刃的示例性方式包括对图像进行阈值处理和应用Canny边缘检测算法。

作为选择，确定切削工具切削刃的中心点的步骤包括确定切削工具切削刃的弯曲部分的曲率半径的中心点。作为另一种选择，弯曲部分是大致圆形的。

作为另一种选择，该方法包括以下步骤：

(i)识别位于切削工具切削刃的弯曲部分的任一侧的切削工具切削刃的第一线性部分和第二线性部分；

(ii)确定第一线性部分和第二线性部分中的每一个相对于图像中的y方向的角度；

(iii)如果第一线性部分和第二线性部分的角度不相等，则旋转图像；和

(iv)重复步骤(ii)和(iii)直到第一线性部分和第二线性部分的角度相等。

作为另一种选择，该方法包括以下步骤：通过以下方式确定切削工具切削刃的弯曲部分的曲率半径的中心点：

将线性部分外推直到它们相交以确定中心点所在的中心线；和

在切削工具切削刃周围的区域中内插抛物线以确定切削工具的曲率半径。

该方法可选地包括计算从中心点到所定位的切削工具切削刃的距离与从中心点到由曲率半径确定的切削工具切削刃的弯曲部分的距离之间的差。作为另一种选择，关于相对于中心轴线的角度绘制计算得到的差。

作为选择，对所定位的切削工具切削刃的位置应用至少一个校正，以校正倒角角度和夹具角度中的任何角度。

可选地使用光学显微镜、扫描电子显微镜和聚焦堆叠成像技术中的任何技术来获得切削工具切削刃的图像。

切削工具可选地包括多晶立方氮化硼、多晶金刚石、烧结碳化钨、工具钢、单晶金刚石、金刚石晶粒和立方氮化硼晶粒中的任何材料。

根据第二方面，提供一种计算机设备，其被构造成执行切削工具切削刃的表征。该计算机设备设置有图像输入装置，该图像输入装置被布置成获得切削工具切削刃的图像。处理器被构造成在图像中定位切削工具切削刃。处理器还被构造成确定切削工具切削刃的中心点。处理器还被构造成以相对于中心点的多个角度通过确定从中心点到所定位的切削工具切削刃的距离来表征切削工具切削刃。

作为选项，处理器被构造成通过对图像进行阈值处理和应用Canny边缘检测算法中的任何方式来定位切削工具切削刃。

作为选择，处理器被构造成通过确定切削工具切削刃的弯曲部分的曲率半径的中心点来确定切削工具切削刃的中心点。

作为另一种选择，处理器还被构造成执行以下步骤：

(i)识别位于切削工具切削刃的弯曲部分的任一侧的切削工具切削刃的第一线性部分和第二线性部分；

(ii)确定第一线性部分和第二线性部分中的每一个相对于图像中的y方向的角度；

(iii)如果第一线性部分和第二线性部分的角度不相等，则旋转图像；和

(iv)重复步骤(ii)和(iii)直到第一线性部分和第二线性部分的角度基本相等。

作为另一种选择，处理器还被布置成通过外推线性部分直到它们相交以确定中心点所在的中心线并在切削工具切削刃周围的区域中内插抛物线以确定切削工具的曲率半径来确定切削工具切削刃的弯曲部分的曲率半径的中心点。

作为另一种选择，处理器还被构造成计算从中心点到所定位的切削工具切削刃的距离与从中心点到由曲率半径确定的切削工具切削刃的弯曲部分的距离之间的差。

作为另一种选择，处理器还被构造成关于相对于中心轴线的角度绘制计算得到的差，计算机设备还包括输出装置，该输出装置被构造成输出绘图。

作为选择，处理器被构造成对所定位的切削工具切削刃的位置应用至少一个校正，以校正倒角角度和夹具角度中的任何角度。

根据第三方面，提供一种包括计算机可读代码的计算机程序，当在计算机设备上运行时，该计算机可读代码使计算机设备执行如上文在第一方面中描述的方法。

根据第四方面，提供一种计算机程序产品，其包括计算机可读介质和如上文在第三方面中描述的计算机程序，其中计算机程序存储在计算机可读介质上。

附图说明

现在将通过示例并参考附图来描述非限制性实施例，其中：

图1示出了用于测量在切削工具切削刃上观察到的缺口的深度的已知技术；

图2示出了示例性切削工具切削刃；

图3是示例性切削工具切削刃的坐标图；

图4示出了图2的切削工具切削刃，并进一步示出了用于寻找切削工具切削刃的曲率半径的中心轴线和中心点的技术；

图5是表示相对于切削工具切削刃5的曲线的中心点的角度和多个角位置处的距离r的曲线图；

图6是曲线图，其示出了图5的数据，所述数据表示为关于相对于切削工具切削刃的曲线的中心点的角度的距离变化的线性图；

图7是表示用于表征切削工具切削刃的方法的示例性步骤的流程图；和

图8以框图示意性地示出了用于表征切削工具切削刃的设备。

具体实施方式

本发明人已经建立了表征切削工具切削刃的完全不同的方法，其包括表征切削工具切削刃处的任何缺口或其它表面缺陷的数据。

在此如图2所示，获得了切削工具切削刃5的平面图图像。在图2的图像中，示出了较暗区域6和较亮区域7。在侧视图(未示出)中，切削工具切削刃被倒角，并且暗区域6示出了倒角部分。在切削工具切削刃5中示出了在磨削过程中引起的小缺口8。

重要的是图像具有从切削工具切削刃5到周围区域的足够的亮/暗过渡，其中，具有足够的对比度、景深、角度等。使用光学显微镜拍摄图像的缺点在于在更高放大倍数下的有限景深。一些光学显微镜允许获得聚焦堆叠图像，这允许图像在高放大倍数下在所有景深处聚焦，从而详细地揭示切削刃缺口。可以保存采集设置数据，因此可以使用相同的设置来捕获后续图像，从而提高分析的一致性。

相对于相对低的顶光的背照明光给出了用于图像分析的切削工具切削刃5的理想对比度。

注意的是，可以使用任何合适的成像技术，包括光学显微镜和扫描电子显微镜。

一旦已经获得图像，该过程的下一步是从图像中提取切削工具切削刃5的坐标(在像素空间中)。这样做的示例性方式是对图像进行简单的黑/白转变分析，但是可以使用其它边缘检测技术，例如Canny边缘检测。这通过对图像进行阈值处理来实现；具有高于特定阈值的亮度的所有像素被转换为白色，具有等于或低于特定阈值的亮度的所有像素被转换为黑色。这就是从一开始为什么锐利、高对比度的图像是有益的原因。

由于图像可以具有不同的亮度和饱和度，因此可以允许一些操作员输入以确保当图像被阈值处理时，其最准确地反映切削工具切削刃5的位置。

阈值处理提供包含图像中每个像素的真/假(白/黑)值的电子文件。寻找切削刃迹线的示例性方式是沿着每行或列运行并且寻找从白/黑到黑/白的像素转变，这取决于起点是什么。然而，该技术易受阈值噪声(例如背景不均匀)的影响并且速度相对慢。

替代且优选的技术是使用单线扫描在切削刃上寻找黑色转变为白色的初始点，然后在初始点附近搜索该点的任一侧。这依赖于切削工具切削刃5在阈值图像中或多或少连续的事实。搜索范围在前一线的10个像素内进行，如果未寻找到转变，则以10个像素为增量增加搜索范围。这意味着跟踪算法不会拾取远离切削刃的噪声。

布尔值标志可被用来指示该搜索是否应该从图像的顶部至底部、从底部到顶部、从左到右或者从右到左发生，即，沿着该方向，切削工具切削刃5处的转变最明显。相应地改变图像数据和其它相关输入。

随着寻找到切削工具切削刃5的新点而重复该技术。该过程的结果是可以寻找到并绘制切削工具切削刃5的(x，y)坐标，如图3所示，其绘制了切削工具切削刃5关于沿着图像中的x方向和y方向的像素的位置。

一旦已获得了切削工具切削刃5坐标，就需要实施一些图像处理。(x，y)坐标被转换为极坐标(r，θ)，其中切削工具切削刃5的曲率中心作为原点。需要对数据进行后处理以寻找切削工具切削刃5的曲率中心。注意的是，以下描述假设切削工具切削刃5的弯曲部分具有圆形几何形状，但是其它几何形状也可以使用。

为了寻找切削工具切削刃5的曲率中心点，需要校正切削工具在图像中的任何旋转。难以将切削工具齐平地放置在显微镜观察窗中，因此它可能相对于图像框旋转。为了便于中心点搜索，图像在(x，y)空间中旋转。

在此参考图4，注意在刀尖半径的任一侧的侧面9、10是直的并且相对于中心轴线10具有相等的角度。该信息可用于校正切削工具的旋转。可能需要用户输入来确定图像的竖向部分，在所述竖向部分中直侧面9、10在图像中定位并且可见。在上侧面和下侧面上的这些点的线性回归提供针对直侧面9、10的角度α、α'的值，并因此提供这些侧面相对于图像的y方向的角度。如果角度α、α'不相等，则图像围绕原点旋转，直到角度α、α'相等。旋转方向取决于相对大小以及刀尖在图像中向上或向下。

注意的是，如果侧面不可见，则不需要执行上述步骤，但是校正旋转可以提高后续分析的准确性。

一旦已经校正了图像旋转，则对侧面9、10进行线的外推在外推线的交叉点处给出切削工具切削刃的中心轴线11。替代地，用户可以在视觉上确定并标记切削工具切削刃的中心轴线11，但是发现这不太准确。

使用三角法确定切削工具切削刃的曲率的中心点12：两个半径r、r'之间的角度(当寻找中心轴线11时计算的两个侧面之间的角度的一半)的余弦等于半径除以从交叉点到中心12的距离。后一距离由半径r和从交叉点到所定位的切削工具切削刃5的距离构成。

为了确定到切削刃的距离，可以在x值周围的区域中内插抛物线，并计算y坐标。这也产生(计算的)工具半径r的值。如上所述，注意的是，此技术可以扩展到其它非圆形工具几何形状。还要注意的是可以使用其它技术来确定到切削工具切削刃5的距离，例如应用样条函数。

现在可以将具有图像原点的(x，y)像素坐标转换为原点位于切削工具切削刃5的曲率中心12处的(r，θ)坐标。可以使用用户定义的用刻度确定的图像比例来转换距离。

用户可以定义用于研究的“关注区域”，其是由用户定义为其中需要研究缺口(或其它表面特征)的切削工具切削刃5的区域的角度范围。相应地修整数据。另外，图像是切削工具切削刃的二维平面投影，因此可以对用于在获得图像时保持工具的夹具、和倒角角度进行校正。工具上的倒角角度或珩磨或者如果以一定角度拍摄图像使得具有缺口的工具切削刃未与成像平面平行，则需要这样的校正。为了标准化数据，所计算的工具半径被作为基线减去。出于可视化目的，可以反转数据，使得切削刃缺口(较少材料，较低r值)表现为正值。

图5是示出了相对于切削工具切削刃5的曲线的中心点的角度和多个角位置处的距离r的曲线图。

图6是相同的数据，其表示为关于相对于切削工具切削刃5的曲线的中心点的角度的距离变化的线性图。在这个示例中，距离表示为从中心点到所定位的切削工具切削刃的距离与从中心点到由曲率半径确定的切削工具切削刃的弯曲部分的距离之间的差。缺口8在迹线中显示为槽13。距离0是标准化的中心点。在接近-40°和40°的角度处，差倾向于负值，这是因为圆形几何形状的假设在这些角度条件下不太适用或者在确定中心点时存在误差。

图7是示出示例性步骤的流程图。以下编号对应于图7的编号。

S1.获得切削工具的图像。如上所述，图像优选为高对比度。

S2.例如通过阈值处理在图像中定位切削工具的实际切削刃。这可以例如通过将图像转换为黑白来实现并且可以根据图像的亮度和饱和度涉及一些用户输入。

S3.例如通过确定切削工具切削刃的弯曲部分的曲率的中心点来确定切削工具切削刃的中心点。如上所述，这可以通过识别切削工具切削刃5的弯曲部分的任一侧的线性部分、确定那些部分的角度、如果有必要的话校正图像的旋转、以及获得在线性部分的交叉点处的中心轴线来实现。可以使用如上所述的三角法寻找到切削工具切削刃5的曲率的中心点。

S4.在相对于中心点的多个角度处，确定从中心点到所定位的切削工具切削刃的距离。该信息可简单地表示为距离，或者表示为从中心点到所定位的切削工具切削刃的距离与从中心点到由曲率半径确定的切削工具切削刃的弯曲部分的距离之间的差，或者表示为从中心点到所定位的切削工具切削刃的距离与标准化距离之间的差。这可能还需要对所定位的切削工具切削刃的位置施加至少一个校正，以校正倒角角度和夹具角度中的任何角度。

现在转到图8，其以框图示意性地示出了示例性计算机设备14。计算机设备具有用于获得切削工具切削刃5的图像的图像输入装置15。这可以例如是连接到显微镜的接口。替代地，它可以是用于从另一个源获得图像的装置。提供处理器16用于执行图7中所示的步骤S1到S4。还提供允许用户与计算机设备交互的用户输入装置17。这用于允许用户进行选择和成像、识别直侧面、设置阈值等。用户输入装置17可以是标准输入装置的组合，例如键盘、触摸屏、鼠标等。提供输出装置18以允许计算机设备14输出诸如图6所示的绘图之类的信息。可以使用任何合适的输出装置，例如连接到屏幕或打印机的接口。

注意的是，为了简单起见，仅描述了一个处理器16，但是技术人员将理解可以使用多于一个的处理器。类似地，诸如存储器的其它部件可以被分成单独的物理存储器或者可以是分布式。

提供存储器19形式的计算机可读介质。这可以用于存储计算机程序20，当由处理器16执行时，该计算机程序使处理器执行上述步骤。注意的是，计算机程序可以替代地存储在外部存储器21上，该外部存储器可以被提供给计算机设备。外部存储器的示例包括CD-ROM、DVD-ROM、USB记忆棒、存储卡或载波。

已经建立并证明了具有弯曲切削刃部分的工具插入件的切削刃缺口的测量和量化方法。上述方法的一个关键优点是与以下情况相比，其每张图像花费约30秒：使用电子显微镜获得图像，然后通过手动施加切线来量化单个缺口(如图1所示)，这使得每张图像可能花费长达30分钟并且获得少得多的数据要。

该方法已被描述为在磨削操作期间测量切削刃缺口的发生率的方法。然而，应当理解的是它可以用于观察任何表面特征，例如在工具操作期间的缺口、工具切削刃中的缺陷等，以阐明工具切削刃光洁度和工具性能或工件特性之间的相关性。

该方法可用于任何类型的切削工具，包括用于切割岩石或其它构成的工具。

技术人员将理解的是可以针对跨不同应用领域的其它应用或几何形状修改代码。该方法还可以用作阐明材料行为的更基本影响的步骤。切削刃迹线/缺口的傅立叶分析可以揭示与处理条件(例如，磨削速度)或材料特性(例如，晶粒尺寸)相关的频率。

虽然已经参考实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。例如，尽管示例使用cBN作为超硬相，但应理解，相同的技术可用于其它类型的材料。

Claims (21)

1.一种表征切削工具切削刃的方法，所述方法包括：

获得所述切削工具切削刃的图像；

在所述图像中，定位所述切削工具切削刃；

确定所述切削工具切削刃的中心点；以及

在相对于所述中心点的多个角度处，通过确定从所述中心点到所定位的切削工具切削刃的距离来表征所述切削工具切削刃。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过对所述图像进行阈值处理和应用Canny边缘检测算法中的任何方式来在所述图像中定位所述切削工具切削刃。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定所述切削工具切削刃的所述中心点包括确定所述切削工具切削刃的弯曲部分的曲率半径的中心点。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述弯曲部分是大致圆形的。

5.根据权利要求3或4中任一项所述的方法，其还包括：

(i)识别位于所述切削工具切削刃的弯曲部分的任一侧的所述切削工具切削刃的第一线性部分和第二线性部分；

(ii)确定所述第一线性部分和第二线性部分中的每一个相对于所述图像中的y方向的角度；

(iii)如果所述第一线性部分和第二线性部分的角度不相等，则旋转所述图像；

(iv)重复步骤(ii)和(iii)直到所述第一线性部分和第二线性部分的角度相等。

6.根据权利要求5所述的方法，其还包括通过以下方式确定所述切削工具切削刃的弯曲部分的曲率半径的中心点：

外推所述线性部分直到它们相交以确定所述中心点所在的中心线；和

在所述切削工具切削刃周围的区域中内插抛物线以确定切削工具的曲率半径。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其还包括：

计算从所述中心点到所定位的切削工具切削刃的距离与从所述中心点到由曲率半径确定的所述切削工具切削刃的弯曲部分的距离之间的差。

8.根据权利要求7所述的方法，其还包括关于相对于中心轴线的角度绘制计算得到的差。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其还包括对所定位的切削工具切削刃的位置施加至少一个校正，以校正倒角角度和夹具角度中的任何角度。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其还包括使用光学显微镜、扫描电子显微镜和聚焦堆叠成像技术中的任何技术来获得所述切削工具切削刃的所述图像。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，切削工具包括多晶立方氮化硼、多晶金刚石、烧结碳化钨、工具钢、单晶金刚石、金刚石晶粒和立方氮化硼晶粒中的任何材料。

12.一种计算机设备，其被构造成执行切削工具切削刃的表征，所述计算机设备包括：

图像输入装置，其被布置成获得所述切削工具切削刃的图像；

处理器，其被构造成在所述图像中定位所述切削工具切削刃；

所述处理器还被构造成确定所述切削工具切削刃的中心点；并且

所述处理器还被构造成，在相对于所述中心点的多个角度处，通过确定从所述中心点到所定位的切削工具切削刃的距离来表征所述切削工具切削刃。

13.根据权利要求12所述的计算机设备，其中，所述处理器被构造成通过对所述图像进行阈值处理和应用Canny边缘检测算法中的任何方式来定位所述切削工具切削刃。

14.根据权利要求12或13所述的计算机设备，其中，所述处理器被构造成通过确定所述切削工具切削刃的弯曲部分的曲率半径的中心点来确定所述切削工具切削刃的所述中心点。

15.根据权利要求14所述的计算机设备，其中，所述处理器还被构造成：

(i)识别位于所述切削工具切削刃的弯曲部分的任一侧的所述切削工具切削刃的第一线性部分和第二线性部分；

(ii)确定所述第一线性部分和第二线性部分中的每一个相对于所述图像中的y方向的角度；

(iii)如果所述第一线性部分和第二线性部分的角度不相等，则旋转所述图像；

(iv)重复步骤(ii)和(iii)直到所述第一线性部分和第二线性部分的角度相等。

16.根据权利要求15所述的计算机设备，其中，所述处理器还被布置成通过以下方式确定所述切削工具切削刃的弯曲部分的曲率半径的中心点：

外推所述线性部分直到它们相交以确定所述中心点所在的中心线；和

在所述切削工具切削刃周围的区域中内插抛物线以确定切削工具的曲率半径。

17.根据权利要求15或16中任一项所述的计算机设备，其中，所述处理器还被构造成计算从所述中心点到所定位的切削工具切削刃的距离与从所述中心点到由曲率半径确定的所述切削工具切削刃的弯曲部分的距离之间的差。

18.根据权利要求17所述的计算机设备，其中，所述处理器还被构造成关于相对于中心轴线的角度绘制计算得到的差，所述计算机设备还包括输出装置，其被构造成输出绘图。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的计算机设备，其中，所述处理器还被构造成对所定位的切削工具切削刃的位置应用至少一个校正，以校正倒角角度和夹具角度中的任何角度。

20.一种计算机程序，其包括计算机可读代码，当在计算机设备上运行时，所述计算机可读代码使所述计算机设备执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。

21.一种计算机程序产品，其包括计算机可读介质和根据权利要求20所述的计算机程序，其中，所述计算机程序存储在所述计算机可读介质上。