CN110253339A - 基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置及方法，结构简单，设计合理，操作方便，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。所述装置，包括安装底座、周向旋转组件和型材固定架；周向旋转组件包括以刀具轴线为中心固定设置在安装底座上的环形导轨，与环形导轨周向滑动配合的若干周向滑块，固定在环形导轨内侧的内齿圈，以及与内齿圈啮合的驱动齿轮；型材固定架呈框架式设置，固定在若干周向滑块上；型材固定架上分别固定有步进电机、光源和相机；步进电机的输出轴垂直固定连接驱动齿轮；光源和相机环绕刀具轴线设置，用于拍摄整体式螺旋铣刀前刀面、底刃和后刀面。

Description

基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置及方法
技术领域
本发明涉及整体式螺旋铣刀磨破损状态检测领域，具体为基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置及方法。
背景技术
刀具磨破损是影响产品加工质量和生产效率的重要因素之一。在实际金属切削加工过程中，如果未能及时有效的发现刀具的异常，很有可能会导致工件的加工质量超差甚至是机床的损坏，造成非常大的经济损失。
刀具的磨损是渐进变化的过程，而破损是在刀具切削到一定程度或者因切削条件恶劣而引起的一种主要的刀具失效形式，尤其是针对脆性较大的刀具，在切削难加工材料(如钛合金、镍基高温合金等)或断续铣削的过程中，更容易导致刀具的破损。到目前为止，某些刀具磨破损在线检测技术可以在一定程度上降低或避免工件的报废以及机床损坏等情况的发生，但并没有得到很理想的工程应用效果。
基于机器视觉的刀具磨破损检测方法随着CCD及COMS图像采集技术的飞速发展不断得到应用和完善，已经逐步发展成为刀具状态检测领域的一类重要的检测手段。但该技术应用的前提需要准确可靠地采集刀具磨破损区域的图像，否者一方面会导致后续图像处理复杂度增加，另一方面计算结果准确性也会下降。当前大多数基于机器视觉的刀具磨破损检测对象为车刀，整体式螺旋铣刀相对于车刀具有更加复杂的几何结构，车刀图像采集方案并不适用于整体式螺旋铣刀且考虑到后者一般具有多个切削刃，圆角具有不同的结构形式，需要研制专用的图像采集装置。同时，铣削加工过程中往往是多个切削区域同时参与加工，所以还需考虑将其分为前刀面、后刀面及刀尖三个不同切削部分，目前大多数的图像采集装置及方案均不能有效实现上述多区域图像采集，导致基于机器视觉的刀具状态检测技术应用和发展受到限制。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置及方法，结构简单，设计合理，操作方便，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：
基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置，包括安装底座、周向旋转组件和型材固定架；
所述的周向旋转组件包括以刀具轴线为中心固定设置在安装底座上的环形导轨，与环形导轨周向滑动配合的若干周向滑块，固定在环形导轨内侧的内齿圈，以及与内齿圈啮合的驱动齿轮；
所述的型材固定架呈框架式设置，固定在若干周向滑块上；型材固定架上分别固定有步进电机、光源和相机；步进电机的输出轴垂直固定连接驱动齿轮；光源和相机环绕刀具轴线设置，用于拍摄整体式螺旋铣刀前刀面、底刃和后刀面。
优选的，型材固定架上设置有相机光源连接板和安装底板；
所述的相机的前端均设置有镜头，相机包括前刀面用相机、后刀面相机和底刃相机；
所述的光源包括点光源和Dome穹顶光源，Dome穹顶光源包括后刀面Dome穹顶光源和底刃Dome穹顶光源；
所述的相机光源连接板包括点光源连接板、前刀面用相机连接板、后刀面拍摄用光源连接板和底刃拍摄用光源连接板；
点光源经点光源连接板设置在安装底板上方；前刀面用相机经前刀面用相机连接板设置在安装底板上方；后刀面Dome穹顶光源、镜头和后刀面相机依次同轴设置为一个整体，通过后刀面拍摄用光源连接板设置在安装底板上方；底刃Dome穹顶光源、镜头和底刃相机依次同轴设置为一个整体，通过底刃拍摄用光源连接板连接固定在型材固定架上，且位于安装底板下方，安装底板上设置有对应底刃Dome穹顶光源的豁口。
进一步，点光源连接板和前刀面用相机连接板均分别包括固定板和调节板，所述的固定板一段与安装底板固定连接，调节板的一端与对应的点光源或前刀面用相机铰接；固定板和调节板的连接端分别设置有调节滑槽，固定板和调节板的调节滑槽垂直设置并通过螺栓定位连接。
再进一步，调节板与对应的点光源或前刀面用相机通过阻尼铰链铰接，点光源或前刀面用相机对准整体式螺旋铣刀标定的检测位置。
再进一步，安装底板上与固定板通过螺栓固定连接，连接位置处设置有以刀具轴线为中心的周向旋转微调槽；安装底板上与后刀面拍摄用光源连接板通过螺栓固定连接，连接位置处设置有朝向刀具轴线的直线移动微调槽。
进一步，型材固定架上设置有竖直的直线导轨和滚珠丝杠；安装底板固定在与直线导轨滑动配合的竖直滑块上；滚珠丝杆通过移动螺母垂直连接安装底板，滚珠丝杆的驱动端通过联轴器连接驱动电机的输出轴，另一端通过轴承底座设置在型材固定架上。
再进一步，型材固定架的框架拐角处分别设置有角码连接件；型材固定架的侧面设置有外侧壁板，直线导轨沿竖直方向固定在外侧壁板上。
优选的，型材固定架通过Z型及L型连接块与周向滑块固定连接。
基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集方法，包括如下步骤，
步骤1，将上述任意一项所述的装置安装于机床工作台一固定位置，将固定位置通过坐标的形式输入机床，每次在刀具检测时直接调用该坐标即可；
步骤2，在刀具到达标定的检测位置时，将对应的底刃相机、光源轴线垂直于刀具端面完成底刃图像，即刀尖图像的采集；
步骤3，调整后刀面图像采集用相机所对刀具位置，使得后刀面相机轴线近似垂直于后刀面并且根据整体式螺旋铣刀刀尖的几何结构确定采集起始位置；通过在环形导轨上的周向滑动，完成多个切削刃后刀面图像的采集及检测；
步骤3，调整前刀面用相机近似垂直于前刀面靠近切削刃的区域，且点光源轴线与刀具轴线夹角为螺旋角，通过直线导轨以及环形导轨的联动，使得前刀面相机及点光源面对区域一直位于前刀面靠近切削刃部分，完成前刀面图像的采集。
优选的，步骤3中，根据整体式螺旋铣刀刀尖具体的几何结构确定采集起始位置时，平底铣刀从最低端开始采集，R角铣刀及球头刀均从圆角与切削刃连接处开始采集。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过对应设置的相机和光源，能够有效完成整体式螺旋铣刀前刀面、后刀面及刀尖三个不同切削区域以及多个切削刃磨破损图像的采集；通过将内齿圈固定以及将步进电机固定于型材固定架，当步进电机带动驱动齿轮转动时，装有相机、光源及安装板的整个型材架将以刀具轴线为中心进行旋转，便可实现整体式螺旋铣刀多个切削刃图像的采集，提供磨破损区域图像；有效的解决了整体式螺旋铣刀图像采集困难的问题，为基于机器视觉技术的刀具状态检测方法发展和应用奠定基础。
进一步的，通过在相机光源连接板及安装底板上设计微调长方形连接槽，可以适应不同直径以及螺旋角的刀具，即不同规格的整体式螺旋铣刀通过微调标定均可使用该装置。
进一步的，通过滚珠丝杠带动固连于安装底板的螺母使得相机及光源可以沿刀具轴向直线移动，以保证当整体式螺旋铣刀轴向切削深度大于图像采集长度时，仍可保证可有效获取整个切削长度的刀具图像。
附图说明
图1为本发明实例中所述装置的总体结构示意图。
图2a为图1的正视结构示意图。
图2b为图1的左视结构示意图。
图2c为图1的俯视结构示意图。
图2d为图1的仰视结构示意图。
图中：1、型材固定架；2-1、点光源连接板；2-2、前刀面用相机连接板；2-3、后刀面拍摄用光源连接板；2-4、底刃拍摄用光源连接板；3、安装底板；4、Z型及L型连接板；5、周向滑块；6、环形导轨；7、内齿圈；8、安装底座；9、驱动齿轮；10、步进电机；11、步进电机安装板；12、相机；13、镜头；14、Dome穹顶光源；15、点光源；16、直线导轨；17、外侧壁板；18、驱动电机；19、联轴器；20、滚珠丝杠；21、移动螺母；22、轴承底座；23、角码连接件。
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。
本发明基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置，主要用于铣削加工过程中广泛使用的螺旋铣刀磨破损区域图像采集，刀具安装于机床主轴，图像采集装置安装于机床工作台某固定位置。其包括相机、光源及其固定部分、沿刀具轴向的直线移动装置以及以刀具轴线为旋转中心的周向旋转组件。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切削部分的图像，并且传输至计算机进行处理、存储和显示。本发明通过电机驱动直线移动装置以及周向旋转装置，完成整体式螺旋铣刀前刀面、后刀面及刀尖三个不同切削区域以及多个切削刃磨破损图像的采集。利用该装置，可以快速的完成刀具磨破损图像信息的获取，进而对其进行分析即可对切削加工过程中的刀具状态信息进行检测，具有较高的工程应用价值。
其中的相机光源固定部分包括型材固定架1、相机光源连接板和安装底板3；以刀具轴线为旋转中心的周向旋转组件包括以刀具轴线为中心固定设置在安装底座8上的环形导轨6，与环形导轨6周向滑动配合的若干周向滑块5，固定在环形导轨6内侧的内齿圈7，以及与内齿圈7啮合的驱动齿轮9。所述型材固定架1通过Z型及L型连接块4与环形导轨上的周向滑块5固连，所述周向滑块5在环形导轨6上周向移动，所述环形导轨6用于实现整个机械架构以刀具轴线为中心的周向旋转运动并与内齿圈7通过螺栓固连，所述内齿圈7与驱动齿轮9啮合并通过螺栓固结于安装底座8，所述安装底座8通过螺栓固结于机床工作台。驱动齿轮9安装于带高减速比的步进电机10，步进电机10通过电机安装板11固结于型材固定架1。
沿刀具轴向的直线移动装置包括直线导轨16和驱动电机18及滚珠丝杆20，所述滚珠丝杆20通过移动螺母21连接于安装底板3，通过移动螺母21带动安装底板3沿直线滑轨16移动。
所述相机12及光源通过相机光源连接板固结于安装底板3，所述安装底板3与直线导轨16通过螺栓连接，所述直线导轨16安装于带有螺栓定位孔和连接孔的外侧壁板17，所述外侧壁板17固结于型材固定架1，即可做支撑，又可起封闭作用。
所述光源分为点光源15以及Dome穹顶光源14，点光源15用于前刀面磨破损图像的采集，Dome穹顶光源14用于后刀面及刀尖图像的采集。
所述点光源15安装于带有旋转及直线移动微调装置的点光源连接板2-1，所述Dome穹顶光源14与相机和镜头安装为一个整体，然后通过专用的相机光源连接板固结，所述专用的相机光源连接板分为后刀面图像采集用光源安装板2-3和刀尖图像采集用光源安装板2-4。
所述前刀面磨破损图像采集用的前刀面用相机连接板2-2，与点光源连接板2-1同样带有周向以及直线移动微调部分。点光源连接板2-1和前刀面用相机连接板2-2均分别包括固定板和调节板，所述的固定板一段与安装底板3固定连接，调节板的一端与对应的点光源或前刀面用相机铰接；固定板和调节板的连接端分别设置有调节滑槽，固定板和调节板的调节滑槽垂直设置并通过螺栓定位连接。
所述安装底板3设计有以刀具轴线为中心的周向旋转微调槽以及直线移动微调槽，同时带有安装滚珠丝杠螺母的螺栓连接孔。
具体的，如图1所示，本发明一种基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置，包括型材固定架1、相机光源连接板2和安装底板3以及直线移动装置。型材固定架1采用角码连接件23以及螺栓固连而成，并且通过Z型及L型连接块4与环形导轨上的周向滑块5安装在一起，通过周向滑块5在环形导轨6上的周向转动，用于实现整个机械架构以刀具轴线为中心的周向旋转运动，如图2b、2c和2d所示，内齿圈(大齿轮)7与环形导轨6通过螺栓固连且与驱动齿轮9啮合并固结于安装底座8上，内齿圈7的模数为2，厚度为20mm。安装底座8通过螺栓固结于机床工作台，其安装位置由工作台具体结构决定。驱动齿轮9安装于带高减速比的步进电机10，高减速比的目的是实现相机绕刀具转动时的低转速要求，步进电机10通过电机安装板11固结于型材固定架1，因此当电机带动驱动齿轮转动时，上述整个型材固定架1就能做以刀具轴线为中心的回转运动，那么多切削刃磨破损图像的采集便可实现。
前刀面、后刀面及刀尖图像的采集共需3个相机。相机12及光源通过连接板2固结于安装底板3，安装底板3与直线导轨16上的滑块通过螺栓连接，滑块的运动会带动安装底板进而带动相机和光源的直线移动。直线导轨16安装于带有螺栓定位孔和连接孔的外侧壁板17，外侧壁板17固结于型材固定架1，即可做支撑，又可起封闭作用。根据大量的图像采集试验，光源分为点光源15以及Dome穹顶光源14，点光源15用于前刀面磨破损图像的采集，光斑面积及体积小，空间位置易调节；Dome穹顶光源14用于后刀面及刀尖图像的采集，该类型光源适用于反光不均匀的金属曲面检测。基于该光源选型结果，磨破损区域图像采集质量大幅提高。
点光源15安装于带有旋转及直线移动微调装置的点光源连接板2-1，Dome穹顶光源14与相机和镜头安装为一个整体，然后通过专用的相机光源连接板固结，专用的相机光源连接板分为后刀面图像采集用光源安装板2-3和刀尖图像采集用光源安装板2-4。前刀面磨破损图像采集用的前刀面用相机连接板2-2同样带有周向以及直线移动微调部分。同时安装底板3设计有以刀具轴线为中心的周向旋转微调槽以及直线移动微调槽，基于相机光源连接板及安装底板3上设计的微调装置，通过位置标定，不同直径和螺旋角的刀具均可实现磨破损图像的采集，该装置适用范围不断拓宽。
如图2a所示，直线移动装置包括直线导轨16及滚珠丝杆部分，滚珠丝杆通过移动螺母21连接于安装底板3，通过移动螺母21带动安装底板沿直线滑轨16移动。该移动部分主要是考虑到实际加工中刀具轴向切削长度有可能大于图像采集长度，因此通过上述环形导轨6的周向旋转和直线导轨16的直线移动，形成立体空间中的切削刃偏置曲线，那么所有切削长度的磨破损区域图像均可获取，该装置便可实现整体式螺旋铣刀全切削区域及多切削刃磨破损图像的采集。
本发明的工作原理是：将该装置安装于机床工作台某一固定位置，该位置通过坐标的形式输入机床，每次在刀具检测时直接调用该坐标即可；在刀具到达标定的检测位置时，首先完成刀尖图像，即底刃图像的采集，采集方式为相机、光源轴线垂直于刀具端面即可；其次需要调整后刀面图像采集用相机所对刀具位置，使得相机轴线近似垂直于后刀面并且根据整体式螺旋铣刀刀尖具体的几何结构确定采集起始位置，平底铣刀从最低端开始，R角铣刀及球头刀均从圆角与切削刃连接处开始；通过环形滑轨的运动，可以完成多个切削刃后刀面图像的采集及检测；前刀面用相机近似垂直于前刀面靠近切削刃的区域，且点光源轴线与刀具轴线夹角为螺旋角，考虑到切削长度可能大于图像采集长度的问题，通过直线导轨以及环形导轨的联动，便可使得相机及点光源面对区域一直位于前刀面靠近切削刃部分，从而完成前刀面图像的采集。基于上述检测流程，该装置便可实现整体式螺旋铣刀磨破损图像的采集，然后通过选择合适的图像处理方法从而实现基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损程度检测。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于从，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置，其特征在于，包括安装底座(8)、周向旋转组件和型材固定架(1)；
所述的周向旋转组件包括以刀具轴线为中心固定设置在安装底座(8)上的环形导轨(6)，与环形导轨(6)周向滑动配合的若干周向滑块(5)，固定在环形导轨(6)内侧的内齿圈(7)，以及与内齿圈(7)啮合的驱动齿轮(9)；
所述的型材固定架(1)呈框架式设置，固定在若干周向滑块(5)上；型材固定架(1)上分别固定有步进电机(10)、光源和相机(12)；步进电机(10)的输出轴垂直固定连接驱动齿轮(9)；光源和相机(12)环绕刀具轴线设置，用于拍摄整体式螺旋铣刀前刀面、底刃和后刀面。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置，其特征在于，型材固定架(1)上设置有相机光源连接板和安装底板(3)；
所述的相机(12)的前端均设置有镜头(13)，相机(12)包括前刀面用相机、后刀面相机和底刃相机；
所述的光源包括点光源(15)和Dome穹顶光源(14)，Dome穹顶光源(14)包括后刀面Dome穹顶光源和底刃Dome穹顶光源；
所述的相机光源连接板包括点光源连接板(2-1)、前刀面用相机连接板(2-2)、后刀面拍摄用光源连接板(2-3)和底刃拍摄用光源连接板(2-4)；
点光源(15)经点光源连接板(2-1)设置在安装底板(3)上方；前刀面用相机经前刀面用相机连接板(2-2)设置在安装底板(3)上方；后刀面Dome穹顶光源、镜头和后刀面相机依次同轴设置为一个整体，通过后刀面拍摄用光源连接板(2-3)设置在安装底板(3)上方；底刃Dome穹顶光源、镜头和底刃相机依次同轴设置为一个整体，通过底刃拍摄用光源连接板(2-4)连接固定在型材固定架(1)上，且位于安装底板(3)下方，安装底板(3)上设置有对应底刃Dome穹顶光源的豁口。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置，其特征在于，点光源连接板(2-1)和前刀面用相机连接板(2-2)均分别包括固定板和调节板，所述的固定板一段与安装底板(3)固定连接，调节板的一端与对应的点光源或前刀面用相机铰接；固定板和调节板的连接端分别设置有调节滑槽，固定板和调节板的调节滑槽垂直设置并通过螺栓定位连接。
4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置，其特征在于，调节板与对应的点光源或前刀面用相机通过阻尼铰链铰接，点光源或前刀面用相机对准整体式螺旋铣刀标定的检测位置。
5.根据权利要求3所述的基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置，其特征在于，安装底板(3)上与固定板通过螺栓固定连接，连接位置处设置有以刀具轴线为中心的周向旋转微调槽；安装底板(3)上与后刀面拍摄用光源连接板(2-3)通过螺栓固定连接，连接位置处设置有朝向刀具轴线的直线移动微调槽。
6.根据权利要求2所述的基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置，其特征在于，型材固定架(1)上设置有竖直的直线导轨(16)和滚珠丝杠(20)；安装底板(3)固定在与直线导轨(16)滑动配合的竖直滑块上；滚珠丝杆(20)通过移动螺母(21)垂直连接安装底板(3)，滚珠丝杆(20)的驱动端通过联轴器(19)连接驱动电机(18)的输出轴，另一端通过轴承底座(22)设置在型材固定架(1)上。
7.根据权利要求6所述的基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置，其特征在于，型材固定架(1)的框架拐角处分别设置有角码连接件(23)；型材固定架(1)的侧面设置有外侧壁板(17)，直线导轨(16)沿竖直方向固定在外侧壁板(17)上。
8.根据权利要求1所述的基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集装置，其特征在于，型材固定架(1)通过Z型及L型连接块(4)与周向滑块(5)固定连接。
9.基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，将权利要求1-8任意一项所述的装置安装于机床工作台一固定位置，将固定位置通过坐标的形式输入机床，每次在刀具检测时直接调用该坐标即可；
步骤2，在刀具到达标定的检测位置时，将对应的底刃相机、光源轴线垂直于刀具端面完成底刃图像，即刀尖图像的采集；
步骤3，调整后刀面图像采集用相机所对刀具位置，使得后刀面相机轴线近似垂直于后刀面并且根据整体式螺旋铣刀刀尖的几何结构确定采集起始位置；通过在环形导轨上的周向滑动，完成多个切削刃后刀面图像的采集及检测；
步骤3，调整前刀面用相机近似垂直于前刀面靠近切削刃的区域，且点光源轴线与刀具轴线夹角为螺旋角，通过直线导轨以及环形导轨的联动，使得前刀面相机及点光源面对区域一直位于前刀面靠近切削刃部分，完成前刀面图像的采集。
10.根据权利要求9所述的基于机器视觉的整体式螺旋铣刀磨破损图像采集方法，其特征在于，步骤3中，根据整体式螺旋铣刀刀尖具体的几何结构确定采集起始位置时，平底铣刀从最低端开始采集，R角铣刀及球头刀均从圆角与切削刃连接处开始采集。
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