CN110355607A - 一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，通过电机运动控制器控制视觉检测装置的底座丝杠电机、立柱丝杠电机和滑板横梁丝杠电机将视觉检测装置运动到合适的位置，通过激光器向被测刀具投射激光，利用CCD摄像机采集激光束影像，根据图像中光条的偏移信息得到被测物的表面轮廓数据，然后将所有轮廓数据经过坐标变换后得到刀具整体的三维点云数据，最后，对测得点云数据进行实时处理，在测量过程实现对刀具破损的快速判断以及刀具径向尺寸的获取其结构简单，图像信息易于提取且测量精度较高，与传统检测仪相比，本发明具有人为干扰因素小，重复定位精度高，自动化效率高等优点，同时也可以实现刀具参数自动测量。

Description

一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统

技术领域

本发明涉及视觉检测领域，尤其涉及一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统。

背景技术

刀具作为进行金属切削加工过程中的直接执行件，在工件不断被加工的同时，其与工件之间的相互作用所产生的热量和摩擦使得刀具不可避免的发生不同程度的磨损；刀具磨损必然造成加工过程中出现切削力增大、切削温度上升、被加工件的表面粗糙度增大以及产生切削振颤等，故刀具的磨损程度直接影响数控机床和加工中心的使用效率及加工精度，已逐渐成为制约现代加工工艺效率进一步提高的主要因素。

在传统加工中，通常是操作人员根据切屑颜色、形状以及机床振动情况等来判别刀具的磨损状态，或根据刀具使用时间长短及加工间隙时用肉眼观察刀具切削刃来判断其磨损量，从而决定是否更换刀具；这些方法依赖于操作人员的经验，且无法准确判断出刀具的磨损情况，若更换时刀具的实际磨损量低于磨钝标准，则因刀具无法被充分利用，造成资源浪费，无形中增加了企业的制造成本；反之，若更换时刀具的实际磨损量已高于磨钝标准，则可能造成已加工工件的批量性不合格，严重时甚至会造成机床的损坏，直接影响了企业的生产效率。

目前，市场上数控刀具检测装置虽然多样化，然而，传统的刀具检测装置普遍为手动模式，难以实现自动化，同时传统的刀具检测装置在自动视觉上多采用投影模式，自动测量程度不高。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，通过视觉检测装置将CDD摄像机和激光器固定在加工中心上，并通过视觉检测装置将CDD摄像机和激光器移动到相应位置进行测量；测量时，通过激光器向被测刀具投射激光，利用CDD摄像机和激光器采集图像，提取图像中的光条中心，通过图像采集卡将图像信息转换为计算机可使用的数字格式形式传递给计算机，计算机根据预先设定的测量模型及标定时确定的模型参数，解算出光条上的刀具轮廓数据，然后将所有轮廓数据经过坐标变换后得到刀具整体的三维点云数据，最后，对测得点云数据进行实时处理，在测量过程实现对刀具破损的快速判断以及刀具径向尺寸的获取。

本发明是通过以下技术方案予以实现的。

一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，包括：视觉检测装置、计算机、图像采集卡、CDD摄像机、光学镜头、激光器和偏振片；所述图像采集卡通过信号传输线缆与计算机和CCD摄像机连接，所述CCD摄像机上安装有光学镜头，所述光学镜头的末端安装有偏振片，所述CCD摄像机与激光器固定在视觉检测装置上，所述CCD摄像机的光轴与激光器的激光平面保持一定的夹角。

进一步的，所述视觉检测装置包括底座、立柱和滑板横梁，所述立柱通过移动滑台与底座连接，所述立柱与移动滑台固定连接；所述底座上设置有滑轨，所述移动滑台可在底座上的滑轨上自由移动；所述底座上还固定有底座丝杠电机和底座丝杠，所述底座丝杠电机固定在底座的一侧，所述底座丝杠的一端与底座丝杠电机的输出轴连接，另一端固定在底座的另一侧；所述立柱通过导向块与移动块连接，所述立柱和移动块两侧的相对位置各设置两个大小相同的导向槽，所述导向块置于导向槽内；所述移动块中间还设置有丝杠孔，与立柱丝杠螺纹连接，所述立柱丝杠的一端与立柱丝杠电机的输出轴连接，另一端固定在立柱的底部，所述立柱丝杠电机固定于立柱的底部顶部；所述滑板横梁固定在移动块上，随着移动块在立柱上下移动，所述滑板横梁内设置有导向杆一和导向杆二，所述导向杆一和导向杆二平行布置，两端分别固定在滑板横梁的两侧，所述滑板横梁的一侧还固定有滑板横梁丝杠电机，所述滑板横梁丝杠电机的输出轴与滑板横梁丝杠的一端连接，所述滑板横梁丝杠的另一端固定在滑板横梁的一侧的另一侧；所述滑板横梁丝杠还连接着视觉检测装置安装板，所述视觉检测装置安装板上设置有丝杠孔，通过丝杠孔与滑板横梁丝杠螺纹连接，所述视觉检测装置安装板上还设置两个对称的导向孔，分别与导向杆一和导向杆二连接，所述视觉检测装置安装板可沿着导向杆一和导向杆二自由滑动。

进一步的，所述激光器由两个线激光器组成，两个线激光器上下错开安装，所述两个线激光器发出的光平面的间距d控制在被测刀具半径范围内。

进一步的，所述CCD摄像机的光轴与两个线激光器的激光平面的夹角范围为30°~45°。

进一步的，CCD摄像机距离待测刀具的距离 L 大于150mm。

进一步的，所述视觉检测装置上还设置有三个光栅尺，所述光栅尺分别设置在底座、立柱和滑板横梁上，通过光栅尺可以检测出视觉检测模块相对于待测刀具的具体坐标位置。

进一步的，所述偏振片通过偏振片架装卡在光学镜头后方，所述偏振片架外端面为刻有360°角度的刻线旋转盘，方便旋转偏振片，调整可透过光的偏振角度。

进一步的，所述底座丝杠电机、立柱丝杠电机和滑板横梁丝杠电机通过电机运动控制器与计算机相连，由计算机下达工作路径指令；激光器通过激光控制器与计算机相连，由计算机下达激光控制指令；激光控制器控制CCD摄像机通过图像采集卡采集实时图像，经计算机实时处理图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统利用具有高分辨率的CCD摄像机替代人眼来获取图像信息，并由计算机完成图像以及数据的快速处理，计算出被测物的三维数据信息，具有非接触、速度快、自动化程度高等优点；

2.本发明所述的一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，通过电机运动控制器控制底座丝杠电机、立柱丝杠电机和滑板横梁丝杠电机将视觉检测装置运动到合适的位置，通过激光器向被测刀具投射激光，利用CCD摄像机采集激光束影像，根据图像中光条的偏移信息得到被测物的表面轮廓，其结构简单，图像信息易于提取且测量精度较高。

3.本发明所述的一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统与传统检测仪相比，具有人为干扰因素小，重复定位精度高，自动化效率高等优点，同时也可以实现刀具参数自动测量。

附图说明

图1为本发明一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统的主要结构示意图；

图2为本发明一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统的视觉检测装置的主视图；

图3为图2的A向剖视图；

图4为本发明一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统的激光器的结构示意图；

图5为本发明一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统的控制流程图。

图中：1.视觉检测装置；101.底座；102.立柱；103.滑板横梁；104.移动滑台；105.底座丝杠电机；106.底座丝杠；107.导向块；108.移动块；109.立柱丝杠；110.立柱丝杠电机；111.导向杆一；112.导向杆二；113.滑板横梁丝杠电机；114.滑板横梁丝杠；115.视觉检测装置安装板；2.计算机；3.图像采集卡；4.CDD摄像机；5.光学镜头；6.激光器；7.偏振片；8.信号传输线缆。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参照图1和图3，一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，包括：视觉检测装置1、计算机2、图像采集卡3、CDD摄像机4、光学镜头5、激光器6和偏振片7；根据图1，所述图像采集卡3通过信号传输线缆8与计算机2和CCD摄像机4连接，根据图3，所述CCD摄像机4上安装有光学镜头5，所述光学镜头5的末端安装有偏振片7，所述CCD摄像机4与激光器6固定在视觉检测装置1上，所述CCD摄像机4的光轴与激光器6的激光平面保持一定的夹角。

参照图2和图3，所述视觉检测装置1包括底座101、立柱102和滑板横梁103，所述立柱102通过移动滑台104与底座101连接，所述立柱102与移动滑台104固定连接；所述底座101上设置有滑轨，所述移动滑台104可在底座101上的滑轨上自由移动；所述底座101上还固定有底座丝杠电机105和底座丝杠106，所述底座丝杠电机105固定在底座101的一侧，所述底座丝杠106的一端与底座丝杠电机105的输出轴连接，另一端固定在底座101的另一侧；所述立柱102通过导向块107与移动块108连接，所述立柱102和移动块108两侧的相对位置各设置两个大小相同的导向槽，所述导向块107置于导向槽内；所述移动块108中间还设置有丝杠孔，与立柱丝杠109螺纹连接，所述立柱丝杠109的一端与立柱丝杠电机110的输出轴连接，另一端固定在立柱102的底部，所述立柱丝杠电机110固定于立柱102的底部顶部；所述滑板横梁103固定在移动块108上，随着移动块108在立柱102上下移动，所述滑板横梁103内设置有导向杆一111和导向杆二112，所述导向杆一111和导向杆二112平行布置，两端分别固定在滑板横梁103的两侧，所述滑板横梁103的一侧还固定有滑板横梁丝杠电机113，所述滑板横梁丝杠电机113的输出轴与滑板横梁丝杠114的一端连接，所述滑板横梁丝杠114的另一端固定在滑板横梁103的一侧的另一侧；所述滑板横梁丝杠114还连接着视觉检测装置安装板115，所述视觉检测装置安装板115上设置有丝杠孔，通过丝杠孔与滑板横梁丝杠114螺纹连接，所述视觉检测装置安装板115上还设置两个对称的导向孔，分别与导向杆一111和导向杆二112连接，所述视觉检测装置安装板115可沿着导向杆一111和导向杆二112自由滑动；根据图3，所述立柱102安装移动滑台104上，滑板横梁103通移动块108固定，通过移动块108可以在立柱上下移动，其中滑板横梁103上安装有视觉检测安装板115，所述CCD摄像机4和激光器6安装在视觉检测安装板115，以电动机作为动力元件，丝杠作为运动部件，控制相机光轴方向的前后移动，以获得待测刀具最佳成像点。

参照图4，所述激光器6由两个线激光器组成，两个线激光器上下错开安装，为了保证在测量过程中，两激光器发射的激光都能投射到刀具表面，所述两个线激光器发出的光平面的间距d控制在被测刀具半径范围内。

为了保证良好的成像效果，所述CCD摄像机4的光轴与两个线激光器的激光平面的夹角范围为30°~45°。

由于加工环境恶劣，刀具表面易附着切屑、冷却液等，测量时，所述CCD摄像机4距离待测刀具的距离 L 大于150mm。

所述视觉检测装置1上还设置有三个光栅尺，所述光栅尺分别设置在底座101、立柱102和滑板横梁103上，当移动滑台104、滑板横梁103和视觉检测安装板115在底座101、立柱102和滑板横梁103移动时，通过光栅尺可以检测出视觉检测模块相对于待测刀具的具体坐标位置。

所述偏振片7通过偏振片架装卡在光学镜头5后方，所述偏振片架外端面为刻有360°角度的刻线旋转盘，方便旋转偏振片，调整可透过光的偏振角度。

参照图5，所述底座丝杠电机105、立柱丝杠电机110和滑板横梁丝杠电机113通过电机运动控制器与计算机2相连，由计算机2下达工作路径指令；激光器6通过激光控制器与计算机2相连，由计算机2下达激光控制指令；激光控制器控制CCD摄像机4通过图像采集卡3采集实时图像，经计算机2实时处理图像。

本发明的工作过程为：

步骤1：通过计算机2下达工作路径指令，以电动机作为动力元件，丝杠作为运动部件，控制CCD摄像机4移动，以获得待测刀具最佳成像点。

步骤2：通过激光器向被测刀具投射激光。

步骤3：利用CCD摄像机4和图像采集卡3采集激光束影像，提取图像中的光条中心。

步骤4：根据激光器6投射方向以及被测刀具表面光条在相机像平面上的具体成像位置之间的三角几何特点，建立测量模型及标定时确定的模型参数。

步骤5：计算机根据建立的测量模型及标定时确定的模型参数计算光条中心点对应的坐标，解算出光条上的刀具轮廓数据，然后将所有轮廓数据经过坐标变换后得到刀具整体的三维点云数据，从而获得被测刀具表面轮廓的信息。

步骤6：通过计算机对测得点云数据进行实时处理，在测量过程实现对被测车刀磨损状态进行判断以及刀具径向尺寸的获取。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (9)

1.一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，包括：视觉检测装置（1）、计算机（2）、图像采集卡（3）、CDD摄像机（4）、光学镜头（5）、激光器（6）和偏振片（7）；其特征在于：所述图像采集卡（3）通过信号传输线缆（8）与计算机（2）和CCD摄像机（4）连接，所述CCD摄像机（4）上安装有光学镜头（5），所述光学镜头（5）的末端安装有偏振片（7），所述CCD摄像机（4）与激光器（6）固定在视觉检测装置（1）上，所述CCD摄像机（4）的光轴与激光器（6）的激光平面保持一定的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，其特征在于，所述视觉检测系统进行检测的方法如下：

步骤1：计算机下达工作路径指令，丝杠作为运动部件，控制CCD摄像机（4）移动，以获得待测刀具最佳成像点；

步骤2：通过激光器（6）向被测刀具投射激光；

步骤3：利用CCD摄像机（4）和图像采集卡（3）采集激光束影像，提取图像中的光条中心；

步骤4：根据激光器（6）投射方向以及被测刀具表面光条在相机像平面上的具体成像位置之间的三角几何特点，建立测量模型及标定时确定的模型参数；

步骤5：计算机根据建立的测量模型及标定时确定的模型参数计算光条中心点对应的坐标，解算出光条上的刀具轮廓数据，然后将所有轮廓数据经过坐标变换后得到刀具整体的三维点云数据，从而获得被测刀具表面轮廓的信息；

步骤6：通过计算机对测得点云数据进行实时处理，在测量过程实现对被测车刀磨损状态进行判断以及刀具径向尺寸的获取。

3.根据权利要求1所述的一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，其特征在于，所述激光器（6）由两个线激光器组成，两个线激光器上下错开安装，所述两个线激光器发出的光平面的间距d控制在被测刀具半径范围内。

4.根据权利要求1所述的一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，其特征在于，所述CCD摄像机（4）的光轴与两个线激光器的激光平面的夹角范围为30°～45°。

5.根据权利要求1所述的一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，其特征在于，CCD摄像机（4）距离待测刀具的距离 L 大于150mm。

6.根据权利要求1所述的一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，其特征在于，所述视觉检测装置（1）包括底座（101）、立柱（102）和滑板横梁（103），所述立柱（102）通过移动滑台（104）与底座（101）连接，所述立柱（102）与移动滑台（104）固定连接；所述底座（101）上设置有滑轨，所述移动滑台（104）可在底座（101）上的滑轨上自由移动；所述底座（101）上还固定有底座丝杠电机（105）和底座丝杠（106），所述底座丝杠电机（105）固定在底座（101）的一侧，所述底座丝杠（106）的一端与底座丝杠电机（105）的输出轴连接，另一端固定在底座（101）的另一侧；所述立柱（102）通过导向块（107）与移动块（108）连接，所述立柱（102）和移动块（108）两侧的相对位置各设置两个大小相同的导向槽，所述导向块（107）置于导向槽内；所述移动块（108）中间还设置有丝杠孔，与立柱丝杠（109）螺纹连接，所述立柱丝杠（109）的一端与立柱丝杠电机（110）的输出轴连接，另一端固定在立柱（102）的底部，所述立柱丝杠电机（110）固定于立柱（102）的底部顶部；所述滑板横梁（103）固定在移动块（108）上，随着移动块（108）在立柱（102）上下移动，所述滑板横梁（103）内设置有导向杆一（111）和导向杆二（112），所述导向杆一（111）和导向杆二（112）平行布置，两端分别固定在滑板横梁（103）的两侧，所述滑板横梁（103）的一侧还固定有滑板横梁丝杠电机（113），所述滑板横梁丝杠电机（113）的输出轴与滑板横梁丝杠（114）的一端连接，所述滑板横梁丝杠（114）的另一端固定在滑板横梁（103）的一侧的另一侧；所述滑板横梁丝杠（114）还连接着视觉检测装置安装板（115），所述视觉检测装置安装板（115）上设置有丝杠孔，通过丝杠孔与滑板横梁丝杠（114）螺纹连接，所述视觉检测装置安装板（115）上还设置两个对称的导向孔，分别与导向杆一（111）和导向杆二（112）连接，所述视觉检测装置安装板（115）可沿着导向杆一（111）和导向杆二（112）自由滑动。

7.根据权利要求6所述的一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，其特征在于，所述视觉检测装置（1）上还设置有三个光栅尺，所述光栅尺分别设置在底座（101）、立柱（102）和滑板横梁（103）上，通过光栅尺可以检测出视觉检测模块相对于待测刀具的具体坐标位置。

8.根据权利要求1所述的一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，其特征在于，所述偏振片（7）通过偏振片架装卡在光学镜头（5）后方，所述偏振片架外端面为刻有360°角度的刻线旋转盘，方便旋转偏振片，调整可透过光的偏振角度。

9.根据权利要求7所述的一种加工中心的车刀磨损状态的视觉检测系统，其特征在于，所述底座丝杠电机（105）、立柱丝杠电机（110）和滑板横梁丝杠电机（113）通过电机运动控制器与计算机（2）相连，由计算机（2）下达工作路径指令；激光器（6）通过激光控制器与计算机（2）相连，由计算机（2）下达激光控制指令；激光控制器控制CCD摄像机（4）通过图像采集卡（3）采集实时图像，经计算机（2）实时处理图像。