CN111692968A - 一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪及其检测方法。该微细铣刀在机多视角视觉检测仪通过正气压和气动柱塞双重防护设计，保证光学元件在有切削液、油雾和切屑的恶劣加工环境中不受污染、可靠运行。并基于远心光学平行投影成像原理，采用半透半反射镜，使用单相机可同时实现径向和轴向两个观测视角，并利用背光、前光和上光三种类型的光源，自动完成微细铣刀的长度和直径测量、折断检测、径向与端部的表面磨损观测多种功能，从而及时检测微细刀具的失效，避免进一步破坏加工表面、降低加工精度。

Description

一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及超精密加工在机检测仪器领域，特别是涉及一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪及其检测方法。

背景技术

对回转体刀具进行在机检测涉及五个相互独立的功能，分别是：对刀、微细刀具的多视角检测、刀具跳动检测、前后刀面的逐齿磨损检测、全加工过程的实时监测，其中，前四个功能只能在加工前和加工后运行，而第五个功能可对数控加工全过程中的刀具状态进行实时监测，这五个功能相互独立，分别关注了刀具在机状态的某一特定属性。本文仅针对微细刀具的多视角检测这一独立功能进行研究。

微细铣刀是超精密铣削加工的关键部件，尺寸范围一般为0.01～1mm，具有直径小、刚度低、容易脆断的特点。微细铣刀用于超精密铣削加工前，需要在超精密加工中心上检测其长度和直径，并判断微细铣刀是否折断。此外，超精密铣削加工的切削深度和进给量很小，使得刀具单位面积承受切削力较大，特别是刀尖接触部分温度较高，使微细铣刀的磨损常常发生在刀尖部分，因此还必须同时检测刀具端部的磨损情况。目前微细铣刀在机检测技术主要有三种：接触式在机对刀仪、激光在机对刀仪、基于视觉技术的在机检测装置，这些技术存在如下缺陷，难以满足微细铣刀在机检测的需求：

(1)接触式在机对刀仪采用接触原理，微细刀具需要缓慢接触对刀仪表面，受接触传感器灵敏度影响，接触式在机对刀仪精度较低，且微细刀具容易在接触检测过程中受力被折断。受限于接触检测原理，只能对刀具长度和折断情况进行检测，无法对刀具直径和表面磨损情况进行观测。

(2)激光在机对刀仪基于激光遮挡的单点测量原理，为保证测量精度，刀具必须慢速往复运动趋近激光束才能精确检测刀具边缘的遮挡位置，测量效率低，且受激光束最小聚焦尺寸的物理限制，无法精确检测微细刀具的边缘遮挡位置，尺寸测量结果不可靠，也无法对刀具的径向和端部的表面磨损情况进行直接观测。

(3)基于视觉技术的在机检测装置通过图像分析对微细刀具进行检测，存在的问题：一种微细铣刀在线自动对刀与破损检测装置采用两个数字显微镜的技术方案，虽可观测刀具径向和端部的表面图像，但整个装置体积较大，而且由于是基于回转体约束的三维测量原理，因此需要利用安装在主轴上的靶物通过数控机床的各轴运动形成虚拟三维标定靶物，进行相机与机床坐标系的精确标定，标定过程效率低、计算复杂，测量误差环节多。此外数字显微镜外虽安装有保护镜，并且保护镜外侧设置有喷吹高压气体的出气口，但在实际加工环境中，由于切削液的粘性附着，保护镜非常容易被污染，导致光学系统无法可靠工作。有学者提出基于半透反射镜的视觉在机检测方案，但未考虑任何光路的防护，在实际加工环境中使用时，窗口镜表面会因切削液和切屑附着而被很快被污染，导致成像系统无法使用，因而不具有实用价值。而市场上其它基于视觉测量技术的工业产品也无法对微细刀具的端部进行表面观测。

(4)现有的微细刀具在机检测技术无法对微细刀具检测的历史数据进行存储和追溯，这不利于微细刀具测量数据的管理和基于刀具失效及使用寿命进行加工工艺参数的优化。

由此可知，现有的微细铣刀在机检测技术存在在真实加工环境下光路防护不足，也无法高效、高精度地对微细刀具的直径和长度、折断情况、径向和端部的表面磨损情况进行多角度观测的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪及其检测方法，以解决现有的微细铣刀在机检测系统光路防护不足，也无法高效、高精度地对微细刀具的直径和长度、折断情况、径向和端部的表面磨损情况进行多角度观测的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪，包括：检测仪、数据处理控制器、以及刀具数据服务器；

所述检测仪的防护壳体为凹型防护壳体，所述凹型防护壳体为中空的一体结构；所述凹型防护壳体包括第一侧腔、凹槽区域以第二侧腔；所述第一侧腔内设有高于倍率阈值的高倍率远心镜头、半透半反射镜、上光光源以及前光光源；所述第二侧腔内设有背光光源；检测过程中，微细铣刀由第一刀具检测位置移动到第二刀具检测位置，所述第一刀具检测位置与所述凹槽区域相对应，所述第一刀具检测位置用于检测所述微细铣刀的长度、直径、折断和径向表面的磨损及破损；所述第二刀具检测位置与所述第一侧腔相对应，所述第二刀具检测位置用于对所述微细铣刀端面的磨损和破损进行观测；所述检测仪和所述数据处理控制器通过信号线缆、清洁气管、柱塞气管和正压防护气管连接；所述数据处理控制器还分别与CNC控制器以及所述刀具数据服务器相连接；通过数据处理控制器控制所述背光光源、所述前光光源以及所述上光光源的启闭，基于远心光学平行投影成像原理，利用半透半反射镜，自动测量径向和轴向两个观测视角上刀具的长度和直径、折断状态、径向与端部的表面磨损和破损状态。

可选的，所述检测仪具体包括：防护壳体、相机模组、高于倍率阈值的高倍率远心镜头、半透半反射镜、上光光源、前光光源、第一窗口镜、第二窗口镜、第一气动柱塞、第二气动柱塞、背光光源以及光纤传感器；

所述光纤传感器包括光纤传感器发射端以及光纤传感器接收端；所述防护壳体为凹型防护壳体；所述凹型防护壳体的第一侧腔内设有高于倍率阈值的高倍率远心镜头、半透半反射镜、上光光源、前光光源、第一窗口镜、第二窗口镜、第一气动柱塞、第二气动柱塞以及所述光纤传感器发射端；所述防护壳体的第二侧腔内设有所述光纤传感器接收端以及背光光源；所述光纤传感器发射端与所述光纤传感器接收端以所述第一刀具检测位置为中心对称设置；所述背光光源设于所述第二侧腔内，所述背光光源用于在成像时提供均匀的背景照明，形成明暗对比良好的刀具图像；

所述高倍率远心镜头设于所述相机模组的镜头接口上，所述高倍率远心镜头的光轴与所述第一刀具检测位置的主轴轴线平行且与所述第二刀具检测位置的主轴轴线共线；所述半透半反射镜设于所述远心镜头的上部；所述第一窗口镜设于所述半透半反射镜的反射光路上；所述第二窗口镜设于所述半透半反射镜的透射光路上；所述第一窗口镜、所述第一气动柱塞以及所述前光光源依次设于同一反射光路上，所述第二窗口镜、所述第二气动柱塞以及所述上光光源依次设于同一透射光路上。

可选的，所述第一窗口镜和所述第一气动柱塞之间的反射光路中通有高压气体，形成对所述第一窗口镜和所述第一气动柱塞之间的反射光路的正压防护；

所述第二窗口镜和所述第二气动柱塞之间的透射光路中通有高压气体，形成对所述第二窗口镜和所述第二气动柱塞之间的透射光路的正压防护。

可选的，所述光纤传感器发射端与所述光纤传感器接收端的连线与主轴轴线垂直。

可选的，所述检测仪还包括：清洁喷嘴；

所述清洁喷嘴设于所述凹型防护壳体的凹槽区域的表面；所述刀具与所述清洁喷嘴相对应；所述清洁喷嘴用于在成像前对所述刀具进行清洁，去除所述刀具上残留的切屑和切削液。

可选的，所述凹槽区域内设有气动防护门。

可选的，所述数据处理控制器具体包括：计算模块、光源控制模块以及气路控制模块；

所述计算模块、所述光源控制模块和所述气路控制模块通过所述信号线缆依次连接；所述计算模块还与所述CNC控制器相连接；所述计算模块以及所述光源控制模块还分别与所述信号线缆相连接；所述计算模块通过车间局域网与所述刀具数据服务器相连接。

还包括：清洁气管、柱塞气管1、柱塞气管2、正压防护气管1以及正压防护气管2；

所述清洁气管用于连接所述清洁喷嘴和所述气路控制模块；

所述柱塞气管1用于连接所述第一气动柱塞与和所述气路控制模块；

所述柱塞气管2用于连接所述第二气动柱塞和所述气路控制模块；

所述正压防护气管1用于连接所述反射光路中的高压气体和所述气路控制模块；

所述正压防护气管2用于连接所述透射光路中的高压气体和所述气路控制模块。

一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪的检测方法，所述检测方法应用于权利要求1-8任一项所述微细铣刀在机多视角视觉检测仪，所述检测方法包括：

第一步，微细铣刀在机多视角视觉检测仪上电后，计算模块中的内核程序自启动并处于等待检测状态，两个气动柱塞处在常闭状态，正气压防护始终开启；

第二步，检测微细铣刀时，在数控加工NC主程序中以子程序调用方式运行测量宏程序，在调用测量宏程序时传递参数，用于指定刀具上进行直径测量的具体截面位置；

第三步，测量宏程序首先控制微细刀具移动至检测起点，检测起点是用户指定的固定位置，所述检测起点位于检测仪上方；在测量宏程序的控制下，微细铣刀开始从对刀起点下降至壳体中间的凹型区域；在刀具下降过程中，刀具端部会先遮挡光纤传感器发射端发出的激光束，在光纤传感器接收端产生一个阶跃触发信号，所述阶跃触发信号被发送给CNC控制器，触发测量宏程序运行G31跳转指令，根据所述G31跳转指令，刀具停止下降，宏程序把第一宏变量的值置为1；

第四步，内核程序查询第一宏变量的状态，如果第一宏变量的值为1，气路控制模块通过清洁气管开启清洁喷嘴，通过喷出高压气流清洁刀具，否则继续等待；

第五步，测量宏程序把刀具安全移动至远心镜头视场前的聚焦位置，即微细刀具检测点，同时宏程序把第二宏变量的值置为1；

第六步，内核程序查询第二宏变量的值，如果所述第二宏变量的值为1，则内核程序打开相机模组，同时通过光源控制模块打开背光光源；否则继续清洁刀具；

第七步，气路控制模块通过清洁气管关闭清洁喷嘴，并通过柱塞气管1打开第一气动柱塞，在刀具旋转过程中相机模组通过高倍率远心镜头获取平行投影的刀具图像序列；

第八步，拍摄完毕后，光源控制模块关闭背光光源并打开前光光源，主轴停转，相机模组获取刀具图像；

第九步，拍摄完毕后，光源控制模块关闭前光光源，气动控制模块通过柱塞气管1关闭第一气动柱塞，并把第三宏变量的值置为1；

第十步，如果测量宏程序检测到第三宏变量的值为1，则把刀具移动至刀具端部检测位置，该位置位于半透半反射镜上方聚焦位置，并把第四宏变量的值置为1；

第十一步，内核程序查询第四宏变量的值，如果第四宏变量的值为1，则光源控制模块打开上光光源，气动控制模块通过柱塞气管2打开第二气动柱塞，主轴停转，相机模组获取刀具端面图像；

第十二步，拍摄完毕后，内核程序关闭相机模组，并通过控制器关闭上光光源和第二气动柱塞，内核程序把第五宏变量的值置为1，如果测量宏程序检测到第五宏变量为1，控制刀具返回检测起点，完成整个检测动作；

可选的，所述第十二步，之后还包括：

内核程序处理背光光源开启时获得的刀具图像序列，确定刀具长度和刀具直径；

根据所述刀具长度和所述刀具直径判断所述刀具的当前状态；所述当前状态包括折断状态和未折断状态；

所述内核程序处理前光开启时获得的刀具径向表面的图像，判断刀具径向表面的磨损；

所述内核程序处理上光光源开启获得刀具端部图像，判断刀具端部磨损。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪及其检测方法，本发明基于远心光学平行投影成像原理，采用半透半反射镜，只使用单相机可同时实现径向和轴向两个观测视角，并利用背光、前光和上光三种不同类型的光源，可自动完成刀具长度和直径测量、折断检测、径向与端部的表面磨损观测多种功能，并通过正气压和气动柱塞双重防护设计，保证光学元件在有切削液、油雾和切屑的恶劣加工环境中不受污染、可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的微细铣刀在机多视角视觉检测仪结构图；

图2为本发明所提供的原理流程图；

图3为本方面所提供的图像序列处理算法流程图；

图4为本发明所提供的刀具磨损图像处理算法的流程图；

图5为本发明所提供的组网实施示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪及其检测方法，只使用单相机实现径向和轴向两个观测视角，自动完成刀具长度和直径测量、折断检测、径向与端部的表面磨损观测多种功能，并通过正气压防护设计提供了可靠的光路保护。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的微细铣刀在机多视角视觉检测系统结构图，如图1所示，一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪，包括：检测仪、数据处理控制器以及刀具数据服务器；

所述检测仪的防护壳体为凹型防护壳体，所述凹型防护壳体为中空的一体结构；所述凹型防护壳体包括第一侧腔、凹槽区域以第二侧腔；所述凹型防护壳体为中空的一体结构；所述第一侧腔内设有高于倍率阈值的高倍率远心镜头、半透半反射镜、上光光源以及前光光源；所述第二侧腔内设有背光光源；检测过程中，微细铣刀由第一刀具检测位置移动到第二刀具检测位置，所述第一刀具检测位置与所述凹槽区域相对应，所述第一刀具检测位置用于检测所述微细铣刀的长度、直径、折断和径向表面的磨损及破损；所述第二刀具检测位置与所述第一侧腔相对应，所述第二刀具检测位置用于对所述微细铣刀端面的磨损和破损进行观测；所述检测仪和所述数据处理控制器通过信号线缆、清洁气管、柱塞气管1和2、正压防护气管1和2连接；所述数据处理控制器还分别与所述CNC控制器以及所述刀具数据服务器相连接；通过数据处理控制器控制所述背光光源、所述前光光源以及所述上光光源的启闭，基于远心光学平行投影成像原理，利用半透半反射镜，自动测量径向和轴向两个观测视角上刀具的长度和直径、折断状态、径向与端部的表面磨损和破损状态。

微细铣刀在机视觉检测仪由硬件和软件两部分组成：

硬件包括检测仪和数据处理控制器，二者通过信号线缆、清洁气管、柱塞气管1和2、正压防护气管1和2连接。

检测仪安装在超精密加工中心的工作台上，包括相机模组、高倍率远心镜头、半透半反射镜、第一窗口镜、第二窗口镜、第一气动柱塞、第二气动柱塞、光纤传感器、背光光源、前光光源、上光光源、清洁喷嘴和防护壳体。

高倍率远心镜头安装在相机模组的镜头接口上，高倍率远心镜头的轴线与微细刀具的轴线平行，相机模组及高倍率远心镜头用于获取平行投影的刀具图像。半透半反射镜安装在高倍率远心镜头上部，一方面利用半透半反射镜透射光线的能力对刀具端部进行成像，另一方面利用其反射光线的能力对光路90度转向，对刀具进行径向成像。第一窗口镜以及第二窗口镜分别安装于半透半反射镜外侧，对前述各光学元件进行密封。第一气动柱塞以及第二气动柱塞均位于光路外侧，具有开启和关闭两个位置，开启时允许相机模组采集刀具图像，关闭时对光路提供防护。在窗口镜和气动柱塞之间的光路中通有高压气体，高压气压从气动柱塞圆柱面的外侧配合间隙向外流动，受到内部正压气流形成的阻力，机床加工环境中的油雾、切削液和切屑被拒止在外，无法进入光路对窗口镜及各光学元件造成污染，从而形成对窗口镜和气动柱塞之间光路的正压防护。背光光源用于在测量微细铣刀长度和直径时提供均匀的背景照明，获得明暗对比良好的图像，前光光源为微细铣刀径向表面磨损观测时提供足够亮度的照明，上光光源为微细铣刀端部表面磨损观测时提供足够亮度的照明。光纤传感器用于确保微细铣刀检测过程的安全性，其发射端与接收端的连线与微细刀具轴线垂直，在微细铣刀下降过程中检测其端部的粗略位置，防止在未知刀具夹持长度的情况下，微细铣刀下降过程中与检测仪发生碰撞。清洁喷嘴用于在成像前对微细铣刀进行清洁，去除刀具上残留的切屑和切削液。壳体用于安装和保护所有的元器件。

数据处理控制器安装在超精密加工中心的电气柜中，数据处理控制器包括计算模块、光源控制模块和气路控制模块，计算模块的功能是控制相机模组进行图像采集，对获取的刀具图像进行处理，并通过光源控制器和气路控制模块进行背光光源、前光光源、上光光源及气路的开关控制。计算模块通过通讯协议利用网口或串口与CNC控制器进行通讯，把计算出来的刀具长度和直径更新至CNC控制器的刀补寄存器中。计算模块还可接入车间局域网与刀具数据服务器进行远程通讯。

作为以上结构的变化，控制器的计算模块也可采用嵌入式硬件，从而集成到检测仪内部。壳体凹型区域外部也可增加气动防护门，只在测量期间开启，为检测仪在恶劣工况下运行提供进一步的防护。

软件部分包括内核程序和测量宏程序。

内核程序是高级语言编译生成的可执行文件，运行在数据处理控制器的计算模块中，操作系统可以是Windows系统也可以是Linux系统，主要功能是实现检测流程、图像采集与设置曝光参数、刀具图像处理、刀具长度和直径的计算、刀具折断的判断、刀具表面磨损检测、与CNC控制器的通讯；内核程序还包含了数据库模块，可对测量数据和图像进行存储和查询，并支持通过车间局域网把本地数据库中的数据远程备份到刀具数据服务器的数据库中。

测量宏程序是由数控编程指令组成的数控加工(Numerical Control System，NC)子程序，可被加工NC主程序调用，运行在CNC控制器中，主要功能是配合内核程序来控制主轴和刀具的运动以完成检测，测量宏程序与内核程序通过通讯协议利用网口或串口通讯进行数据交换。

如图2所示，微细铣刀在机多视角视觉检测仪的工作原理：

第一步，微细铣刀在机多视角视觉检测仪上电后，计算模块中的内核程序自启动并处于等待检测状态，两个气动柱塞处在常闭状态，正气压防护始终开启。

第二步，机床操作人员需要检测微细铣刀时，在数控加工NC主程序中以子程序调用方式运行测量宏程序，在调用测量宏程序时可传递参数，用于指定刀具上进行直径测量的具体截面位置。

第三步，测量宏程序首先控制微细刀具移动至检测起点，检测起点是用户指定的固定位置，通常位于检测仪上方。在测量宏程序的控制下，微细铣刀开始从对刀起点下降至壳体中间的凹型区域。由于微细铣刀的夹持长度未知，为确保安全性，在刀具下降过程中，刀具端部会先遮挡光纤传感器发射端发出的激光束，从而在光纤传感器接收端产生一个阶跃触发信号，该信号被发送给CNC控制器，触发测量宏程序运行G31跳转指令，根据该指令刀具停止下降，宏程序把第一宏变量(宏变量1)的值置为1。

第四步，内核程序查询第一宏变量的状态，如果第一宏变量的值为1，则气路控制模块通过清洁气管开启清洁喷嘴，通过喷出高压气流清洁刀具，否则继续等待。

第五步，测量宏程序把刀具安全移动至远心镜头视场前的聚焦位置，即微细刀具检测点，同时宏程序把第二宏变量(宏变量2)的值置为1。

第六步，内核程序查询第二宏变量的值，如果第二宏变量的值为1，则内核程序打开相机模组，同时通过光源控制模块打开背光光源。否则继续清洁刀具。

第七步，气路控制模块通过清洁气管关闭清洁喷嘴，并通过柱塞气管1打开第一气动柱塞，在刀具旋转过程中相机模组通过高倍率远心镜头获取平行投影的刀具图像序列。

第八步，拍摄完毕后，光源控制模块关闭背光光源并打开前光光源，主轴停转，相机模组获取刀具图像。

第九步，拍摄完毕后，光源控制模块关闭前光光源，气动控制模块通过柱塞气管1关闭第一气动柱塞，并把第三宏变量(宏变量3)的值置为1。

第十步，如果测量宏程序检测到第三宏变量为1，则把刀具移动至刀具端部检测位置，该位置位于半透半反射镜上方聚焦位置，并把第四宏变量(宏变量4)的值置为1。

第十一步，内核程序查询第四宏变量的值，如果第四宏变量的值为1，则光源控制模块打开上光光源，气动控制模块通过柱塞气管2打开第二气动柱塞，主轴停转，相机模组获取刀具端面图像。

第十二步，拍摄完毕后，内核程序关闭相机模组，并通过控制器关闭上光光源和第二气动柱塞，内核程序把第五宏变量(宏变量5)的值置为1，如果测量宏程序检测到第五宏变量为1，则控制刀具返回检测起点，完成整个检测动作。

第十三步，内核程序处理背光光源开启时获得的刀具图像序列，处理流程如图3所示：(1)首先进行叠加合成，即对图像序列中包含刀具的区域进行合并，从而消除刀具螺旋槽的影响得到刀具最大扫掠体的图像。(2)对该图像进行采用Otsu算法进行自适应阈值的二值化，得到二值图，对二值图采用Canny边缘检测算子进行边缘检测，得到刀具最大轮廓，为提高测量精度，在像素级轮廓的基础上采用Zernike矩方法进行亚像素边缘提取。(3)根据分析刀具轮廓的中轴线与刀具轮廓的交点，根据该点到图像首行的距离可计算刀具长度。(4)根据测量宏程序传递的参数，可在指定的刀具轴向截面位置通过计算刀具轮廓两侧距离计算出刀具直径。(5)通过比较刀具本次测量长度值与新刀的长度值，设定一定阈值作为刀具是否折断的判据，如果二者差值超过该阈值则说明刀具折断，则通过CNC控制器进行报警、提示换刀，如未折断，则把刀具长度和直径通过通讯接口传输到数控机床CNC控制器的刀补寄存器。

第十四步：内核程序处理前光开启时获得的刀具径向表面的图像,处理流程如图4所示：(1)首先通过Canny算子进行边缘检测处理，获取外轮廓和纹理边缘；(2)根据外轮廓的形状及刀具表面纹理的丰富程度判断刀具是否存在磨损，如果外轮廓存在缺失或刀具表面纹理丰富，则存在过度磨损，进行报警，提示换刀。

第十五步：内核程序处理上光光源开启获得刀具端部图像,处理流程如图4所示：(1)首先通过Canny算子进行边缘检测处理，获取外轮廓和纹理边缘；(2)根据外轮廓的形状及刀具表面纹理的丰富程度判断刀具是否存在磨损，如果外轮廓存在缺失或刀具表面纹理丰富，则存在过度磨损，进行报警，提示换刀。

第十六步，测量数据和图像被存储在内核程序的数据库中，如把微细铣刀在机视觉检测仪接入车间局域网，还可把测量数据推送到刀具数据服务器的数据库中，进行数据的远程备份。

本发明支持与超精密加工中心的CNC控制器数据通讯，自动更新CNC控制器刀补寄存器中的数据。支持测量数据和图像本地存储和远程备份，实现历史测量数据的追溯。微细铣刀在机多视角视觉检测仪具有正气压和气动柱塞双重防护设计，可保证光学元件在有切削液、油雾和切屑的恶劣加工环境中不受污染、可靠运行。

在图1所示实施例的基础上，图5给出了本发明的另一个采用组网方式的实施例，即把N个微细铣刀在机多视角视觉检测仪分别安装在N台超精密加工中心上，每个检测仪的控制器和对应超精密加工中心的CNC控制器通讯。这些微细铣刀在机多视角视觉检测仪均接入车间局域网组成传感器网络。每台微细铣刀在机多视角视觉检测仪均按照图1所述实施方式独立运行，并把数据测量通过车间局域网推送到刀具数据服务器，实现对车间里多个超精密加工中心上微细刀具检测数据的远程备份。超精密加工中心的用户可通过终端计算机或移动终端从网页对微细铣刀在机多视角视觉检测仪产生的测量的历史数据进行查询和统计。

综上，采用本发明所提供的微细铣刀在机多视角视觉检测仪能够达到如下效果：

(1)本发明采用正气压和气动柱塞双重防护设计，具有可靠的光路防护。一方面在窗口镜和气动柱塞之间的光路中通有高压气体，高压气压通过气动柱塞圆柱面的外侧配合间隙向外流动，受到内部正压气流形成的阻力，机床加工环境中的油雾、切削液和切屑被拒止在外，无法进入光路对窗口镜及各光学元件造成污染，从而形成对窗口镜和气动柱塞之间光路的正压防护。另一方面，气动柱塞位于光路外侧，具有开启和关闭两个位置，开启时允许采集刀具图像，关闭时对光路提供防护。上述设计可保证光学元件在有切削液、油雾和切屑的恶劣加工环境中不受污染、可靠运行。

(2)本发明仅使用单相机可高效实现微细铣刀的多角度观测，基于远心光学平行投影成像原理，采用半透半反射镜，只使用单相机可同时实现径向和轴向两个观测视角，并利用背光、前光和上光三种不同类型的光源，可自动完成刀具长度和直径测量、折断检测、径向与端部的表面磨损观测多种功能。

(3)本发明的测量精度高。接触式微细铣刀在机检测仪由于需要接触刀具，刀具尺寸太小，受接触传感器的灵敏度和接触表面磨损的影响，精度较低。激光在机对刀仪采用基于激光遮挡的单点测量原理，受激光束聚焦尺寸的物理限制，无法精确检测遮挡位置，尺寸测量结果不可靠。本发明中在背光光源的照明下通过高倍率远心镜头对刀具进行平行投影成像，通过二维图像处理精确提取刀具边缘，测量精度与机床移动误差无关，而且可实现亚像素精度边缘轮廓提取，测量结果精度高、数据可靠。

(4)本发明支持测量数据的追溯。现有的微细刀具在机检测仪仅把当前测量结果更新至刀补寄存器中或进行报警，而对刀具检测的历史数据无法保存和追溯，本发明中的内核程序含有数据库模块，可对测量过程中的刀具数据和图像进行保存，同时把微细铣刀在机多视角视觉检测仪接入车间局域网可把测量数据推送到刀具数据服务器的数据库中，实现数据的远程备份。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪，其特征在于，包括：检测仪、数据处理控制器、数控机床CNC控制器以及刀具数据服务器；

所述检测仪的防护壳体为凹型防护壳体，所述凹型防护壳体为中空的一体结构；所述凹型防护壳体包括第一侧腔、凹槽区域以第二侧腔；所述凹型防护壳体为中空的一体结构；所述第一侧腔内设有高于倍率阈值的高倍率远心镜头、半透半反射镜、上光光源以及前光光源；所述第二侧腔内设有背光光源；检测过程中，微细铣刀由第一刀具检测位置移动到第二刀具检测位置，所述第一刀具检测位置与所述凹槽区域相对应，所述第一刀具检测位置用于检测所述微细铣刀的长度、直径、折断和径向表面的磨损及破损；所述第二刀具检测位置与所述第一侧腔相对应，所述第二刀具检测位置用于对所述微细铣刀端面的磨损和破损进行观测；所述检测仪和所述数据处理控制器通过信号线缆和气管连接；所述数据处理控制器还分别与所述CNC控制器以及所述刀具数据服务器相连接；通过数据处理控制器控制所述背光光源、所述前光光源以及所述上光光源的启闭，基于远心光学平行投影成像原理，利用半透半反射镜，自动测量径向和轴向两个观测视角上刀具的长度和直径、折断状态、径向与端部的表面磨损和破损状态。

2.根据权利要求1所述的微细铣刀在机多视角视觉检测仪，其特征在于，所述检测仪具体包括：防护壳体、相机模组、高于倍率阈值的高倍率远心镜头、半透半反射镜、上光光源、前光光源、第一窗口镜、第二窗口镜、第一气动柱塞、第二气动柱塞、背光光源以及光纤传感器；

所述光纤传感器包括光纤传感器发射端以及光纤传感器接收端；所述防护壳体为凹型防护壳体；所述凹型防护壳体的第一侧腔内设有高于倍率阈值的高倍率远心镜头、半透半反射镜、上光光源、前光光源、第一窗口镜、第二窗口镜、第一气动柱塞、第二气动柱塞以及所述光纤传感器发射端；所述防护壳体的第二侧腔内设有所述光纤传感器接收端以及背光光源；所述光纤传感器发射端与所述光纤传感器接收端以所述第一刀具检测位置为中心对称设置；所述背光光源设于所述第二侧腔内，所述背光光源用于在成像时提供均匀的背景照明，形成明暗对比良好的刀具图像；

所述高倍率远心镜头设于所述相机模组的镜头接口上，所述高倍率远心镜头的光轴与所述第一刀具检测位置的主轴轴线平行且与所述第二刀具检测位置的主轴轴线共线；所述半透半反射镜设于所述远心镜头的上部；所述第一窗口镜设于所述半透半反射镜的反射光路上；所述第二窗口镜设于所述半透半反射镜的透射光路上；所述第一窗口镜、所述第一气动柱塞以及所述前光光源依次设于同一反射光路上，所述第二窗口镜、所述第二气动柱塞以及所述上光光源依次设于同一透射光路上。

3.根据权利要求2所述的微细铣刀在机多视角视觉检测仪，其特征在于，所述第一窗口镜和所述第一气动柱塞之间的反射光路中通有高压气体，形成对所述第一窗口镜和所述第一气动柱塞之间的反射光路的正压防护；

所述第二窗口镜和所述第二气动柱塞之间的透射光路中通有高压气体，形成对所述第二窗口镜和所述第二气动柱塞之间的透射光路的正压防护。

4.根据权利要求2所述的微细铣刀在机多视角视觉检测仪，其特征在于，所述光纤传感器发射端与所述光纤传感器接收端的连线与主轴轴线垂直。

5.根据权利要求2所述的微细铣刀在机多视角视觉检测仪，其特征在于，所述检测仪还包括：清洁喷嘴；

所述清洁喷嘴设于所述凹型防护壳体的凹槽区域的表面；所述刀具与所述清洁喷嘴相对应；所述清洁喷嘴用于在成像前对所述刀具进行清洁，去除所述刀具上残留的切屑和切削液。

6.根据权利要求5所述的微细铣刀在机多视角视觉检测仪，其特征在于，所述凹槽区域内设有气动防护门。

7.根据权利要求5所述的微细铣刀在机多视角视觉检测仪，其特征在于，所述数据处理控制器具体包括：计算模块、光源控制模块以及气路控制模块；

所述计算模块、所述光源控制模块和所述气路控制模块通过所述信号线缆依次连接；所述计算模块还与所述CNC控制器相连接；所述计算模块以及所述光源控制模块还分别与所述信号线缆相连接；所述计算模块通过车间局域网与所述刀具数据服务器相连接。

8.根据权利要求7所述的微细铣刀在机多视角视觉检测仪，其特征在于，还包括：清洁气管、柱塞气管1、柱塞气管2、正压防护气管1以及正压防护气管2；

所述清洁气管用于连接所述清洁喷嘴和所述气路控制模块；

所述柱塞气管1用于连接所述第一气动柱塞与和所述气路控制模块；

所述柱塞气管2用于连接所述第二气动柱塞和所述气路控制模块；

所述正压防护气管1用于连接所述反射光路中的高压气体和所述气路控制模块；

所述正压防护气管2用于连接所述透射光路中的高压气体和所述气路控制模块。

9.一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪的检测方法，其特征在于，所述检测方法应用于权利要求1-8任一项所述微细铣刀在机多视角视觉检测系统，所述检测方法包括：

第一步，微细铣刀在机多视角视觉检测仪上电后，计算模块中的内核程序自启动并处于等待检测状态，两个气动柱塞处在常闭状态，正气压防护始终开启；

第二步，检测微细铣刀时，在数控加工NC主程序中以子程序调用方式运行测量宏程序，在调用测量宏程序时传递参数，用于指定刀具上进行直径测量的具体截面位置；

第三步，测量宏程序首先控制微细刀具移动至检测起点，检测起点是用户指定的固定位置，所述检测起点位于检测仪上方；在测量宏程序的控制下，微细铣刀开始从对刀起点下降至壳体中间的U型区域；在刀具下降过程中，刀具端部会先遮挡光纤传感器发射端发出的激光束，在光纤传感器接收端产生一个阶跃触发信号，所述阶跃触发信号被发送给CNC控制器，触发测量宏程序运行G31跳转指令，根据所述G31跳转指令，刀具停止下降，宏程序把第一宏变量的值置为1；

第四步，内核程序查询第一宏变量的状态，如果第一宏变量的值为1，气路控制模块通过清洁气管开启清洁喷嘴，通过喷出高压气流清洁刀具，否则继续等待；

第五步，测量宏程序把刀具安全移动至远心镜头视场前的聚焦位置，即微细刀具检测点，同时宏程序把第二宏变量的值置为1；

第六步，内核程序查询第二宏变量的值，如果所述第二宏变量的值为1，则内核程序打开相机模组，同时通过光源控制模块打开背光光源；否则继续清洁刀具；

第七步，气路控制模块通过清洁气管关闭清洁喷嘴，并通过柱塞气管1打开第一气动柱塞，在刀具旋转过程中相机模组通过高倍率远心镜头获取平行投影的刀具图像序列；

第八步，拍摄完毕后，光源控制模块关闭背光光源并打开前光光源，主轴停转，相机模组获取刀具图像；

第九步，拍摄完毕后，光源控制模块关闭前光光源，气动控制模块通过柱塞气管1关闭第一气动柱塞，并把第三宏变量的值置为1；

第十步，如果测量宏程序检测到第三宏变量的值为1，则把刀具移动至刀具端部检测位置，该位置位于半透半反射镜上方聚焦位置，并把第四宏变量的值置为1；

第十一步，内核程序查询第四宏变量的值，如果第四宏变量的值为1，则光源控制模块打开上光光源，气动控制模块通过柱塞气管2打开第二气动柱塞，主轴停转，相机模组获取刀具端面图像；

第十二步，拍摄完毕后，内核程序关闭相机模组，并通过控制器关闭上光光源和第二气动柱塞，内核程序把第五宏变量的值置为1，如果测量宏程序检测到第五宏变量为1，控制刀具返回检测起点，完成整个检测动作。

10.根据权利要求9所述的微细铣刀在机多视角视觉检测系统的检测方法，其特征在于，所述第十二步，之后还包括：

内核程序处理背光光源开启时获得的刀具图像序列，确定刀具长度和刀具直径；

根据所述刀具长度和所述刀具直径判断所述刀具的当前状态；所述当前状态包括折断状态和未折断状态；

所述内核程序处理前光开启时获得的刀具径向表面的图像，判断刀具径向表面的磨损；

所述内核程序处理上光光源开启获得刀具端部图像，判断刀具端部磨损。

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