CN111692969A - 一种刀具跳动在机视觉检测仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刀具跳动在机视觉检测仪及其检测方法。所述刀具跳动在机视觉检测仪包括：检测仪、数据处理控制器以及刀具数据服务器；检测仪和数据处理控制器通过信号线缆连接；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；检测仪内设有远心镜头以及背光光源，利用所述远心镜头以及所述背光光源对刀具进行平行投影成像，在刀具旋转过程中获取刀具图像序列，数据处理控制器基于图像序列逐帧动态分析原理，分析所述刀具图像序列，自动检测刀具的径向跳动以及轴向跳动。采用本发明所提供的刀具跳动在机视觉检测仪或其检测方法能够在刀具工作转速下高效、精确地自动检测刀具的径向跳动和轴向跳动。

Description

一种刀具跳动在机视觉检测仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及刀具跳动检测领域，特别是涉及一种刀具跳动在机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。本文仅针对刀具跳动检测这一功能进行研究。

在加工过程中，由于刀具的制造误差、装配误差和刀柄装卡误差，以及主轴的装配误差，刀具装配体的轴线可能和主轴的回转轴线不一致，会导致刀具存在跳动，跳动主要分为轴向跳动及径向跳动，前者表现为刀具的径向摆动，后者表现为刀具的轴向窜动。跳动的存在不仅会加剧刀具的磨损及破损，还会严重影响加工工件的表面质量。由于刀具转动时，径向跳动会随着热量、振动和离心力等因素而发生变化，因此有必要在刀具的工作转速下进行跳动检测。跳动检测的主要目的确保刀具的跳动量满足加工要求，若跳动量过大，则提醒更换刀具或者重新装夹，以避免不必要的加工误差。目前存在两类刀具跳动检测技术，这些技术的特点及存在的缺陷如下，难以满足生产需求：

(1)接触式静态检测方法：在加工中通过在主轴上安装芯棒，采用千分表打表的方法进行静态跳动测量。受限于接触测量的原理，由于刀具具有刀槽不是圆柱体，这一方法无法测量实际刀具的跳动，也无法测量在工作转速下进行动态检测。

(2)激光非接触动态检测方法：基于激光遮挡的单点测量原理，可以在工作转速下检测刀具跳动，但为保证测量精度，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，测量效率很低，同时受激光束聚焦尺寸的物理限制，无法精确检测遮挡位置，对于微细刀具的跳动检测结果误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种刀具跳动在机视觉检测仪及其检测方法，以解决现有的刀具跳动检测方法的测量效率低、刀具跳动检测结果误差大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种刀具跳动在机视觉检测仪，包括：检测仪、数据处理控制器以及刀具数据服务器；

所述检测仪和所述数据处理控制器通过信号线缆连接；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；所述检测仪内设有远心镜头以及背光光源，利用所述远心镜头以及所述背光光源对刀具进行平行投影成像，在刀具旋转过程中获取刀具图像序列，所述数据处理控制器基于图像序列逐帧动态分析原理，分析所述刀具图像序列，自动检测刀具的径向跳动以及轴向跳动。

可选的，所述检测仪具体包括：防护壳体、相机模组、远心镜头、45度反射镜、窗口镜、气动柱塞以及光纤传感器；

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相机模组、远心镜头、45度反射镜、窗口镜、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；所述光纤传感器发射端与所述光纤传感器接收端以所述刀具为中心对称设置；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；

所述远心镜头设于所述相机模组的镜头接口上，所述远心镜头的轴线与所述刀具的轴线平行；所述相机模组以及所述远心镜头用于获取旋转刀具的平行投影图像；所述45度反射镜设于所述远心镜头的上部；所述45度反射镜用于对成像光路进行90度转向；所述窗口镜设于所述45度反射镜的反射端；所述窗口镜用于对所述相机模组、所述远心镜头以及所述45度反射镜进行密封；所述气动柱塞与所述窗口镜在同一成像光路上，所述气动柱塞的轴线与窗口镜平面的法向垂直，所述气动柱塞用于控制所述相机模组采集刀具图像以及防护所述成像光路。

可选的，所述窗口镜和所述气动柱塞之间的成像光路中通有高压气体，形成对所述窗口镜和所述气动柱塞之间成像光路的正压防护。

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所述刀具的轴线垂直。

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。

一种基于刀具跳动在机视觉检测仪的刀具跳动检测方法，所述检测方法包括：

第一步，刀具跳动在机视觉检测仪上电后，计算模块中的内核程序自启动并处于等待测量状态，气动柱塞处在常闭状态，正气压防护始终开启；

第二步，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；所述参数包括刀具的名义直径和刀齿个数；

第三步，所述测量宏程序控制刀具移动至检测起点；所述检测起点是用户指定的固定位置，位于检测仪上部；在所述测量宏程序的控制下，刀具继续从所述检测起点下降至壳体中间的凹型测量区域；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，从而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数控机床的CNC控制器，触发所述测量宏程序运行G31跳转指令，根据所述G31跳转指令控制刀具停止下降，宏程序把第一宏变量置为1；

第四步，所述内核程序查询第一宏变量的值，如果所述第一宏变量为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，所述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，所述测量宏程序控制刀具沿垂直主轴轴线并平行于工作台的方向横向移动刀具半径的距离，使得刀尖处于聚焦位置，所述聚焦位置称为跳动检测点；所述测量宏程序同时把第二宏变量置为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，则所述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，所述气路控制模块通过清洁气管关闭清洁喷嘴，并通过柱塞气管打开气动柱塞，在刀具旋转过程中相机模组通过远心镜头进行平行投影，并获取刀具图像序列；

第八步，拍摄完毕后，所述内核程序关闭所述相机模组，所述光源控制模块关闭背光光源，气路控制模块通过柱塞气管关闭气动柱塞，所述内核程序把第三宏变量置为1；如果测量宏程序检测到第三宏变量的值为1，则控制刀具返回检测起点；

第九步，所述内核程序对所获取的刀具图像序列进行处理计算刀具的径向跳动以及轴向跳动。

可选的，所述第九步，具体包括：

刀具的径向跳动表现为刀尖沿径向的周期性往复运动，刀尖相对于主轴轴线在径向有两个极限位置，第一个极限位置是刀尖相对主轴轴线的最远点，另一个极限位置是刀尖相对主轴轴线的最近点，两个极限位置之差来表征刀尖的径向跳动。

可选的，刀具的径向跳动具体处理过程为：

读取所述刀具图像序列中的每一幅图像；

采用高斯平滑滤波器对每一幅图像进行预处理，确定滤波后的图像。

采用Canny边缘检测算子对每一幅滤波后的图像进行边缘检测，并采用Zernike矩方法进行亚像素边缘提取，确定检测后的图像；

以所述检测后的图像的左上角为原点，水平方向向右为U轴正方向，竖直方向向下为V轴正方向，确定图像坐标系O-UV；在靠近刀尖处的指定行处，读取亚像素边缘上的特征点的坐标值，所述刀具图像序列中每一幅图像对应一个特征点；

根据所述图像坐标系建立刀具坐标系O-XY，并将所述图像坐标系下的特征点变换到所述刀具坐标系下；

基于所述刀具坐标系，确定特征点与刀具旋转角之间的对应关系；

根据所述对应关系确定刀具的径向跳动。

可选的，所述第九步，具体包括：

刀具的轴向跳动表现为刀尖沿主轴轴向的周期性往复运动，刀尖相对于图像首行在轴向有两个极限位置，第一个极限位置是距离图像首行的最远点，另一个极限位置是图像首行的最近点，两个极限位置之差表征了刀尖的轴向跳动。

可选的，所述第九步之后，还包括：

判断所述径向跳动或所述轴向跳动是否超出跳动阈值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为所述径向跳动或所述轴向跳动超出跳动阈值，

所述内核程序通过通讯接口在数控机床CNC控制器上进行报警并提示换刀。

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：本发明公开了一种刀具跳动在机视觉检测仪及其检测方法，基于刀具图像序列的逐帧动态分析，只使用单相机就能够在刀具工作转速下高效、精确地自动检测刀具的径向跳动和轴向跳动，并与数控机床的CNC控制器实时通讯，如果刀具跳动超差将进行自动报警。

同时，本发明支持测量数据和图像的本地存储和远程备份，可实现历史测量数据的追溯。

刀具跳动在机视觉检测仪具有正气压和气动柱塞的双重防护设计，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。

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为本发明所提供的刀具跳动在机视觉检测仪结构图；

图2为本发明所提供的基于刀具跳动在机视觉检测仪的刀具跳动检测方法流程图；

图3为本发明所提供的径向跳动检测算法流程图；

图4为本发明所提供的图像坐标系与刀具坐标系示意图；

图5为本发明所提供的径向跳动测量原理示意图。

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刀具跳动在机视觉检测仪及其检测方法，能够在刀具工作转速下高效、精确地自动检测刀具的径向跳动和轴向跳动。

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为本发明所提供的刀具跳动在机视觉检测仪结构图，如图1所示，一种刀具跳动在机视觉检测仪，包括：检测仪、数据处理控制器以及刀具数据服务器；所述检测仪和所述数据处理控制器通过信号线缆连接；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；所述检测仪内设有远心镜头以及背光光源，利用所述远心镜头以及所述背光光源对刀具进行平行投影成像，在刀具旋转过程中获取刀具图像序列，所述数据处理控制器基于图像序列逐帧动态分析原理，分析所述刀具图像序列，自动检测刀具的径向跳动以及轴向跳动。

在实际应用中，所述检测仪具体包括：防护壳体、相机模组、远心镜头、45度反射镜、窗口镜、气动柱塞以及光纤传感器；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相机模组、远心镜头、45度反射镜、窗口镜、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；所述光纤传感器发射端与所述光纤传感器接收端以所述刀具为中心对称设置；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；所述远心镜头设于所述相机模组的镜头接口上，所述远心镜头的轴线与所述刀具的轴线平行；所述相机模组以及所述远心镜头用于获取旋转刀具的平行投影图像；所述45度反射镜设于所述远心镜头的上部；所述45度反射镜用于对成像光路进行90度转向；所述窗口镜设于所述45度反射镜的反射端；所述窗口镜用于对所述相机模组、所述远心镜头以及所述45度反射镜进行密封；所述气动柱塞与所述窗口镜在同一成像光路上，所述气动柱塞的轴线与窗口镜平面的法向垂直，所述气动柱塞用于控制所述相机模组采集刀具图像以及防护所述成像光路。

在实际应用中，所述窗口镜和所述气动柱塞之间的成像光路中通有高压气体，形成对所述窗口镜和所述气动柱塞之间成像光路的正压防护。

在实际应用中，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所述刀具的轴线垂直。

在实际应用中，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。

在实际应用中，所述凹槽区域内设有气动防护门。

在实际应用中，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；所述计算模块的还与所述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。

在实际应用中，还包括：清洁气管、柱塞气管以及正压防护气管；所述清洁气管用于连接所述清洁喷嘴以及所述气路控制模块；所述柱塞气管用于连接所述气动柱塞以及所述气路控制模块；所述正压防护气管用于连接所述成像光路中的高压气体以及所述气路控制模块。

检测仪安装在数控机床的工作台上，包括相机模组、高倍率远心镜头、45度反射镜、窗口镜、气动柱塞、光纤传感器、背光光源、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刀具轴线平行，相机模组及高倍率远心镜头用于获取旋转刀具的平行投影图像。45度反射镜安装在高倍率远心镜头上部，对成像光路进行90度转向，实现更紧凑的结构尺寸。窗口镜安装于45度反射镜外侧，对前述各光学元件进行密封。气动柱塞位于光路的外侧，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保护。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。光纤传感器用于确保检测过程的安全性，其发射端与接收端的连线与刀具轴线垂直，在刀具下降过程中检测刀具端部的粗略位置，防止在未知刀具夹持长度的情况下，刀具下降过程中与检测仪发生碰撞。清洁喷嘴用于在成像前对刀具进行清洁，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，其凹型区域为刀具跳动检测提供测量空间。

数据处理控制器安装在数控机床的电气柜中，由计算模块、光源控制模块和气路控制模块组成，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，计算出刀具长度及直径，并通过光源控制器和气路控制模块进行背光光源和气路的开关控制。计算模块利用通讯协议通过网口或串口与数控机床的CNC控制器进行通讯，如跳动超过设定的阈值则进行报警提示换刀。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。壳体的凹型区域部分也可增加气动防护门，只在测量期间开启，为刀具跳动在机视觉检测仪在更恶劣工况下运行提供进一步的防护。

检测刀具跳动过程中，主要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，主要功能是控制跳动检测流程、采集图像与设置曝光参数、处理刀具的背光图像、计算刀具跳动、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中。

测量宏程序是由数控编程指令组成的NC子程序，可被加工NC主程序调用，运行在数控机床控制器中，主要功能是配合内核程序控制主轴和刀具的运动以完成跳动检测，测量宏程序与内核程序通过通讯协议利用网口或串口进行数据交换。

刀具跳动在机视觉检测仪的工作原理如下所述：

图2为本发明所提供的基于刀具跳动在机视觉检测仪的刀具跳动检测方法流程图，如图2所示，一种基于刀具跳动在机视觉检测仪的刀具跳动检测方法，所述检测方法包括：

第一步，刀具跳动在机视觉检测仪上电后，计算模块中的内核程序自启动并处于等待测量状态，气动柱塞处在常闭状态，正气压防护始终开启；

第二步，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；所述参数包括刀具的名义直径和刀齿个数；

第三步，所述测量宏程序控制刀具移动至检测起点；所述检测起点是用户指定的固定位置，位于检测仪上部；在所述测量宏程序的控制下，刀具继续从所述检测起点下降至壳体中间的凹型测量区域；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，从而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数控机床的CNC控制器，触发所述测量宏程序运行G31跳转指令，根据所述G31跳转指令控制刀具停止下降，宏程序把第一宏变量(宏变量1)置为1；

第四步，所述内核程序查询第一宏变量的值，如果所述第一宏变量为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，所述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，所述测量宏程序控制刀具沿垂直主轴轴线并平行于工作台的方向横向移动刀具半径的距离，使得刀尖处于聚焦位置，所述聚焦位置称为跳动检测点；所述测量宏程序同时把第二宏变量(宏变量2)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，则所述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，所述气路控制模块通过清洁气管关闭清洁喷嘴，并通过柱塞气管打开气动柱塞，在刀具旋转过程中相机模组通过远心镜头进行平行投影，并获取刀具图像序列；

第八步，拍摄完毕后，所述内核程序关闭所述相机模组，所述光源控制模块关闭背光光源，气路控制模块通过柱塞气管关闭气动柱塞，所述内核程序把第三宏变量(宏变量3)置为1；如果测量宏程序检测到第三宏变量的值为1，则控制刀具返回检测起点；

第九步，所述内核程序对所获取的刀具图像序列进行处理计算刀具的径向跳动以及轴向跳动。

内核程序对所获取的刀具图像序列进行处理计算刀具的径向跳动，检测原理是：刀具径向跳动表现为刀尖沿径向的周期性往复运动，刀尖相对于主轴轴线在径向有两个极限位置，第一个位置是刀尖相对主轴轴线的最远点，另一个极限位置是刀尖相对主轴轴线的最近点，用二者之差来表征刀尖的跳动量。算法流程如图3所示，具体计算过程描述如下：

读取图像序列中的每一幅图像T_i(i＝1～n)。

采用高斯平滑滤波器对每一幅图像T_i(i＝1～n)进行预处理，消除图像噪声。

采用Canny边缘检测算子对每一幅图像T_i(i＝1～n)进行边缘检测，为提高测量精度，在像素级边缘的基础上进一步采用Zernike矩方法进行亚像素边缘提取。

定义图像坐标系O-UV，如图4所示，其原点在图像左上角，水平方向向右为U轴正方向，竖直方向向下为V轴正方向。在靠近刀尖处的指定行V_C处，读取亚像素边缘上的特征点的坐标值，图像序列中每一幅图像T_i(i＝1～n)对应一个特征点，可获取一组特征点：{(U₁,V_C),……,(U_i,V_C),……,(U_n,V_C)}，i＝1～n。

建立刀具坐标系O-XY，如图4所示，其原点位于图像坐标系U轴的中心，Y轴与V轴平行且同向，X轴与U轴重合且反向。刀具坐标系的原点在图像坐标系下记为(U_t,0)，将图像坐标系下的特征点变换到刀具坐标系下，可得：

{(U_t-U₁,V_C),……,(U_t-U_i,V_C),……,(U_t-U_n,V_C)}，i＝1～n。

已知相机采集帧率为F(单位：fps)，主轴转速为S(单位：rpm)，则每张图片对应的旋转角p为60S/F(单位：度)，可得特征点与刀具旋转角之间的对应关系：

{(p,U_t-U₁),……,(i*p,U_t-U_i),……,(n*p,U_t-U_n)}，i＝1～n。

根据上述对应关系，以两刃平底铣刀为例绘制曲线，如图5所示，当刀具装配体在旋转情况下无径向跳动误差时，二者关系如图中曲线1，其波峰位于同一幅值高度上。当刀具装配体有跳动时，二者关系如图中曲线2，其两个齿分别对应的波峰A与波峰B之间会有幅值差值。对曲线2进行多项式拟合，得到函数关系y＝f(x)。对其计算一阶导数求得y_A和y_B，此波峰差值表征为像素的个数差值|y_A-y_B|。对图像进行标定得到图像上单个像素对应的实际物理尺寸，记为r(单位：PPM,pixelpermm)，则刀具的径向跳动值可计算为|y_A-y_B|*r(单位：mm)。

内核程序对所获取的刀具图像序列进行处理计算刀具的轴向跳动，检测原理是：刀具轴向跳动表现为刀尖沿主轴轴向的周期性往复运动，刀尖相对于图像首行在轴向有两个极限位置，第一个位置是距离图像首行的最远点，另一个极限位置是图像首行的最近点，二者之差表征了刀尖的轴向跳动。

具体计算过程描述如下：

读取图像序列中的每一幅图像T_i(i＝1～n)。

采用高斯平滑滤波器对每一幅图像T_i(i＝1～n)进行预处理，消除图像噪声。

采用Canny边缘检测算子对每一幅图像T_i(i＝1～n)进行边缘检测，为提高测量精度，在像素级边缘的基础上进一步采用Zernike矩方法进行亚像素边缘提取。

在图像坐标系O-UV下，在靠近刀尖处的指定列U_C处，读取亚像素边缘上的特征点的坐标值，图像序列中每一幅图像T_i(i＝1～n)对应一个特征点，可获取一组特征点：{(U_C,V₁),……,(U_C,V_i),……,(U_C,V_n)}，i＝1～n。

刀具坐标系的原点在图像坐标系下记为(U_t,0)，将图像坐标系下的特征点变换到刀具坐标系下，可得：

{(U_t–U_C,V₁),……,(U_t–U_C,V_i),……,(U_t–U_C,V_n)}，i＝1～n。

已知相机采集帧率为F(单位：fps)，主轴转速为S(单位：rpm)，则每张图片对应的旋转角p为60S/F(单位：度)，可得特征点与刀具旋转角之间的对应关系：

{(p,V₁),……,(i*p,V_i),……,(n*p,V_n)}，i＝1～n。

根据上述对应关系，以两刃平底铣刀为例绘制曲线，如图5所示，当刀具装配体在旋转情况下无轴向跳动误差时，二者关系如图中曲线1，其波峰位于同一幅值高度上。当刀具装配体有跳动时，二者关系如图中曲线2，其两个齿分别对应的波峰A与波峰B之间会有幅值差值。对曲线2进行多项式拟合，得到函数关系y＝f(x)。对其计算一阶导数求得y_A和y_B，此波峰差值表征为像素的个数差值|y_A-y_B|。对图像进行标定得到图像上单个像素对应的实际物理尺寸，记为r(单位：PPM,pixelpermm)，则刀具的轴向跳动值可计算为|y_A-y_B|*r(单位：mm)。

在实际应用中，所述第九步之后，还包括：

判断所述径向跳动或所述轴向跳动是否超出跳动阈值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为所述径向跳动或所述轴向跳动超出跳动阈值，所述内核程序通过通讯接口在数控机床CNC控制器上进行报警并提示换刀。

刀具跳动检测的数据被存储在内核程序的数据库中，如把刀具跳动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中，进行数据的远程备份。

采用本发明所提供的刀具跳动在机视觉检测仪或检测方法能够达到如下效果：

(1)本发明实现了在刀具工作转速下对刀具跳动进行在机检测的技术方案，具有简单、高效和准确的优点，帮助避免刀具跳动造成的零件超差和表面质量不合格。本发明中仅使用单相机，采用高倍率远心镜头对刀具进行平行投影成像，通过对刀具图像序列的分析可在刀具旋转状态下快速检测刀具的径向跳动和轴向跳动，测量原理简单高效，测量方法对于常规尺寸的刀具和微细刀具都是适用的。

(2)本发明采用了正气压和气动柱塞的双重防护设计，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保护。另一方面，气动柱塞位于光路的外侧，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。

(3)本发明中的支持测量数据的追溯，一方面内核程序包含有数据库模块，可对测量过程中的刀具数据和图像进行保存，支持用户进行查询。另一方面，如把刀具跳动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，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。

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)

1.一种刀具跳动在机视觉检测仪，其特征在于，包括：检测仪、数据处理控制器以及刀具数据服务器；

所述检测仪和所述数据处理控制器通过信号线缆连接；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；所述检测仪内设有远心镜头以及背光光源，利用所述远心镜头以及所述背光光源对刀具进行平行投影成像，在刀具旋转过程中获取刀具图像序列，所述数据处理控制器基于图像序列逐帧动态分析原理，分析所述刀具图像序列，自动检测刀具的径向跳动以及轴向跳动。

2.根据权利要求1所述的刀具跳动在机视觉检测仪，其特征在于，所述检测仪具体包括：防护壳体、相机模组、远心镜头、45度反射镜、窗口镜、气动柱塞以及光纤传感器；

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相机模组、远心镜头、45度反射镜、窗口镜、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；所述光纤传感器发射端与所述光纤传感器接收端以所述刀具为中心对称设置；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；

所述远心镜头设于所述相机模组的镜头接口上，所述远心镜头的轴线与所述刀具的轴线平行；所述相机模组以及所述远心镜头用于获取旋转刀具的平行投影图像；所述45度反射镜设于所述远心镜头的上部；所述45度反射镜用于对成像光路进行90度转向；所述窗口镜设于所述45度反射镜的反射端；所述窗口镜用于对所述相机模组、所述远心镜头以及所述45度反射镜进行密封；所述气动柱塞与所述窗口镜在同一成像光路上，所述气动柱塞的轴线与窗口镜平面的法向垂直，所述气动柱塞用于控制所述相机模组采集刀具图像以及防护所述成像光路。

3.根据权利要求2所述的刀具跳动在机视觉检测仪，其特征在于，所述窗口镜和所述气动柱塞之间的成像光路中通有高压气体，形成对所述窗口镜和所述气动柱塞之间成像光路的正压防护。

4.根据权利要求2所述的刀具跳动在机视觉检测仪，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所述刀具的轴线垂直。

5.根据权利要求2所述的刀具跳动在机视觉检测仪，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。

6.一种基于刀具跳动在机视觉检测仪的刀具跳动检测方法，其特征在于，所述检测方法应用于权利要求1-5任一项所述的刀具跳动在机视觉检测仪，所述检测方法包括：

第一步，刀具跳动在机视觉检测仪上电后，计算模块中的内核程序自启动并处于等待测量状态，气动柱塞处在常闭状态，正气压防护始终开启；

第二步，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；所述参数包括刀具的名义直径和刀齿个数；

第三步，所述测量宏程序控制刀具移动至检测起点；所述检测起点是用户指定的固定位置，位于检测仪上部；在所述测量宏程序的控制下，刀具继续从所述检测起点下降至壳体中间的凹型测量区域；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，从而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数控机床的CNC控制器，触发所述测量宏程序运行G31跳转指令，根据所述G31跳转指令控制刀具停止下降，宏程序把第一宏变量置为1；

第四步，所述内核程序查询第一宏变量的值，如果所述第一宏变量的值为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，所述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，所述测量宏程序控制刀具沿垂直主轴轴线并平行于工作台的方向横向移动刀具半径的距离，使得刀尖处于聚焦位置，所述聚焦位置称为跳动检测点；所述测量宏程序同时把第二宏变量置为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，则所述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，所述气路控制模块通过清洁气管关闭清洁喷嘴，并通过柱塞气管打开气动柱塞，在刀具旋转过程中相机模组通过远心镜头进行平行投影，并获取刀具图像序列；

第八步，拍摄完毕后，所述内核程序关闭所述相机模组，所述光源控制模块关闭背光光源，气路控制模块通过柱塞气管关闭气动柱塞，所述内核程序把第三宏变量置为1；如果测量宏程序检测到第三宏变量的值为1，则控制刀具返回检测起点；

第九步，所述内核程序对所获取的刀具图像序列进行处理计算刀具的径向跳动以及轴向跳动。

7.根据权利要求6所述的基于刀具跳动在机视觉检测仪的刀具跳动检测方法，其特征在于，所述第九步，具体包括：

刀具的径向跳动表现为刀尖沿径向的周期性往复运动，刀尖相对于主轴轴线在径向有两个极限位置，第一个极限位置是刀尖相对主轴轴线的最远点，另一个极限位置是刀尖相对主轴轴线的最近点，两个极限位置之差来表征刀尖的径向跳动。

8.根据权利要求7所述的基于刀具跳动在机视觉检测仪的刀具跳动检测方法，其特征在于，刀具的径向跳动具体处理过程为：

读取所述刀具图像序列中的每一幅图像；

采用高斯平滑滤波器对每一幅图像进行预处理，确定滤波后的图像。

采用Canny边缘检测算子对每一幅滤波后的图像进行边缘检测，并采用Zernike矩方法进行亚像素边缘提取，确定检测后的图像；

以所述检测后的图像的左上角为原点，水平方向向右为U轴正方向，竖直方向向下为V轴正方向，确定图像坐标系O-UV；在靠近刀尖处的指定行处，读取亚像素边缘上的特征点的坐标值，所述刀具图像序列中每一幅图像对应一个特征点；

根据所述图像坐标系建立刀具坐标系O-XY，并将所述图像坐标系下的特征点变换到所述刀具坐标系下；

基于所述刀具坐标系，确定特征点与刀具旋转角之间的对应关系；

根据所述对应关系确定刀具的径向跳动。

9.根据权利要求6所述的基于刀具跳动在机视觉检测仪的刀具跳动检测方法，其特征在于，所述第九步，具体包括：

刀具的轴向跳动表现为刀尖沿主轴轴向的周期性往复运动，刀尖相对于图像首行在轴向有两个极限位置，第一个极限位置是距离图像首行的最远点，另一个极限位置是图像首行的最近点，两个极限位置之差表征了刀尖的轴向跳动。

10.根据权利要求1-9任一项所述的基于刀具跳动在机视觉检测仪的刀具跳动检测方法，其特征在于，所述第九步之后，还包括：

判断所述径向跳动或所述轴向跳动是否超出跳动阈值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为所述径向跳动或所述轴向跳动超出跳动阈值，所述内核程序通过通讯接口在数控机床CNC控制器上进行报警并提示换刀。

Images