CN111774935B - 一种旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪及其检测方法。该旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪包括：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数控机床的CNC控制器以及所述刀具数据服务器相连接；检测仪内设有45度反射镜、远心镜头、倾斜光源以及前向光源，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利用45度反射镜对成像光路进行90度转向，基于灰度响应检测原理，根据刀具图像序列，直接在机自动逐齿获取和分析旋转刀具的前刀面和后刀面的磨损图像。采用本发明能够实现在旋转状态下对每个刀齿的前后刀面的磨损图像进行高效、精确地直接观测。

Description

一种旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及旋转刀具磨损检测领域，特别是涉及一种旋转刀具前后刀面逐齿磨损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。本文仅针对前后刀面逐齿磨损检测这一独立功能进行研究。

在数控加工中，刀具切削工件材料会导致其前后刀面发生磨损，影响刀具的切削性能和加工精度。为避免刀具磨损造成的加工质量问题、降低加工成本，有必要高效、高精度在机检测铣刀等回转体刀具的磨损状态，特别是能够直接获取每个刀齿前后刀面的磨损状况。目前存在三类刀具磨损在机检测技术，尚无法满足生产中大量使用的回转刀具如铣刀在线磨损检测的需求。这些技术方案的特点及存在的缺陷如下：

(1)间接测量法通过测量与刀具磨损内在相关的物理量如工作台振动、主轴电流、切削力、声发射等信号来推断刀具磨损，由于加工过程的复杂性和磨损过程的渐进性，间接测量法虽然能够在恶劣的加工环境的切削过程中实时地检测刀具磨损状况，但测量的灵敏度和精度不高，容易发生误报警或漏报警，此外测量系统对不同加工工艺条件的通用性不足，而且难以精确检测出单个刀齿的磨损情况。

(2)激光检测法基于激光遮挡的单点测量原理，可以在刀具旋转状态下通过其尺寸的变化推断刀具磨损，一方面为保证测量精度，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；另一方面不能区分每个刀齿的磨损情况，也不能直接获取每个齿前后刀面的磨损图像。

(3)光学图像法通过图像对刀具磨损区进行观测，具有测量精度高、通用性好的优点，但要求主轴停转，需拆卸刀具离线检测或人工辅助在线测量，操作繁琐而费时，并造成生产停顿，大大影响了生产效率。回转体刀具磨损状态在机自动检测装置提出了采用双相机的3D视觉技术方案，可以在旋转状态下对回转体刀具前后刀面进行直接观测，但存在的缺陷是：一是双相机检测原理较为复杂，需要利用安装在主轴上的靶物通过机床运动形成虚拟空间三维标定靶物，进行相机坐标系与机床坐标系的精确标定，再根据回转体约束进行刀具最大扫掠体的三维建模，测量效率低、计算复杂，测量误差环节多，效率低。二是在逐齿检测时需要根据主轴速度或主轴角度编码器，对机床速度稳定性要求高，且大部分的数控机床主轴不配备角度编码器。三是还存在光路防护困难的问题，在实际加工环节中光学窗口镜非常容易污染，无法可靠工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪及其检测方法，以解决现有的旋转刀具磨损测量方法存在的精度低、通用性不足和直接测量方法存在的测量效率低、计算过程复杂、对机床速度稳定性要求高、防护困难、的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪，包括：检测仪、数据处理控制器及刀具数据服务器；

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45°反射镜、远心镜头、倾斜光源以及前向光源，利用所述远心镜头、倾斜光源以及所述前向光源对刀具进行成像，在刀具旋转过程中获取刀具图像序列；所述刀具图像序列包括第一刀具图像序列以及第二刀具图像序列；所述第一刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿后刀面和刀槽的图像；所述第二刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿前刀面和刀槽的图像；所述数据处理控制器利用45度反射镜对成像光路进行90度转向，基于灰度响应检测原理，根据所述刀具图像序列，直接在机自动逐齿获取和分析旋转刀具前刀面的磨损图像以及旋转刀具后刀面的磨损图像；所述前向光源用于在成像时提供前向照明光源；所述倾斜光源用于在成像时提供斜向照明光源。

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；所述前向光源设于所述第一侧腔内；所述倾斜光源设于所述凹型防护壳体第一拐角处，且所述倾斜光源倾斜放置于所述第一侧腔的外部；

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。

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。

可选的，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。

一种基于旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪的旋转刀具逐齿磨损检测方法，包括：

第一步，旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪上电后，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，在调用所述测量宏程序时传递参数；所述参数包括刀具的名义直径、刀具齿数和磨损检测的轴向位置；

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；在测量宏程序的控制下，刀具继续从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，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，触发测量宏程序运行G31跳转指令，根据所述G31跳转指令刀具不再继续下降，宏程序把第一宏变量置为1。

第四步，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，测量宏程序把刀具移动至高倍率远心镜头视场前的后刀面检测点，所述后刀面检测点相对于镜头聚焦点距远离镜头方向偏置一个半径距离，使得后刀面处于聚焦位置；同时，测量宏程序把第二宏变量置为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为1，则刀具已到达后刀面磨损检测点，则内核程序打开相机模组，同时通过光源控制模块打开倾斜光源以及前向光源，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，并通过柱塞气管打开气动柱塞，在刀具旋转过程中相机模组通过高倍率远心镜头获取刀具的第一刀具图像序列，并对所述第一刀具图像序列进行处理；所述第一刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿后刀面和刀槽的图像；拍摄完毕后，内核程序把第三宏变量置为1。

第八步，如果测量宏程序检测到第三宏变量的值为1，则控制刀具到达前刀面检测点，即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，使得刀具前刀面处于聚焦位置，并把第四宏变量置为1；

第九步，如果内核程序检测到第四宏变量的值为1，则在刀具旋转过程中相机模组通过高倍率远心镜头获取旋转刀具的第二刀具图像序列，并对所述第二刀具图像序列进行处理；所述第二刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿前刀面和刀槽的图像；拍摄完毕后，关闭相机模组，气路控制模块通过柱塞气管关闭气动柱塞，光源控制器关闭所述倾斜光源以及所述前向光源，并把第五宏变量置为1；

第十步，如果测量宏程序检测到第五宏变量的值为1，则控制刀具返回检测起点。

可选的，所述对所述第一刀具图像序列进行处理，具体包括：

通过Sobel-Tenengrad聚焦评价函数逐一计算所述第一刀具图像序列中每一张图片的聚焦清晰度。

基于所述每一张图片的聚焦清晰度，根据所述测量宏程序输入的刀具齿数，在所述第一刀具图像序列提取出和所述刀具齿数对应的所有后刀面图像；

通过Canny算子对每个刀齿对应的后刀面图像进行边缘检测处理，获取切削刃的外轮廓；

根据所述切削刃的外轮廓判断刀具是否存在磨损，如果外轮廓存在缺失，则存在磨损，计算缺失部分的宽度作为磨损值。

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：本发明提供了一种旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪及其检测方法，基于灰度响应检测原理，根据所述刀具图像序列，直接在机自动逐齿获取和分析旋转刀具前刀面的磨损图像以及旋转刀具后刀面的磨损图像，实现在旋转状态下对每个刀齿的前后刀面的磨损图像进行高效、精确地直接观测，从而帮助避免刀具磨损造成的加工质量问题、降低加工成本。

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为本发明所提供的旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪结构图；

图2为本发明所提供的基于旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪的旋转刀具逐齿磨损检测方法流程图；

图3为本发明所提供的第一刀具图像序列处理流程图。

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旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪及其检测方法，能够实现在旋转状态下对每个刀齿的前后刀面的磨损图像进行高效、精确地直接观测，从而帮助避免刀具磨损造成的加工质量问题、降低加工成本。

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为本发明所提供的旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪结构图，如图1所示，一种旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪，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45度反射镜、远心镜头、倾斜光源以及前向光源，利用所述远心镜头、倾斜光源以及所述前向光源对刀具进行成像，在刀具旋转过程中获取刀具图像序列；所述刀具图像序列包括第一刀具图像序列以及第二刀具图像序列；所述第一刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿后刀面和刀槽的图像；所述第二刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿前刀面和刀槽的图像；所述数据处理控制器利用45度反射镜对成像光路进行90度转向，基于灰度响应检测原理，根据所述刀具图像序列，直接在机自动逐齿获取和分析旋转刀具前刀面的磨损图像以及旋转刀具后刀面的磨损图像；所述前向光源用于在成像时提供前向照明；所述倾斜光源用于在成像时提供斜向照明。

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；所述前向光源设于所述第一侧腔内；所述倾斜光源设于所述凹型防护壳体第一拐角处，且所述倾斜光源倾斜放置于所述第一侧腔的外部；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；所述计算模块还与数控机床的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，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。前向光源(光源1)用于在成像时提供高亮前向照明，形成对比度良好的刀具磨损图像，倾斜光源(光源2)用于在成像时提供高亮斜向照明，提高刀具磨损图像的对比度；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磨损检测具进行清洁，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，其凹型区域为磨损检测提供测量空间。

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，分析前刀面和后刀面的磨损情况，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，如果刀具磨损过度将在CNC控制器上进行报警。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，从而集成到磨损检测仪内部。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，为旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪在更恶劣工况下运行提供进一步的防护。镜头可采用非远心的高倍率镜头。

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，主要功能是控制检测流程、采集图像与设置曝光参数、处理刀具的磨损图像、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，运行在数控机床的CNC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完成磨损检测，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。

旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪的工作原理如下所述：

图2为本发明所提供的基于旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪的旋转刀具逐齿磨损检测方法流程图，如图2所示，一种基于旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪的旋转刀具逐齿磨损检测方法，包括：

第一步，旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪上电后，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，在调用所述测量宏程序时传递参数；所述参数包括刀具的名义直径、刀具齿数和磨损检测的轴向位置；

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；在测量宏程序的控制下，刀具继续从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，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，触发测量宏程序运行G31跳转指令，根据所述G31跳转指令刀具不再继续下降，宏程序把第一宏变量(宏变量1)置为1。

第四步，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，测量宏程序把刀具移动至高倍率远心镜头视场前的后刀面检测点，所述后刀面检测点相对于镜头聚焦点距远离镜头方向偏置一个半径距离，使得后刀面处于聚焦位置；同时，测量宏程序把第二宏变量(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为1，则刀具已到达后刀面磨损检测点，则内核程序打开相机模组，同时通过光源控制模块打开倾斜光源以及前向光源，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，并通过柱塞气管打开气动柱塞，在刀具旋转过程中相机模组通过高倍率远心镜头获取刀具的第一刀具图像序列(图2中为图像序列1)，并对所述第一刀具图像序列进行处理；所述第一刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿后刀面和刀槽的图像；拍摄完毕后，内核程序把第三宏变量(宏变量3)置为1。

第八步，如果测量宏程序检测到第三宏变量的值为1，则控制刀具到达前刀面检测点，即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，使得刀具前刀面处于聚焦位置，并把第四宏变量(宏变量4)置为1；

第九步，如果内核程序检测到第四宏变量的值为1，则在刀具旋转过程中相机模组通过高倍率远心镜头获取旋转刀具的第二刀具图像序列(图2中为图像序列2)，并对所述第二刀具图像序列进行处理；所述第二刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿前刀面和刀槽的图像；拍摄完毕后，关闭相机模组，气路控制模块通过柱塞气管关闭气动柱塞，光源控制器关闭所述倾斜光源以及所述前向光源，并把第五宏变量(宏变量5)置为1；

第十步，如果测量宏程序检测到第五宏变量的值为1，则控制刀具返回检测起点。

第十一步，图3为本发明所提供的第一刀具图像序列处理流程图，如图3所示，内核程序对相机模组和高倍率远心镜头所获取的第一刀具图像序列进行处理，所述第一刀具图像序列是由在不同旋转角度拍摄的每个刀齿后刀面和刀槽的图像组成。

(1)由于高放大倍率的镜头景深较浅，刀槽等其它非后刀面区域成像时由于离焦而变得模糊，因此通过Sobel-Tenengrad聚焦评价函数逐一计算序列1中每一张图片的聚焦清晰度，图像序列的清晰度的变化具有正弦规律性，以图像序号为横轴，以每张图片的聚焦清晰度为纵轴绘制聚焦清晰度变化曲线，该曲线的波峰位置对应图像即为后刀面图像。

(2)根据测量宏程序输入的刀具齿数，可在图像序列1中提取出和刀具齿数对应的所有后刀面图像。

(3)通过Canny算子对每个刀齿的后刀面图像进行边缘检测处理，获取切削刃的外轮廓。

(4)根据切削刃外轮廓完整性判断刀具是否存在磨损，如果外轮廓存在缺失，则存在磨损，计算缺失部分的宽度作为磨损值。

第十二步，采用相同的方法处理第二刀具图像序列，提取出每个刀齿的前刀面的图像，并判断磨损情况。

第十三步，计算完毕后，一方面，如果前刀面或后刀具的磨损值超过阈值，则内核程序利用通讯接口通过CNC控制器进行报警。另一方面，前后刀面的磨损图像及磨损检测数据被存储在内核程序的数据库中，如把旋转刀具前后刀面逐齿磨损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旋转刀具前后刀面逐齿磨损视觉检测仪或检测方法能够达到如下效果：

(1)本发明仅使用单相机，无需主轴停转和人工辅助，通过对刀具图像序列的2D分析，可快速获取每个刀齿前刀面和后刀面的磨损图像，并逐齿分析其磨损状态，测量原理简单、高效，测量结果直观、可靠，该方法对各种类型的回转体刀具普遍适用。

(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，如把旋转刀具前后刀面逐齿磨损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 (6)

1.一种旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪，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45度反射镜、远心镜头、倾斜光源以及前向光源，利用所述远心镜头、倾斜光源以及所述前向光源对刀具进行成像，在刀具旋转过程中获取刀具图像序列；所述刀具图像序列包括第一刀具图像序列以及第二刀具图像序列；所述第一刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿后刀面和刀槽的图像；所述第二刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿前刀面和刀槽的图像；所述数据处理控制器利用45度反射镜对成像光路进行90度转向，基于灰度响应检测原理，根据所述刀具图像序列，直接在机自动逐齿获取和分析旋转刀具前刀面的磨损图像以及旋转刀具后刀面的磨损图像；所述前向光源用于在成像时提供前向照明；所述倾斜光源用于在成像时提供斜向照明；

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；所述前向光源设于所述第一侧腔内；所述倾斜光源设于所述凹型防护壳体第一拐角处，且所述倾斜光源倾斜放置于所述第一侧腔的外部；

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；

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；

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；

所述检测仪还包括：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；

所述旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪的检测方法为：

第一步，旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪上电后，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，在调用所述测量宏程序时传递参数；所述参数包括刀具的名义直径、刀具齿数和磨损检测的轴向位置；

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；在测量宏程序的控制下，刀具继续从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，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，触发测量宏程序运行G31跳转指令，根据所述G31跳转指令刀具不再继续下降，宏程序把第一宏变量置为1；

第四步，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，测量宏程序把刀具移动至高倍率远心镜头视场前的后刀面检测点，所述后刀面检测点相对于镜头聚焦点距远离镜头方向偏置一个半径距离，使得后刀面处于聚焦位置；同时，测量宏程序把第二宏变量置为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为1，则刀具已到达后刀面磨损检测点，则内核程序打开相机模组，同时通过光源控制模块打开倾斜光源以及前向光源，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，并通过柱塞气管打开气动柱塞，在刀具旋转过程中相机模组通过高倍率远心镜头获取刀具的第一刀具图像序列，并对所述第一刀具图像序列进行处理；所述第一刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿后刀面和刀槽的图像；拍摄完毕后，内核程序把第三宏变量置为1；

第八步，如果测量宏程序检测到第三宏变量的值为1，则控制刀具到达前刀面检测点，即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，使得刀具前刀面处于聚焦位置，并把第四宏变量置为1；

第九步，如果内核程序检测到第四宏变量的值为1，则在刀具旋转过程中相机模组通过高倍率远心镜头获取旋转刀具的第二刀具图像序列，并对所述第二刀具图像序列进行处理；所述第二刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿前刀面和刀槽的图像；拍摄完毕后，关闭相机模组，气路控制模块通过柱塞气管关闭气动柱塞，光源控制器关闭所述倾斜光源以及所述前向光源，并把第五宏变量置为1；

第十步，如果测量宏程序检测到第五宏变量的值为1，则控制刀具返回检测起点。

2.根据权利要求1所述的旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪，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。

3.根据权利要求1所述的旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪，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。

4.根据权利要求1所述的旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪，其特征在于，所述凹槽区域内设有气动防护门。

5.一种基于旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪的旋转刀具逐齿磨损检测方法，其特征在于，所述检测方法应用于权利要求1-4任一项所述的旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪，所述检测方法包括：

第一步，旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪上电后，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，在调用所述测量宏程序时传递参数；所述参数包括刀具的名义直径、刀具齿数和磨损检测的轴向位置；

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；在测量宏程序的控制下，刀具继续从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，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，触发测量宏程序运行G31跳转指令，根据所述G31跳转指令刀具不再继续下降，宏程序把第一宏变量置为1；

第四步，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，测量宏程序把刀具移动至高倍率远心镜头视场前的后刀面检测点，所述后刀面检测点相对于镜头聚焦点距远离镜头方向偏置一个半径距离，使得后刀面处于聚焦位置；同时，测量宏程序把第二宏变量置为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为1，则刀具已到达后刀面磨损检测点，则内核程序打开相机模组，同时通过光源控制模块打开倾斜光源以及前向光源，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，并通过柱塞气管打开气动柱塞，在刀具旋转过程中相机模组通过高倍率远心镜头获取刀具的第一刀具图像序列，并对所述第一刀具图像序列进行处理；所述第一刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿后刀面和刀槽的图像；拍摄完毕后，内核程序把第三宏变量置为1；

第八步，如果测量宏程序检测到第三宏变量的值为1，则控制刀具到达前刀面检测点，即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，使得刀具前刀面处于聚焦位置，并把第四宏变量置为1；

第九步，如果内核程序检测到第四宏变量的值为1，则在刀具旋转过程中相机模组通过高倍率远心镜头获取旋转刀具的第二刀具图像序列，并对所述第二刀具图像序列进行处理；所述第二刀具图像序列包括在不同旋转角度下拍摄的每个刀齿前刀面和刀槽的图像；拍摄完毕后，关闭相机模组，气路控制模块通过柱塞气管关闭气动柱塞，光源控制器关闭所述倾斜光源以及所述前向光源，并把第五宏变量置为1；

第十步，如果测量宏程序检测到第五宏变量的值为1，则控制刀具返回检测起点。

6.根据权利要求5所述的基于旋转刀具前后刀面逐齿磨损检测仪的旋转刀具逐齿磨损检测方法，其特征在于，所述对所述第一刀具图像序列进行处理，具体包括：

通过Sobel-Tenengrad聚焦评价函数逐一计算所述第一刀具图像序列中每一张图片的聚焦清晰度；

基于所述每一张图片的聚焦清晰度，根据所述测量宏程序输入的刀具齿数，在所述第一刀具图像序列提取出和所述刀具齿数对应的所有后刀面图像；通过Canny算子对每个刀齿对应的后刀面图像进行边缘检测处理，获取切削刃的外轮廓；

根据所述切削刃的外轮廓判断刀具是否存在磨损，如果外轮廓存在缺失，则存在磨损，计算缺失部分的宽度作为磨损值。

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