CN112496861A - 一种球头铣刀磨损检测装置及使用方法 - Google Patents

一种球头铣刀磨损检测装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种球头铣刀磨损检测装置及使用方法，包括底板，所述底板上安装有支架，所述支架上连接有第一探头组件和第二探头组件，所述第一探头组件设置在所述第二探头组件的上方，所述第一探头组件包括第一支撑杆，所述第一支撑杆上连接第一相机，所述第一相机的下方设置有第一镜头，所述第一镜头远离所述第一相机的一侧设置有环形光源，所述第二探头组件包括第二支撑杆，所述第二支撑杆上连接有第二相机，所述第二相机远离所述第二支撑杆的一侧设置有第二镜头，所述底板上远离所述支架的一侧设置有铣刀夹具装置，所述铣刀夹具装置和所述支架之间的侧面设置有光源支撑杆，所述光源支撑杆的端头设置有条形光源。

Description

一种球头铣刀磨损检测装置及使用方法
技术领域
本发明涉及仪器装置的技术领域，具体涉及一种球头铣刀磨损检测装置及使用方法。
背景技术
在机械切削加工中，当刀具已经处于过渡磨损或崩刃状态时，如果没能及时检测发现这一状况而继续使用将会引起工件加工精度极大降低甚至破坏工件，因此，刀具状态监测（Tool Condition Monitoring, TCM）是科学研究的热点和实际应用的难点。在铣削加工中有效监测刀具磨损和破损状态，反馈控制机床加工参数和及时更换刀具，对延长刀具寿命，改善工件加工表面质量和提高加工效率至关重要，已经成为制约超精密微铣削加工技术发展与应用的最主要因素之一。
国际标准（ANSI/ASME B94.55M-1985）针对普通切削加工推荐的磨损表征量是后刀面磨损（flank wear），这些磨损变量测量统计的是刀刃局部“磨损掉”的尺寸，而现实中铣刀该“磨损掉”的量其尺寸相对非常小，再加上铣刀刃口几何不规则性，造成铣削刀具中该推荐磨损量的精确测量非常困难。例如，在我们前期的研究中针对平头微铣刀的磨损监测提出对铣刀端部“磨白”区域成像进行分析作为表征变量，而避免采用垂直后刀面成像进而得到后刀面磨损作为表征变量，也得到了国际同行的认可（见文献：A machine visionsystem for micro-milling tool condition monitoring，期刊来源：PrecisionEngineering，2018）。而对于球头铣刀，刀刃呈圆弧分布造成测量其后刀面磨损更加困难，在现实中也主要依靠工人的经验来观察判断，影响加工精度和进度。
为此，本发明针对球头铣刀通过顶部探头成像便于同位对准，低角度照明则突出了刀刃成像的边界进而更有利于前后对比反映磨损量变化，突出的是后刀面主要磨损部分。相比于局限于对后刀面磨损的检测方式，如CN102501140B（一种球头铣刀定位及磨损监测方法）为了调整角度垂直拍摄后刀面提出了繁琐的操作步骤以及后续的图像分析也比较复杂。而本专利则增加了低角度打光条件下的第二探头拍照，突出了刃口边界位置，图像边界识别相对简单的多，因此需要设计一种球头铣刀磨损检测装置及使用方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的技术问题，提供一种球头铣刀磨损检测装置及使用方法，具体技术方案如下：
本发明提供一种球头铣刀磨损检测装置及使用方法，包括底板，所述底板上安装有支架，所述支架上连接有第一探头组件和第二探头组件，所述第一探头组件设置在所述第二探头组件的上方，所述第一探头组件包括第一支撑杆，所述第一支撑杆上连接第一相机，所述第一相机的下方设置有第一镜头，所述第一镜头远离所述第一相机的一侧设置有环形光源，所述第二探头组件包括第二支撑杆，所述第二支撑杆上连接有第二相机，所述第二相机远离所述第二支撑杆的一侧设置有第二镜头，所述底板上远离所述支架的一侧设置有铣刀夹具装置，所述铣刀夹具装置和所述支架之间设置有光源支撑杆，所述光源支撑杆的端头设置有条形光源，所述支架和所述铣刀夹具装置处于同一平面，所述光源支撑杆设置在所述支架和所述铣刀夹具装置的侧面。。
本发明的进一步改进在于：所述铣刀夹具装置包括夹具底板，所述夹具底板上连接有旋转步进电机。
本发明的进一步改进在于：所述夹具底板的上端两侧均设置有固定块，所述固定块上连接有刀具夹持弹簧结构。
本发明的进一步改进在于：所述刀具夹持弹簧结构远离所述固定块的一侧设置有限位面板，所述限位面板的端面上设置有一层防滑垫层结构，两块所述限位面板之间夹住铣刀，所述铣刀上设置有球头铣刀待测刀刃。
本发明的进一步改进在于：所述光源支撑杆呈倒L型结构。
本发明的进一步改进在于：所述第二支撑杆的长度小于所述第一支撑杆的长度。
本发明的进一步改进在于：
安装装置时，所述第一相机、第一镜头、环形光源3和第一支撑杆组装在一起从上方向下成像，组成所述第一探头组件；第二相机、第二镜头和第二支撑杆组装在一起，垂直于所述球头铣刀待测刀刃进行成像，组成所述第二探头；所述条形光源与所述光源支撑杆组装在一起，在所述球头铣刀待测刀刃的侧面平行于所述铣刀的刃口打光，以在图像中形成黑白分明的刀刃边界；所述铣刀在所述刀具夹持弹簧的辅助下固定于所述旋转步进电机的上方。
本发明的进一步改进在于：
装置检测使用前：先对未使用新铣刀进行拍照保存为基准图像，所述旋转步进电机带动所述铣刀慢速旋转，关闭所述第一镜头的光源并打开所述第二镜头的光源，仅使用所述第二探头组件进行持续成像，同步分析得到图像中像素黑白分明最明显的方位并停止旋转和进行基准拍照，此时再打开所述第一镜头的光源和关闭所述第二镜头的光源，采用所述第一探头组件进行基准图像拍照，重复以上过程，根据铣刀几何构造决定拍照次数。
本发明的进一步改进在于：
装置检测使用时：先关闭所述条形光源和打开所述环形光源，所述旋转步进电机旋转带动所述铣刀旋转和所述第一探头组件实时采集图像，并同步将所采集图像与之前保存的基准图像进行对比分析，找到与基准图像相同的方位，此时关闭所述环形光源并打开所述条形光源，采用所述第二探头组件进行成像，并将图像与基准图像进行对比分析，通过图像比较反映磨损状况。
本发明的有益效果是：
本发明针对球头铣刀通过顶部探头成像便于同位对准，低角度照明则突出了刀刃成像的边界进而更有利于前后对比反映磨损量变化，突出的是后刀面主要磨损部分，如果检测思路仅局限于对后刀面磨损的检测方式（国际标准推荐的方式），对于球头铣刀磨损量检测将非常困难，甚至难以实现，本发明则针对后刀面主要磨损部分巧妙设计了双探头系统，不仅测量精度高、后续图像处理难度也大大降低了。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
附图说明：1-底板、2-支架、3-第一探头组件、4-第二探头组件、5-第一支撑杆、6-第一相机、7-第一镜头、8-环形光源、9-第二支撑杆、10-第二相机、11-第二镜头、12-铣刀夹具装置、13-夹具底板、14-旋转步进电机、15-光源支撑杆、16-条形光源、17-固定块、18-刀具夹持弹簧结构、19-限位面板、20-防滑垫层结构、21-球头铣刀待测刀刃、22-铣刀。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。
本实施例提供一种球头铣刀磨损检测装置及使用方法，包括底板1，所述底板1上安装有支架2，所述支架2上连接有第一探头组件3和第二探头组件4，所述第一探头组件3设置在所述第二探头组件4的上方，所述第一探头组件3包括第一支撑杆5，所述第一支撑杆5上连接第一相机6，所述第一相机6的下方设置有第一镜头7，所述第一镜头7远离所述第一相机6的一侧设置有环形光源8，所述第二探头组件4包括第二支撑杆9，所述第二支撑杆9上连接有第二相机10，所述第二相机10远离所述第二支撑杆9的一侧设置有第二镜头11，所述底板1上远离所述支架2的一侧设置有铣刀夹具装置12，所述铣刀夹具装置12包括夹具底板13，所述夹具底板13连接有旋转步进电机14，所述铣刀夹具装置12和所述支架2之间侧面设置有光源支撑杆15，所述光源支撑杆15呈倒L型结构，所述光源支撑杆15的端头设置有条形光源16，所述条形光源16与第二相机10配合构成铣刀的斜面打光照射，通过正面拍摄的低角度照明光路，有利于突出刀刃在成像中的定位，所述支架2和所述铣刀夹具装置12处于同一平面，所述光源支撑杆15设置在所述支架2和所述铣刀夹具装置12的侧面。
所述第二支撑杆9的长度小于所述第一支撑杆5的长度，所述第二支撑杆9的长度和高度可调以实现对球头铣刀球头侧面进行成像。所述夹具底板13的上端两侧均设置有固定块17，所述固定块17上连接有刀具夹持弹簧结构18，所述刀具夹持弹簧结构18远离所述固定块的17一侧设置有限位面板19，所述限位面板19的端面上设置有一层防滑垫层结构20，两块所述限位面板19之间夹住铣刀22，所述铣刀22上设置有球头铣刀待测刀刃21。
安装装置时，所述第一相机6、第一镜头7、环形光源8和第一支撑杆5组装在一起从上方向下成像，组成所述第一探头组件3，第二相机10、第二镜头11和第二支撑杆9组装在一起，垂直于所述球头铣刀待测刀刃21进行成像，组成所述第二探头组件4，所述条形光源16与所述光源支撑杆15组装在一起，在所述球头铣刀待测刀刃21的侧面平行于所述铣刀的刃口打光，以在图像中形成黑白分明的刀刃边界；所述铣刀在所述刀具夹持弹簧18的辅助下固定于所述旋转步进电机14的上方。
装置检测使用前：先对未使用新铣刀进行拍照保存为基准图像，所述旋转步进电机14带动所述铣刀慢速旋转，关闭所述第一镜头7的光源并打开所述第二镜头11的光源，仅使用所述第二探头组件4进行持续成像，同步分析得到图像中像素黑白分明最明显的方位并停止旋转和进行基准拍照，此时再打开所述第一镜头7的光源和关闭所述第二镜头11的光源，采用所述第一探头组件3进行基准图像拍照，重复以上过程，根据铣刀几何构造决定拍照次数。
装置检测使用时：先关闭所述条形光源16和打开所述环形光源8，所述旋转步进电机14旋转带动所述铣刀旋转和所述第一探头组件3实时采集图像，并同步将所采集图像与之前保存的基准图像进行对比分析，找到与基准图像相同的方位，此时关闭所述环形光源8并打开所述条形光源16，采用所述第二探头组件4进行成像，并将图像与基准图像进行对比分析，通过图像比较反映磨损状况。
所述铣刀22的刀刃那里可以看作凸起的山脊，低角度的斜打光就突出了所述铣刀22山脊位置，有利于在图像中识别山脊位置（黑白分界线），使用后这个山脊会被磨损。
根据数控加工经验，在使用球头铣刀垂直于被加工面铣削比较平缓的曲面时，刀尖切出的表面质量会比较差。所以，应尽量不用刀尖切削，还应适当提高主轴转速，所以本发明是用顶部做图像配准（因为顶部很少磨损到），使用前、使用后的球头铣刀顶部图像配准并结合旋转电机可以将铣刀调整到相同姿态，以便第二相机10拍摄的刀刃图像进行对位、对比测量。使用中主要磨损的就是所述第二相机10拍摄的刀刃位置（一般与加工的曲面有关），所以就是使用所述第一相机6进行定位，保证两次测量的铣刀是相同的位置和垂直度后再比较所述第二相机10中刀刃磨损情况。
本发明的有益效果是：
本发明针对球头铣刀通过顶部探头成像便于同位对准，低角度照明则突出了刀刃成像的边界进而更有利于前后对比反映磨损量变化，突出的是后刀面主要磨损部分，如果检测思路仅局限于对后刀面磨损的检测方式（国际标准推荐的方式），对于球头铣刀磨损量检测将非常困难，甚至难以实现，本发明则针对后刀面主要磨损部分巧妙设计了双探头系统，不仅测量精度高、后续图像处理难度也大大降低了。
以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种球头铣刀磨损检测装置，其特征在于：包括底板，所述底板上安装有支架，所述支架上连接有第一探头组件和第二探头组件，所述第一探头组件设置在所述第二探头组件的上方，所述第一探头组件包括第一支撑杆，所述第一支撑杆上连接第一相机，所述第一相机的下方设置有第一镜头，所述第一镜头远离所述第一相机的一侧设置有环形光源，所述第二探头组件包括第二支撑杆，所述第二支撑杆上连接有第二相机，所述第二相机远离所述第二支撑杆的一侧设置有第二镜头，所述底板上远离所述支架的一侧设置有铣刀夹具装置，所述铣刀夹具装置和所述支架之间设置有光源支撑杆，所述光源支撑杆的端头设置有条形光源，所述支架和所述铣刀夹具装置处于同一平面，所述光源支撑杆设置在所述支架和所述铣刀夹具装置的侧面。
2.根据权利要求1所述的一种球头铣刀磨损检测装置，其特征在于：所述铣刀夹具装置包括夹具底板，所述夹具底板上连接有旋转步进电机。
3.根据权利要求2所述的一种球头铣刀磨损检测装置，其特征在于：所述夹具底板的上端两侧均设置有固定块，所述固定块上连接有刀具夹持弹簧结构，所述刀具夹持弹簧结构远离所述固定块的一侧设置有限位面板。
4.根据权利要求3所述的一种球头铣刀磨损检测装置，其特征在于：所述限位面板的端面上设置有一层防滑垫层结构，两块所述限位面板之间夹住铣刀，所述铣刀上设置有球头铣刀待测刀刃，所述球头铣刀待测刀刃的端面与所述条形光源的端面呈平行设置。
5.根据权利要求1所述的一种球头铣刀磨损检测装置，其特征在于：所述光源支撑杆呈倒L型结构。
6.根据权利要求1所述的一种球头铣刀磨损检测装置，其特征在于：所述第二支撑杆的长度小于所述第一支撑杆的长度。
7.一种根据权利要求1所述一种球头铣刀磨损检测装置的使用方法，其特征在于：
安装装置时，所述第一相机、第一镜头、环形光源和第一支撑杆组装在一起从上方向下成像，组成所述第一探头组件；第二相机、第二镜头和第二支撑杆组装在一起，垂直于所述球头铣刀待测刀刃进行成像，组成所述第二探头；所述条形光源与所述光源支撑杆组装在一起，在所述球头铣刀待测刀刃的侧面平行于所述铣刀的刃口打光，以在图像中形成黑白分明的刀刃边界；所述铣刀在所述刀具夹持弹簧的辅助下固定于所述旋转步进电机的上方。
8.一种根据权利要求1所述一种球头铣刀磨损检测装置的使用方法，其特征在于：
检测使用前：先对未使用新铣刀进行拍照保存为基准图像，所述旋转步进电机带动所述铣刀慢速旋转，关闭所述第一镜头的光源并打开所述第二镜头的光源，仅使用所述第二探头组件进行持续成像，同步分析得到图像中像素黑白分明最明显的方位并停止旋转和进行基准拍照，此时再打开所述第一镜头的光源和关闭所述第二镜头的光源，采用所述第一探头组件进行基准图像拍照，重复以上过程，根据铣刀几何构造决定拍照次数。
9.一种根据权利要求1所述一种球头铣刀磨损检测装置的使用方法，其特征在于：
检测使用时：先关闭所述条形光源和打开所述环形光源，所述旋转步进电机旋转带动所述铣刀旋转和所述第一探头组件实时采集图像，并同步将所采集图像与之前保存的基准图像进行对比分析，找到与基准图像相同的方位，此时关闭所述环形光源并打开所述条形光源，采用所述第二探头组件进行成像，并将图像与基准图像进行对比分析，通过图像比较反映磨损状况。
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