CN112763498A - 一种微铣刀质量检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
发明涉及一种微铣刀质量检测装置及方法。包括相机、含同轴光的远心镜头、同轴光光纤入光口、半透半反镜、反光镜固定喉箍环、反光镜支架、反光镜、待测微铣刀、旋转步进电机、X轴平动步进电机、Y轴平动步进电机、底板、Z轴上下运动步进电机、Z轴电机导轨、相机支架。通过精密步进电机可以准确控制待测微铣刀的成像位置，有利于后续配准拼接。进一步提出采用特别的反光镜布置，使得微铣刀的端部与侧面同步成像。精密步进控制与同步成像的联合支撑了图像融合与图像配准的实现，可以得到微铣刀顶面清晰图像和360度侧面清晰图像，解决了微铣刀质量检测中使用高分辨率镜头导致的景深过浅、清洗范围过小的难题。
Description
技术领域
本发明属于仪器装置的技术领域，特别是涉及一种球头铣刀制造过程中的质量检测。
背景技术
一般认为刀柄直径小于1毫米才被称为微铣刀，一些高精度的微铣刀直径甚至低于0.1毫米，但却应用在超高转速下（>10000 rpm）进行不连续切削。例如，“数控微雕”技术是用直径0.03mm的刻刀在直径0.15mm的金属棒上刻字，用显微镜才能看清内容。这些微铣刀的刀刃几何构造对加工质量有很大影响，需要精密质量检测，特别是几何尺寸和缺陷方面的检测。但包括我们前期使用微铣刀进行的精密加工时的刀具磨损状态监测研究(见文献：A machine vision system for micro-milling tool condition monitoring，期刊来源：Precision Engineering，2018)，以及走访常州地区多家刀具生产企业，所采用的检测装置主要是工具显微镜。使用中的主要困难在于，工具显微镜景深比较浅且视场范围小，不仅调对焦困难，测量中也只能看到清晰的局部。另外，微铣刀的头部是不规则的几何构造，则只能观测到局部会严重影响判断，特别是对于刀柄越细的微铣刀越是如此。而铣刀是用量很大的耗材，例如0.5毫米直径的端铣刀加工钢零件只能使用15分钟左右。
期刊文献还很少关注这类检测问题。例如，《铣刀机器视觉检测系统设计》作者：王益恩、夏如艇、陈洪立等，但还主要针对的是一般盘式铣刀（铣刀盘）与本专利关注的杆式数控机床常用铣刀不同，且其研究对象尺寸较大。有一些专利文献已经针对检测效率问题提出解决方案，如ZL201910330345-一种全自动铣刀检测设备，ZL200620118600-铣刀检测装置，ZL201921385756-一种铣刀检测装置等主要关注一般铣刀检测的自动化，很少涉及微铣刀检测需要考虑的工况。例如，ZL200620118600在其背景技术中提到采用在垂向和径向分别成像是刀具制造企业针对小型刀具的惯用方法，但这对于微铣刀是不够的，主要原因在于高倍镜头的景深太浅且物距很近，导致没有空间在垂向和径向布置两个镜头。本专利提出采用反光镜让垂向和径向同时成像的方法则有效避免了此问题，而且进一步引入图像融合和图像配准技术来增强图像拍摄效果，有效解决了显微镜头景深浅、单次只能清晰观测某一局部的难题。另外，相比于ZL200620118600中通过旋转气缸来带动铣刀旋转，本发明采用精密步进电机进行旋转控制，控制精度更精确、更稳定。实验中所采用的卓立汉光公司某型号旋转步进电机，在驱动器64细分下可达到的角度分辨率达到3.9×10-5度，而气缸一般只能做两个姿态的来回运动且稳定性差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微铣刀质量检测装置及检测方法，所述的装置包括相机、相机前端安装的含同轴光的远心镜头、该远心镜头含有同轴光光纤入光口，内部有45度安装的半透半反镜，所述远心镜头前端安装反光镜支架，将反光镜45度且反光面向上安装在远心镜头前端的一侧，待测微铣刀安装在可调节底板上，所述的可调节地板上安装有可沿X轴、Y轴和自旋运动的机构。
进一步的，所述相机安装在相机支架上，所述相机支架则与Z轴上下运动电机的运动滑块固定连接，在步进电机的拖动下沿Z轴电机导轨上下运动。
进一步的，在镜头前端外侧设置有喉箍环，通过喉箍环将反光镜支架悬吊于镜头下方。
进一步的，所述反光镜反光面的中心位于镜头正前方1/2半径处。
进一步的，待测微铣刀夹持在旋转步进电机的运动滑块中心位置，旋转步进电机则固定在X轴平动步进电机的运动滑块上，所述X轴平动步进电机则固定在Y轴平动步进电机的运动滑块上，所述Y轴平动步进电机则进一步固定在底板上表面，实现铣刀8在相机视场的XY方向平动及旋转的调节。
进一步的，所述相机感光元件表面粘有滤光膜。
本发明还提供一种微铣刀质量检测方法，使用前述的检测装置，冷光源通过光纤连入同轴光光纤入光口，经过半透半反镜向下垂直照射在待测微铣刀上表面，铣刀头的物光，以及经过反光镜反射后进入镜头进行成像；
通过X轴和Y轴的平动将样品输送到镜头下方合适成像的位置；再调节Z轴上下使得相机成像对焦在待测微铣刀的顶部；自旋机构带动微铣刀旋转到标准姿态，标准姿态是人为设定的以便与标准铣刀进行同位比较的；调节Z轴运动机构向下运动的同时持续采集图像，对这些铣刀顶部图像进行图像融合运算得到一张铣刀头上下均清晰图像与标准铣刀对应图像进行对比分析；旋转机构带动铣刀旋转并同步拍摄图像，反光镜对应部分图像进行图像配准，得到一张铣刀360度展开的清晰图像用于观察分析，或与标准铣刀对应图像进行对比分析。
本发明的有益效果是：所拍摄的每一幅图像都包括了微铣刀顶面成像和微铣刀侧面成像，即经过反光镜所拍摄的图像等效于相机从铣刀侧面拍摄的相同效果，但本发明方案显著降低了调对焦的难度。进一步地，配合精密步进电机的定位控制进行图像融合和图像配准，解决了高分辨率镜头导致的景深过浅、清洗范围过小的难题。
附图说明
图1为本发明的检测装置结构示意图。
其中，相机1、含同轴光的远心镜头2、同轴光光纤入光口3、半透半反镜4、反光镜固定喉箍环5、反光镜支架6、反光镜7、待测微铣刀8、旋转步进电机9、X轴平动步进电机10、Y轴平动步进电机11、底板12、Z轴上下运动步进电机13、Z轴电机导轨14、相机支架15。
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。
如图1所示，该装置包括相机1、含同轴光的远心镜头2、所述的同轴光光纤入光口3、半透半反镜4、反光镜固定喉箍环5、反光镜支架6、反光镜7、待测微铣刀8、旋转步进电机9、X轴平动步进电机10、Y轴平动步进电机11、底板12、Z轴上下运动步进电机13、Z轴电机导轨14、相机支架15.
装配方法是：相机1与含同轴光的远心镜头2连接在一起构成成像探头，在所述相机感光元件表面粘有滤光膜；冷光源通过光纤连入同轴光光纤入光口3，经过半透半反镜4向下垂直照射在待测微铣刀8上表面，经过铣刀头反射后进入镜头进行成像；所述成像探头与相机支架15固定连接，所述相机支架15则与Z轴上下运动步进电机13的运动滑块固定连接，在步进电机13的拖动下沿Z轴电机导轨14上下运动，运动范围由步进电机13精密控制；在镜头前端外侧设置有反光镜固定喉箍环5，将反光镜支架6悬吊于镜头下方，反光镜7则与水平线成45度且反光面向上固定在所述反光镜支架6上，使得反光镜上反光面中心处于镜头正前方1/2半径左右；待测微铣刀8夹持在旋转步进电机9的运动滑块中心位置，所述旋转步进电机9则固定在X轴平动步进电机10的运动滑块上，所述X轴平动步进电机10则固定在Y轴平动步进电机11的运动滑块上，所述Y轴平动步进电机11则进一步固定在底板12上表面，通过所述步进电机9、10和11实现铣刀8在相机视场的XY方向平动及旋转的调节。
本发明的使用方法是：通过X轴平动步进电机10和Y轴平动步进电机11将样品输送到镜头下方合适成像的位置；再调节Z轴上下运动步进电机13使得探头成像对焦在待测微铣刀8的顶部；旋转步进电机9带动微铣刀旋转到标准姿态，标准姿态是可以人为设定的以便与标准铣刀进行同位比较，例如对于双刃球头铣刀可以设置为双刃平行于X轴；调节Z轴上下运动步进电机13向下运动的同时持续采集图像，对这些铣刀顶部图像（顶面）进行图像融合运算得到一张铣刀头上下均清晰图像用于观察比较，或与标准铣刀对应图像进行对比分析；旋转步进电机9带动铣刀360度旋转并同步拍摄图像，对这些反光镜对应部分图像（侧面）进行图像配准得到一张铣刀360度展开的清晰图像用于观察比较，或与标准铣刀对应图像进行对比分析；
具体的图像融合算法已经有公开技术，特别是发明人早期发表的图像融合文章（Multi-focus image fusion based on batch digital FIR filters，会议文章：Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 7375）正是针对远心显微镜头所采集的多帧图像进行融合。
图像配准技术的关键是寻找两幅图像间的对应匹配点，本发明方案对此有显著优势在于，采用高精度步进电机可以对旋转量进行精确控制，大大降低了相关点匹配难度。
Claims (7)
1.一种微铣刀质量检测装置，包括相机、相机前端安装的含同轴光的远心镜头、该远心镜头含有同轴光光纤入光口，内部有45度安装的半透半反镜，其特征在于，所述远心镜头前端安装反光镜支架，将反光镜45度且反光面向上安装在远心镜头前端的一侧，待测微铣刀安装在可调节底板上，所述的可调节地板上安装有可沿X轴、Y轴和自旋运动的机构。
2.根据权利要求1所述微铣刀质量检测装置，其特征在于，所述相机安装在相机支架上，所述相机支架则与Z轴上下运动电机的运动滑块固定连接，在步进电机的拖动下沿Z轴电机导轨上下运动。
3.根据权利要求1所述微铣刀质量检测装置，其特征在于，在镜头前端外侧设置有喉箍环，通过喉箍环将反光镜支架悬吊于镜头下方。
4.根据权利要求1所述微铣刀质量检测装置，其特征在于，所述反光镜反光面的中心位于镜头正前方1/2半径处。
5.根据权利要求1所述微铣刀质量检测装置，其特征在于，待测微铣刀夹持在旋转步进电机的运动滑块中心位置，旋转步进电机则固定在X轴平动步进电机的运动滑块上，所述X轴平动步进电机则固定在Y轴平动步进电机的运动滑块上，所述Y轴平动步进电机则进一步固定在底板上表面，实现铣刀8在相机视场的XY方向平动及旋转的调节。
6.根据权利要求1所述微铣刀质量检测装置，其特征在于，所述相机感光元件表面粘有滤光膜。
7.一种微铣刀质量检测方法，使用权利要求1~6任何之一的检测装置，其特征在于，冷光源通过光纤连入同轴光光纤入光口，经过半透半反镜向下垂直照射在待测微铣刀上表面，铣刀头的物光，以及经过反光镜反射后进入镜头进行成像；
通过X轴和Y轴的平动将样品输送到镜头下方合适成像的位置；再调节Z轴上下使得相机成像对焦在待测微铣刀的顶部；自旋机构带动微铣刀旋转到标准姿态，标准姿态是人为设定的以便与标准铣刀进行同位比较的；调节Z轴运动机构向下运动的同时持续采集图像，对这些铣刀顶部图像进行图像融合运算得到一张铣刀头上下均清晰图像与标准铣刀对应图像进行对比分析；旋转机构带动铣刀旋转并同步拍摄图像，反光镜对应部分图像进行图像配准，得到一张铣刀360度展开的清晰图像用于观察分析，或与标准铣刀对应图像进行对比分析。
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