CN113752088A - 一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统及方法，系统包括刀库视觉检测子系统、刀具清洁子系统、软件控制与分析子系统；刀库视觉检测子系统设置在刀库内换刀位置一侧，当待测刀具通过退刀步骤退回至刀库内换刀位置后，刀库视觉检测子系统采集待测刀具底刃、侧刃图像；刀具清洁子系统设置在主轴外壳上，用于采集刀具损伤图像前清除刀具表面切屑、切削液、粉尘；软件控制与分析子系统用于控制刀库视觉检测子系统与刀具清洁子系统动作，并进一步对采集的刀具图像进行分析。本发明适用于具备刀库的机床，能够在大量使用切削液的传统切削环境和少无切削液的清洁切削环境等典型实际加工环境下实现刀具损伤的高精高效检测。

Description

一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统及方法

技术领域

本发明属于刀具检测技术领域，具体为一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统及方法。

背景技术

刀具作为数控机床切削过程中的末端执行器，当刀具损伤达到一定程度时，将会严重影响工件的加工精度和表面完整性。据统计表明，40％的机加工问题都来源于刀具损伤，尤其在航空发动机叶轮、叶片、涡轮以及高精度齿轮、齿轮箱等复杂零件的加工中，若不能及时检测刀具损伤状态，易造成因刀具过度损伤引起的加工表面质量恶化，从而带来巨大的经济损失。同时，据统计表明，因刀具磨损导致的机床停机时间占机床总停机时间的30％，在实际加工过程中，人们多凭借经验预估刀具磨损量，进而判断是否需要换刀，这种依靠人工经验预估刀具磨损量的方法容易造成换刀过于频繁或换刀不及时的现象，从而导致加工效率下降、加工质量难以保证。因此，为保证工件质量，降低加工成本，提高生产效率，推动数控机床智能化发展，针对实际加工环境开展刀具损伤检测关键技术研究，实现对加工过程中刀具损伤状态高效、准确的检测具有非常重要的意义。

中国专利公开号CN109187249A公开了一种回转刀具的在机视觉检测方法及其检测装置，该检测装置在机床切削区域对刀具图像进行采集，在图像采集过程中，机床内的残留切削液和漂浮的粉尘易附着在镜头表面从而影响检测精度，同时，该检测装置的移动机构体积较大，在机床内部不便安装，此外，该检测装置中用于调节相机位姿的部分机构需要手动控制，效率较低；中国专利公开号CN110340733A公开了一种清洁切削环境下刀具损伤在线与在位检测系统及方法，该发明通过在切削位置附近设置在位检测系统和清洁系统，实现了刀具损伤在位检测，但在传统切削环境中，切削区域内存在大量残留的切削液及粉尘，在相机采集图像的过程中，这些切削液及粉尘易附着在相机镜头表面，从而影响检测精度，因此该系统较适用于清洁切削环境；中国专利公开号CN111069976A公开了一种车间或产线用刀具损伤智能化移动监测系统及方法，该发明通过将视觉诊断系统设置在机床外部，保护了视觉诊断系统在机床加工时不受切削液、切屑、粉尘影响，但是在图像采集过程中，视觉诊断系统需伸入切削区域，切削区域内的残留切削液及粉尘仍然容易附着在镜头表面从而影响检测精度，此外，由于该系统同时服务于多台机床，在不同机床之间移动定位需要消耗一定时间，因此，相对于单台机床，该系统检测效率受到一定影响。中国专利公开号CN110405540公开了一种人工智能断刀检测系统及方法，该发明通过在刀库一侧设置图像采集模块，实现了断刀检测，但该系统无法对刀具损伤进行高精度的定量检测，检测精度较低，同时，该系统未考虑附着在刀具表面油雾粉尘对检测精度的影响，因此，该系统在大量使用切削液的油雾粉尘环境下无法实现刀具损伤的高精检测。综上所述，目前的刀具损伤检测方法均存在一定局限性。由于大部分高档数控机床均具备刀库，因此对于此类机床，亟需一套能够同时适用于大量使用切削液的传统切削环境和少无切削液的清洁切削环境等典型机加环境的高精高效刀具损伤智能检测系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于为具备刀库的机床提供一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统及方法，在大量使用切削液的传统切削环境和少无切削液的清洁切削环境等典型机加环境下实现刀具损伤的高精高效检测。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统，针对具备刀库的机床，能够在刀库内对刀具底刃、侧刃图像进行采集，进而对刀具图像进行分析，实现刀具损伤检测；基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统包括刀库视觉检测子系统、刀具清洁子系统、软件控制与分析子系统；

所述刀库视觉检测子系统设置在刀库内换刀位置一侧，其轴线与处在刀库内换刀位置的刀具轴线同轴，当待测刀具通过退刀步骤退回至刀库内换刀位置后，刀库视觉检测子系统用于采集刀具底刃与侧刃图像；刀库视觉检测子系统可为单镜头刀库视觉检测子系统或为双镜头刀库视觉检测子系统；所述单镜头刀库视觉检测子系统包括图像集成化采集模块、单镜头检测系统位姿调整机构；所述双镜头刀库视觉检测子系统包括两个图像集成化采集模块、双镜头检测系统位姿调整机构，两个图像集成化采集模块为：底刃图像集成化采集模块和侧刃图像集成化采集模块，底刃图像集成化采集模块用于采集刀具底刃图像，侧刃图像集成化采集模块用于采集刀具侧刃图像；

所述刀具清洁子系统设置在主轴外壳上，用于采集刀具图像前清除刀具表面切屑、切削液、粉尘，包括伸缩式清洁装置、橡胶管、气泵；伸缩式清洁装置包括环形连接件、四个相同规格的笔式电动推杆、环形气刀；环形连接件通过螺栓连接固定在机床主轴外壳上，四个笔式电动推杆通过螺栓连接等间隔的固定在环形连接件上，环形气刀通过螺栓连接与四个笔式电动推杆相连；加工结束后，四个笔式电动推杆同步伸长，进而带动环形气刀向下移动，清除刀具表面切屑、切削液、粉尘，待清除工作结束后，四个笔式电动推杆同步收缩，进而带动环形气刀向上移动返回初始位置；环形气刀进气口与气泵通过橡胶管相连；

所述软件控制与分析子系统部署在计算机上，包括清洁系统控制单元、位姿控制单元、图像采集单元、图像处理单元；软件控制与分析子系统分别与刀库视觉检测子系统、刀具清洁子系统通过数据线相连接，用于控制刀库视觉检测子系统与刀具清洁子系统动作，并对采集的刀具图像进行分析；所述图像采集单元包括图像实时显示单元、LED光源控制单元、快门释放单元；所述图像实时显示单元用于实时显示第一自动变焦摄像头模组、第二自动变焦摄像头模组、第三自动变焦摄像头模组成像情况，并根据实时成像情况调节光圈与焦距，实现准确对焦；所述LED光源控制单元用于调节第一环形LED可调光源、第二环形LED可调光源、第三环形LED可调光源照射角度与明亮程度，改善采集图像时的暗视场条件，保证刀具损伤图像的清晰度；所述快门释放单元用于准确对焦后释放第一自动变焦摄像头模组、第二自动变焦摄像头模组、第三自动变焦摄像头模组快门，采集刀具损伤图像。

基于上述刀库集成式刀具损伤检测系统的刀具损伤检测方法，其步骤如下：

步骤1、清洁刀具、通过退刀步骤将待测刀具退回刀库内换刀位置：

步骤1.1、清洁刀具：控制笔式电动推杆伸长，带动环形气刀向下移动，同时启动气泵，利用环形气刀内圈大流速气流清除刀具表面切屑、切削液、粉尘，待清洁工作完成后，控制清洁系统向上移动返回初始位置；

步骤1.2、退刀：通过软件控制与分析子系统向数控系统发出退刀指令，进而驱动待测刀具通过退刀步骤退回到刀库内换刀位置；

步骤2、通过软件控制与分析子系统控制刀库视觉检测子系统采集刀具底刃、侧刃图像；

步骤3、对采集的刀具损伤图像进行处理并量化刀具损伤结果：

步骤3.1、图像处理：对采集的图像进行灰度化处理、中值滤波去噪、旋转矫正，再对预处理后的刀具损伤图像进行磨损区域、破损区域提取，并将两区域相加得到完整的刀具损伤区域；

步骤3.2、刀具损伤量计算：根据完整的刀具损伤区域构造刀具损伤区域的最小外接矩形，并计算平均损伤宽度，同时将平均损伤宽度与预设阈值作比较，根据比较结果判定是否需要换刀。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明将机器视觉在机检测系统集成在刀库内，远离切削区域，能够有效避免实际切削过程中切削液与切屑对变焦摄像头模组镜头及电子元器件造成损伤，同时，降低了检测过程中因油雾粉尘附着在镜头表面而对检测精度产生的影响。因此，针对具备刀库的机床，本发明的检测系统及方法能够在大量使用切削液的传统切削环境和少无切削液的清洁切削环境等典型机加环境下实现刀具损伤的准确检测，在保证检测精度的前提下，具有较广的适用范围。

(2)本发明的刀具损伤检测系统能够实现刀具损伤的在机检测，相比离线式的机器视觉检测系统，本发明仅通过退刀步骤即可对刀具图像进行在机采集，能够同时兼顾检测精度与效率；且检测系统中的各个机构的动作都通过软件进行控制，无需工人在现场进行手动操作，具有较高的自动化与智能化水平。

(3)本发明通过设置刀具清洁子系统，在刀具图像采集前对刀具表面进行清洁，能够有效降低因切屑、切削液、粉尘附着在刀具表面而对检测精度产生的影响，同时，通过在自动变焦摄像头模组前端加装自动开合镜头盖，能够有效避免刀库内的灰尘在变焦摄像头模组未工作时附着在镜头表面，提高了检测精度。

(4)本发明的刀具损伤检测系统结构紧凑，远离切削区域，不会影响机床的正常运行；同时，本发明采用的图像集成化采集模块体积较小，能够有效避免相机采集图像时与刀库发生干涉，具有很好的空间适应性，满足不同种类机床刀具损伤检测需求，特别是具备刀库且切削区域内安装空间狭小的机床。

附图说明

图1为基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统总体结构示意图。

图2为单镜头刀库视觉检测子系统结构示意图。

图3为双镜头刀库视觉检测子系统结构示意图。

图4为第一图像集成化采集模块、第二图像集成化采集模块、第三图像集成化采集模块结构示意图。

图5为伸缩式清洁装置示意图。

图6为单镜头刀库视觉检测子系统在斗笠式刀库内的安装示意图。

图7为单镜头刀库视觉检测子系统在盘式刀库内的安装示意图。

图8为单镜头刀库视觉检测子系统在链式刀库内的安装示意图。

图9为单镜头刀库视觉检测子系统采集刀具底刃图像示意图。

图10为单镜头刀库视觉检测子系统采集刀具侧刃图像示意图。

图11为双镜头刀库视觉检测子系统采集刀具底刃图像示意图。

图12为双镜头刀库视觉检测子系统采集刀具侧刃图像示意图。

图13为基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统工作流程示意图。

图中：刀库视觉检测子系统1、刀具清洁子系统2、刀库3、软件控制与分析子系统4、待测刀具5、斗笠式刀库6、盘式刀库7、链式刀库8、单镜头刀库视觉检测子系统1a、双镜头刀库视觉检测子系统1b、图像集成化采集模块1a1、单镜头检测系统位姿调整机构1a2、底刃图像集成化采集模块1b1、侧刃图像集成化采集模块1b2、双镜头检测系统位姿调整机构1b3、第一自动开合镜头盖1a11、第一自动变焦摄像头模组1a12、第一环形LED可调光源1a13、第一保护壳1a14、第二自动开合镜头盖1b11、第二自动变焦摄像头模组1b12、第二环形LED可调光源1b13、第二保护壳1b14、第三自动开合镜头盖1b21、第三自动变焦摄像头模组1b22、第三环形LED可调光源1b23、第三保护壳1b24、第一中空旋转平台1a21、第一支撑平台1a22、单镜头检测系统直线导轨滑台1a23、电动推杆1a24、矩形连接件1a25、侧姿气缸1a26、第二中空旋转平台1b31、第二支撑平台1b32、双镜头检测系统直线导轨滑台1b33、第一电动推杆1b34、第二电动推杆1b35、伸缩式清洁装置21、橡胶管22、气泵23、环形连接件211、笔式电动推杆212、环形气刀213。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统，针对具备刀库的机床，所述基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统能够在刀库3内对刀具底刃、侧刃图像进行采集，进而对刀具图像进行分析，实现刀具损伤检测；基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统包括刀库视觉检测子系统1、刀具清洁子系统2、软件控制与分析子系统4。

所述刀库视觉检测子系统1设置在刀库3内换刀位置一侧，其轴线与处在刀库3内换刀位置的刀具轴线同轴，当待测刀具5通过退刀步骤退回至刀库内换刀位置后，刀库视觉检测子系统1用于采集刀具底刃与侧刃图像；刀库视觉检测子系统1可为单镜头刀库视觉检测子系统1a或为双镜头刀库视觉检测子系统1b；

具体的，如图6、图7、图8所示，分别为单镜头刀库视觉检测子系统1a在斗笠式刀库6、盘式刀库7、链式刀库8内的安装位置，单镜头刀库视觉检测子系统1a中心轴线与处在刀库内换刀位置的刀具轴线重合；双镜头刀库视觉检测子系统1b在斗笠式刀库6、盘式刀库7、链式刀库8内的安装位置与单镜头机器视觉在机检测系统1a一致，其中心轴线与处在刀库内换刀位置的刀具轴线重合；

进一步的，所述单镜头刀库视觉检测子系统1a包括图像集成化采集模块1a1、单镜头检测系统位姿调整机构1a2；所述双镜头刀库视觉检测子系统1b包括两个图像集成化采集模块、双镜头检测系统位姿调整机构1b3，所述两个图像集成化采集模块为：底刃图像集成化采集模块1b1和侧刃图像集成化采集模块1b2，底刃图像集成化采集模块1b1用于采集刀具底刃图像，侧刃图像集成化采集模块1b2用于采集刀具侧刃图像；

进一步的，所述图像集成化采集模块1a1、底刃图像集成化采集模块1b1和侧刃图像集成化采集模块1b2三个模块结构相同；所述图像集成化采集模块lal包括：第一自动开合镜头盖1a11、第一自动变焦摄像头模组1a12、第一环形LED可调光源1a13、第一保护壳1a14；所述第一自动变焦摄像头模组1a12封装在第一保护壳1a14内，能够自动调节光圈和焦距；所述第一环形LED可调光源1a13紧贴第一保护壳1a14外表面，环设在第一自动变焦摄像头模组1a12镜头周围，用于调节视场亮度；所述第一自动开合镜头盖1a11设置在第一自动变焦摄像头模组1a12前端，第一自动变焦摄像头模组1a12未工作时，第一自动开合镜头盖1a11保持关闭状态，第一自动变焦摄像头模组1a12工作时，第一自动开合镜头盖1a11自动打开；

进一步的，所述底刃图像集成化采集模块1b1包括：第二自动开合镜头盖1b11、第二自动变焦摄像头模组1b12、第二环形LED可调光源1b13、第二保护壳1b14；所述第二自动变焦摄像头模组1b12封装在第二保护壳1b14内，能够自动调节光圈和焦距；所述第二环形LED可调光源1b13紧贴第二保护壳1b14外表面，环设在第二自动变焦摄像头模组1b12镜头周围，用于调节视场亮度；所述第二自动开合镜头盖1b11设置在第二自动变焦摄像头模组1b12前端，第二自动变焦摄像头模组1b12未工作时，第二自动开合镜头盖1b11保持关闭状态，第二自动变焦摄像头模组1b12工作时，第二自动开合镜头盖1b11自动打开；

进一步的，所述侧刃图像集成化采集模块1b2包括：第三自动开合镜头盖1b21、第三自动变焦摄像头模组1b22、第三环形LED可调光源1b23、第三保护壳1b24；所述第三自动变焦摄像头模组1b22封装在第三保护壳1b24内，能够自动调节光圈和焦距；所述第三环形LED可调光源1b23紧贴第三保护壳1b24外表面，环设在第三自动变焦摄像头模组1b22镜头周围，用于调节视场亮度；所述第三自动开合镜头盖1b21设置在第三自动变焦摄像头模组1b22前端，第三自动变焦摄像头模组1b22未工作时，第三自动开合镜头盖1b21保持关闭状态，第三自动变焦摄像头模组1b22工作时，第三自动开合镜头盖1b21自动打开；

进一步的，所述单镜头检测系统位姿调整机构1a2包括第一中空旋转平台1a21、第一支撑平台1a22、单镜头检测系统直线导轨滑台1a23、电动推杆1a24、矩形连接件1a25、侧姿气缸1a26；所述单镜头检测系统位姿调整机构1a2能够驱动图像集成化采集模块1a1进行四自由度运动；所述第一中空旋转平台1a21通过螺纹连接固定在刀库3内，其轴线与处在刀库3内换刀位置的刀具轴线同轴，用于驱动图像集成化采集模块沿第一中空旋转平台1a21中心轴线做回转运动；所述第一支撑平台la22通过螺纹连接固定在第一中空旋转平台1a21上，其中心轴线与第一中空旋转平台1a21轴线重合；所述单镜头检测系统直线导轨滑台1a23通过螺纹连接设置在第一支撑平台1a22半径方向上，用于驱动图像集成化采集模块1a1沿第一支撑平台1a22径向做水平运动；所述电动推杆1a24通过螺纹连接设置在单镜头检测系统直线导轨滑台1a23的滑块上，其轴线与第一支撑平台1a22上表面垂直，用于驱动图像集成化采集模块1a1沿竖直方向进行伸缩；所述电动推杆1a24具有足够高的刚度，在伸缩过程中不会发生倾斜现象；所述矩形连接件1a25通过螺纹连接设置在电动推杆1a24顶端；所述侧姿气缸1a26通过螺纹连接设置在矩形连接件1a25上；所述图像集成化采集模块1a1通过螺纹连接设置在侧姿气缸1a26上；所述侧姿气缸1a26用于驱动图像集成化采集模块1a1在竖直平面内进行90度翻转，使其轴线能够在重合于电动推杆1a24轴线方向和垂直于电动推杆1a24轴线方向之间进行转换，当图像集成化采集模块1a1轴线与电动推杆1a24轴线重合时，即图像集成化采集模块1a1镜头竖直向上时，用于采集底刃图像，当图像集成化采集模块1a1轴线与电动推杆1a24轴线垂直时，即图像集成化采集模块1a1镜头水平指向第一支撑平台la22轴线时，用于采集侧刃图像；

进一步的，所述双镜头检测系统位姿调整机构1b3包括第二中空旋转平台1b31、第二支撑平台1b32、双镜头检测系统直线导轨滑台1b33、第一电动推杆1b34、第二电动推杆1b35；所述双镜头检测系统位姿调整机构1b3能够驱动底刃图像集成化采集模块1b1和侧刃图像集成化采集模块1b2分别进行两自由度运动和三自由度运动；所述第二中空旋转平台1b31通过螺纹连接固定在刀库3内，用于驱动底刃图像集成化采集模块1b1、侧刃图像集成化采集模块1b2沿第二中空旋转平台1b31中心轴线做回转运动；所述第二支撑平台1b32通过螺纹连接固定在第二中空旋转平台上1b31，其中心轴线与第二中空旋转平台1b31轴线重合；所述第一电动推杆1b34通过螺纹连接设置在第二支撑平台1b32上，其轴线与第二中空旋转平台1b31中心轴线重合，用于驱动底刃图像集成化采集模块1b1沿竖直方向进行伸缩；所述双镜头检测系统直线导轨滑台1b33通过螺纹连接设置在第二支撑平台1b32半径方向上，用于驱动侧刃图像集成化采集模块1b2沿第二支撑平台1b32径向做水平运动；所述第二电动推杆1b35通过螺纹连接设置在双镜头检测系统直线导轨滑台1b33的滑块上，其轴线与第二支撑平台1b32上表面垂直，用于驱动侧刃图像集成化采集模块1b2沿竖直方向进行伸缩；所述第一电动推杆1b34、第二电动推杆1b35具有足够高的刚度，在伸缩过程中不会发生倾斜现象；

所述刀具清洁子系统2设置在主轴外壳上，用于采集刀具图像前清除刀具表面切屑、切削液、粉尘，包括伸缩式清洁装置21、橡胶管22、气泵23；伸缩式清洁装置21包括环形连接件211、四个相同规格的笔式电动推杆212、环形气刀213；环形连接件211通过螺栓连接固定在机床主轴外壳上，四个笔式电动推杆212通过螺栓连接等间隔的固定在环形连接件211上，环形气刀213通过螺栓连接与四个笔式电动推杆212相连；加工结束后，四个笔式电动推杆212同步伸长，进而带动环形气刀213向下移动，清除刀具表面切屑、切削液、粉尘，待清除工作结束后，四个笔式电动推杆212同步收缩，进而带动环形气刀213向上移动返回初始位置；环形气刀213进气口与气泵23通过橡胶管22相连；

所述软件控制与分析子系统4部署在计算机上，分别与刀库视觉检测子系统1、刀具清洁子系统2通过数据线相连接，用于控制刀库视觉检测子系统1与刀具清洁子系统2动作，并对采集的刀具图像进行分析；软件控制与分析子系统4包括清洁系统控制单元、位姿控制单元、图像采集单元、图像处理单元；

进一步的，所述图像采集单元包括图像实时显示单元、LED光源控制单元、快门释放单元；

更进一步的，所述图像实时显示单元用于实时显示第一自动变焦摄像头模组1a12、第二自动变焦摄像头模组1b12、第三自动变焦摄像头模组1b22成像情况，并根据实时成像情况调节光圈与焦距，实现准确对焦；

更进一步的，所述LED光源控制单元用于调节第一环形LED可调光源1a13、第二环形LED可调光源1b13、第三环形LED可调光源1b23照射角度与明亮程度，改善采集图像时的暗视场条件，保证刀具损伤图像的清晰度；

更进一步的，所述快门释放单元用于准确对焦后释放第一自动变焦摄像头模组1a12、第二自动变焦摄像头模组1b12、第三自动变焦摄像头模组1b22快门，采集刀具损伤图像。

基于上述的检测系统，本发明提出的一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测方法，具体实施步骤如下：

步骤1、清洁刀具、通过退刀步骤将待测刀具退回刀库3内指定位置：

步骤1.1、清洁刀具：控制笔式电动推杆212伸长，带动环形气刀213向下移动，同时启动气泵23，利用环形气刀213内圈大流速气流清除待测刀具5表面切屑、切削液、粉尘，待清洁工作完成后，控制控制环形气刀213向上移动返回初始位置；

步骤1.2、退刀：通过软件控制与分析子系统4向数控系统发出退刀指令，进而驱动待测刀具5通过退刀步骤退回到刀库3内指定位置；

步骤2、通过软件控制与分析子系统4控制刀库视觉检测子系统1采集待测刀具5底刃、侧刃图像；

步骤3、对采集的刀具损伤图像进行处理并量化刀具损伤结果：

步骤3.1、图像处理：对采集的图像进行灰度化处理、中值滤波去噪、旋转矫正，再对预处理后的刀具损伤图像进行磨损区域、破损区域提取，并将两区域相加得到完整的刀具损伤区域；

步骤3.2、刀具损伤量计算：根据完整的刀具损伤区域构造刀具损伤区域的最小外接矩形，并计算平均损伤宽度，同时将平均损伤宽度与预设阈值作比较，根据比较结果判定是否需要换刀；

进一步的，可选用单镜头刀库视觉检测子系统1a或双镜头刀库视觉检测子系统1b实现步骤2中待测刀具5底刃图像、侧刃图像的采集：

(A)采用单镜头刀库视觉检测子系统1a实现步骤2的具体步骤为：

步骤2.1、采集底刃图像：通过软件控制与分析子系统4进行初始化化操作，使图像集成化采集模块1a1保持镜头竖直向上、轴线与待测刀具5同轴，接着控制电动推杆1a24伸长，驱动图像集成化采集模块1a1到达图像采集位置，使图像集成化采集模块1a1镜头前端与待测刀具5底刃之间的距离处于焦距范围之内，然后根据实时成像情况，调整焦距与光圈，同时根据视场环境调节第一环形LED可调光源1a13入射方向与明亮程度，使呈现清晰的刀具底刃损伤图像，进而发出快门指令控制第一自动变焦摄像头模组1a12拍下待测刀具5底刃图像，最后控制电动推杆1a24复位；

步骤2.2、采集侧刃图像：通过软件控制与分析子系统4控制侧姿气缸1a26翻转90度，使图像集成化采集模块1a1轴线与待测刀具5轴线垂直，接着根据待测刀具5直径大小，控制单镜头检测系统直线导轨滑台1a23驱动图像集成化采集模块1a1沿第一支撑平台1a22径方向移动，使图像集成化采集模块1a1镜头前端与待测刀具轴线之间的距离大于刀具半径，以避免电动推杆1a24伸长时图像集成化采集模块1a1与刀具发生干涉，然后控制电动推杆1a24伸长，驱动图像集成化采集模块1a1到达待测刀具5侧刃所在高度，然后根据实时成像情况，控制单镜头检测系统直线导轨滑台1a23驱动图像集成化采集模块1a1移动，使图像集成化采集模块1a1镜头前端与刀具5侧刃之间的距离处于焦距范围之内，再控制第一中空旋转平台1a21驱动图像集成化采集模块1a1对准待测刀刃，并根据视场环境调节第一环形LED可调光源1a13入射方向与明亮程度，同时调整焦距与光圈，使呈现清晰的刀具侧刃损伤图像，进而发出快门指令控制第一自动变焦摄像头模组1a12拍下第一张刀具侧刃图像，接着控制第一中空旋转平台1a21转动指定角度，采集下一个刀具侧刃损伤图像，在整个侧刃图像采集过程中，第一中空旋转平台1a21一共需要旋转360°，针对具有N个侧刃的刀具的侧刃图像采集过程而言，第一中空旋转平台1a21一共需要旋转N次，直至待测刀具5所有侧刃图像采集完成，最后控制第一中空旋转平台1a21、电动推杆1a24、单镜头检测系统直线导轨滑台1a23、侧姿气缸1a26依次复位；

(B)采用双镜头刀库视觉检测子系统1b实现步骤2的具体步骤为：

步骤2.1、采集底刃图像：通过软件控制与分析子系统4控制第一电动推杆1b34伸长，驱动底刃图像集成化采集模块1b1到达图像采集位置，使底刃图像集成化采集模块1b1镜头前端与刀具5底刃之间的距离处于焦距范围之内，然后根据实时成像情况，调整焦距与光圈，同时根据视场环境调节第二环形LED可调光源1b13入射方向与明亮程度，使呈现清晰的刀具底刃损伤图像，进而发出快门指令控制第二自动变焦摄像头模组1b12拍下刀具底刃图像，最后控制第一电动推杆1b34复位；

步骤2.2、采集侧刃图像：通过软件控制与分析子系统4控制第二电动推杆lb35伸长，驱动侧刃图像集成化采集模块1b2到达待测刀具(5)侧刃所在高度，然后根据实时成像情况，控制双镜头检测系统直线导轨滑台1b33带动侧刃图像集成化采集模块1b2沿第二支撑平台1b32径向移动，使侧刃图像集成化采集模块1b2镜头前端与待测刀具5侧刃之间的距离处于焦距范围之内，再控制第二中空旋转平台1b31驱动侧刃图像集成化采集模块1b2对准待测刀刃，并根据视场环境调节第三环形LED可调光源1b23入射方向与明亮程度，同时调整焦距与光圈，使呈现清晰的刀具侧刃损伤图像，进而发出快门指令控制第三自动变焦摄像头模组1b22拍下第一张刀具侧刃图像，接着控制第二中空旋转平台1b31转动指定角度，采集下一个刀具侧刃损伤图像，在整个侧刃图像采集过程中，第二中空旋转平台1b31一共需要旋转360°，针对具有N个侧刃的刀具的侧刃图像采集过程而言，第二中空旋转平台1b31一共需要旋转N次，直至待测刀具5所有侧刃图像采集完成，最后控制第二中空旋转平台1b31、第二电动推杆1b35、双镜头检测系统直线导轨滑台1b33依次复位。

Claims (8)

1.一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统，其特征在于，针对具备刀库的机床，所述基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统能够在刀库(3)内对刀具底刃、侧刃图像进行采集，进而对刀具图像进行分析，实现刀具损伤检测；基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统包括刀库视觉检测子系统(1)、刀具清洁子系统(2)、软件控制与分析子系统(4)；

所述刀库视觉检测子系统(1)设置在刀库(3)内换刀位置一侧，其轴线与处在刀库(3)内换刀位置的刀具轴线同轴，当待测刀具(5)通过退刀步骤退回至刀库内换刀位置后，刀库视觉检测子系统(1)用于采集刀具底刃与侧刃图像；刀库视觉检测子系统(1)可为单镜头刀库视觉检测子系统(1a)或为双镜头刀库视觉检测子系统(1b)；

所述刀具清洁子系统(2)设置在主轴外壳上，用于采集刀具图像前清除刀具表面切屑、切削液、粉尘，包括伸缩式清洁装置(21)、橡胶管(22)、气泵(23)；伸缩式清洁装置(21)包括环形连接件(211)、四个相同规格的笔式电动推杆(212)、环形气刀(213)；环形连接件(211)通过螺栓连接固定在机床主轴外壳上，四个笔式电动推杆(212)通过螺栓连接等间隔的固定在环形连接件(211)上，环形气刀(213)通过螺栓连接与四个笔式电动推杆(212)相连；加工结束后，四个笔式电动推杆(212)同步伸长，进而带动环形气刀(213)向下移动，清除刀具表面切屑、切削液、粉尘，待清除工作结束后，四个笔式电动推杆(212)同步收缩，进而带动环形气刀(213)向上移动返回初始位置；环形气刀(213)进气口与气泵(23)通过橡胶管(22)相连；

所述软件控制与分析子系统(4)部署在计算机上，分别与刀库视觉检测子系统(1)、刀具清洁子系统(2)通过数据线相连接，用于控制刀库视觉检测子系统(1)与刀具清洁子系统(2)动作，并对采集的刀具图像进行分析；软件控制与分析子系统(4)包括清洁系统控制单元、位姿控制单元、图像采集单元、图像处理单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统，其特征在于，所述单镜头刀库视觉检测子系统(1a)包括图像集成化采集模块(1a1)、单镜头检测系统位姿调整机构(1a2)；所述双镜头刀库视觉检测子系统(1b)包括两个图像集成化采集模块、双镜头检测系统位姿调整机构(1b3)，所述两个图像集成化采集模块为：底刃图像集成化采集模块(1b1)和侧刃图像集成化采集模块(1b2)，底刃图像集成化采集模块(1b1)用于采集刀具底刃图像，侧刃图像集成化采集模块(1b2)用于采集刀具侧刃图像。

3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统，其特征在于，所述图像集成化采集模块(1a1)、底刃图像集成化采集模块(1b1)和侧刃图像集成化采集模块(1b2)三个模块结构相同；所述图像集成化采集模块(1a1)包括：第一自动开合镜头盖(1a11)、第一自动变焦摄像头模组(1a12)、第一环形LED可调光源(1a13)、第一保护壳(1a14)；所述第一自动变焦摄像头模组(1a12)封装在第一保护壳(1a14)内，能够自动调节光圈和焦距；所述第一环形LED可调光源(1a13)紧贴第一保护壳(1a14)外表面，环设在第一自动变焦摄像头模组(1a12)镜头周围，用于调节视场亮度；所述第一自动开合镜头盖(1a11)设置在第一自动变焦摄像头模组(1a12)前端，第一自动变焦摄像头模组(1a12)未工作时，第一自动开合镜头盖(1a11)保持关闭状态，第一自动变焦摄像头模组(1a12)工作时，第一自动开合镜头盖(1a11)自动打开；

所述底刃图像集成化采集模块(1b1)包括：第二自动开合镜头盖(1b11)、第二自动变焦摄像头模组(1b12)、第二环形LED可调光源(1b13)、第二保护壳(1b14)；所述第二自动变焦摄像头模组(1b12)封装在第二保护壳(1b14)内，能够自动调节光圈和焦距；所述第二环形LED可调光源(1b13)紧贴第二保护壳(1b14)外表面，环设在第二自动变焦摄像头模组(1b12)镜头周围，用于调节视场亮度；所述第二自动开合镜头盖(1b11)设置在第二自动变焦摄像头模组(1b12)前端，第二自动变焦摄像头模组(1b12)未工作时，第二自动开合镜头盖(1b11)保持关闭状态，第二自动变焦摄像头模组(1b12)工作时，第二自动开合镜头盖(1b11)自动打开；

所述侧刃图像集成化采集模块(1b2)包括：第三自动开合镜头盖(1b21)、第三自动变焦摄像头模组(1b22)、第三环形LED可调光源(1b23)、第三保护壳(1b24)；所述第三自动变焦摄像头模组(1b22)封装在第三保护壳(1b24)内，能够自动调节光圈和焦距；所述第三环形LED可调光源(1b23)紧贴第三保护壳(1b24)外表面，环设在第三自动变焦摄像头模组(1b22)镜头周围，用于调节视场亮度；所述第三自动开合镜头盖(1b21)设置在第三自动变焦摄像头模组(1b22)前端，第三自动变焦摄像头模组(1b22)未工作时，第三自动开合镜头盖(1b21)保持关闭状态，第三自动变焦摄像头模组(1b22)工作时，第三自动开合镜头盖(1b21)自动打开。

4.根据权利要求3所述的一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统，其特征在于，所述单镜头检测系统位姿调整机构(1a2)：包括第一中空旋转平台(1a21)、第一支撑平台(1a22)、单镜头检测系统直线导轨滑台(1a23)、电动推杆(1a24)、矩形连接件(1a25)、侧姿气缸(1a26)；所述单镜头检测系统位姿调整机构(1a2)能够驱动图像集成化采集模块(1a1)进行四自由度运动；所述第一中空旋转平台(1a21)通过螺纹连接固定在刀库(3)内，其轴线与处在刀库(3)内换刀位置的刀具轴线同轴，用于驱动图像集成化采集模块(1a1)沿第一中空旋转平台(1a21)中心轴线做回转运动；所述第一支撑平台(1a22)通过螺纹连接固定在第一中空旋转平台(1a21)上，其中心轴线与第一中空旋转平台(1a21)轴线重合；所述单镜头检测系统直线导轨滑台(1a23)通过螺纹连接设置在第一支撑平台(1a22)半径方向上，用于驱动图像集成化采集模块(1a1)沿第一支撑平台(1a22)径向做水平运动；所述电动推杆(1a24)通过螺纹连接设置在单镜头检测系统直线导轨滑台(1a23)的滑块上，其轴线与第一支撑平台(1a22)上表面垂直，用于驱动图像集成化采集模块(1a1)沿竖直方向进行伸缩；所述电动推杆(1a24)具有足够高的刚度，在伸缩过程中不会发生倾斜现象；所述矩形连接件(1a25)通过螺纹连接设置在电动推杆(1a24)顶端；所述侧姿气缸(1a26)通过螺纹连接设置在矩形连接件(1a25)上；所述图像集成化采集模块(1a1)通过螺纹连接设置在侧姿气缸(1a26)上；所述侧姿气缸(1a26)用于驱动图像集成化采集模块(1a1)在竖直平面内进行90度翻转，使其轴线能够在重合于电动推杆(1a24)轴线方向和垂直于电动推杆(1a24)轴线方向之间进行转换，当图像集成化采集模块(1a1)轴线与电动推杆(1a24)轴线重合时，即当图像集成化采集模块(1a1)镜头竖直向上时，用于采集底刃图像，当图像集成化采集模块(1a1)轴线与电动推杆(1a24)轴线垂直时，即图像集成化采集模块(1a1)镜头水平指向第一支撑平台(1a22)轴线时，用于采集侧刃图像。

5.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统，其特征在于，所述双镜头检测系统位姿调整机构(1b3)：包括第二中空旋转平台(1b31)、第二支撑平台(1b32)、双镜头检测系统直线导轨滑台(1b33)、第一电动推杆(1b34)、第二电动推杆(1b35)；所述双镜头检测系统位姿调整机构(1b3)能够驱动底刃图像集成化采集模块(1b1)和侧刃图像集成化采集模块(1b2)分别进行两自由度运动和三自由度运动；所述第二中空旋转平台(1b31)通过螺纹连接固定在刀库(3)内，其轴线与处在刀库(3)内换刀位置的刀具轴线同轴，用于驱动底刃图像集成化采集模块(1b1)、侧刃图像集成化采集模块(1b2)沿第二中空旋转平台(1b31)中心轴线做回转运动；所述第二支撑平台(1b32)通过螺纹连接固定在第二中空旋转平台上(1b31)，其中心轴线与第二中空旋转平台(1b31)轴线重合；所述第一电动推杆(1b34)通过螺纹连接设置在第二支撑平台(1b32)上，其轴线与第二中空旋转平台(1b31)轴线重合，用于驱动底刃图像集成化采集模块(1b1)沿竖直方向进行伸缩；所述双镜头检测系统直线导轨滑台(1b33)通过螺纹连接设置在第二支撑平台(1b32)半径方向上，用于驱动侧刃图像集成化采集模块(1b2)沿第二支撑平台(1b32)径向做水平运动；所述第二电动推杆(1b35)通过螺纹连接设置在双镜头检测系统直线导轨滑台(1b33)的滑块上，其轴线与第二支撑平台(1b32)上表面垂直，用于驱动侧刃图像集成化采集模块(1b2)沿竖直方向进行伸缩；所述第一电动推杆(1b34)、第二电动推杆(1b35)具有足够高的刚度，在伸缩过程中不会发生倾斜现象。

6.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统，其特征在于：所述图像采集单元包括图像实时显示单元、LED光源控制单元、快门释放单元；

所述图像实时显示单元用于实时显示第一自动变焦摄像头模组(1a12)、第二自动变焦摄像头模组(1b12)、第三自动变焦摄像头模组(1b22)成像情况，并根据实时成像情况调节光圈与焦距，实现准确对焦；

所述LED光源控制单元用于调节第一环形LED可调光源(1a13)、第二环形LED可调光源(1b13)、第三环形LED可调光源(1b23)照射角度与明亮程度，改善采集图像时的暗视场条件，保证刀具损伤图像的清晰度；

所述快门释放单元用于准确对焦后释放第一自动变焦摄像头模组(1a12)、第二自动变焦摄像头模组(1b12)、第三自动变焦摄像头模组(1b22)快门，采集刀具损伤图像。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统的刀具损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、清洁刀具、通过退刀步骤将待测刀具退回刀库(3)内换刀位置：

步骤1.1、清洁刀具：控制笔式电动推杆(212)伸长，带动环形气刀(213)向下移动，同时启动气泵(23)，利用环形气刀(213)内圈大流速气流清除待测刀具(5)表面切屑、切削液、粉尘，待清洁工作完成后，控制控制环形气刀(213)向上移动返回初始位置；

步骤1.2、退刀：通过软件控制与分析子系统(4)向数控系统发出退刀指令，进而驱动待测刀具(5)通过退刀步骤退回到刀库(3)内换刀位置；

步骤2、通过软件控制与分析子系统(4)控制刀库视觉检测子系统(1)采集待测刀具(5)底刃、侧刃图像；

步骤3、对采集的刀具损伤图像进行处理并量化刀具损伤结果：

步骤3.1、图像处理：对采集的图像进行灰度化处理、中值滤波去噪、旋转矫正，再对预处理后的刀具损伤图像进行磨损区域、破损区域提取，并将两区域相加得到完整的刀具损伤区域；

步骤3.2、刀具损伤量计算：根据完整的刀具损伤区域构造刀具损伤区域的最小外接矩形，并计算平均损伤宽度，同时将平均损伤宽度与预设阈值作比较，根据比较结果判定是否需要换刀。

8.根据权利要求7所述的刀具损伤检测方法，其特征在于，可选用单镜头刀库视觉检测子系统(1a)或双镜头刀库视觉检测子系统(1b)实现步骤2中待测刀具(5)底刃图像、侧刃图像的采集：

(A)采用单镜头刀库视觉检测子系统(1a)实现步骤2的具体步骤为：

步骤2.1、采集底刃图像：通过软件控制与分析子系统(4)进行初始化化操作，使图像集成化采集模块(1a1)保持镜头竖直向上、轴线与待测刀具(5)同轴，接着控制电动推杆(1a24)伸长，驱动图像集成化采集模块(1a1)到达图像采集位置，使图像集成化采集模块(1a1)镜头前端与待测刀具(5)底刃之间的距离处于焦距范围之内，然后根据实时成像情况，调整焦距与光圈，同时根据视场环境调节第一环形LED可调光源(1a13)入射方向与明亮程度，使呈现清晰的刀具底刃损伤图像，进而发出快门指令控制第一自动变焦摄像头模组(1a12)拍下待测刀具(5)底刃图像，最后控制电动推杆(1a24)复位；

步骤2.2、采集侧刃图像：通过软件控制与分析子系统(4)控制侧姿气缸(1a26)翻转90度，使图像集成化采集模块(1a1)轴线与待测刀具(5)轴线垂直，接着根据待测刀具(5)直径大小，控制单镜头检测系统直线导轨滑台(1a23)驱动图像集成化采集模块(1a1)沿第一支撑平台(1a22)径方向移动，使图像集成化采集模块(1a1)镜头前端与待测刀具轴线之间的距离大于刀具半径，以避免电动推杆(1a24)伸长时图像集成化采集模块(1a1)与刀具发生干涉，然后控制电动推杆(1a24)伸长，驱动图像集成化采集模块(1a1)到达待测刀具(5)侧刃所在高度，然后根据实时成像情况，控制单镜头检测系统直线导轨滑台(1a23)驱动图像集成化采集模块(1a1)移动，使图像集成化采集模块(1a1)镜头前端与刀具(5)侧刃之间的距离处于焦距范围之内，再控制第一中空旋转平台(1a21)驱动图像集成化采集模块(1a1)对准待测刀刃，并根据视场环境调节第一环形LED可调光源(1a13)入射方向与明亮程度，同时调整焦距与光圈，使呈现清晰的刀具侧刃损伤图像，进而发出快门指令控制第一自动变焦摄像头模组(1a12)拍下第一张刀具侧刃图像，接着控制第一中空旋转平台(1a21)转动指定角度，采集下一个刀具侧刃损伤图像，直至待测刀具(5)所有侧刃图像采集完成，最后控制第一中空旋转平台(1a21)、电动推杆(1a24)、单镜头检测系统直线导轨滑台(1a23)、侧姿气缸(1a26)依次复位；

(B)采用双镜头刀库视觉检测子系统(1b)实现步骤2的具体步骤为：

步骤2.1、采集底刃图像：通过软件控制与分析子系统(4)控制第一电动推杆(1b34)伸长，驱动底刃图像集成化采集模块(1b1)到达图像采集位置，使底刃图像集成化采集模块(1b1)镜头前端与待测刀具(5)底刃之间的距离处于焦距范围之内，然后根据实时成像情况，调整焦距与光圈，同时根据视场环境调节第二环形LED可调光源(1b13)入射方向与明亮程度，使呈现清晰的刀具底刃损伤图像，进而发出快门指令控制第二自动变焦摄像头模组(1b12)拍下刀具底刃图像，最后控制第一电动推杆(1b34)复位；

步骤2.2、采集侧刃图像：通过软件控制与分析子系统(4)控制第二电动推杆(1b35)伸长，驱动侧刃图像集成化采集模块(1b2)到达待测刀具(5)侧刃所在高度，然后根据实时成像情况，控制双镜头检测系统直线导轨滑台(1b33)带动侧刃图像集成化采集模块(1b2)沿第二支撑平台(1b32)径向移动，使侧刃图像集成化采集模块(1b2)镜头前端与待测刀具(5)侧刃之间的距离处于焦距范围之内，再控制第二中空旋转平台(1b31)驱动侧刃图像集成化采集模块(1b2)对准待测刀刃，并根据视场环境调节第三环形LED可调光源(1b23)入射方向与明亮程度，同时调整焦距与光圈，使呈现清晰的刀具侧刃损伤图像，进而发出快门指令控制第三自动变焦摄像头模组(1b22)拍下第一张刀具侧刃图像，接着控制第二中空旋转平台(1b31)转动指定角度，采集下一个刀具侧刃损伤图像，直至待测刀具(5)所有侧刃图像采集完成，最后控制第二中空旋转平台(1b31)、第二电动推杆(1b35)、双镜头检测系统直线导轨滑台(1b33)依次复位。

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