CN205497128U - 基于ccd的刀具参数测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于CCD的刀具参数测量装置，包括采集箱、CCD工业相机、工控机和显示器，CCD工业相机、工控机和显示器依次连接；采集箱的底座上设置有相机横向移动机构，相机横向移动机构上设置有相机纵向移动机构，CCD工业相机安装在相机纵向移动机构上。所述采集箱内还设置有LED光源板。该装置采用在机床上直接测刀具参数，省去拆卸刀具，提高了精度和效率，节省人力物力；基于CCD的数字图像进行非接触测量，更适合现代自动化加工，解放人力；实行静态测量刀具参数，相比旋转下需要自动聚焦的相机，降低成本；本套装置可测量刀具悬长、半径、圆角、形位公差等参数，使用具有广泛性。

Description

基于CCD的刀具参数测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种在机床上直接精确获得刀具的悬长、半径、圆角、形位公差等几何参数的测量装置，属于刀具几何参数测量技术领域。

背景技术

刀具作为数控机床用于加工精密零件的专业工具，其自身精度的高低直接决定着其加工的精密零件的精度。目前的刀具测量方法有一定局限性，第一，人工测量刀具参数不适用于目前批量生产、自动化程度高的数控加工中心加工。人工检测效率低、精度低；刀具表面及所加工的特征要求精度高，表面光洁度要求也高，传统方法需要将测量工具与刀具表面接触，对刀具特征表面会有一定损伤，从而影响刀具自身精度；第二，目前提出的测量装置不适用于实际生产工况。目前提出的测量装置大多是将刀具直接放置在工业相机下。为保证主轴系统能够安全可靠地运转，主轴—刀柄—刀具结合面需要具有高几何精度、高重复装卡精度及高刚度等特性，结合面对高速主轴系统动力学特性有着重要的影响；并且考虑到工厂实际生产工况，刀具储存在刀库，主轴-刀具-刀柄结合面已定位，按照已提出的测量方案，需要刀具先从刀库卸刀，然后再从刀柄卸下，每次安装就要两次重新定位，效率降低，而且对获得刀具参数的精度有直接影响。

发明内容

本实用新型针对现有刀具测量技术存在的不足，提供一种测量精度高、效率高的基于CCD的刀具参数测量装置。

本实用新型的基于CCD的刀具参数测量装置，采用以下技术方案：

该装置，包括采集箱、CCD工业相机、工控机和显示器，CCD工业相机、工控机和显示器依次连接；采集箱的底座上设置有相机横向移动机构，相机横向移动机构上设置有相机纵向移动机构，CCD工业相机安装在相机纵向移动机构上。

所述采集箱内还设置有LED光源板，LED光源板用于照明补光，使CCD工业相机采集的数字图像背景和目标界限明显，便于图像处理。

所述采集箱是在底座上设置箱体而成，箱体包括前后左右四个侧箱门和一个顶箱门。

所述相机横向移动机构，包括横向导轨、横向滑块及横向滑块移动机构，横向滑块和横向滑块移动机构均设置在横向导轨上，横向滑块与横向滑块移动机构连接。横向导轨上设置有锁定横向滑块位置的横向锁紧螺钉。横向滑块移动机构采用丝杠螺母副，横向导轨上还设置有用于观察横向滑块位置的横向标尺。

所述相机纵向移动机构，包括纵向导轨、纵向滑块和纵向滑块移动机构，纵向导轨设置在横向滑块上，纵向滑块和纵向滑块移动机构均设置在纵向导轨上，纵向滑块与纵向滑块移动机构连接。纵向滑块移动机构也采用丝杠螺母副。纵向导轨上设置有锁定纵向滑块位置的纵向锁紧螺钉，纵向导轨上还设置有用于观察纵向滑块位置的纵向标尺。

上述基于CCD的刀具参数测量装置的测量过程如下所述：

(1)将整个装置安装在机床工作台上，使整个装置随机床X轴向和Y轴向运动，打开机床主轴上刀具正对的采集箱的箱门(对于立式机床，打开采集箱的上箱门；对于卧式机床，打开采集箱的前箱门)；

(2)接通电源，将CCD相机与工控机和显示器连接，打开LED光源板开关；

(3)调节数控机床，抬起刀具，然后调节机床X轴工作台和机床Y轴溜板，使整个装置运行至刀具下方，完成粗调；调节数控机床，使刀具下降，显示器上显示出所测刀具的完整图像；

(4)通过相机纵向移动机构使CCD工业相机上下运动，通过相机横向移动机构使CCD工业相机前后运动，使显示器上显示出刀具完整清晰的图像，完成精调；

(5)调节完毕后采集图像，采集过程中，机床主轴不旋转，静态采集；主轴每转动一定角度采集一次图像，完成刀具圆周形貌的采集并保存在工控机中；

(6)工控机对采集的灰度图像进行数据处理。

本实用新型采用在机床上直接测刀具参数，省去拆卸刀具，提高了精度和效率，节省人力物力；基于CCD的数字图像进行非接触测量，更适合现代自动化加工，解放人力；实行静态测量刀具参数，相比旋转下需要自动聚焦的相机，降低成本；本套装置可测量刀具悬长、半径、圆角、形位公差等参数，使用具有广泛性。

附图说明

图1是本实用新型的基于CCD的刀具参数测量装置的内部结构示意图。

图2是本实用新型的基于CCD的刀具参数测量装置安装在机床上的示意图。

图中：1.箱体，2.横向锁紧螺钉，3.纵向丝杠调节旋钮，4.纵向导轨，5.纵向滑块，6.横向丝杠调节旋钮，7.CCD工业相机，8.LED光源板，9.横向滑块，10.纵向标尺，11.横向导轨，12.纵向锁紧螺钉，13.横向标尺，14.底座，15.刀具,16.机床X轴工作台，17.机床Y轴溜板，18.采集箱。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的基于CCD的刀具参数测量装置，包括采集箱18、CCD工业相机7、工控机(图中未显示)和显示器(图中未显示)，CCD工业相机7、工控机和显示器依次连接。采集箱18是在其底座14上设置箱体1而成，箱体1包括前后左右四个侧箱门和一个顶箱门(图1中省去顶箱门和一个侧箱门)，各箱门都是活动的，可打开。采集箱18的底座14上设置有相机横向移动机构，相机横向移动机构上设置有相机纵向移动机构，CCD工业相机7安装在相机纵向移动机构上。采集箱18内还设置有LED光源板8，LED光源板8用于照明补光，使CCD工业相机7采集的数字图像背景和目标界限明显，便于图像处理。

相机横向移动机构，包括横向导轨11、横向滑块9及横向滑块移动机构。横向滑块9和横向滑块移动机构均设置在横向导轨11上，横向滑块9与横向滑块移动机构连接，横向滑块移动机构采用丝杠螺母副，横向丝杠与横向滑块9螺纹连接，横向丝杠的一端设置有横向丝杠调节旋钮6，以方便转动横向丝杠。横向导轨11上设置有锁定横向滑块9位置的横向锁紧螺钉2。横向导轨11上还设置有用于观察横向滑块9位置的横向标尺13。

相机纵向移动机构包括纵向导轨4、纵向滑块5和纵向滑块移动机构，纵向导轨4设置在横向滑块9上，纵向滑块5和纵向滑块移动机构均设置在纵向导轨4上，纵向滑块5与纵向滑块移动机构连接。纵向滑块移动机构也采用丝杠螺母副，纵向丝杠与纵向滑块5螺纹连接，纵向丝杠的上端设置有纵向丝杠调节旋钮3，以方便转动纵向丝杠。纵向导轨4上设置有锁定纵向滑块5位置的纵向锁紧螺钉12，纵向导轨4上还设置有用于观察纵向滑块5位置的纵向标尺10。

CCD工业相机7固定在纵向滑块5上。与移动机构万向臂相比，CCD工业相机7采用刚性更好的导轨式移动机构。CCD工业相机7可在横向导轨11上前后运动，并可沿纵向导轨4上下运动，移动位置由横向导轨11和纵向导轨4上的标尺观察，以便为下次调节作参考。

如图2所示，将采集箱18安装在机床上，对于立式机床，采集箱18的横向导轨11的方向与机床Y轴导轨的方向一致。可根据具体实际情况，合理放置采集箱18的位置。考虑到机床主轴的可移动性，选择采集箱18可随机床X轴向和Y轴向运动，机床主轴由机床自身程序控制保持Z轴上下运动和转动。测量刀具参数时，对于立式机床，打开采集箱18的上箱门；对于卧式机床，打开采集箱18的前箱门。刀具参数测量的具体过程如下所述：

1.接通电源，将CCD相机7与工控机和显示器连接，打开LED光源板8开关，进行照明补光，使CCD相机7采集的数字图像目标边缘更易检测，便于图像预处理。

2.调节数控机床，抬起刀具15，然后调节机床X轴工作台16和机床Y轴溜板17，使采集箱18运行至刀具15下方合适位置，完成粗调；调节数控机床，使刀具15下降至合适位置，使显示器显示所测刀具15部位的完整图像；

3.转动纵向丝杠调节旋钮3使CCD工业相机7上下运动，旋紧纵向锁紧螺钉12锁定纵向导轨4位置；转动横向丝杠调节旋钮6使CCD工业相机7前后运动，旋紧横向锁紧螺钉2固定横向导轨11，使显示出刀具15完整清晰的图像，完成精调；

4.调节完毕后采集图像，采集过程中，机床主轴不旋转，静态采集；主轴每转动一个角度采集一次图像，完成刀具圆周形貌的采集并保存在指定位置；

5.对采集的灰度图像进行数据处理：

①将灰度图像先进行最大类内类间方差比法图像分割，对边缘进行粗提取；

最大类内类间方差比法：记t为前景与背景的分割阈值，前景点数占图像比例为w₀，平均灰度为u₀；背景点数占图像比例为w₁，平均灰度为u₁。则图像的总平均灰度为：

u＝w₀*u₀+w₁*u₁，

前景和背景图象的方差：

σ²＝w₀*(u₀-u)²+w₁*(u₁-u)²＝w₀*w₁*(u₀-u₁)²，

求得σ²的最大值即可得到阈值。

②高斯滤波，把二维高斯函数与灰度图像进行卷积，

F(x,y)＝G(x,y)*f(x,y),以消除噪声，其中σ代表的是高斯滤波器的参数，其值大小决定滤波器的平滑程度；f(x，y)为图像中(x,y)点的灰度值，F(x，y)为图像经高斯滤波后的灰度值。

③在canny算子的梯度方向进行非极大值抑制，其中canny卷积算子为：

$S_x=\left[\begin{array}{cc}-1& 1\\ -1& 1\end{array}\right],S_y=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -1& -1\end{array}\right],$

④最大熵法canny算子边缘检测，进行精提取图像边缘；设灰度图像的尺寸为M×N,灰度变化范围为G＝{0,1,...,L-1}，取阈值分割的门限值t，将二维直方图分为T、B两个区域，则两区域的概率分布分别为：

$T:\frac{P_0}{P_T},\mathrm{...},\frac{P_t}{P_T},$

$B:\frac{P_{t+1}}{1-P_T},\mathrm{...},\frac{P_{L-1}}{1-P_T},$

其中概率分布T概率为

则两个概率分布的熵为：

$H\left(T\right)=-{\Σ}_{i=0}^t{P}_i{P}_n{\mathrm{lnP}}_i{P}_n,$

$H\left(B\right)=-{\Σ}_{i=t+1}^{L-1}{P}_i(1-P_{n)}{\mathrm{lnP}}_i(1-P_{n)},$

定义函数为H(T)和H(B)的和，则：

Arg表示对求反函数。

⑤hough变换检测悬长和半径；

p＝x*cos(θ)+y*sin(θ)，

其中θ为空间直线过原点的垂线与x轴正方向的夹角，p为原点到z的距离，参数空间就变为p-θ空间，平面上点(x,y)对应到p-θ平面曲线上；测得高度即为悬长，长度即为直径。

⑥令{(x_i，y_i)i＝1,2,3…,n}为图像中欲确定圆周上的点的集合，而(x,y)为集合中的一点，在参数坐标系(a,b,R)中的方程为：

(x-a)²+(y-b)²＝R²，

利用hough变换检测圆获得圆角大小，并用最小二乘法将圆角进行拟合。

⑦将采集的刀具圆周方向的形貌图与理论刀具图像进行比对，则可得到相关尺寸的实际公差值。

本实用新型采用非接触式测量方式，通过由CCD相机、镜头等组成的光学系统，在不与刀具被测表面接触的情况下，快速拍摄刀具圆周表面不同位置上的形貌特征图像，所拍摄图像被实时传送到工控机，再通过机器视觉和图像处理技术，从而得到所测量刀具的悬长、半径、圆角、形位公差等几何参数，实现智能测刀，节省人力物力，提高了加工效率。整个测量过程按照测量程序自动完成，无须人工干预，结构简单，易操作、易掌握。

Claims (9)

1.一种基于CCD的刀具参数测量装置，包括采集箱、CCD工业相机、工控机和显示器，其特征是：CCD工业相机、工控机和显示器依次连接；采集箱的底座上设置有相机横向移动机构，相机横向移动机构上设置有相机纵向移动机构，CCD工业相机安装在相机纵向移动机构上。

2.根据权利要求1所述的基于CCD的刀具参数测量装置，其特征是：所述采集箱内还设置有LED光源板。

3.根据权利要求1所述的基于CCD的刀具参数测量装置，其特征是：所述采集箱是在底座上设置箱体而成，箱体包括前后左右四个侧箱门和一个顶箱门。

4.根据权利要求1所述的基于CCD的刀具参数测量装置，其特征是：所述相机横向移动机构，包括横向导轨、横向滑块及横向滑块移动机构，横向滑块和横向滑块移动机构均设置在横向导轨上，横向滑块与横向滑块移动机构连接。

5.根据权利要求4所述的基于CCD的刀具参数测量装置，其特征是：横向导轨上设置有锁定横向滑块位置的横向锁紧螺钉。

6.根据权利要求4所述的基于CCD的刀具参数测量装置，其特征是：横向导轨上还设置有用于观察横向滑块位置的横向标尺。

7.根据权利要求1所述的基于CCD的刀具参数测量装置，其特征是：所述相机纵向移动机构，包括纵向导轨、纵向滑块和纵向滑块移动机构，纵向导轨设置在横向滑块上，纵向滑块和纵向滑块移动机构均设置在纵向导轨上，纵向滑块与纵向滑块移动机构连接。

8.根据权利要求7所述的基于CCD的刀具参数测量装置，其特征是：纵向导轨上设置有锁定纵向滑块位置的纵向锁紧螺钉。

9.根据权利要求7所述的基于CCD的刀具参数测量装置，其特征是：纵向导轨上还设置有用于观察纵向滑块位置的纵向标尺。