CN210849447U - 单视觉在线检测刀具磨削系统 - Google Patents

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本实用新型公开了一种单视觉在线检测刀具磨削系统,包括刀具平台和磨具平台。刀具平台上安装刀具进给驱动装置,刀具进给驱动装置上安装刀具旋转驱动装置,刀具旋转驱动装置出力轴上安装待磨刀具。待磨刀具上下方分别设有视觉传感器、底光源。磨具平台上安装磨头往复平移驱动装置,磨头往复平移驱动装置上安装磨头旋转驱动装置,磨头旋转驱动装置出力轴上安装磨头,磨头上刚性安装砂轮。待磨刀刃与磨头相向,待磨刀具可朝磨头做进给运动。磨头往复平移驱动装置带动磨头做往复平移运动。磨具平台上、与待磨刀刃相对应的位置上安装平移位置检测传感器。本实用新型基于单视觉在线检测刀刃外轮廓反映的磨削情况,对待磨刀具实现了自动磨削控制。

Description

单视觉在线检测刀具磨削系统
技术领域
本实用新型涉及一种基于单视觉在线检测实现的刀具磨削系统,属于刀具磨削技术领域。
背景技术
目前,传统的磨刀机床大多通过人眼观测摄像头在线捕获并反馈的刀具磨削情况,手动控制机床上的多个运动轴(如进给轴等)来配合磨头对刀具进行磨削作业。从实际使用中可以看出,虽然刀具磨削量采用了视觉检测的方式,但是对刀具的实际磨削控制还是停留在操作人员手动控制的水平。这种手动控制方式极大依赖操作人员的工作经验,操作过程复杂,磨削效率低,刀具磨削质量无保障,无法满足高质量磨削效果的要求,且对操作人员存在安全隐患。由此可见,设计出一种基于在线视觉检测反馈的刀具磨削情况,可对刀具实现高精度自动磨削的技术方案,是目前急需解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种单视觉在线检测刀具磨削系统,该刀具磨削系统基于单视觉在线检测刀刃外轮廓反映的磨削情况,对待磨刀具实现了自动磨削控制。
为了实现上述目的,本实用新型采用了以下技术方案:
一种单视觉在线检测刀具磨削系统,其特征在于:它包括刀具平台和磨具平台,其中:刀具平台上安装有刀具进给驱动装置,刀具进给驱动装置上安装有刀具旋转驱动装置,刀具旋转驱动装置的出力轴上安装有待磨刀具,刀具旋转驱动装置带动待磨刀具转动;待磨刀具的上方、下方分别设有视觉传感器、底光源;磨具平台上安装有磨头往复平移驱动装置,磨头往复平移驱动装置上安装有磨头旋转驱动装置,磨头旋转驱动装置的出力轴上安装有磨头,磨头上刚性安装有砂轮,磨头旋转驱动装置带动磨头旋转;待磨刀具上的待磨刀刃与磨头相向,且待磨刀具通过刀具进给驱动装置可朝磨头做接近与远离的直线进给运动;磨头往复平移驱动装置带动磨头旋转驱动装置和磨头一起沿与待磨刀具的进给运动方向垂直的方向做往复直线平移运动,磨具平台上、与待磨刀具上的待磨刀刃相对应的位置上安装有检测磨头平移位置来确定进退刀时刻的平移位置检测传感器;刀具进给驱动装置、刀具旋转驱动装置、磨头往复平移驱动装置、磨头旋转驱动装置、平移位置检测传感器和底光源均通过运动控制卡与计算机连接,视觉传感器与计算机连接。
本实用新型的优点是:
本实用新型基于单视觉在线检测刀刃外轮廓反映的磨削情况,对待磨刀具实现自动磨削控制,操作便捷、安全,不依赖操作人员的工作经验,磨削效率高,刀具磨削质量有保障,可很好地满足高质量磨削效果的要求。
附图说明
图1是本实用新型单视觉在线检测刀具磨削系统的组成框图。
图2是本实用新型单视觉在线检测刀具磨削系统的结构立体图。
具体实施方式
如图1和图2所示,本实用新型单视觉在线检测刀具磨削系统包括刀具平台10和磨具平台20,其中:刀具平台10上安装有刀具进给驱动装置12,刀具进给驱动装置12上安装有刀具旋转驱动装置11,刀具旋转驱动装置11的出力轴上安装有待磨刀具30,刀具旋转驱动装置11带动待磨刀具30转动(如图 2中Vd所示方向步进转动);待磨刀具30的上方、下方分别设有视觉传感器 50、底光源60,底光源60用于向上照射待磨刀具30上的待磨刀刃,来使视觉传感器50捕获到待磨刀刃的实际外轮廓;磨具平台20上安装有磨头往复平移驱动装置22,磨头往复平移驱动装置22上安装有磨头旋转驱动装置21,磨头旋转驱动装置21的出力轴上安装有磨头40,磨头40上刚性安装有砂轮,磨头旋转驱动装置21带动磨头40旋转(如图2中Vm所示方向);刀具旋转驱动装置11上的待磨刀具30上的待磨刀刃与磨头旋转驱动装置21上的磨头40相向设置,且待磨刀具30通过刀具进给驱动装置12可朝磨头40做接近与远离的直线进给运动;磨头往复平移驱动装置22带动磨头旋转驱动装置21和磨头 40一起沿与待磨刀具30的进给运动方向垂直的方向做小距离、慢速(如一分钟往复平移30次)的往复直线平移运动,磨具平台20上、与待磨刀具30上的待磨刀刃相对应的位置上安装有检测磨头40平移位置来确定进退刀时刻(进退刀时刻是指借由待磨刀具的进给与反进给动作,使待磨刀刃刃口移动接近与远离磨头40砂轮的时刻)的平移位置检测传感器23;刀具进给驱动装置12、刀具旋转驱动装置11、磨头往复平移驱动装置22、磨头旋转驱动装置21、平移位置检测传感器23和底光源60的信号端口分别通过运动控制卡70与计算机80上的相应信号端口电性连接,视觉传感器50的信号端口分别与计算机80 上的相应信号端口电性连接。
在本实用新型中,如图2所示,待磨刀具30朝磨头40做接近与远离的直线进给运动的方向定义为Y方向,与Y方向垂直且处于同一水平面内的方向定义为X方向,磨头往复平移驱动装置22带动磨头旋转驱动装置21和磨头 40一起所做的往复直线平移运动的方向即为X方向,垂直于X、Y方向所在水平面的上下方向定义为Z方向。
在实际实施中,待磨刀具30在朝磨头40做接近与远离的进给运动方向,即Y方向上具有4个位置,待磨刀具30在刀具进给驱动装置12的带动下可在这4个位置上自由切换:
此4个位置从距离磨头40由远到近依次为初始位置(如图1示意性示出的A点位置)、对待磨刀具30上的所有刀刃磨削完成后更换刀具的换刀位置 (如图1示意性示出的B点位置)、通过视觉传感器50进行在线视觉检测的检测位置(如图1示意性示出的C点位置)以及通过砂轮对待磨刀具30上的待磨刀刃进行磨削的磨削位置(如图1示意性示出的D点位置)。
如图2,在实际设计中,视觉传感器50位于处于检测位置的待磨刀具30 上的待磨刀刃的正上方,底光源60位于处于检测位置的待磨刀具30上的待磨刀刃的正下方,其中:待磨刀刃为处于待磨刀具30最外侧边的一个刀刃,如图2中标号100所指。
在本实用新型中,待磨刀具30为本领域常见的外轮廓呈圆形的刀具,刀具的外圆周上排布有一圈刀刃,刀刃的刃口为直线刃口。
在实际设计中,平移位置检测传感器23安装在磨具平台20上,位于磨头旋转驱动装置21下方,平移位置检测传感器23垂直于待磨刀刃刃口所在平面,确切地说,处于待磨刀刃刃口法线上。当然,平移位置检测传感器23的安装位置不受局限,其只要能够检测磨头40相对于待磨刀刃平移的位置即可。
在实际设计中,磨头旋转驱动装置21旁可安装有检测并限制磨头40平移位置的限位开关92。待磨刀具30具有的4个位置上可分别安装有限位开关92,此限位开关92用于检测待磨刀具30是否移动切换到位。
在本实用新型中,限位开关92的设计可很好地防止碰撞发生,确保了设备、操作的安全。
如图1,运动控制卡70还可与手控盒93电性连接。手控盒93为本领域的熟知技术,故不在这里详述。
本实用新型可设计有自动控制模式和手动控制模式。在手动控制模式下,操作人员可使用手控盒93进行对刀操作,以及在必要时刻手动控制各装置的运动。在自动控制模式下,计算机80对各装置的运动进行自动控制。
在实际设计中,视觉传感器50安装在支架51上且可在支架51上沿待磨刀具30的进给运动方向(Y方向)、垂直于进给运动方向且处于同一水平面内的方向(X方向)以及上下方向(Z方向)进行位置调整。
在实际设计中,底光源60可沿待磨刀具30的进给运动方向(Y方向)、垂直于进给运动方向且处于同一水平面内的方向(X方向)以及上下方向(Z 方向)进行位置调整。
在实际设计中,刀具进给驱动装置12除了可在进给运动方向(Y方向) 上做进给运动外,还可在刀具平台10上沿垂直于待磨刀具30的进给运动方向且处于同一水平面内的方向(X方向)进行位置调整。当然,刀具进给驱动装置12也可设计为固定在刀具平台10上,借由刀具平台10沿Y方向的运动而实现进给运动,借由刀具平台10沿X方向的运动而实现位置调整。
在实际设计中,磨头往复平移驱动装置22可沿待磨刀具30的进给运动方向(Y方向)进行位置调整。当然,磨头往复平移驱动装置22也可设计为固定在磨具平台20上,借由磨具平台20沿Y方向的运动而实现位置调整。
在实际设计中,同样地,针对视觉传感器50的位置调节、底光源60的位置调节、刀具进给驱动装置12的位置调节、磨头往复平移驱动装置22的位置调节可在适合位置上安装限位开关。
本实用新型单视觉在线检测刀具磨削系统设置于机床上。刀具平台10、磨具平台20上还可设置有指示灯91和发声装置(图中未示出),指示灯91、发声装置与运动控制卡70电性连接,指示灯91和发声装置用于指示各装置的运行状态,方便一个工人同时看管多台机床。
在本实用新型中,刀具进给驱动装置12、刀具旋转驱动装置11、磨头往复平移驱动装置22、磨头旋转驱动装置21均包括电机和电机驱动器,电机可为步进电机、伺服电机或直线电机等相应执行器件。
另外,磨头往复平移驱动装置22上可设有转轴,磨头旋转驱动装置21可转动地安装在转轴上,且转轴与角度定位器24连接,如图2所示,这样,通过手动操作角度定位器24,可沿U方向调整磨头旋转驱动装置21的倾仰角,以便于磨头40更好地对刀刃进行磨削。
在本实用新型中,磨头40、视觉传感器50等为本领域的已有设备,底光源60可选用LED单光源。
在本实用新型中,运动控制卡70为已有器件,如运动控制卡70采用PLC 控制器。
在本实用新型中,计算机80主要用于通过运动控制卡70采集各装置、器件的运行信息、采集信息等,并对信息进行分析、判断,进而通过运动控制卡 70控制各装置、器件的运行等。
本实用新型单视觉在线检测刀具磨削系统实现的磨削方法包括如下步骤:
1)通过控制刀具进给驱动装置12,令待磨刀具30沿进给运动方向(Y方向)移动至检测位置;
2)视觉传感器50捕获待磨刀具30上的待磨刀刃的实际外轮廓图像并反馈给计算机80;
3)计算机80通过对比待磨刀刃的实际外轮廓与目标外轮廓之间的差异,计算得到磨削量(磨削量是指待磨刀刃通过磨头40磨削掉的厚度),并根据磨削量大小给出磨削控制策略;
4)通过控制刀具进给驱动装置12,令待磨刀具30沿进给运动方向(Y方向)移动至磨削位置;
5)刀具进给驱动装置12根据磨削控制策略确定进给量(进给量是指待磨刀具30朝磨头40移动的距离);
6)通过平移位置检测传感器23检测磨头40的平移位置来确定进退刀时刻;
7)在进退刀时刻,刀具进给驱动装置12带动待磨刀具30按确定的进给量完成进给动作,于是待磨刀刃移近至磨头40砂轮位置,即完成进刀,磨头 40开始对待磨刀刃的刃口进行磨削,即磨头往复平移驱动装置22带动旋转的磨头40在待磨刀刃的直线刃口上往复平移摩擦;
8)当一个磨削周期到达后,在进退刀时刻,刀具进给驱动装置12带动待磨刀具30朝与进给方向相反的方向动作,使待磨刀刃离开磨头40上的砂轮,即完成退刀;
9)执行1)、2),然后判断待磨刀刃的实际外轮廓是否达到目标外轮廓:若待磨刀刃的实际外轮廓没有达到目标外轮廓,则转至3);反之,若待磨刀刃的实际外轮廓达到目标外轮廓,则通过刀具旋转驱动装置11,令下一个刀刃转动(步进转动)至待磨刀具30的最外侧边作为待磨刀刃并转至1),直至待磨刀具30上的所有刀刃都磨削完成后进入10);
10)通过控制刀具进给驱动装置12,令待磨刀具30沿进给运动方向(Y 方向)退至换刀位置,等待操作人员更换刀具来对下一个待磨刀具进行磨削作业。
在实际实施时,在步骤1)之前还包括令刀具进给驱动装置12带动待磨刀具30自动复位返回至初始位置(即复位找初始位置),然后操作人员通过手控盒93进行对刀操作来确定磨削位置(即确定磨削位置),其中:对刀操作包括步骤:
通过手控盒93控制刀具进给驱动装置12上的待磨刀具30沿进给运动方向(Y方向)朝磨头旋转驱动装置21上的磨头40做直线移动,直至磨头40 上的砂轮与待磨刀具30上的待磨刀刃接触时停止,此处的接触是指砂轮与刀刃仅为表面与表面的接触,砂轮还不能对刀刃进行磨削作业;
于是,待磨刀具30此时所处位置设定为磨削位置,对刀结束。
在实际实施中,对于待磨刀具30的换刀位置和检测位置,应事先在进给运动方向上确定好,对于同一种刀具,只需在开机磨削前进行一次复位找初始位置和确定磨削位置即可。
另外,手控盒93上可设计有高速、中速和低速三挡移动速度,并且操作人员可在三挡之间适时调节。例如,在待磨刀具30与磨头40即将接近时,可调到低速档位来微距移动待磨刀具30,而在待磨刀具30处于初始位置时,可调到高速档位来快速移动待磨刀具30。
另外,在复位找初始位置和确定磨削位置以及执行步骤1)之前,应根据待磨刀具30的材质等因素来选择磨削使用的砂轮型号。然后将待磨刀具30的材质和尺寸、待磨刀刃的数量等信息输入计算机80。调整刀具进给驱动装置 12在刀具平台10上的位置以及调整磨头往复平移驱动装置22在磨具平台20 上的位置,使得刀具旋转驱动装置11上的待磨刀具30上的待磨刀刃与磨头旋转驱动装置21上的磨头40相向,以及调整视觉传感器50和底光源60来令两者分别位于检测位置(即待磨刀刃)的上、下方。
在实际中,使用本实用新型单视觉在线检测刀具磨削系统时便开启底光源 60,以及开启磨头旋转驱动装置21和磨头往复平移驱动装置22,它们在磨削的整个过程中始终处于工作状态。
在步骤3)中,较佳的方案是,计算机80在通过对比待磨刀刃的实际外轮廓与目标外轮廓之间的差异计算得到磨削量后,基于计算出的磨削量以及此时砂轮的磨损量(磨损量是指砂轮因对刀刃进行磨削而被磨掉的厚度)来给出磨削控制策略,其中:砂轮的磨损量可以根据砂轮的型号(涉及砂轮材质、尺寸等)、磨削时间等,基于具有此型号的砂轮对具有此材质的刀具的磨损量与磨削时间关系曲线而得到,此曲线的统计绘制为本领域技术人员应掌握的熟知技术。这样做的有益效果在于,随着砂轮的磨损消耗,可对进给量进行合理的动态补偿,更大程度上提升了磨削的精度,提高了磨削的效率。
当对待磨刀具30上的所有刀刃进行完磨削后且在执行步骤10)之前还可包括如下步骤:
通过控制刀具进给驱动装置12,令完成磨削的待磨刀具30沿进给运动方向(Y方向)移动至检测位置;
视觉传感器50捕获待磨刀具30上的各个刀刃的实际外轮廓图像并反馈给计算机80;
计算机80生成视觉检测报告,并根据具有此型号的砂轮磨削具有此材质的刀具所花费的时间以及在各时刻刀具的磨削量,重新给出最优的磨削控制策略并存储,以便下次针对具有此型号的砂轮磨削具有此材质的刀具时调出使用,从而实现最优磨削加工,提高加工效率。
在实际实施中,磨削控制策略为粗度磨削控制策略、中度磨削控制策略和精度磨削控制策略中的至少一种磨削控制策略,其中:
粗度磨削控制策略要在中度磨削控制策略和精度磨削控制策略之前执行,中度磨削控制策略要在精度磨削控制策略之前执行;
粗、中、精度磨削控制策略的区别在于进给量的不同:粗度磨削控制策略的进给量大于中度磨削控制策略的进给量,中度磨削控制策略的进给量大于精度磨削控制策略的进给量。
另外在实际实施时,上述采用刀刃的磨削量及砂轮的磨损量来给出磨削控制策略中的进给量会比单采用刀刃的磨削量来给出磨削控制策略中的进给量要大。
本实用新型的优点是:
本实用新型基于单视觉在线检测刀刃外轮廓反映的磨削情况,对待磨刀具实现自动磨削控制,操作便捷、安全,不依赖操作人员的工作经验,磨削效率高,刀具磨削质量有保障,可很好地满足高质量磨削效果的要求。
以上所述是本实用新型较佳实施例及其所运用的技术原理,对于本领域的技术人员来说,在不背离本实用新型的精神和范围的情况下,任何基于本实用新型技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变,均属于本实用新型保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单视觉在线检测刀具磨削系统,其特征在于:它包括刀具平台和磨具平台,其中:刀具平台上安装有刀具进给驱动装置,刀具进给驱动装置上安装有刀具旋转驱动装置,刀具旋转驱动装置的出力轴上安装有待磨刀具,刀具旋转驱动装置带动待磨刀具转动;待磨刀具的上方、下方分别设有视觉传感器、底光源;磨具平台上安装有磨头往复平移驱动装置,磨头往复平移驱动装置上安装有磨头旋转驱动装置,磨头旋转驱动装置的出力轴上安装有磨头,磨头上刚性安装有砂轮,磨头旋转驱动装置带动磨头旋转;待磨刀具上的待磨刀刃与磨头相向,且待磨刀具通过刀具进给驱动装置可朝磨头做接近与远离的直线进给运动;磨头往复平移驱动装置带动磨头旋转驱动装置和磨头一起沿与待磨刀具的进给运动方向垂直的方向做往复直线平移运动,磨具平台上、与待磨刀具上的待磨刀刃相对应的位置上安装有检测磨头平移位置来确定进退刀时刻的平移位置检测传感器;刀具进给驱动装置、刀具旋转驱动装置、磨头往复平移驱动装置、磨头旋转驱动装置、平移位置检测传感器和底光源均通过运动控制卡与计算机连接,视觉传感器与计算机连接。
2.如权利要求1所述的单视觉在线检测刀具磨削系统,其特征在于:
所述待磨刀具在朝所述磨头做接近与远离的进给运动方向上具有4个位置:
此4个位置从距离所述磨头由远到近依次为初始位置、对待磨刀具上的所有刀刃磨削完成后更换刀具的换刀位置、通过所述视觉传感器进行在线视觉检测的检测位置以及通过所述砂轮对待磨刀具上的待磨刀刃进行磨削的磨削位置。
3.如权利要求2所述的单视觉在线检测刀具磨削系统,其特征在于:
所述视觉传感器位于处于检测位置的待磨刀具上的待磨刀刃的正上方,所述底光源位于处于检测位置的待磨刀具上的待磨刀刃的正下方,其中:待磨刀刃为处于待磨刀具最外侧边的一个刀刃。
4.如权利要求1所述的单视觉在线检测刀具磨削系统,其特征在于:
所述磨头往复平移驱动装置上设有转轴,所述磨头旋转驱动装置转动地安装在转轴上,转轴与角度定位器连接。
5.如权利要求1至4中任一项所述的单视觉在线检测刀具磨削系统,其特征在于:
所述运动控制卡与手控盒连接。
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Address after: 100191 B3, Haidian District, Beijing, Huayuan Road

Patentee after: Beijing Electric Processing Research Institute Co.,Ltd.

Patentee after: BEIJING DIMENG CARTER MACHINE TOOL Co.,Ltd.

Address before: 100191 B3, Haidian District, Beijing, Huayuan Road

Patentee before: BEIJING INSTITUTE OF ELECTRO-MACHINING

Patentee before: BEIJING DIMENG CARTER MACHINE TOOL Co.,Ltd.