CN212824267U - 一种机加工过程中断刀自动检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机加工过程中断刀的自动检测装置，包括控制模块、图像处理模块和报警模块，利用控制模块进行中枢调控，利用电控挡板保护摄像头和LED光源，利用LED光源补充光源，利用多个摄像头对刀库中的刀具进行实时监控，利用去雾原理对摄像头拍摄的图像进行去雾，在对图像进行预处理之后，计算数控机床一次出刀完成前后两个系列图像的相似度对比值，判断是否断刀，并通过报警模块进行报警，实现了机加工过程中对刀具断刀的自动检测，检测结果准确率高。

Description

一种机加工过程中断刀自动检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种机加工过程中断刀自动检测装置。

背景技术

现阶段，对于有腔体的大型数控机床在进行零件加工时，判断刀具是否断刀，均采用人工间接检测。质检部门按照工厂规定的时间间隔对加工完的零件进行抽样送检，以零件是否合格来判断加工刀具是否发生了断刀。由于质检部门采取抽样检测，如果发生断刀，将导致该时间间隔内生产的所有零件不合格，造成财产损失。如果质检人员检测失误，那么将导致更大规模不合格零件的产出，造成极大的资源浪费与财产损失。

现有的断刀自动检测技术，很大一部分采用激光和传感器进行检测，小部分采用电压电流微小波动进行检测。例如，汪建新等人提出的“一种断刀自动检测装置”(专利号：CN208428027U，2019.01.25)；李贻福等人提出的“一种CNC断刀检测装置”(专利号：CN208854294U2019.05.14)；黄虹宾等人提出的“一种数控机床的断刀检测台”(专利号：CN208880328U2019.05.21)；陈云法提出的“一种断刀检测装置”(专利号：CN208945748U，2019.06.07)；蒋益龙提出的“一种断刀检测装置”(专利号：CN209707404U，2019.11.29)。

最近，有一些采用了人工智能的方法，对数控机床的“刀库”进行实时摄像，按一定要求的间隔提取进行处理，比较前后帧的不同，判断是否断刀。例如，杨建中，宋仕杰等人提出的“一种基于视觉的断刀检测方法及系统”(专利号：CN109500657A，2019.03.22)。另外现今的大型数控机床内部均安装了清洗装置，在一个零件加工完成时，会利用内部安装的水龙头冲洗零件。这样导致数控机床内腔充满水气，在数控机床内部安装摄像头进行图像采集时，不仅摄像头沾满雾气，零件也满是雾气，导致图像处理结果差强人意，得出的判断结果准确率将降低。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：现有数控机床断刀自动检测装置复杂、可操作性差、商业化前景低；以及基于视觉检测的图像处理结果差，准确率低的问题。

为了解决上述问题，本实用新型的技术方案是提供了一种机加工过程中断刀的自动检测装置，其特征在于：包括用于采集刀具出刀前后状态信息的图像采集模块、对图像采集模块采集的信息进行处理的图像处理模块、用于报警的报警模块、控制模块，所述图像采集模块、图像处理模块和报警模块均与控制模块连接，所述图像采集模块设在腔体内部，将采集到的刀具状态信息发送给图像处理模块进行处理，所述图像处理模块将处理结果传递到控制模块，所述控制模块判断刀具是否发生断刀并控制报警模块发出相应的警示信号。

优选地，所述图像采集模块和被采集的刀具之间设有电控挡板，所述电控挡板打开或关闭用于缩小信息采集视野范围以及保护图像采集模块。

优选地，所述图像采集模块包括用于对刀具进行视频图像采集的摄像头和LED光源，所述LED光源设在摄像头旁边用于补充光源，所述电控挡板设在摄像头和LED光源、被采集的刀具之间。

优选地，所述电控挡板包括板一和板二，所述板一和板二通过电磁继电器控制开合状态，所述电磁继电器控制板一和板二分别以电控挡板的两侧边为转轴向刀具的方向旋转打开或关闭。

优选地，所述板一和腔体的侧壁之间通过板三连接、所述板二和腔体的侧壁之间通过板四连接，板一、板二、板三和板四之间形成用于容纳图像采集模块的空腔，所述板一和板三之间、板二和板四之间通过弹簧连接。

优选地，所述报警模块采用报警指示灯，如出现断刀，则报警指示灯闪烁，数控机床停止运行。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过在大型数控机床的腔体内部，利用STM32H7控制各器件的运行，利用电控挡板缩小摄像头视野、防止水滴附着以及保护摄像头和LED被侵蚀、损坏，利用多个摄像头对不同刀库中的刀具进行实时监控，利用LED对摄像头进行光源补充，利用去雾原理对摄像头采集的图像进行去雾，在对图像进行一系列前期处理之后，计算数控机床刀具工作前后两个系列图像的相似度对比值，判断是否断刀，并通过报警模块进行报警，实现了机加工过程中对刀具断刀的自动检测，检测结果准确率高。

附图说明

图1为本实用新型一种机加工过程中断刀的自动检测装置模块结构示意图；

图2为本实用新型一种机加工过程中断刀的自动检测装置安装示意图；

图3为电控挡板结构示意图；

图4为控制模块与图像处理模块的接线示意图；

图5为刀库出刀示意图；

图6为自动检测过程总体流程图；

附图标记说明：

1-腔体；2-刀库一；3-电控挡板一；4-摄像头一；5-LED光源一；6-刀库二；7-电控挡板二；8-摄像头二；9-LED光源二；10-电控挡板三；11-摄像头二；12-LED光源三；13-刀库三；14-零件加工台；15-报警指示灯；16-正常指示灯；17-控制模块与图像处理模块封装装置；101-板一；102-板二；103-电磁继电器；104-弹簧；105-板三；106-板四。

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，本实用新型一种机加工过程中断刀的自动检测装置，包括用于采集刀具出刀前后状态信息的图像采集模块、对图像采集模块采集的信息进行处理的图像处理模块、用于报警的报警模块、控制模块，图像采集模块、图像处理模块和报警模块均与控制模块连接。

图像处理模块用于将出刀前后的两组刀具状态视频的每一帧转化为图像信息、将所述图像去雾、去噪、转换为HSV色彩空间、计算图像的直方图并归一化到相同空间，先求出两组图像归一化后的直方图的平均值，然后利用相似度函数计算两个平均值之间的距离得到两个归一化直方图平均值的相似程度进而比较前后图像本身的相似程度，判断是否断刀，并将结果传递到控制模块。图像处理模块采用VS2019和opencv3.4.8进行封装处理。控制模块跟图像处理模块封装在一起，节约空间。控制模块只传递指令，并不在该模块进行具体的操作。

图像采集模块包括摄像头和LED光源，LED光源设在摄像头旁边用于补充光源，摄像头和LED光源、被采集的刀具之间设有电控挡板。电控挡板用于防止摄像头与LED光源被数控机床腔体内杂物损坏，以及在对零件清洗的时候避免水滴的附着；另一方面采用电控挡板，用于缩小摄像头的视野，使其拍摄的视频图像中刀具占更多的像素。

如图3所示，电控挡板采用电磁继电器作为开关进行控制，起到自动操作的目的，电控挡板在接收指令后，全程自动进行打开或关闭操作。电控挡板包括板一101(abPM)和板二102(cdNQ)，电磁继电器103安装在板一101的外表面，用K表示的器件为电磁继电器103的安装位置。电磁继电器103线圈采用动合型(A型接点)线圈，不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。电磁继电器103控制板一101和板二102分别以电控挡板的两侧边为转轴向刀具的方向旋转打开或关闭。板一101和腔体1的侧壁之间通过板三101连接、板二102和腔体1的侧壁之间通过板四106连接，板一101、板二102、板三105和板四106之间形成用于容纳图像采集模块的空腔，板一101和板三101之间、板二102和板四106之间通过弹簧104连接。板一101的旋转轴为ab，板二102的旋转轴为cd，弹簧104安装在板一101和板二102内侧，T和T’表示弹簧的原点位置，T端位于板三105上，T’端位于板四106上，J和J’表示弹簧104处于压缩状态时的安装位置，J₁和J’₁表示电控挡板被打开时弹簧104处于原状时的位置。当电磁继电器103线圈通电时，开关呈开启状态，此时板一101和板二102借助弹簧104的弹力被快速打开，板一101和板二102分别以ab和cd为旋转轴从重合线MP(NQ)分别向外侧开启，开启角度为90°时停止。当电磁继电器103线圈断电时，开关呈关闭状态，此时电控挡板被缓慢关闭，电控挡板再以ab(cd)为旋转轴沿着原方向闭合到重合线MP(NQ)，弹簧104被压缩。

报警模块采用指示灯，包括用于表示发生断刀的红色指示灯和用于表示刀具状态正常的绿色指示灯。如出现断刀，则绿色正常指示灯停止闪烁，红色报警指示灯开始闪烁，数控机床停止运行；如一切正常，绿色正常指示灯继续闪烁。

控制模块采用STM32H7，用于对各种信号进行处理，并按相应指令控制各器件的运行。在刀库出刀后即将开始工作时，控制模块发送指令给电控挡板、摄像头、LED光源，控制它们的开启；当视频采集结束后，发送指令关闭它们。当一次出刀结束将要回刀的时候，再一次开启它们；当视频采集结束后，再一次关闭它们。控制模块收到来自图像处理模块的指令后，如果是断刀，控制红色报警指示灯闪烁；如果是正常，绿色正常指示灯继续闪烁。

如图5所示，本实用新型涉及到的数控机床的刀库出刀时的场景。图中给出了两种类型的刀具。

如图2本实施例中采用三个电控挡板、三个摄像头、三个LED光源、一个控制模块、一个图像处理模块以及一个报警模块。如图4所示，控制模块起到中枢调控的作用，三个摄像头接到控制模块的同时也接到图像处理模块，图像处理模块接到控制模块，用来反馈摄像头拍摄的视频信息。三个电控挡板的开关、三个LED光源、两个指示灯均连接到控制模块。三个电控挡板分别为电控挡板一3、电控挡板二7、电控挡板三10，均安装在数控机床的腔体1内，分别用于保护三个摄像头与LED光源。三个摄像头分别为摄像头一4、摄像头二8、摄像头三11，分别一一对应安装在三个电控挡板内部，分别用于拍摄三个不同方向的刀库一2、刀库二6、刀库三13。三个LED光源(LED光源一5、LED光源二9、LED光源三12)分别一一对应安装三个电控挡板内部的摄像头旁边，当摄像头拍照时，进行光源补充。三个电控挡板均安装在腔体1内部的上表面，电控挡板一3安装在刀库一2的正上方，电控挡板二7安装在刀库二6的正上方，电控挡板三10安装在刀库三13的正上方。摄像头一4作用于刀库一2；摄像头二8作用于刀库二6、摄像头三11作用于刀库三13。LED光源一5作用于摄像头4和刀库一2；LED光源二9作用于摄像头二8和刀库二6；LED光源三12作用于摄像头三11和刀库三13。报警指示灯15、正常指示灯16、控制模块和图像处理模块封装装置17均安装在腔体1正面的外表面。

如图6所示，本实用新型的原理总体流程图分成三个大步骤进行操作处理。第一步是摄像头与LED光源共同作用下将采集的信息传递到图像处理模块，第二步是图像处理模块处理图像后将结果信息传递到控制模块，再由控制模块发送指令到报警模块，第三步报警模块把结果传递出来：红色指示灯闪烁，绿色指示灯熄灭，刀库中的刀具出现了断刀；红色指示灯没有亮，绿色指示灯正常闪烁，刀库中刀具未出现断刀，数控机床继续正常工作。

第一步的具体操作如下：当数控机床处于工作状态时，刀库中的刀具在出刀后，将要工作时打开摄像头、电控挡板和LED光源。在摄像头拍摄一段视频后(拍摄时间为1秒，记为video1)，将该段视频传输到图像处理模块，然后关闭摄像头、电控挡板和LED光源。一次出刀结束，在刀库中的刀具停止工作并将要回刀时，再一次打开摄像头、电控挡板和LED光源，摄像头拍摄一段视频(拍摄时间为1秒，记为video2)，依旧将该段视频传输到图像处理模块，然后关闭摄像头，电控挡板和LED光源。

第二步的具体操作如下：在图像处理模块，输入程序中的为摄像头拍摄的两段视频(video1，video2)。流程如下：①先把视频的每一帧转化为图像并保存(video1中的每一帧记为：L_i(1,2,…,i,…n)，video2中的每一帧记为：M_j(1,2,…,j,…n))。②对图像进行去雾处理。③对图像进行去除噪声处理，采用中值滤波器。④把图像从RGB色彩空间转换到HSV色彩空间。⑤计算出图像的直方图H{H_L(1,2,…,i,…,n),H_M(1,2,…,j,…,n)}，式中H_L(1,2,…,i,…,n)为出刀工作前采集的图像归一化直方图，H_M(1,2,…,j,…,n)为回刀前采集的图像归一化直方图。⑥将H{H_L(1,2,…,i,…,n),H_M(1,2,…,j,…,n)}归一化到相同尺度空间(0,1)后得：H{H_L(1,2,…,i,…,n),H_M(1,2,…,j,…,n)}。⑦求前后两组图像归一化后的直方图的平均

⑧利用相似度函数计算

之间的距离

得到两个归一化直方图平均值的相似程度进而比较前后图像本身的相似程度。⑨最后判断

值是否在±0.100内。在，可认为没有断刀；超出这个值判断为断刀。⑩将图像处理模块处理结果传递到控制模块，由控制模块发送指令到报警模块。

对图像进行相似度计算可以用如下函数表示：

其中：

第三步的具体操作如下：在报警模块收到控制模块的指令后，如果是断刀，红色指示灯闪烁，绿色指示灯熄灭，刀库中的刀具出现了断刀，数控机床停止运行；否则绿色指示灯持续闪烁，数控机床继续正常工作。

Claims (1)

1.一种机加工过程中断刀自动检测装置，其特征在于：包括用于采集刀具出刀前后状态信息的图像采集模块、对图像采集模块采集的信息进行处理的图像处理模块、用于报警的报警模块、控制模块，所述图像采集模块、图像处理模块和报警模块均与控制模块连接，所述图像采集模块设在腔体(1)内部，将采集到的刀具状态信息发送给图像处理模块进行处理，所述图像处理模块将处理结果传递到控制模块，所述控制模块判断刀具是否发生断刀并控制报警模块发出相应的警示信号。

Images