DD239369A1

DD239369A1 - ARRANGEMENT FOR AUTOMATIC MONITORING OF ONE-PIECE AND MULTI-CUTTING TOOLS ON MACHINING MACHINES

Info

Publication number: DD239369A1
Application number: DD85278627A
Authority: DD
Inventors: Guenter Schwarze; Ulrich Roesler
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1985-07-16
Filing date: 1985-07-16
Publication date: 1986-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft die Werkzeugueberwachung an automatischen Bearbeitungsmaschinen. Die Aufgabe besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, mit der eine Ueberwachung von Werkzeugen auf Schneidkantenbruch und -verformung und eine Bewertung dieser Schneidkantenveraenderungen moeglich ist. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass eine festmontierte Video-Festkoerperzeilenkamera dem gleichmaessig bewegten Werkzeug gegenuebersteht, die ein Zoom-Objektiv mit motorisch verstellbarer Brennweite besitzt, die mit einem Analog-Digital-Wandler sowie mit einem Bildverarbeitungsprozessor, mit einem Mikrorechner und einer Ausgabe- bzw. Steuereinheit verbunden ist. Das kontinuierlich bewegte Werkzeug wird von einer Beleuchtungseinrichtung so beleuchtet, dass jede Schneidkante als optische Kante hervorgehoben und von der Kamera als Grauwertbild abgetastet wird. Das Grauwertbild laesst sich dann von dem Prozessor zeilenweise zu einem Kantenbild verarbeiten, das nach einer Codierung durch Freeman-Ketten beschrieben wird. Diese Ketten werden anschliessend vermittels der Programme des Mikrorechners mit den Ketten von gleichen, unbeschaedigten Werkzeugen verglichen, ihre Unterschiede durch die Werte von ausgewaehlten Merkmalen beschrieben und diese Werte einem Klassifikator zugefuehrt, der ueber die Qualitaet des Werkzeuges durch Klassenzuordnung entscheidet.The invention relates to tool monitoring on automatic processing machines. The object is to provide an arrangement with which a monitoring of tools on cutting edge breakage and deformation and an assessment of these Schneidkantenveraenderungen is possible. According to the invention, the object is achieved in that a permanently mounted video solid-state camera faces the uniformly moving tool which has a zoom lens with a motor-adjustable focal length, which is equipped with an analog-to-digital converter and with an image processing processor, with a microcomputer and an output processor. or control unit is connected. The continuously moving tool is illuminated by a lighting device so that each cutting edge is highlighted as an optical edge and scanned by the camera as a gray scale image. The halftone image can then be processed line by line by the processor to form an edge image, which is described after coding by Freeman chains. These chains are then compared, by means of the microcomputer programs, to the chains of the same unscathed tools, their differences are described by the values of selected features and these values are passed to a classifier, which decides the quality of the tool by class assignment.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen Kontrolle von Schneidwerkzeugen an numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen. Solche Anordnungen werden vorzugsweise an numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, wie Dreh- und Fräsmaschinen, aber auch an allen anderen Verarbeitungsmaschinen benötigt, bei denen ein Schneid- oder Abschälvorgang die Verarbeitung charakterisiert und dessen Werzeuge durch Schneiden gekennzeichnet sind. Erforderlich sind solche Anordnungen, um den Verarbeitungsvorgang unter ständiger Kontrolle des Werkzeugzustandes automatisch ablaufen zu lassen, womit bei hoher Maschinenauslastung Ausschuß und Maschinenschaden vermieden wird.The invention relates to an arrangement for the automatic control of cutting tools on numerically controlled machine tools. Such arrangements are preferably required on numerically controlled machine tools, such as turning and milling machines, but also on all other processing machines in which a cutting or peeling process characterizes the processing and whose tools are characterized by cutting. Required are such arrangements to run the processing automatically under constant control of the tool state, which at high machine utilization rejects and damage to the machine is avoided.

Characteristic of the known technical solutions

Bekannt ist eine Anordnung nach DD-WP 119731, die über ein optisches Signalgebersystem für eine punktweise Abtastung einer Werkzeuglängsachse eingesetzt werden kann. Dazu wird mittels der Maschinenachsen die Werkzeugspitze in eine Position gebracht, in der sie einen Lichtstrahl des optischen Signalgebersystems unterbricht und der so gebildete Impuls als Nullposition für das Werkzeug gilt. Als Meßsystem gilt ein Schrittmotor, der die für verschiedene Wegstrecken notwendigen Impulse über einen Zähler erhält und in Verbindung mit einer Steuereinheit die Positionierung des Werkzeuges vornimmt. Wird ein gebrochenes oder verschlissenes Werkzeug in die gleiche Längsposition gebracht, so wird infolge der fehlenden Werkzeugspitze der Lichtstrahl nicht unterbrochen und daher der weitere Bearbeitungsablauf unterbrochen.Known is an arrangement according to DD-WP 119731, which can be used via an optical signal transmitter system for a point-by-point scanning of a tool longitudinal axis. For this purpose, the tool tip is brought into a position by means of the machine axes, in which it interrupts a light beam of the optical signal transmitter system and the pulse thus formed is considered the zero position for the tool. As a measuring system is a stepper motor, which receives the necessary for different distances pulses via a counter and makes the positioning of the tool in conjunction with a control unit. If a broken or worn tool is brought into the same longitudinal position, the light beam is not interrupted as a result of the missing tool tip and therefore the further processing sequence is interrupted.

Bekannt ist weiterhin eine Anordnung nach DD-WP 0153746, die zur flächenmäßigen Kontrolle eines Werkzeuges auf Bruch und Verschleiß sowie zur Überwachung des Bearbeitungsraumes eingesetzt werden kann. In dieser Einrichtung wird mit einer schwenkbar angeordneten Videokamera in einer Position das in der Hauptspindel befindliche Werkzeug und in der anderen Position der Bearbeitungsraum erfaßt. Die Kamera ist einerseits mit einem Monitor und andererseits mit einem A/D-Wandler verbunden und besitzt ein Objektiv mit motorisch einstellbarer Brennweite. Dieser A/D-Wandler besitzt eine Recheneinheit, der ein Digitalspeicher zugeordnet ist, so daß in einer Koinzidenzschaltung das Bit-Muster des Videobildes der Kamera und das desAlso known is an arrangement according to DD-WP 0153746, which can be used for surface control of a tool for breakage and wear as well as for monitoring the processing space. In this device, the tool located in the main spindle and detected in the other position of the processing space with a pivotally mounted video camera in one position. The camera is connected on the one hand with a monitor and on the other hand with an A / D converter and has a lens with motor-adjustable focal length. This A / D converter has a computing unit associated with a digital memory, so that in a coincidence circuit, the bit pattern of the video image of the camera and that of the

Digitalspeichers als Referenzbild vergleichbar ist.Digital memory is comparable as a reference image.

Bekannt ist weiterhin eine Anordnung nach DD-WP 207574, die zur Identifikation des Werkzeugbruchs während des Spanens mit geometrisch bestimmten Schneiden die gemessene Leisung des Hauptantriebes und des Vorschubantriebs bzw. die betreffenden Motorströme der Werkzeugmaschine und die daraus folgenden Quotienten als Größen des Verschleißes und den ständigen Vergleich dieser Quotienten mit zwei einstellbaren Grenzwerten verwenden. Anstelle der Antriebsleistungen oder Motorströme sind auch Zerspankraftkomponenten bzw. wahlweise Leistungs- und Kraftgrößen zur Quotientenberechnung einsetzbar.Also known is an arrangement according to DD-WP 207574, for the identification of tool breakage during machining with geometrically determined cutting the measured power of the main drive and the feed drive or the relevant motor currents of the machine tool and the consequent quotients as sizes of wear and the permanent Use comparison of these quotients with two adjustable limits. Instead of the drive powers or motor currents, it is also possible to use cutting force components or alternatively power and force variables for quotient calculation.

Bekannt ist schließlich eine Anordnung WP-AZ G01 N/2486648, mit optoelektronischen Sensor zur automatischen berührungslosen Bestimmung der Verschleißmarkenbreite an spanenden Werkzeugen. Hierbei wird das von der spiegelnden Verschleißfläche des Werkzeuges reflektierte Licht einer fokussierenden Lichtquelle auf einen optischen Sensor mit einer Sensorzeile abgebildet und in elektronischen Baugruppen in ein digitales Flächenmaß transformiert, das als Maß für die Verschleißmarke und damit für den Verschleiß des Werkzeuges dient.Finally, there is a known arrangement WP-AZ G01 N / 2486648, with opto-electronic sensor for automatic non-contact determination of the wear mark width on cutting tools. In this case, the light reflected from the reflecting wear surface of the tool of a focusing light source is imaged onto an optical sensor with a sensor line and transformed into electronic components in a digital surface measure which serves as a measure for the wear mark and thus for the wear of the tool.

Nachteilig bei den genannten Anordnungen ist, daß die ausgebrochene Schneide nicht erkannt wird, wenn die Werkzeugspitze stehen geblieben ist oder wenn durch die beliebige Drehwinkelstellung des ruhenden Werkzeuges Ausbrüche optisch verdeckt und damit grundsätzlich nicht erkennbar sind.A disadvantage of the above arrangements is that the broken blade is not recognized when the tool tip has stopped or when by the arbitrary angular position of the stationary tool outbreaks are visually obscured and thus basically not visible.

Weiterhin ist in diesen Anordnungen nachteilig, daß nur die Silhouette des ruhenden Werkzeuges ausgewertet wird und damit Details, die nur im Grautonbild enthalten sind, nicht bewertet werden können. Weiterhin ist nachteilig, daß die gesamte Bildinformation der Videokamera ohne Datenreduktion mit einem entsprechenden Referenzbild bildpunktweise verglichen wird und damit unvertretbar lange Bildverarbeitungszeiten und zu große Speicherkapazitäten in Kauf genommen werden müssen.Furthermore, it is disadvantageous in these arrangements that only the silhouette of the stationary tool is evaluated and thus details that are included only in the gray-scale image can not be evaluated. Another disadvantage is that the entire image information of the video camera without data reduction with a corresponding reference image is compared pixel by pixel and thus unacceptably long image processing times and excessive storage capacities must be taken into account.

Weiterhin ist eine Klassifikation von Merkmalsunterschieden in Fehlerklassen nicht vorgesehen.Furthermore, a classification of feature differences in error classes is not provided.

Nachteilig für Bruch- und Verschleißmessungen durch Motor-Leistungs- und Kraftmessungen sind die notwendigen Vergleichmaße, die von der Werkzeugmaschine, ihrem Zustand (z. B. Alter), der Kombination Werkzeug-Werkstück und den Verarbeitungsparametern (Vorschub, Schnittgeschwindigkeit und -tiefe) abhängen; ebenso nachteilig ist es, daß die genannten Messungen nur dann verwertbare Aussagen über den Werkzeugzustand liefern, wenn es sich um große Ausbrüche und große Werkzeuge handelt.Disadvantages of fracture and wear measurements due to motor power and force measurements are the necessary comparative dimensions, which depend on the machine tool, its condition (eg age), the combination of the tool-workpiece and the processing parameters (feed, cutting speed and depth) ; It is equally disadvantageous that the measurements mentioned can only provide useful information about the state of the tool when it comes to large outbreaks and large tools.

Schließlich ist bei dem genannten optoelektronischen Verschleißsensor nachteilig, daß die reflektierende Verschleißmarke nur als binäre Abbildung, nicht aber im grauwertigen Detail, bewertet wird, daß die Lichtreflektion von der Sauberkeit der Verschleißmarke (z.B. öl- und schmutzfrei), vom Material des Werkzeuges und des Werkstücks, vom Beginn der Messung und ihrer Dauer abhängt, und daß Ausbrüche nur unter zu Hilfenahme einer zweiten Intensitätsschwelle erfaßbar sind.Finally, in the said optoelectronic wear sensor is disadvantageous that the reflective wear mark only as a binary image, but not grayish detail is evaluated, that the light reflection of the cleanliness of the wear mark (eg oil and dirt free), the material of the tool and the workpiece , depends on the beginning of the measurement and its duration, and that outbreaks can be detected only with the aid of a second intensity threshold.

Object of the invention

Als Ziel der Erfindung soll unter Beseitigung der genannten Nachteile erreicht werden, daß ein- und mehrschneidige Werkzeuge automatisch durch eine Postprozeßmessung, die auf der Anwendung von Verfahren der optischen Bildaufnahme sowie der Bildverarbeitung und -erkennung beruht, überwacht werden können und durch die bei Ausbruch oder anderen Schneidkantenverformungen frühzeitig ein Werkzeugwechsel veranlaßt wird, womit bei voller Maschinenauslastung ohne Unterbrechung des Arbeitsprozesses Ausschuß bzw. Maschinenschaden vermeidbar ist.The object of the invention is to be achieved with elimination of the above-mentioned disadvantages that single and multi-bladed tools automatically by a post-process measurement, which is based on the application of methods of optical image acquisition and image processing and recognition can be monitored and by the outbreak or other cutting edge deformations early tool change is caused, which at full machine utilization without interruption of the work process committee or machine damage is avoidable.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Überwachung von ein- und mehrschneidigen Werkzeugen mittels einer Grauwertbildaufnahme, -verarbeitung und -erkennung bei gleichmäßiger Bewegung (Translation oder Rotation) des Werkzeuges vorzunehmen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.The invention has for its object to make the monitoring of single and multi-bladed tools by means of a gray scale image recording, processing and recognition with uniform movement (translation or rotation) of the tool. According to the invention the object is achieved by the features stated in the characterizing part of the claim.

Die digitale Bildverarbeitung und -erkennung, im folgenden als Bildauswertung bezeichnet, besteht darin, daß zunächst im grauwertig digitalisierten Rasterbild die optischen Kanten mittels bekannter Verfahren detektiert, anschließend diese Kanten durch Richtungs- und Knotensymbole codiert und diese Symbole zunächst zu Teilketten, die jeweils Abschnitte zwischen Kettenverzweigungen repräsentieren, zusammengefügt werden. Aus der Liste aller Teilketten lassen sich mittels einfacher werkzeugspezifischer Moedellvorstellungen Ketten (Freeman-Ketten) extrahieren, die die signifikanten optischen Kanten beschreiben. Unter signifikanten optischen Kanten sind hier die Schneidkanten des Werkzeugs zu verstehen. Die so gewonnene Kettendarstellung der signifikanten Kanten wird zu einem direkten Vergleich mit in einer Lernphase gewonnenen Referenzkettendarstellung benutzt. Anschließend wird eine Klassifikation der Kettenunterschiede als Abweichungen zwischen beiden Darstellungen (der aktuellen und Referenzkettendarstellung) in Qualitätsstufen der Schnittkanten und damit der überwachten Werkzeuge durchgeführt. Dieses Klassifikationsergebnis wird an die Werkzeugmaschinensteuerung übergeben, die entsprechend diesem Ergebnis ein Signal zum Stop der Werkzeugmaschine, zum Werkzeugwechsel oder zur Weiterarbeit ausgibt. Vor der Arbeitsphase der Anordnung läuft interaktiv eine Lernphase ab, durch die der vom Werkzeugtyp, seiner Größe und freien Länge abhängige Bildausschnitt festlegbar ist und durch die Schwellen des Klassifikators dem technologischen Befund angepaßt sind.The digital image processing and recognition, hereinafter referred to as image analysis, is that first in the gray scale digitized raster image detects the optical edges by known methods, then encoded these edges by direction and node symbols and these symbols first to sub-chains, each sections between Chain branches represent, be joined together. From the list of all subchains, chains (Freeman chains) can be extracted by means of simple tool-specific model ideas, which describe the significant optical edges. Significant optical edges are the cutting edges of the tool. The chain representation of the significant edges thus obtained is used for direct comparison with reference chain representation obtained in a learning phase. Subsequently, a classification of the chain differences as deviations between both representations (the current and reference chain representation) in quality levels of the cutting edges and thus the monitored tools is performed. This classification result is transferred to the machine tool control, which outputs a signal according to this result to stop the machine tool, tool change or further work. Before the working phase of the arrangement, a learning phase takes place interactively, by means of which the image detail dependent on the tool type, its size and free length can be determined and adapted to the technological findings by the thresholds of the classifier.

Im folgenden seien die Stufen der Bildauswertung, die sich an die Detektion optischer Kanten anschließen, näher erläutert: 1. Kettendarstellung signifikanter KantenIn the following, the stages of image analysis, which follow the detection of optical edges, are explained in more detail: 1. Chain Representation of Significant Edges

Für die Kettendarstellung von Kantenbildern existieren mehrere Vorschläge in der Literatur. Wesentlich für das vorliegende Problem ist jedoch die zusätzliche Aufgabe, die Werkzeugposition, die nicht mit dem Zeitpunkt des Beginns der zeilenweisen Abtastung und damit nicht mit dem Beginn der Erzeugung der zweidimensionalen Rasterbilder synchronisiert ist, zu bestimmen. Das bedeutet, daß im abgetasteten Bild signifikante Punkte oder Gebiete gesucht werden müssen und von denen ausgehend, die Anfangspunkte der signifikanten optischen Kanten, die die Werkzeugschneiden repräsentieren, gefunden werden müssen. Derartige signifikante Punkte oder Gebiete sind solche, dieThere are several suggestions in the literature for the chain representation of edge images. Essential to the present problem, however, is the additional task of determining the tool position, which is not synchronized with the time of the beginning of the line-by-line scanning, and thus not with the beginning of the generation of the two-dimensional raster images. This means that in the scanned image, significant points or areas must be searched for and, starting from which, the starting points of the significant optical edges representing the tool edges must be found. Such significant points or areas are those that

— mit hoher Wahrscheinlichkeit wahrend des Bearbeitungsvorganges nicht beschädigt werden und- with high probability during the machining process will not be damaged and

— sich gleichzeitig in der Kettendarstellung durch eine typische Folge von Kettenelementen oder eine typische Kombination von Kettenstucken beschreiben lassen- can be described simultaneously in the chain representation by a typical sequence of chain elements or a typical combination of chain links

Die erste Bedingung ist ausschließlich technologisch begrundbar, wahrend sich die zweite Bedingung sowohl auf die Werkzeugeometrie als auch auf die Bedingungen der Bildauswertung bezieht Zur Werkzeuggeometrie gehören hier sowohl die geometrischen Abmessungen der Werkzeuge als auch Messungen darüber, ob es sich um ein — oder mehrschneidige Werkzeuge, d h ob es sich um gerade oder gekrümmte Schneidkanten handeltThe first condition is only technologically demonstrable, while the second condition relates both to the tool geometry and to the conditions of the image evaluation tool geometry includes both the geometric dimensions of the tools as well as measurements on whether it is a one - or multi - bladed tools, ie whether it is straight or curved cutting edges

Die aus der Bildauswertung ableitbaren Bedingungen fuhren zu Tests, ob eine Kombination von Teilketten, die sich insgesamt in einer Liste von Teilketten befinden, wobei jede Teilkette eine vorgegebene Mindestanzahl von Kettenelementen aufweisen muß, einen Vereinigungs- oder Verzweigungspunkt innerhalb eines vorgegebenen x-Koordinaten-Intervalles besitztThe conditions derivable from the image evaluation lead to tests as to whether a combination of sub-chains, which are altogether in a list of sub-chains, each sub-chain having a predetermined minimum number of chain elements, a union or branch point within a predetermined x-coordinate interval has

Ausgehend von einem auf diese Weise gefundenen Szenenanfang werden im nächsten Schritt auf der Basis von Modellvorstellungen über das betreffende Werkzeug aus der Liste der vorliegenden Kettenstucke die Stucke extrahiert, die die signifikante optische Kante, die hier mit der Werkzeugschneide identisch ist, beschreiben Die Modellvorstellungen sind werkzeugspezifisch und enthalten Bedingungen, wie ζ B der maximale Ausbruch gefunden werden kannStarting from a beginning of the scene found in this way, in the next step on the basis of model presentations, the pieces of the list of available chain pieces are extracted via the tool concerned, which describe the significant optical edge, which is identical here to the tool cutting edge. The model presentations are tool-specific and include conditions on how ζ B the maximum outbreak can be found

Kettenvergleichstring comparison

Die erzeugten Freeman-Ketten charakterisieren den Schneidenzustand und werden mit ebenso erzeugten Ketten von korrespondierenden Schneidkanten eines Modellwerkes gleichen Typs und gleicher Große verglichen Als solche Referenzwerkzeuge können gelten Ein unbeschädigtes Werkzeug der gleichen Charge, das Werkzeug im arbeitsscharfen Anfangszustand oder das brauchbare Werkzeug aus der vorangegangenen Arbeitsphase Die von diesem gewonnenen Freeman-Ketten werden Modellketten MOKET genanntThe generated Freeman chains characterize the cutting state and are compared with similarly generated chains of corresponding cutting edges of a model of the same type and size. Such reference tools can be an undamaged tool of the same batch, the tool in the working initial state or the useful tool from the previous working phase The Freeman chains won by this are called model chains MOKET

Auf der Beschreibungsebene durch Freeman-Ketten heißt Vergleichen, den direkten Vergleich der Modellketten MOKET der Referenzwerkzeuge mit den Eingangsketten INKET der zu prüfenden Werzeuge durchzufuhren Dieser wird zwischen den Kettenelementen von MOKET und INK von INKET der gegebenen Ketten nach einer Tabelle lokal und paarweise realisiert Das Vergleichsergebnis wird in einer Differenzkette DIFKET abgelegt, die ebenfalls eine Freeman-Kette ist und aus Segmenten DIF mit keinem oder ein bis drei Kettenelementen (Freeman-Zahlen) gemäß der Tabelle aufgebaut ist Da die Anfange der beiden Ketten durch den Anfangstest im Bildraster um wenige Rasterpunktabstande ungenau sind, muß dem Vergleich eine gegenseitige Verschiebung der Ketten um eine begrenzte Anzahl von Kettenelementen vorausgehenOn the description level by Freeman chains, comparison means to perform the direct comparison of the model chains MOKET of the reference tools with the input chains INKET of the tools to be tested. This is implemented locally between the chain elements of MOKET and INK of INKET of the given chains according to a table and in pairs is stored in a difference chain DIFKET, which is also a Freeman chain and composed of segments DIF with no or one to three chain elements (Freeman numbers) according to the table Since the beginnings of the two chains by the initial test in the image grid by a few grid point distances inaccurate If this is the case, the comparison must be preceded by a mutual displacement of the chains by a limited number of chain elements

Dabei liegt ζ B eine optimale Kettenpassung vor, wenn die Summe der absoluten Flachen der Ausbbuchtung in der Differenzkette minimal istHere, ζ B is an optimal chain fit if the sum of the absolute areas of the bulge in the difference chain is minimal

Klassifikationclassification

Die Differenzkette beschreibt durch ihre Ausbuchtungen alle Kettenunterschiede, die durch Merkmale meßtechnisch erfaßbar sind Hierzu werden globale (die ganze Kette betreffende) und lokale (die den einzelnen Ausbuchtungen zugeordneten) Merkmale gewählt, die auf Erfahrungen bei Werkzeugverschleiß und -bruch beruhen Die Werkzeugqualltat laßt sich nach der größten Ausbuchtung in der Differenzkette entscheiden Dazu dient ζ B ein binarer Baumklassifikator, bei dem ein Parameter die Qualitatsaussage verschlüsselt und der daher maximiert wird Die Klassifikatorschwellen lassen sich in einer Lernphase so einstellen, daß die Qualitatsaussage den technologischen Erfahrungen über die Merkmalswerte angepaßt werden kannThe differential chain describes by their bulges all chain differences that can be detected by metrological characteristics are chosen for this purpose global (the whole chain) and local (the individual bulges associated) features based on experience in tool wear and tear The Werkzeugqualltat be after Dazu B is a binary tree classifier in which a parameter encodes the quality statement and is therefore maximized. The classifier thresholds can be set in a learning phase so that the quality statement can be adapted to the technological experience using the feature values

exemplary

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel (Überwachung der Funktionstuchtigkeit eines Wendelbohrers, also eines zweischneidigen Werkzeuges) erläutert werden Die zugehörigen Zeichnungen zeigen inThe invention will be explained below on an exemplary embodiment (monitoring the functionality of a helical drill, so a two-edged tool). The accompanying drawings show in

Fig 1 den prinzipiellen Aufbau der Anordnung1 shows the basic structure of the arrangement

Fig 2 die schematische Abwicklung der Mantelflache eines Wendelbohrers mit den technologischen Bezeichnungen Fig 3 ein von der Kamera abgetastetes Grauwertbild der Abwicklung (180°-Ausschnitt) Fig 4 die beispielhaften Kantenbilder der Abwicklung eines unbeschädigten (a) und eines beschädigten Wendelbohrers mit der Schneidkantendarstellung durch Freemanketten, die durch Mediang'.attung, Kantendetektion und Skelettierung aus Grauwertbildern gemäß Fig 3 gewonnen wurden,FIG. 2 shows the schematic development of the lateral surface of a helical drill with the technological designations FIG. 3 a gray scale image of the development scanned by the camera (180 ° cut) FIG. 4 shows the exemplary edge images of the unrolled (a) and damaged twist drill with the cutting edge representation by free-edge chains , which were obtained by Mediang'.attung, edge detection and skeletonization of gray value images of Figure 3,

Fig 5 Beispiele fur die Tabelle 2⁸-Moglichkeiten der Freeman- und Knotencodierungen zur Erzeugung der Freemanketten Fig 6 den Anfangstest fur die Auswahl der relevanten, die Schneidkanten-beschreibenden-Freemanketten, Fig 7 die prinzipielle Vorgehensweise beim Freemarikettenvergleich (links oben und unten) und die Merkmalswerte (rechts5 shows examples of the table 2 ⁸ -Moglichkeiten the Freeman and node codes for generating the Free Manke tablets 6 shows the initial test for the selection of the relevant, the cutting edge descriptive-Free Manke tablets, Figure 7 shows the basic procedure for Freemarikettenvergleich (top left and bottom) and the characteristic values (right

oben) der Differenzkette, Fig 8 die Tabelle fur den schrittweisen Vergleich der einlaufenden Kettenelemente MOK und INK zur Erzeugung der8), the table for the stepwise comparison of the incoming chain elements MOK and INK for generating the

resultierenden Kettensegmente DIF und (rechts) die Wiederholungsbedingungen (WDG) fur Kettenelemente, Fig 9 den Entscheidungsbaumklassifikator (oben) und seine durch M gegebenen, möglichen Entscheidungen (unten) undresulting chain segments DIF and (right) the repetition conditions (WDG) for chain elements, FIG. 9 the decision tree classifier (above) and its possible decisions given by M (below) and

schließlich Fig 10 den realen Vergleich der beiden aus Fig 4 entnommenen Freemanketten, die Merkmalswerte ihrer Differenzkette und das Klassifikationsergebnis (Mitte)Finally, FIG. 10 shows the real comparison of the two free-edge chains taken from FIG. 4, the feature values of their difference chain and the classification result (center).

Die erfindungsgemaße Anordnung ist durch einen mehrstufigen Ablauf gekennzeichnet Zunächst erfolgt durch die Zellenkamera mit Beleuchtungseinrichtung 20 die zeilenweise Abtastung des rotierenden Werkzeuges 10, womit seine vollständige Runduminspektion gesichert ist In einer der eigentlichen Arbeitsphase vorangehenden Einstellphase wird die Drehgeschwindigkeit des Werkzeuges so festgelegt, daß mit allen abgetasteten Zeilen mindestens eine vollständige Abwicklung des Werkzeuges erfaßt wird Wesentlich großer sollte die Drehgeschwindigkeit jedoch nicht sein, da die Erfassung von mehr als einer Abwicklung die Auflosung, ausgedruckt in Bildpunkten/mm,The arrangement according to the invention is characterized by a multi-stage sequence. The cell camera with illuminating device 20 performs line by line scanning of the rotating tool 10, thus ensuring its complete all-round inspection. In a phase preceding the actual working phase, the rotational speed of the tool is determined so that it is scanned with all However, the speed of rotation should not be significantly high because the detection of more than one run resolves the resolution, expressed in pixels / mm, but at least one complete processing of the tool.

verringert.reduced.

2. Die von der Kamera 20 gelieferten Analogdaten werden zunächst im Analog-Digital-Umsetzer 30 digitalisiert und danach im Bildspeicher 40 abgelegt. Der Bildspeicher 40 kann dabei ein separater Bildspeichermodul sein oder einen Teil des Adreßraumes des Universalrechners 50 darstellen.2. The analog data supplied by the camera 20 are first digitized in the analog-to-digital converter 30 and then stored in the image memory 40. The image memory 40 can be a separate image memory module or represent part of the address space of the universal computer 50.

3. Die weitere Verarbeitung des im Speicher 40 abgelegten Bildes erfolgt entweder ausschließlich mit dem Universalrechner 50 oder, um kürzere Verarbeitungszeiten zu erzielen, zunächst mit einem Spezialprozessor 60 (z. B. nach WP G 06 K/265 5890) und anschließend mit dem Universalrechner 50. Der Spezialprozessor 60 übernimmt dabei alle zeitintensiven Verarbeitungsschritte auf der Bildpunktebene. Dazu gehören: Median-Filterung (G.Heygster: Rangordnungsoperatoren in der digitalen Bildverarbeitung, Dissertation der Georg-August-Universität Göttingen 1979) Gradienten-Bildung3. The further processing of the image stored in the memory 40 takes place either exclusively with the universal computer 50 or, in order to achieve shorter processing times, first with a special processor 60 (eg according to WP G 06 K / 265 5890) and then with the universal computer 50. The special processor 60 takes over all the time-consuming processing steps at the pixel level. These include: Median filtering (G.Heygster: Ranking operators in digital image processing, dissertation Georg-August-Universität Göttingen 1979) Gradient formation

Direktionale Median-Filterung (Ting, D. Prasada: Digital Processing Techniques für Encoding of Graphies. Proc. IEEE 68 (1980) 7,757-769)Directional Median Filtering (Ting, D. Prasada: Digital Processing Techniques for Encoding of Graphies, Proc. IEEE 68 (1980) 7,757-769)

Skelettierung durch fortgesetzte Verdünnung (Goetcherian, V.: From Binary Gray Tone Image Processing Using Fuzzy Logic Conzepts. Pattern Recognition 12 (1980) 1,1-15. Rosier, U.: Schwarze, G. und T. L Chung: Lokale Bildoperatoren zur Manipulation von Grauwertobjekten und ihre Implementierung durch den Prozessor GIPP. EIK 21 (1985) 7/8,343-354).Skeletalization by Continued Dilution (Goetcherian, V .: From Binary Gray Tone Image Processing Using Fuzzy Logic Concepts, Pattern Recognition 12 (1980), 1-15, Rosier, U .: Schwarze, G. and T. L Chung: Local Image Operators for manipulating gray value objects and their implementation by the processor GIPP, EIK 21 (1985) 7 / 8,343-354).

Erzeugung von Freeman- und Knotencodierungen (Schwarze, O.: Erzeugung von Freeman-Ketten zur Szenenbeschreibung in Grauwertbildern. Problemseminar Methoden und Algorithmen der digitalen Bildverarbeitung. Weißig 1984.Generation of Freeman and Node Encoding (Schwarze, O .: Generation of Freeman Chains for Describing Scenes in Gray Scale Images.) Problem Seminary Methods and Algorithms of Digital Image Processing.

Chung, T. L.: Entwicklung von Spezialprozessoren für die digitale Bildverarbeitung. Dissertation der AdW der DDR, Berlin,Chung, T. L .: Development of special processors for digital image processing. Dissertation of the AdW of the GDR, Berlin,

Nach diesen Verarbeitungsschritten liegt eine erste Bildbeschreibung in Form von Ketten- und Knotensymbolen nach Fig. 5 vor. Diese sind den jeweiligen Kantenelementen zugeordnet und symbolysieren ein Fortsetzungselement (Freeman-Zahl 1,2, ... oder 8), ein Kettenbeginn (B oder D), eine Kettenverzweigung (F), eine Kettenvereinigung (C) oder ein Kettenende (A oderAfter these processing steps, there is a first image description in the form of chain and node symbols according to FIG. 5. These are assigned to the respective edge elements and symbolize a continuation element (Freeman number 1,2, ... or 8), a chain start (B or D), a chain branch (F), a chain union (C) or a chain end (A or

4. Aus den Codesymbolen (Zahl, Buchstabe) sind Teilketten erzeugbar, die die Verbindungsstücke zwischen je zwei Knoten (Buchstabe) bilden. Hierzu werden Teilketten mit B oder D eröffnet, mit einer Zahl (1,2,... oder 8) fortgesetzt und mit A, B,... oder F abgeschlossen. Fortsetzungselemente können nur an offene, ohne Endsymbol versehene Teilketten, angeheftet werden. Anschließend lassen sich kurze, abgeschlossene Teilketten zwecks Säuberung der Beschreibung eliminieren.4. From the code symbols (number, letter) can be generated sub-chains, which form the connecting pieces between each two nodes (letter). For this purpose, partial chains are opened with B or D, continued with a number (1,2, ... or 8) and terminated with A, B, ... or F. Continuation elements can only be attached to open, unmarked substrings. Subsequently, short, closed substrings can be eliminated to purify the description.

5. Da die Abtastung bei unbekannter Winkelstellung des Werkzeuges startet, muß mit einem Test nach Fig. 6 der Anfang der relevanten Kette aus dem Bildinhalt bestimmt werden. Aus technologischen Überlegungen folgt z. B. bei Wendelbohrern, daß ein Kriterium die Vereinigung zweier Teilketten (Punkt P(i)_xy in Fig. 6 als Ort des Zusammentreffens von Rückenkante, Haupt- und Nebenfläche) ist. Die relevante Kette beschreibt dann Hauptschneide, Schneidenecke und Nebenschneide zusammenhängend.5. Since the scan starts at unknown angular position of the tool, the beginning of the relevant chain must be determined from the image content with a test according to FIG. For technological reasons follows z. B. in helical drills, that a criterion is the union of two sub-chains (point P (i) _xy in Fig. 6 as a place of coincidence of the back edge, main and minor surface). The relevant chain then describes main cutting edge, cutting edge and secondary cutting edge connected.

Die genaue Vorschrift zum Auffinden des Punktes P(i)„y lautet beispielsweise bei einer zeilenweisen Erzeugung der Teilketten:The exact rule for finding the point P (i) "y is, for example, when the substrings are generated line by line:

Suche zwei Teilketten C_n und c_m, die eine Mindestanzahl von Kettenelementen enthalten und sich im Punkt P(i)_xy vereinigen, dessen x-Koordinate im Bereich χ, Δχ, liegt und dessen y-Koordinate beliebig ist. Durch diesen Punkt P(i)xy ist der Anfangspunkt P(j)xy der relevanten Szene (Beginn der Hauptschneide) determiniert. Abhängig von der speziellen Werkzeuggeometrie charakterisiert durch δχ = хр^ - Xp(,j, 5y = yp(,) — ypi,)) liegt P(j)xy in einem Gebiet {(χ, ± Δχ,) - δχ,Find two substrings C _n and c _m that contain a minimum number of chain elements and unite at the point P (i) _xy whose x-coordinate is in the range χ, Δχ, and whose y-coordinate is arbitrary. By this point P (i) xy, the starting point P (j) xy of the relevant scene (beginning of the main cutting edge) is determined. Depending on the special tool geometry characterized by δχ = хр ^ - Xp (, j, 5y = yp (,) - ypi,)), P (j) xy lies in a domain {(χ, ± Δχ,) - δχ,

Um den Berechnungsgang zu vereinfachen, kann 5y = 0 gesetzt werden. In diesem Fall wird ein Teil der Querschneide mit erfaßt. Die Bilder 4a und 4b zeigen dafür Beispiele.To simplify the calculation process, 5y = 0 can be set. In this case, a part of the cross cutter is detected with. The pictures 4a and 4b show examples of this.

Sind die Punkte P(i)xy und/oder P(j)_xy) nicht auffindbar, so liegt ein Totalbruch der Werkzeugspitze vor und die weitere Bildauswertung erübrigt sich.If the points P (i) xy and / or P (j) _xy ) can not be found, then there is a total break of the tool tip and the further image evaluation is superfluous.

Mit dem beschriebenen Szenenanfangstest sowie den in der Einstellphase eingegebenen geomatrischen Daten des Werkstücks (x, ± Δχ,, δχ, бу) erhält man die in Fig.4 gezeigte Bildbeschreibung der für die Aufgaben wesentlichen Schneidkanten durch Ketten von Freeman-Zahlen. Diese Ketten sind hier zur Veranschaulichung im Rasterbild (s. Fig. 4) eingetragen. Im Speicher des Rechners stehen jedoch nur die Folgen von Freeman-Zahlen.With the described scene start test as well as the geomatric data of the workpiece (x, ± Δχ, δχ, бu) entered in the adjustment phase, one obtains the image description of the essential cutting edges by chains of Freeman numbers shown in FIG. These chains are shown here for illustration in the raster image (see Fig. 4). In the memory of the computer, however, are only the consequences of Freeman numbers.

Bei Bohrern müssen zwei Schneiden untersucht werden. Da beide einen durch den Bohrerdurchmesser bestimmten Abstand voneinander haben, ist nach dem erläuterten Anfangstest mit dem Anfang der einen Schneide auch der der anderen festgelegt. Die beiden zugehörigen Freeman-Ketten werden mit Eingangs-Ketten INKET bezeichnet.For drills, two cutting edges must be inspected. Since both have a distance determined by the drill diameter from each other, the beginning of the one cutting edge and the other is determined by the described initial test. The two associated Freeman chains are called INKET input chains.

6. Die erzeugten Freeman-Ketten werden mit den Ketten der Schneidkanten eines Modellbohrers gleichen Typs und gleicher Größe verglichen. Als solches Referenzwerkzeug dient ein unbeschädigter Bohrer der gleichen Charge im arbeitsscharfen Anfangszustand. Die von diesen gewonnenen zwei Freeman-Ketten werden Modell-Ketten MOKET genannt.6. The generated Freeman chains are compared with the chains of the cutting edges of a model drill of the same type and size. As such a reference tool is an undamaged drill of the same batch in the working start condition. The two freeman chains won by them are called model chains MOKET.

Der direkte Vergleich der Modellketten MOKET des Referenzwerkzeuges mit den Eingangsketten INKET des zu prüfenden Bohrers wird zwischen den Kettenelementen MOK und INK der gegebenen Ketten nach der Tabelle in Fig. 8 lokal und paarweise durchgefiltert. Hierbei sind unter bestimmten Bedingungen die Wiederholung (WDG) des einen Elementes der Modellkette oder des anderen der Eingangskette zu berücksichtigen. Das Vergleichsergebnis wird in einer Differenzkette DIFKET abgelegt, die aus Segmenten DIF mit keinem oder ein bis drei Kettenelementen (Freeman-Zahlen) gemäß Tabelle aufgebaut ist. Fig. 7 erläutert im einzelnen den Vergleichsvorgang, zeigt das Vergleichsresultat (rechts) und die Sequenz des Vorganges (unten), wobei die Wiederholungen durch in Klammer gesetzte Freeman-Zahlen ausgedrückt und mit Δ AB und Δ FL die horizontalen Abstands- und Flächeninkremente dort angeschrieben sind, wo sie stehen. Da die Freeman-Ketten eine stark komprimierte Bildbeschreibung repräsentieren, ist für deren Abspeicherung nur ein kleiner Platzbedarf notwendig. Damit lassen sich Modellketten einer großen Anzahl von Werkzeugen im Rechner abspeichern, womit eine Vielzahl von Werkzeugen überprüfbar ist.The direct comparison of the model chains MOKET of the reference tool with the input chains INKET of the drill to be tested is filtered locally between the chain elements MOK and INK of the given chains according to the table in FIG. 8 and in pairs. In this case, the repetition (WDG) of one element of the model chain or of the other of the input chain must be taken into account under certain conditions. The comparison result is stored in a difference chain DIFKET, which is composed of segments DIF with no or one to three chain elements (Freeman numbers) according to the table. Fig. 7 explains in more detail the comparison process, showing the comparison result (right) and the sequence of the process (below), where the repetitions are expressed by bracketed Freeman numbers and the Δ AB and Δ FL are written to the horizontal distance and area increments are where they stand. Since the Freeman chains represent a highly compressed image description, only a small space requirement is necessary for their storage. Thus, model chains of a large number of tools can be stored in the computer, with which a large number of tools can be checked.

7. Die Differenzkette beschreibt durch ihre Ausbuchtungen alle Kettenunterschiede, die durch Merkmale meßtechnisch erfaßbar sind. Hierzu werden (s. Fig.7, rechts):7. The differential chain describes by their bulges all chain differences that are metrologically detectable by features. For this purpose (see Fig.7, right):

Globale Merkmale: Kettenlänge CEL, Sehnenlänge SEL, Wölbung COV = CEL - SELund Anzahl NRder Ausbuchtungen und lokale Merkmale: Sehnenlänge SL, KettenlängeCL, Umfang UM = SL + CL,TiefeTFund Fläche FLeinerjeden Ausbuchtung gewählt.Global features: chain length CEL, chord length SEL, camber COV = CEL - SEL, and number NRder bulges and local features: chord length SL, chain length CL, circumference UM = SL + CL, depth TF, and area FL selected for each bulge.

Diese Merkmale lassen sich einfach durch Aufsummieren von Inkrementen berechnen.These features can be easily calculated by adding increments.

Die Werkzeugqualität wird nach der größten Ausbuchtung in der Differenzkette entschieden. Dazu dient ein binarerThe tool quality is decided after the largest bulge in the differential chain. This is a binary

Baumklassifikator (Fig.9), dessen Parameter M die Qualitatsausgabe verschlüsselt und daher maximiert wird.Tree classifier (FIG. 9) whose parameter M encodes the quality output and is therefore maximized.

8. Mit Fig. 10 wird der Vergleich zweier realer, durch Freemanketten beschrieben Schneidkanten aus Fig. 4, Merkmalswerte aus ihrer Differenzkette und das Klassifikationsergebnis gezeigt.8. FIG. 10 shows the comparison of two real cutting edges of FIG. 4 described by free-edge chains, feature values from their difference chain and the classification result.

9. Das Klassifikationsergebnis wird an die Werkzeugmaschinensteuerung 70 übergeben, die entsprechend diesem Ergebnis ein Signal zum Stop der Werkzeugmaschine 80, zum Werkzeugwechsel oder zur Weiterarbeit auslöst.9. The classification result is passed to the machine tool control 70, which triggers a signal according to this result to stop the machine tool 80, for tool change or for further work.

Claims

Invention claim:

1. Arrangement for the automatic monitoring of single- and multi-bladed tools on processing machines, characterized in that a solid line scan camera (20) with motor focal length adjustable lens for generating a two-dimensional image of the tool the tool turret or the tool spindle is rigidly mounted that a lighting device is provided, which illuminates the moving tool directed so that each cutting edge is highlighted as an optical edge and scanned by the camera as a gray value image that the tool (10) is moved evenly in the line by line optical scanning, the speed is so large is that with all the scanned lines at least one complete development of the tool (10) or its total length is detected and that the camera (20) is connected to a digital image evaluation unit, the at least one A / D converter (30) and a Arithmetic unit (50; 60) with memory (40) consists, by means of which from the gray-digitized raster image, the cutting edge representing optical edges coded ', encoded into directional and node symbols are combined and stored to chains -Freeman chains, a determination of the Werzeugposition takes place by the starting points or Areas of the optical edges representing the edges are determined by selecting the areas which are not damaged during the machining process and which at the same time in the chain representation result in a typical sequence of chain elements or typical combinations of chain pieces, the signals of the Freeman chain elements the cutting edges of the tool under test (10) are compared with the signals of the chain elements of the Freeman chains - model chains - the cutting edges of undamaged reference tools, which are previously determined and stored, the result of the comparison difference Freem An-chains are those that include the differences of the compared chains in the comparison as feature values and the difference chains are classified for the decision of the tool state, the classification thresholds are determined in a previous learning phase.

2. Arrangement according to item 1, characterized in that the image processing is completely realized by a processor which is programmed in parallel by a microcomputer for the successive processing stages in accordance with or in accordance with a pipeline arrangement and wherein the microcomputer controls the data flow.

3. Arrangement according to item 1 and 2, characterized in that by the storage of different edge descriptions as references (models) different cutting tools are monitoring bar.

4. Arrangement according to item 1 and 2, characterized in that the generation of the freeman and node coding for the Freeman chain representation and the generation of the segments for the difference chain are implemented by table query, whereby a fast processing is ensured.

5. Arrangement according to item 1 to 4, characterized in that after detection of a cutting edge deformation or an outbreak early on an automatic tool change can be caused, whereby scrap can be reduced or avoided and machine damage can be prevented.

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