TW201819104A - 刀具檢測系統與刀具檢測方法 - Google Patents

刀具檢測系統與刀具檢測方法 Download PDF

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Abstract

一種刀具檢測系統，適於檢測刀具存放庫內之刀具。刀具存放庫具有多個刀具夾槽。刀具檢測系統包含一影像擷取裝置及一檢測控制裝置。影像擷取裝置與所擷取之刀具夾槽同軸設置，並可沿所擷取之刀具夾槽之一中心軸線位移。檢測控制裝置用以控制影像擷取裝置擷取位於所擷取之刀具夾槽內之一刀具以獲得一刀具端面影像。刀具端面影像具有一刀刃磨損區域。從刀刃磨損區域的邊緣像素分佈取得相互正交的一長軸與一短軸。其中當刀刃磨損區域於短軸方向上投影的一最大寬度值大於一臨界寬度時，檢測控制裝置發出一換刀警示訊號。

Description

刀具檢測系統與刀具檢測方法
本發明係關於一種刀具檢測系統與刀具檢測方法，特別是一種應用於刀具存放庫的刀具檢測系統與刀具檢測方法。
在金屬切削加工產業中，刀具是最重要的加工終端工具之一，刀具與工件間的相對運動為一劇烈的滑動接觸，所以刀具磨耗的發生是無可避免。當刀具磨損至一定程度時，因刀具的有效幾何形狀已改變，將會使刀具與工件的接觸面積增加，進而造成切削力增加、刀具溫度上升、機台振動變大，導致被加工件的形狀精度與表面粗糙度不如預期。所以，適時地更換刀具可有效控制加工件的品質。然而，為避免刀具磨耗及落後換刀所導致的加工品質不良，傳統機械加工廠大多根據人為經驗進行過於保守的換刀時機判斷，此做法不僅造成刀具浪費，且每次更換刀具都需進行拆裝、量測和補正等步驟，將大幅拉長加工時間與降低生產效率。
面對上述問題與挑戰，已有許多專家學者投入刀具磨耗狀態檢測技術之研究，而這些檢測技術可概分為直接檢測與間接預估二類，其中直接檢測方式大多基於光學/機器視覺技術在機上進行刀具磨耗量之檢測，但通常須於刀具停止運作時執行，或須額外搭配特定的刀具移動程序來執行，因而可能影響既有之加工程序，且檢測系統易受安裝空間限制、切削液噴濺干擾之影響；間接預估方式則是在切削過程中，以外加特定感測器來取得可用以反映刀具磨耗程度之各項物理量(如振動、噪音、切削力等)變化，接著據此來推估刀具磨耗的情形，其準確性普遍低於直接檢測法，且易受工件材質、刀具幾何形狀、切削參數設定、切削路徑安排、雜訊干擾等因素影響。基於上述種種問題，使得刀具磨耗自動檢測技術目前仍無法廣泛普及於工廠使用。
本發明在於提供一種刀具檢測系統與刀具檢測方法，藉以解決先前技術中刀具檢測之精準度易受到工件材質、刀具幾何形狀、切削參數設定、切削路徑安排、雜訊干擾等因素干擾而造成刀具檢測結果失準的問題。
本發明之一實施例所揭露之刀具檢測系統，適於一刀具存放庫。刀具存放庫具有多個刀具夾槽。刀具檢測系統包含一影像擷取裝置及一檢測控制裝置。影像擷取裝置與所擷取之刀具夾槽同軸設置，並可沿所擷取之刀具夾槽之一中心軸線位移。檢測控制裝置用以控制影像擷取裝置擷取位於所擷取之刀具夾槽內之一刀具以獲得一刀具端面影像。刀具端面影像具有一刀刃磨損區域。從刀刃磨損區域的邊緣像素分佈取得相互正交的一長軸與一短軸。其中當刀刃磨損區域於短軸方向上投影的一最大寬度值大於一臨界寬度時，檢測控制裝置發出一換刀警示訊號。
本發明之另一實施例所揭露之刀具檢測方法，適於一刀具檢測系統，刀具檢測方法包含下列步驟。令一影像擷取裝置取得一刀具存放庫中一刀具的一刀具端面影像。對刀具端面影像進行一磨耗影像分析程序以取得一刀刃磨損區域及刀刃磨損區域的一最大寬度值。判斷最大寬度值是否超過刀具需汰換的一臨界寬度。若是，則發出一換刀警示訊號。
根據上述實施例之刀具檢測系統與刀具檢測方法，透過將刀刃磨損區域於短軸方向上投影的一最大寬度值與臨界寬度來作比較，若最大寬度值大於臨界寬度時，檢測控制裝置發出一換刀警示訊號，以提示使用者換刀時機。
此外，上述刀具檢測方法是在刀具存放庫中進行檢測，並非在工具機上進行檢測，故在進行刀具檢測時並不會影響工具機的加工。也就是說，上述刀具檢測方法可利用刀具存放於刀具存放庫的空檔來進行檢測，以提升整體的加工效率。
以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。
請參閱圖1。圖1為根據本發明第一實施例所述之刀具檢測系統與刀具存放庫的平面示意圖。
本實施例之刀具檢測系統10，適於一刀具存放庫20。刀具存放庫20具有多個刀具夾槽22，每一個刀具夾槽22用以夾設一刀具30。刀具存放庫20例如架設於一工具機40。工具機40包含一活動底座41、一夾治具42、一頭座43、一主軸44、一刀座45及一控制器46。夾治具42固定於活動底座41。頭座位於夾治具42上方，主軸44介於頭座43與夾治具42之間，並一端固定於頭座43。刀座45固定於主軸44，且刀座45用以夾持刀具30以對夾治具42固定的待加工物件加工。控制器46用以令刀具存放庫20之刀具30切換至刀座45上，或是令刀座45上之刀具30來進行加工。
刀具檢測系統10包含一支撐架100、一移動平台200、一影像擷取裝置300、一檢測控制裝置400及一人機介面裝置500。
支撐架100固定於刀具存放庫20。移動平台200可活動地設於支撐架100。影像擷取裝置300固定於移動平台200，且影像擷取裝置300與所擷取之刀具夾槽22同軸設置。所謂的同軸設置係指影像擷取裝置300之鏡頭的中心軸線與刀具夾槽22之中心軸線A共同。移動平台200用以帶動影像擷取裝置300沿所擷取之刀具夾槽22之中心軸線A相對靠近或遠離刀具夾槽22。
檢測控制裝置400用以控制影像擷取裝置300擷取位於所擷取之刀具夾槽22內之一刀具30以獲得一刀具端面影像(如圖3)。刀具端面影像具有一刀刃磨損區域Q(如圖7至圖10所示)，從刀刃磨損區域Q的邊緣像素分佈取得相互正交的一長軸L與一短軸S(如圖10)。當刀刃磨損區域Q於短軸S方向上投影的一最大寬度值Wmax(如圖11)大於一臨界寬度時，檢測控制裝置400發出一換刀警示訊號。其中，臨界寬度例如為加工歷史所得之可容許的最大寬度值或是參考相關ISO標準。詳細來說，例如在加工歷史經驗中，若遇到刀具切削加工出的工件品質恰低於使用者要求時，測得該刀具30之刀刃磨損區域於短軸S方向上投影的最大寬度值，此最大寬度值即作為可容許的最大寬度值。此外，又例如參考相關ISO標準，如ISO 3685建議碳化鎢車刀的臨界寬度為0.3毫米。
人機介面裝置500例如為平板電腦、筆記型電腦或桌上型電腦。人機介面裝置500具有一換刀警示燈號。當換刀警示訊號發出時，換刀警示燈號會發亮。其中，換刀警示燈號可以為從實體燈具發出或是從應用介面的虛擬圖像發出。此外，人機介面裝置500之應用介面具有一臨界寬度設定欄位。臨界寬度設定欄位用以輸入臨界寬度。此外，人機介面裝置之應用介面具有一刀具編號設定欄位及一刀具長度輸入欄位，檢測控制裝置可依據刀具長度輸入欄位所輸入之資訊來調整影像擷取裝置300與刀具夾槽22的間距。
接著繼續描述應用於刀具檢測系統10的檢測方法。請參閱圖2A至圖10。圖2A為應用於圖1之刀具檢測系統的檢測方法流程圖。圖2B為應用於圖1之刀具檢測系統的磨耗影像分析程序的流程圖。圖3至圖11為圖2B之磨耗影像分析程序影像示意圖。
每一把刀具30置於刀具存放庫20時，皆會輸入對應各刀具的刀具編號及刀具長度。接著說明如何透過刀具檢測系統10來檢測刀具30。
首先，如圖2A所示，步驟S100，取得對應刀具30的一刀長補正值。刀長補正值作為影像擷取裝置300之焦距與刀具30與影像擷取裝置300的間距D1的差值設定的依據。舉例來說，因每把刀具30的長度皆不相同，故影像擷取裝置300在擷取每一把刀具30之刀具端面影像時都必須依據刀長補正值調整影像擷取裝置300與刀具端面32的距離，使影像擷取裝置300能較清楚地擷取每一把刀具30的刀具端面影像。
接著，步驟S200，依據刀長補正值調整影像擷取裝置300與刀具30之刀具端面32的間距。詳細來說，當若刀具30之刀具端面32與影像擷取裝置300的間距D1不等於影像擷取裝置300之焦距時，則需依據刀長補正值來令間距D1等於影像擷取裝置300之焦距，以取得較佳的影像擷取品質。
接著，步驟S300，令一影像擷取裝置300取得一刀具存放庫20中一刀具30的一刀具端面影像(如圖3所示)。
接著，步驟S400，對刀具端面影像(如圖3所示)進行一磨耗影像分析程序以取得一刀刃磨損區域(如圖6)及刀刃磨損區域的一最大寬度值Wmax(如圖11)。
接著，步驟S500，判斷最大寬度值是否超過刀具需汰換的一臨界寬度，若是，則如步驟S510，發出一換刀警示訊號。若否，則如步驟S520，建立刀具30之一磨耗狀況資訊。磨耗狀況資訊例如為輕微、一般或堪用。值得注意的是，步驟S520是為了後續的選刀流程並非必要，故在其他實施例中，也可不建立刀具30的磨耗狀況資訊而直接退出檢測流程。
在上述之步驟S400中，磨耗影像分析程序更細分為，步驟S410，對刀具端面影像(如圖3)進行二值化處理以獲得一第一處理影像(如圖4)。步驟S420，對第一處理影像(如圖4)進行中值濾波處理以獲得一第二處理影像(如圖5)。步驟S430，對第二處理影像(如圖5)進行邊緣偵側以獲得刀刃磨損區域(如圖6)及刀刃磨損區域的多個邊緣像素座標(如圖7)。步驟S440，依據這些邊緣像素座標計算刀刃磨損區域的一中心點C座標(如圖8)。步驟S450，將座標原點移至刀刃磨損區域之中心點C座標(如圖9)。步驟S460，透過主成份分析取得刀刃磨損區域Q的相互正交的一長軸L與一短軸S(如圖10)。步驟S470，取得刀刃磨損區域Q於短軸S方向上投影的最大寬度值Wmax(如圖11)。
此外，刀具存放庫20內例如會擺放多把鑽孔用的刀具。每把刀具30的磨耗狀況不一定相同。因此透過上述刀具檢測方法可得對應多把刀具30的多筆磨耗狀況資訊。如圖2A中步驟S600，當取得對應多個刀具之多筆磨耗狀況資訊後，則這些磨耗狀況資訊可作為後續待加工程序的刀具選擇依據。舉例來說，若後續加工程序的時間較長，對刀具的負荷較大時，可選擇磨耗狀況較輕微的刀具，以降低換刀頻率，進而增加加工效率。此外，若後續加工程序的時間較短，對刀具的負荷較小時，可選擇磨耗狀況稍多的刀具，以儘可能在不換刀具的前提下對刀具進行有效利用。藉此可兼顧刀具利用性與加工效率。
根據上述實施例之刀具檢測系統與刀具檢測方法，透過將刀刃磨損區域於短軸方向上投影的一最大寬度值與臨界寬度來作比較，若最大寬度值大於臨界寬度時，檢測控制裝置發出一換刀警示訊號，以提示使用者換刀時機。
此外，上述刀具檢測方法可以是在刀具存放庫中進行檢測，而非在工具機上進行檢測，故在進行刀具檢測時不會影響工具機的加工。也就是說，上述刀具檢測方法可利用刀具存放於刀具存放庫的空檔來進行檢測，以提升整體的加工效率。
雖然本發明以前述之諸項實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧刀具檢測系統
20‧‧‧刀具存放庫
22‧‧‧刀具夾槽
30‧‧‧刀具
32‧‧‧刀具端面
40‧‧‧工具機
41‧‧‧活動底座
42‧‧‧夾治具
43‧‧‧頭座
44‧‧‧主軸
45‧‧‧刀座
46‧‧‧控制器
100‧‧‧支撐架
200‧‧‧移動平台
300‧‧‧影像擷取裝置
400‧‧‧檢測控制裝置
500‧‧‧人機介面裝置
Wmax‧‧‧最大寬度值
A‧‧‧中心軸線
C‧‧‧中心點
L‧‧‧長軸
S‧‧‧短軸
Q‧‧‧刀刃磨損區域
圖1為根據本發明第一實施例所述之刀具檢測系統與刀具存放庫的平面示意圖。 圖2A為應用於圖1之刀具檢測系統的檢測方法流程圖。 圖2B為應用於圖1之刀具檢測系統的磨耗影像分析程序的流程圖。 圖3至圖11為圖2B之磨耗影像分析程序影像示意圖。

Claims (11)

  1. 一種刀具檢測系統，適於一刀具存放庫，該刀具存放庫具有多個刀具夾槽，該刀具檢測系統包含： 一影像擷取裝置，該影像擷取裝置與所擷取之該刀具夾槽同軸設置，並可沿所擷取之該刀具夾槽之一中心軸線位移；以及一檢測控制裝置，該檢測控制裝置用以控制該影像擷取裝置擷取位於所擷取之該刀具夾槽內之一刀具以獲得一刀具端面影像，該刀具端面影像具有一刀刃磨損區域，從該刀刃磨損區域的邊緣像素分佈取得相互正交的一長軸與一短軸；其中當該刀刃磨損區域於該短軸方向上投影的一最大寬度值大於一臨界寬度時，該檢測控制裝置發出一換刀警示訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之刀具檢測系統，更包含一人機介面裝置，該人機介面裝置具有一換刀警示燈號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之刀具檢測系統，其中該人機介面裝置之應用介面具有一臨界寬度設定欄位，該臨界寬度設定欄位用以輸入該臨界寬度。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之刀具檢測系統，更包含一支撐架及一移動平台，該移動平台可活動地設於該支撐架，該影像擷取裝置固定於該移動平台，該移動平台用以帶動該影像擷取裝置相對靠近或遠離該刀具夾槽。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之刀具檢測系統，其中該人機介面裝置之應用介面具有一刀具編號設定欄位及一刀具長度輸入欄位，該檢測控制裝置可依據該刀具長度輸入欄位所輸入之資訊來調整該影像擷取裝置與該刀具夾槽的間距。
  6. 一種刀具檢測方法，適於一刀具檢測系統，該刀具檢測方法包含： 令一影像擷取裝置取得一刀具存放庫中一刀具的一刀具端面影像；對該刀具端面影像進行一磨耗影像分析程序以取得一刀刃磨損區域及該刀刃磨損區域的一最大寬度值；以及判斷該最大寬度值是否超過該刀具需汰換的一臨界寬度，若是，則發出一換刀警示訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之刀具檢測方法，其中於取得該刀具存放庫中該刀具的該刀具端面影像之步驟前，更包含： 取得對應該刀具的一刀長補正值；以及依據該刀長補正值調整該影像擷取裝置與該刀具的間距。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之刀具檢測方法，其中該磨耗影像分析程序包含： 對該刀具端面影像進行二值化處理以獲得一第一處理影像；對該第一處理影像進行中值濾波處理以獲得一第二處理影像；對該第二處理影像進行邊緣偵側以獲得該刀刃磨損區域及該刀刃磨損區域的多個邊緣像素座標；依據該些邊緣像素座標計算該刀刃磨損區域的一中心點座標；將座標原點移至該刀刃磨損區域之該中心點座標；取得該刀刃磨損區域的該最大寬度值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之刀具檢測方法，其中於將座標原點移至該該刀刃磨損區域之該中心點座標之步驟後，更包含： 透過主成份分析取得該刀刃磨損區域的相互正交的一長軸與一短軸；以及取得該刀刃磨損區域於該短軸方向上投影的該最大寬度值。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之刀具檢測方法，其中於判斷該最大寬度值是否超過該刀具需汰換的該臨界寬度之步驟中，更包含： 若否，則建立該刀具之一磨耗狀況資訊。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之刀具檢測方法，其中於判斷該最大寬度值是否超過該刀具需汰換的該臨界寬度之步驟後，更包含： 當取得對應多個刀具之多筆磨耗狀況資訊後，以該些磨耗狀況資訊作為後續待加工程序的刀具選擇依據。
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