TWI407242B - Multi - axis tool grinding machine tool grinding image detection system - Google Patents

Description

多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統

本發明係關於一種影像檢測系統，尤指一種用以檢測多軸工具磨床刀具研磨的影像檢測系統。

按，近年來隨著工業的迅速發展與繁榮，切削技術也日益提升，在對於加工各種機械零件高精度化及提高生產效率的要求及目的下，刀具的幾何形狀精度已成為影響切削品質的關鍵之一，而刀具品質的好壞，則取決於刀具的刀刃研磨，也是決定刀具幾何形狀精度及切削性能的關鍵，其係能直接影響刀具的性能、刃口磨損、刀具壽命、切削加工的精度、切削效率、切削表面品質...等等的特性；然而，刀具除了研磨前後有精度的問題，在刀具研磨的過程中砂輪也會相對磨損，亦會造成研磨刀具的精度誤差，因此，待刀具完成研磨後，必須將刀具拆卸並裝設至一刀具檢測機台進行檢測，方能得知刀具的研磨精度是否達到要求，所以，既有刀具在研磨後，必須將刀具拆下並放置於一檢測機台進行尺寸檢測，使既有刀具的研磨與檢測必須分開進行，而無法有效地於研磨過程中即時地得知刀具的研磨尺寸，不僅會相對增加刀具研磨所需的成本與時間，亦會對於刀具的研磨精度造成影響，誠有加以改進之處。

因此，本發明有鑑於既有檢測刀具研磨精度的缺失與不足，特經過不斷的試驗與研究，終於發展出一種能改進現有缺失之本發明。

本發明主要在於提供一種多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其係可透過影像處理與量測的方式，即時地檢測出刀具的研磨精度，提供一可方便操作、即時監控、提高研磨精度及降低成本的影像檢測系統者之目的者。

基於上述目的，本發明之主要技術手段在於提供一種多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其係設有一工具磨床、一機器視覺裝置及一人機介面處理裝置，其中：該工具磨床於主軸及工作台間設有一用以夾持刀具的夾具，該工具磨床設有一用以控制各軸作動且具有一傳輸介面的控制器；該機器視覺裝置可拆卸地組裝於該工具磨床上且設有一夾治具及一影像擷取組，該夾治具可拆卸地與該工具磨床的主軸相結合，該夾治具朝該工作台方向設有一延伸座，而該影像擷取組係與該夾治具相結合且設有一攝影機、一鏡頭及一光源組，該攝影機係固設於該延伸座上且設有一傳輸介面，該鏡頭係與該攝影機相結合且朝向該工作台，該光源組係提供該鏡頭一光源；以及該人機介面處理裝置分別與該工具磨床及該機器視覺裝置相連接且設有一電腦，該電腦與該控制器及該攝影機相電性連接且以一圖示教導方式提醒使用者操作流程，該電腦內係設有一影像處理模組及一機械座標處理模組，該影像處理模組設有一用以將該機器視覺裝置所取得的數位影像經由該攝影機的傳輸介面而傳送至該電腦的中進行影像處理的影像運算程式，而該機械座標處理模組係與該控制器相電性連接，並經由該控制器的傳輸介面而擷取到工具磨床各軸移動所產生的機械座標訊號，將所擷取到的機械座訊號顯示於該電腦的螢幕上並進行影像檢測。

進一步，該影像擷取組係對於所擷取的數位影像進行影像疊加後進行切割，藉以取得待測刀具一受檢測的區域，並對於該受檢測的區域進行二值化處理及形態學運算。

再進一步，該影像擷取組透過一索柏運算子和一霍式轉換，找出待測刀具輪廓邊界以便進行刀具直徑或邊緣直線的量測，並且利用最小平方法求出待測刀具圓弧處的中心及半徑。

較佳地，該機械座標處理模組係於該數位影像畫上一中心十字線，透過移動該中心十字線的方式，計算出待測刀具的幾何尺寸。

較佳地，該工具磨床於主軸的兩側係分別設有一朝前水平伸設於該工具磨床工作台上方的噴油導管，而該夾治具的兩端係可拆卸地與兩噴油導管相結合。

較佳地，該控制器的傳輸介面係為一乙太網路的傳輸介面，且該控制器係透過TCP/IP通訊協定與該機械座標處理模組進行訊號的傳輸與溝通，而該攝影機的傳輸介面係為一IEEE 1394b的傳輸介面。

較佳地，該夾治具於靠近該延伸座的的中段處設有一快拆裝置，使該夾治具可方便地裝設於該工具磨床上。

較佳地，該攝影機係為一漸進式掃描攝影機，而該鏡頭係為一體積較小且影像失真率低的物側遠心鏡頭。

較佳地，該光源組係為一與該延伸座相結合且位於該鏡頭前端的前照式光源組，該前照式光源組係設有一可正面照明檢測刀具表面特徵的環形光源。

較佳地，該光源組係為一位於工作台上的背照式光源組，該背照式光源組係設有一可產生對比強烈物體輪廓線之擴散背光板。

藉由上述之技術手段，本發明多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，係至少具有以下的優點及功效：

1.本發明多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統於檢測刀具時，僅需將待測刀具治放於該工具磨床的夾具上，即可方便地透過該人機介面處理裝置的檢測模式對於刀具進行檢測，其中該人機介面處理裝置的檢測模式係可分為機械座標檢測模式與影像分析模式，其中該機械座標模式主要係利用工具磨床移動該影像擷取組的方式，透過控制器紀錄刀具不同位置的機械座標數據，透過該機械座標處理模組的運算後，獲得待測刀具的外徑、螺旋角、倒角等基本的外型尺寸，而該影像分析模式則是透過該影像運算程式計算出待測刀具的幾何外型尺寸。

2.本發明多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，係可於線上即時地對於刀具的幾何尺寸進行檢測，不需再將刀具卸除並組裝於一檢測機台進行尺寸檢測，可方便且快速地於線上進行刀具的補正及再研磨，不僅可大幅提高刀具的研磨精度，且可減少材料的浪費及降低加工成本。

3.本發明多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統的人機介面處理裝置，係可以教導式說明指引使用者操作流程，讓操作者易學習檢測流程。

為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，玆進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如后，請參閱如圖1及2所示，本發明之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統係包含有一工具磨床10、一機器視覺裝置20及一人機介面處理裝置30，其中：該工具磨床10係為一五軸工具磨床，該五軸工具磨床係包含有三個線性軸(X、Y及Z軸)及兩旋轉軸(C及A軸)，該工具磨床10於主軸11(位於Z軸方向)的兩側係分別設有一朝前水平伸設於該工具磨床10工作台12(位於X-Y軸平面)上方的噴油導管13，該工具磨床10設有一用以夾持刀具的夾具14，使該待測的刀具50可設於該工具磨床10的主軸11及工作台12之間，其中該待測刀具50係可為一端銑刀、一鉸刀或一鑽頭，該工具磨床10另設有一用以控制該工具磨床10各線性軸及旋轉軸作動的控制器15，該控制器15係設有一乙太網路(Ethernet)的傳輸介面，較佳地，該控制器15係透過TCP/IP通訊協定進行訊號的傳輸與溝通且設有四個埠(port)，該工具磨床10的工作行程約為200~380公厘(mm)，且定位精度為4微米(μm)，重現性精度為3微米(μm)；該機器視覺裝置20係可拆卸地組裝於該工具磨床10上且設有一夾治具21及一影像擷取組22，該夾治具21的兩端係可拆卸地與該工具磨床10的兩噴油導管13相結合，該夾治具21另朝該工作台方向設有一延伸座23，較佳地，該夾治具21於靠近該延伸座23的的中段處係設有一快折裝置24，使該夾治具21可方便地裝設於該工具磨床10上，該影像擷取組22係與該夾治具21相結合且設有一攝影機25、一鏡頭26及一光源組27，其中該攝影機25係固設於該夾治具21的延伸座23上且設有一IEEE 1394b的傳輸介 面，較佳地，該攝影機25係為一電耦合元件攝影機(Charge-Coupled Device Camera；CCD Camera)，較佳地，該攝影機25係為一漸進式掃描攝影機(Progressive Scan CCD Camera)，其優點是可在同一時間擷取到一張完整的畫面，不會因為物體移動而造成模糊不清的影像，適合在動態的環境下拍攝；該鏡頭26係與該攝影機25相結合且朝向該工具磨床10的工作台12，較佳地，該鏡頭26係為一體積較小且影像失真率低的物側遠心鏡頭(Telecentric Lens)，該光源組27係用以提供該鏡頭26一光源，使該鏡頭26可擷取該待測刀具50的數位影像，較佳地，該光源組27可為一與該延伸座23相結合且位於該鏡頭26前端的前照式光源組或者一位於工作台12上的背照式光源組，較佳地，該前照式光源組係設有一環形光源271，該環形光源271係可正面照明檢測刀具50的表面特徵，經過紅色、綠色以及藍色三種顏色光源照射測試，其中以紅色光照射金屬表面成像特徵較明顯，故可使用一環型紅色發光二極體(LED)光源，較佳地，該背照式光源組係設有一可產生對比強烈的物體輪廓線之擴散背光板272，作為物體尺寸檢測之用，因此選用背光照明方式檢測刀具50外徑、圓弧半徑以及角度等使用，可為一紅色發光二極體(LED)的擴散背光板272；以及該人機介面處理裝置30係分別與該工具磨床10及該機器視覺裝置20相連接且設有一電腦31，該電腦31係與該工具磨床10的控制器15及該機器視覺裝置20的攝影機25相電性連接且以一圖示教導方式提醒使用者操作流程，該電腦31內係設有一影像處理模組32及一機械座標處理模組33，該影像處理模組32係設有一影像運算程式321，其中該機器視覺裝置20所取得的數位影像係經由該攝影機25的傳輸介面(IEEE 1394b)而傳送至該電腦31的影像處理模組32中，由於原始影像中包含有許多不必要的雜訊與缺陷，或者原始影像中的特徵訊息不完整，所以必須進一步對於影像進行分析與處理，因此，藉由該影像運算程式321對於原始影像進行處理可得到該更明確的待測刀具50特徵影像資訊；其中係可如圖3所示將該影像擷取組22所擷取的數位影像疊加後進行切割，藉以取得待測刀具50一受檢測的區域(Region of Interest；ROI)，使該影像運算程式321僅需對於該局部切割之受檢測的區域進行影像處理，不僅可提高影像運算效率且可降低該影像運算程式321的運算量，並對於該受檢測的區域(ROI)進行二值化處理及形態學運算；其中該二值化處理係為影像分割中最重要的方法之一，在影像進行分析前的第一步是進行影像分割，主要係如圖4所示將一張影像中的像素點(M×N個像素，如：1296×966)分成兩個族群，以一灰階臨界值來區分目標物與背景，以達到影像分割的目的，利用一直方圖可求得臨界值(T ₀ )，並以臨界值(T ₀ )為基準將影像二值化，其中當影像中像素的灰階值大於臨界值(T ₀ )者，則該點的灰階值變為255，反之，當影像的灰階值小於臨界值(T ₀ )者，則灰階值變為0，其中該影像灰階值函數係如方程式(1)所示：

其中x和y表示空間座標，而任意點(x,y)的f值表示該點影像的灰階值；該形態學運算係包含有膨脹(Dilation)、侵蝕(Erosion)、斷開(Opening)及閉合(Closing)等運算方法，透過二元影像運算的方式，取得與刀具50實際外觀輪廓及尺寸相對應的數位影像，並可藉由一如方程式(2)所示之索柏運算子(Sobel Operator)求出該影像灰階值函數梯度之強度：

其中G _x 為計算水平梯度的運算子，G _y 為計算垂直梯度的運算子，因此，適當的選取遮罩G _x 及G _y 內的值，可以將水平垂直及方向變化劇烈的灰階值表現出來，即實現待測刀具50的邊緣描述，可解析出影像中對比度高的部分及物體的外觀輪廓或特徵，使原始影像經過G_x 、G_y 水平垂直方向梯度運算子的運算後，能得到明顯的邊緣結果；再則，亦可透過一霍氏轉換(Hough Transform)對於線段進行檢測，其包含有兩種主要的形式，其中一種係用斜率表示，而另一種係使用角度與距離的方式表示，其表示方式係分別如方程式(3)及(4)所示：

y =mx +b

(3)

R=x cosθ+y sinθ

(4)

其中m為斜率，其運算上的優點就是即便線段有斷裂或雜訊的干擾依然不影響求取線段，而直線亦可由兩個參數R和θ來表示，其中R為直線到原點的垂直距離，θ為直線的垂直線與X軸的相交角度，可用以解決當m值為無限大的問題；因此，利用該索柏運算子(Sobel Operator)和該霍式轉換(Hough Transform)，係可如圖5所示找到待測刀具50輪廓邊界以便進行刀具50直徑或邊緣直線的量測，並且可利用最小平方法(Least Square Method)(此方法為習知技術，故不闡述)，如圖6所示來求出待測刀具50圓弧處的中心及半徑；藉由該影像運算程式321的運算後，係可將經該機器視覺裝置20所擷取到的影像進行處理並透過運算該影像點到點的距離、點到直線的距離、兩點的平行距離及兩直線相交的夾角等公式而如圖7所示推算出待測刀具50的幾何尺寸(包含待測刀具的外徑、圓弧半徑、螺旋角、倒角、軸向離隙角、軸向餘隙角等的幾何特徵)；以及該機械座標處理模組33係與該工具磨床10的控制器15相電性連接，該機械座標處理模組33係經由該控制器15的傳輸介面(Ethernet)而擷取到工具磨床10各軸(X、Y、X、C及A軸)移動所產生的機械座標訊號，並對於所擷取到的機械座訊號顯示於該電腦31的螢幕311上，將該攝影機25連續擷取影像顯示該電腦31的螢幕31上，於該數位影像畫上一中心十字線，透過移動該中心十字線的方式，即可如圖8所示計算出待測刀具50的幾何尺寸(包括待測刀具的外徑、倒角、倒角寬(高)、鑽尖角、螺旋角及軸向離(隙)隙角等幾何特徵)，該機械座標處理模組33與該影像處理模組32的量測畫面不同之處，在於該機械座標處理模組33的畫面為一即時影像監控，而該影像處理模組32的畫面為單一影像擷取及動態影像疊加的形式。

藉由上述的技術手段，本發明工具磨床刀具研磨影像檢測系統於檢測刀具50時，需先對於人機介面處理裝置30的影像處理模組32及機械座標處理模組33進行校正，如圖9所示藉以取得系統的校正因子(Scaling Factor)，進而讓校正後的影像處理模組32及機械座標處理模組33，可精確地檢測出的待測刀具50幾何尺寸值，其中如表1~8所示，係為本發明工具

磨床刀具研磨影像檢測系統的機械座標處理模組33檢測結果與一工具顯微鏡(OLYMPUS STM6)檢測結果之比較表。

而透過該影像處理模組32所得到的檢測結果與一量測裝置(Zoller)之比較係如表9~16所示：

藉由上述的技術手段，本發明工具磨床刀具研磨影像檢測系統於檢測使用時，其係可在不破壞工具磨床10結構的情況下，快速且方便地將該機器視覺裝置20組裝於該工具磨床10上，且可透過該整合軟體及硬體之人機介面處理裝置30的影像處理模組32及機械座標處理模組33的交互使用及驗證的方式，即時地在線上對於待測刀具50進行尺寸的檢測，且可隨時地監控刀具50的研磨精度，不僅可減少研磨過程中失敗的成本支出，且可藉由淺顯易懂的圖示教導方式，讓操作者可以依循步驟完成刀具50檢測，有效改善既有刀具檢測設備繁雜的操作流程，再則，應用數位影像的處理技術，可大幅減少人為操作上的誤差，進而有效提供一可方便操作、即時監控、提高研磨精度及降低成本的多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統者。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制，任何所屬技術領域中具有通常知識者，若在不脫離本發明所提技術方案的範圍內，利用本發明所揭示技術內容所作出局部更動或修飾的等效實施例，並且未脫離本發明的技術方案內容，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10．．．工具磨床

11．．．主軸

12．．．工作台

13．．．噴油導管

14．．．夾具

15．．．控制器

20．．．機器視覺裝置

21．．．夾治具

22．．．影像擷取組

23．．．延伸座

24．．．快拆裝置

25．．．攝影機

26．．．鏡頭

27．．．光源組

271．．．環形光源

272．．．擴散背光板

30．．．人機介面處理裝置

31．．．電腦

311．．．螢幕

32．．．影像處理模組

321．．．影像運算程式

33．．．機械座標處理模組

50．．．刀具

圖1係本發明多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統之結構配置示意圖。

圖2係本發明多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統之操作流程方塊圖。

圖3係本發明對於刀具數位影像切割出受檢測區域之操作示意圖。

圖4係本發明M×N陣列之數位影像示意圖。

圖5係本發明透過索柏運算子和霍式轉換對於待測刀具輪廓邊界進行邊緣直線的檢測流程圖。

圖6係本發明透過索柏運算子和最小平方法對於待測刀具圓弧處的中心及半徑進行檢測之流程圖。

圖7係本發明透過該影像處理模組運算後，推算出待測刀具的幾何尺寸示意圖。

圖8係本發明透過該機械座標處理模組運算後，推算出待測刀具的幾何尺寸示意圖。

圖9係本發明進行刀具檢測前進行校正之方塊流程圖。

10．．．工具磨床

11．．．主軸

12．．．工作台

13．．．噴油導管

14．．．夾具

15．．．控制器

20．．．機器視覺裝置

21．．．夾治具

22．．．影像擷取組

23．．．延伸座

24．．．快拆裝置

25．．．攝影機

26．．．鏡頭

27．．．光源組

271．．．環形光源

272．．．擴散背光板

30．．．人機介面處理裝置

31．．．電腦

311．．．螢幕

50．．．刀具

Claims (18)

1. 一種多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其係包含有一工具磨床、一機器視覺裝置及一人機介面處理裝置，其中：該工具磨床於主軸及工作台間設有一用以夾持刀具的夾具，該工具磨床設有一用以控制各軸作動且具有一傳輸介面的控制器；該機器視覺裝置可拆卸地組裝於該工具磨床上且設有一夾治具及一影像擷取組，該夾治具可拆卸地與該工具磨床的主軸相結合，該夾治具朝該工作台方向設有一延伸座，而該影像擷取組係與該夾治具相結合且設有一攝影機、一鏡頭及一光源組，該攝影機係固設於該延伸座上且設有一傳輸介面，該鏡頭係與該攝影機相結合且朝向該工作台，該光源組係提供該鏡頭一光源；以及該人機介面處理裝置分別與該工具磨床及該機器視覺裝置相連接且設有一電腦，該電腦與該控制器及該攝影機相電性連接且以一圖示教導方式提醒使用者操作流程，該電腦內係設有一影像處理模組及一機械座標處理模組，該影像處理模組設有一用以將該機器視覺裝置所取得的數位影像經由該攝影機的傳輸介面而傳送至該電腦的中進行影像處理的影像運算程式，而該機械座標處理模組係與該控制器相電性連接，並經由該控制器的傳輸介面而擷取到工具磨床各軸移動所產生的機械座標訊號，將所擷取到的機械座訊號顯示於該電腦的螢幕上並進行影像檢測。
2. 如請求項1所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該影像擷取組係對於所擷取的數位影像進行影像疊加後進行切割，藉以取得待測刀具一受檢測的區域，並對於該受檢測的區域進行二值化處理及形態學運算。
3. 如請求項2所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該影像擷取組透過一索柏運算子和一霍式轉換，找出待測刀具輪廓邊界以便進行刀具直徑或邊緣直線的量測，並且利用最小平方法求出待測刀具圓弧處的中心及半徑。
4. 如請求項3所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該機械座標處理模組係於該數位影像畫上一中心十字線，透過移動該中心十字線的方式，計算出待測刀具的幾何尺寸。
5. 如請求項4所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該工具磨床於主軸的兩側係分別設有一朝前水平伸設於該工具磨床工作台上方的噴油導管，而該夾治具的兩端係可拆卸地與兩噴油導管相結合。
6. 如請求項5所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該控制器的傳輸介面係為一乙太網路 的傳輸介面，且該控制器係透過TCP/IP通訊協定與該機械座標處理模組進行訊號的傳輸與溝通，而該攝影機的傳輸介面係為一IEEE 1394b的傳輸介面。
7. 如請求第6所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該夾治具於靠近該延伸座的的中段處設有一快拆裝置，使該夾治具可方便地裝設於該工具磨床上。
8. 如請求項7所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該攝影機係為一漸進式掃描攝影機，而該鏡頭係為一體積較小且影像失真率低的物側遠心鏡頭。
9. 如請求項8所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該光源組係為一與該延伸座相結合且位於該鏡頭前端的前照式光源組，該前照式光源組係設有一可正面照明檢測刀具表面特徵的環形光源。
10. 如請求項8所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該光源組係為一位於工作台上的背照式光源組，該背照式光源組係設有一可產生對比強烈物體輪廓線之擴散背光板。
11. 如請求項1所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該影像擷取組透過一索柏運算子和一霍式轉換，找出待測刀具輪廓邊界以便進行刀具直徑或邊緣直線的量測，並且利用最小平方法求出待測刀具圓弧處的中心及半徑。
12. 如請求項1所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該機械座標處理模組係於該數位影像畫上一中心十字線，透過移動該中心十字線的方式，計算出待測刀具的幾何尺寸。
13. 如請求項1所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該工具磨床於主軸的兩側係分別設有一朝前水平伸設於該工具磨床工作台上方的噴油導管，而該夾治具的兩端係可拆卸地與兩噴油導管相結合。
14. 如請求項1所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該控制器的傳輸介面係為一乙太網路的傳輸介面，且該控制器係透過TCP/IP通訊協定與該機械座標處理模組進行訊號的傳輸與溝通，而該攝影機的傳輸介面係為一IEEE 1394b的傳輸介面。
15. 如請求項1所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該夾治具於靠近該延伸座的的中段處設有一快拆裝置，使該夾治具可方便地裝設於該工具磨床上。
16. 如請求項1所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該攝影機係為一漸進式掃描攝影機，而該鏡頭係為一體積較小且影像失真率低的物側遠心鏡頭。
17. 如請求項1所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該光源組係為一與該延伸座相結合且位於該鏡頭前端的前照式光源組，該前照式光源組係設有一可正面照明檢測刀具表面特徵的環形光源。
18. 如請求項1所述之多軸工具磨床刀具研磨影像檢測系統，其中該光源組係為一位於工作台上的背照式光源組，該背照式光源組係設有一可產生對比強烈物體輪廓線之擴散背光板。