WO2022022232A1 - 一种旋转刀具失效状态在机监测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转刀具失效状态在机监测系统及其检测方法。该监测系统包括：检测仪、数据处理控制器、刀具数据服务器以及霍尔电流传感器；根据刀具图像序列确定刀具直径和刀具长度，根据该刀具直径和刀具长度确定刀具磨损状态和破损状态；利用霍尔电流传感器获取主轴电流信号，并根据该主轴电流信号确定刀具的崩刃状态和折断状态。采用本发明能够实现了一个高效、灵敏、覆盖加工全过程的通用型刀具失效状态在机实时监测系统，帮助避免刀具失效造成的零件报废，提高刀具利用率，降低加工成本。

Description

一种旋转刀具失效状态在机监测系统及其检测方法

本申请要求于2020年07月27日提交中国专利局、申请号为202010731121.9、发明名称为“一种旋转刀具失效状态在机监测系统及其检测方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及旋转刀具失效状态在机监测领域，特别是涉及一种旋转刀具失效状态在机监测系统及其检测方法。

背景技术

对回转体刀具进行在机检测涉及五个相互独立的功能，分别是：对刀、微细刀具的多视角检测、刀具跳动检测、前后刀面的逐齿磨损检测、全加工过程的实时监测，其中，前四个功能只能在加工前和加工后运行，而第五个功能可对数控加工全过程中的刀具状态进行实时监测，这五个功能相互独立，分别关注了刀具在机状态的某一特定属性。本文仅针对全加工过程的实时监测这一功能进行研究。

在数控加工过程中刀具可能会发生失效，主要形式是磨损和破损，其中磨损是刀具切削工件所导致的渐进性失效，而破损包括刀具崩刃或折断则是在切削过程中的突发性失效。刀具失效时应及时更换刀具，如果更换过早，会增加不必要的刀具消耗和生产成本，如果更换太晚，则可能导致工件尺寸超差和表面划伤，严重时甚至可能伤害操作人员和破坏机床；因此在线监测铣刀等回转体刀具的失效状态具有重要意义。根据所采用检测信号的性质，目前存在三类技术，这些技术的特点及存在的缺陷如下，难以满足生产大量使用的回转体刀具失效状态在机监测的需求：

(1)间接测量法通过测量与刀具磨破损内在相关物理量如工作台振动、主轴电流、切削力、声发射等信号来推断刀具状态，对于刀具破损，其引起关联信号的变化通常较为明显，因此刀具破损检测技术已相对较为成熟，但对于刀具磨损，由于加工过程的复杂性和磨损过程的渐进性，现有间接测量法虽能够在恶劣的加工过程中实时地检测刀具磨损状况，但测量的灵敏度和精度不够， 容易误报警或漏报警，而且监测系统对不同加工条件的通用性不足。

(2)直接测量法通过测量切削刃在体积或形状上的改变检测刀具失效，包括光学图像法和激光检测法。其中，光学图像法具有测量精度高、直观通用性的优点，但要求主轴停转，需拆卸刀具离线检测或人工辅助在线测量，操作繁琐而费时，造成生产停顿，大大影响了生产效率。回转体刀具磨损状态在线自动检测装置提出了非远心成像的双相机3D视觉技术方案，可以旋转状态下对刀具磨损进行逐齿监测，但双相机检测原理较为复杂，需要利用安装在机床主轴上的靶物，通过机床各轴运动形成虚拟空间三维标定靶物，进行相机坐标系与机床坐标系的精确标定，再根据回转体约束进行刀具最大扫掠体的三维建模，测量效率低、计算复杂，测量误差环节多、效率低。此外受测量原理限制，这一方法不能对切削过程中突然发生的刀具失效进行及时响应。激光检测法基于激光遮挡的单点测量原理，通过刀具尺寸的变化推断刀具磨损和破损，也无法在切削过程中对突然发生的刀具失效进行及时响应。

(3)回转体刀具全加工周期磨破损在线自动检测装置提出了直接测量和间接测量相融合的方法，该检测装置通过结合光学图像法和振动传感器或声发射传感器的信号，在刀具旋转状态下，对刀具整个使用周期内，包括加工前，切削过程中和加工后对刀具磨破损状态进行自动检测，由于采用非远心成像的双相机3D视觉技术方案，也需要利用安装在机床主轴上的靶物通过机床运动形成虚拟空间三维标定靶物，进行相机坐标系与机床坐标系的精确标定，再根据回转体约束进行刀具最大扫掠体的三维建模，测量效率低、标定和计算过程复杂；此外还存在光路防护困难的问题，在实际加工环节中窗口镜非常容易污染，无法可靠工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转刀具失效状态在机监测系统及其检测方法，以解决现有的刀具失效状态在机监测系统无法兼顾灵敏度、通用性、测量效率和全过程实时监测的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种旋转刀具失效状态在机监测系统，包括：检测仪、数据处理控制器、 刀具数据服务器以及霍尔电流传感器；

所述检测仪和所述数据处理控制器通过信号线缆连接；所述数据处理控制器还分别与CNC控制器、所述刀具数据服务器以及所述霍尔电流传感器相连接；所述霍尔电流传感器用于检测主轴电流信号；所述检测仪内设有远心镜头以及背光光源，利用所述远心镜头以及所述背光光源对刀具进行平行投影成像，在刀具旋转过程中获取刀具图像序列，所述刀具图像序列用于显示刀具尺寸的变化趋势；所述刀具尺寸包括刀具直径和刀具长度；所述数据处理控制器根据所述刀具图像序列以及所述主轴电流信号监测刀具失效状态；所述刀具失效状态包括刀具磨损状态、破损状态、崩刃状态以及折断状态。

可选的，所述检测仪具体包括：防护壳体、相机模组、远心镜头、45度反射镜、窗口镜、气动柱塞以及光纤传感器；

所述光纤传感器包括光纤传感器发射端以及光纤传感器接收端；所述防护壳体为凹型防护壳体；所述凹型防护壳体的第一侧腔内设有相机模组、远心镜头、45度反射镜、窗口镜、气动柱塞以及所述光纤传感器发射端；所述防护壳体的第二侧腔内设有所述光纤传感器接收端；所述光纤传感器发射端与所述光纤传感器接收端以所述刀具为中心对称设置；所述背光光源设于所述第二侧腔内，所述背光光源用于在成像时提供均匀的背景照明，形成明暗对比良好的刀具图像；

所述远心镜头设于所述相机模组的镜头接口上，所述远心镜头的轴线与所述刀具的轴线平行；所述相机模组以及所述远心镜头用于获取旋转刀具的平行投影图像；所述45度反射镜设于所述远心镜头的上部；所述45度反射镜用于对成像光路进行90度转向；所述窗口镜设于所述45度反射镜的反射端；所述窗口镜用于对所述相机模组、所述远心镜头以及所述45度反射镜进行密封；所述气动柱塞与所述窗口镜在同一成像光路上，所述气动柱塞的轴线与窗口镜平面的法向垂直，所述气动柱塞用于控制所述相机模组采集刀具图像以及防护所述成像光路。

可选的，所述窗口镜和所述气动柱塞之间的成像光路中通有高压气体，形成对所述窗口镜和所述气动柱塞之间成像光路的正压防护。

可选的，所述光纤传感器发射端与所述光纤传感器接收端的连线与所述刀具的轴线垂直。

可选的，所述检测仪还包括：清洁喷嘴；

所述清洁喷嘴设于所述凹型防护壳体的凹槽区域的表面；所述刀具与所述清洁喷嘴相对应；所述清洁喷嘴用于在成像前对所述刀具进行清洁，去除所述刀具上残留的切屑和切削液。

可选的，所述凹槽区域内设有气动防护门。

可选的，所述数据处理控制器具体包括：计算模块、光源控制模块以及气路控制模块；

所述计算模块、所述光源控制模块和所述气路控制模块通过所述信号线缆依次连接；所述计算模块还与CNC控制器相连接；所述计算模块以及所述光源控制模块还分别与所述信号线缆相连接；所述计算模块通过车间局域网与所述刀具数据服务器相连接；所述计算模块还与所述霍尔电流传感器相连接，所述计算模块用于控制所述霍尔电流传感器采集所述主轴电流信号。

可选的，还包括：清洁气管、柱塞气管以及正压防护气管；

所述清洁气管用于连接所述清洁喷嘴以及所述气路控制模块；

所述柱塞气管用于连接所述气动柱塞以及所述气路控制模块；

所述正压防护气管用于连接所述成像光路中的高压气体以及所述气路控制模块。

一种基于旋转刀具失效状态在机监测系统的刀具失效状态检测方法，包括：

第一步，上电后，计算模块中的内核程序自启动并处于等待测量状态，气动柱塞处在常闭状态，正气压防护始终开启；

第二步，机床操作工在数控加工NC主程序中以子程序调用方式运行测量宏程序，在调用测量宏程序时传递参数，所述传递参数用于指定刀具直径测量的具体截面位置；

第三步，测量宏程序控制刀具移动至检测起点；所述检测起点为用户指定的固定位置；所述固定位置位于检测仪上部；在所述测量宏程序的控制下，刀具继续从所述检测起点下降至壳体中间的凹型测量区域；在刀具下降过程中，刀具端部先遮挡光纤传感器发射端发出的激光束，在光纤传感器接收端产生一个阶跃触发信号，所述阶跃触发信号被发送给数控机床的CNC控制器，触发所述测量宏程序运行G31跳转指令，根据G31跳转指令使得刀具停止下降，宏程序把第一宏变量置为1；

第四步，内核程序查询第一宏变量的值，如果所述第一宏变量的值为1，则气路控制模块通过清洁气管开启清洁喷嘴，通过喷出高压气流清洁刀具，否则继续等待；

第五步，所述测量宏程序把刀具移动至远心镜头视场前的检测位置；所述检测位置是远心镜头视场的聚焦点；所述宏程序同时把第二宏变量置为1；

第六步，所述内核程序查询第二宏变量的值，如果所述第二宏变量为1，则所述内核程序打开相机模组，同时通过光源控制模块打开背光光源；否则继续清洁刀具；

第七步，所述气路控制模块通过清洁气管关闭清洁喷嘴，并通过柱塞气管打开气动柱塞，在刀具旋转过程中相机模组通过远心镜头进行平行投影获取刀具图像序列；

第八步，拍摄完毕后，所述内核程序通过数据处理控制器关闭气动柱塞和背光光源，所述内核程序通知测量所述宏程序控制刀具返回所述检测起点完成检测动作；

第九步，所述内核程序对相机模组和远心镜头所获取的刀具图像序列进行处理，确定刀具长度和刀具直径；所述刀具长度和所述刀具直径用于确定刀具磨损状态和破损状态；

第十步，利用霍尔电流传感器获取主轴电流信号；所述霍尔电流传感器还可以为切削力传感器、振动传感器或声发射传感器；振动传感器用于获取工作台x，y，z三个方向上的加速度信号，声发射传感器用于获取刀具切削材料时发出的高频声音信号，切削力传感器用于获取刀具切削材料时产生的x，y，z 三个方向上的切削力信号，本发明可以利用加速度信号、高频声音信号或切削力信号确定刀具的崩刃状态以及折断状态。

第十一步，根据所述主轴电流信号确定刀具的崩刃状态以及折断状态。

可选的，所述第十一步，具体包括：

在切削加工中，所述数据处理控制器开启霍尔电流传感器，获得数控机床的主轴电流信号；

根据所述主轴电流信号的幅值突变对所述主轴电流信号进行截断，去除刀具切入材料和切出材料时对应的信号曲线，获取保留的剩余信号；

对所述保留的剩余信号进行高斯滤波，确定滤波后的波形；

通过二阶导数曲率对所述滤波后的波形进行分析，判断所述滤波后的波形是否存在幅值剧烈下降点或不同刀齿峰值是否存在周期性显著差异；

若所述滤波后的波形存在幅值剧烈下降点，确定刀具折断；

若不同刀齿峰值存在周期性显著差异，确定刀尖崩刃。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种旋转刀具失效状态在机监测系统及其检测方法，采用45度反射镜，只使用单相机可高效、高精度地自动检测旋转刀具的尺寸变化来监测渐进性的磨损情况；在切削过程中采用传感器监测主轴电流，对刀具崩刃和折断等显著的刀具失效进行及时响应，能够提高刀具失效状态的测量效率。

说明书附图

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的基于旋转刀具失效状态在机监测系统的结构图；

图2为本发明所提供的基于旋转刀具失效状态在机监测系统的刀具失效状态检测方法流程图；

图3为本发明所提供的刀具图像序列处理流程图；

图4为本发明所提供的基于主轴电流信号确定崩刃状态以及折断状态的方法流程示意图。

符号说明：

1—光纤传感器发射端，2—气动柱塞，3—窗口镜，4—45度反射镜，5—远心镜头，6—相机模组，7—机床主轴，8—刀柄，9—刀具，10—清洁喷嘴，11—光纤传感器接收端，12—背光光源，13—信号电缆，14—清洁气管，15—柱塞气管，16—正压防护气管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种旋转刀具失效状态在机监测系统及其检测方法，能够对加工前后及切削过程中的刀具状态进行实时监测，具有灵敏、通用性和高效的特点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的基于旋转刀具失效状态在机监测系统的结构图，如图1所示，一种旋转刀具失效状态在机监测系统，包括：检测仪、数据处理控制器、刀具数据服务器以及霍尔电流传感器；所述检测仪和所述数据处理控制器通过信号线缆13连接；所述数据处理控制器还分别与CNC控制器、所述刀具数据服务器以及所述霍尔电流传感器相连接；所述霍尔电流传感器用于检测主轴电流信号；所述检测仪内设有远心镜头5以及背光光源12，利用所述远心镜头5以及所述背光光源12对刀具9进行平行投影成像，在刀具9旋转过程中获取刀具图像序列，所述刀具图像序列用于显示刀具尺寸的变化趋势；所述刀具尺寸包括刀具直径和刀具长度；所述数据处理控制器根据所述刀具图像序列以及所述主轴电流信号监测刀具失效状态；所述刀具失效状态包括刀具磨损状态、破损状态、崩刃状态以及折断状态。

在实际应用中，所述检测仪具体包括：防护壳体、相机模组6、远心镜头 5、45度反射镜4、窗口镜3、气动柱塞2以及光纤传感器；所述光纤传感器包括光纤传感器发射端1以及光纤传感器接收端11；所述防护壳体为凹型防护壳体；所述凹型防护壳体的第一侧腔内设有相机模组6、远心镜头5、45度反射镜4、窗口镜3、气动柱塞2以及所述光纤传感器发射端1；所述防护壳体的第二侧腔内设有所述光纤传感器接收端11；所述光纤传感器发射端1与所述光纤传感器接收端11以所述刀具9为中心对称设置；所述背光光源12设于所述第二侧腔内，所述背光光源12用于在成像时提供均匀的背景照明，形成明暗对比良好的刀具图像。

所述远心镜头5设于所述相机模组6的镜头接口上，所述远心镜头5的轴线与所述刀具的轴线平行；所述相机模组6以及所述远心镜头5用于获取旋转刀具的平行投影图像；所述45度反射镜4设于所述远心镜头5的上部；所述45度反射镜4用于对成像光路进行90度转向；所述窗口镜3设于所述45度反射镜4的反射端；所述窗口镜3用于对所述相机模组6、所述远心镜头5以及所述45度反射镜4进行密封；所述气动柱塞2与所述窗口镜3在同一成像光路上，所述气动柱塞2的轴线与窗口镜3平面的法向垂直，所述气动柱塞2用于控制所述相机模组6采集刀具图像以及防护所述成像光路。

在实际应用中，所述窗口镜3和所述气动柱塞2之间的成像光路中通有高压气体，形成对所述窗口镜3和所述气动柱塞2之间成像光路的正压防护。

在实际应用中，所述光纤传感器发射端1与所述光纤传感器接收端11的连线与所述刀具9的轴线垂直。所述刀具9设置在所述刀柄8上，所述刀柄8设置在所述机床主轴7上。

在实际应用中，所述检测仪还包括：清洁喷嘴10；所述清洁喷嘴10设于所述凹型防护壳体的凹槽区域的表面；所述刀具与所述清洁喷嘴10相对应；所述清洁喷嘴10用于在成像前对所述刀具进行清洁，去除所述刀具上残留的切屑和切削液。

在实际应用中，所述凹槽区域内设有气动防护门。

在实际应用中，所述数据处理控制器具体包括：计算模块、光源控制模块以及气路控制模块；所述计算模块、所述光源控制模块和所述气路控制模块通过所述信号线缆依次连接；所述计算模块还与所述CNC控制器相连接；所述 计算模块以及所述光源控制模块还分别与所述信号线缆相连接；所述计算模块通过车间局域网与所述刀具数据服务器相连接；所述计算模块还与所述霍尔电流传感器相连接，所述计算模块用于控制所述霍尔电流传感器采集所述主轴电流信号。

在实际应用中，还包括：清洁气管14、柱塞气管15以及正压防护气管16；所述清洁气管14用于连接所述清洁喷嘴10以及所述气路控制模块；所述柱塞气管15用于连接所述气动柱塞2以及所述气路控制模块；所述正压防护气管16用于连接所述成像光路中的高压气体以及所述气路控制模块。

检测仪安装在数控机床的工作台上，包括相机模组6、远心镜头5、45度反射镜4、窗口镜3、气动柱塞2、光纤传感器、背光光源12、清洁喷嘴10和防护壳体；远心镜头5安装在相机模组6的镜头接口上，远心镜头5的轴线与刀具轴线平行，相机模组6及远心镜头5用于获取旋转刀具的平行投影图像；45度反射镜4安装在远心镜头5上部，对成像光路进行90度转向，实现更紧凑的结构尺寸；窗口镜3安装于45度反射镜4外侧，对前述各光学元件进行密封；气动柱塞2位于光路的外侧，具有开启和关闭两个位置，开启时允许相机模组6采集刀具图像，关闭时对光路提供防护；在窗口镜3和气动柱塞2之间的光路中通有高压气体，高压气压通过气动柱塞2圆柱面的外侧配合间隙向外流动，受到内部正压气流形成的阻力，机床加工环境中的油雾、切削液和切屑被拒止在外，无法进入光路对窗口镜3及各光学元件造成污染，从而形成对窗口镜3和气动柱塞2之间光路的正压保护；背光光源12用于在成像时提供均匀的背景照明，形成明暗对比良好的刀具图像；光纤传感器用于确保检测过程的安全性，其发射端与接收端的连线与刀具轴线垂直，在刀具下降过程中检测刀具端部的粗略位置，防止在未知刀具夹持长度的情况下，刀具下降过程中与检测仪发生碰撞；清洁喷嘴10用于在成像前检测具进行清洁，去除刀具上残留的切屑和切削液；壳体用于安装和保护所有的元器件，其凹型区域为刀具检测提供测量空间。

数据处理控制器和霍尔电流传感器安装在数控机床的电气柜中，霍尔电流传感器用于采集数控机床主轴7的负载电流值，其获得的电流信号接入控制器的输入接口；数据处理控制器由计算模块、光源控制模块和气路控制模块组成， 计算模块的功能是控制相机模组6和霍尔电流传感器分别进行图像和信号采集，并对获取的图像和电流信号进行分析，确定刀具的失效状态，并通过光源控制器和气路控制模块进行背光光源12和气路的开关控制。

计算模块利用通讯协议通过网口或串口与数控机床的CNC控制器进行通讯，如果刀具失效将在CNC控制器上进行报警；计算模块还可接入车间局域网与刀具数据服务器进行远程通讯。

作为以上结构的变化，计算模块也可采用嵌入式硬件，从而集成到磨损检测仪内部；壳体的凹型区域部分也可增加气动防护门，只在测量期间开启，为旋转刀具失效状态在机实时监测系统在更恶劣工况下运行提供进一步的防护。

霍尔电流传感器也可替换为切削力传感器、振动传感器或声发射传感器，如使用其它类型的传感器，需要安装在数控机床的工作台靠近切削加工区的位置。

内核程序是高级语言编译生成的可执行文件，运行在控制器的计算模块中，操作系统可以是Windows系统也可以是Linux系统，主要功能是控制检测流程、采集图像与设置曝光参数、处理刀具图像和传感器信号、分析刀具的失效状态、与CNC控制器的通讯；内核程序还包含了数据库模块，可对测量数据和图像进行存储和查询，并支持通过车间局域网把本地数据库中的数据远程备份到刀具数据服务器中。

测量宏程序是由数控编程指令组成的NC子程序，可被加工NC主程序调用，运行在数控机床控制器中，主要功能是在加工前后配合内核程序控制机床主轴7和刀具的运动进行刀具磨损检测，测量宏程序与内核程序通过通讯协议利用网口或串口进行数据交换。

旋转刀具失效状态在机实时监测系统可在切削加工前后及切削过程中对刀具状态进行全生命周期的实时监测，自动检测旋转刀具的尺寸变化来监测渐进性的磨损情况，其工作原理描述如下：

图2为本发明所提供的基于旋转刀具失效状态在机监测系统的刀具失效状态检测方法流程图，如图2所示，一种基于旋转刀具失效状态在机监测系统的刀具失效状态检测方法，包括：

第一步，上电后，计算模块中的内核程序自启动并处于等待测量状态，气 动柱塞2处在常闭状态，正气压防护始终开启。

第二步，机床操作工在数控加工NC主程序中以子程序调用方式运行测量宏程序，在调用测量宏程序时传递参数，所述传递参数用于指定刀具直径测量的具体截面位置。

第三步，测量宏程序控制刀具移动至检测起点；所述检测起点为用户指定的固定位置；所述固定位置位于检测仪上部；在所述测量宏程序的控制下，刀具继续从所述检测起点下降至壳体中间的凹型测量区域；在刀具下降过程中，刀具端部先遮挡光纤传感器发射端1发出的激光束，在光纤传感器接收端11产生一个阶跃触发信号，所述阶跃触发信号被发送给数控机床的CNC控制器，触发所述测量宏程序运行G31跳转指令，根据G31跳转指令使得刀具停止下降，宏程序把第一宏变量(宏变量1)置为1。

第四步，内核程序查询第一宏变量的值，如果所述第一宏变量的值为1，则气路控制模块通过清洁气管14开启清洁喷嘴10，通过喷出高压气流清洁刀具，否则继续等待。

第五步，所述测量宏程序把刀具移动至远心镜头5视场前的检测位置；所述检测位置是远心镜头5视场的聚焦点；所述宏程序同时把第二宏变量(宏变量2)置为1。

第六步，所述内核程序查询第二宏变量的值，如果所述第二宏变量为1，则所述内核程序打开相机模组6，同时通过光源控制模块打开背光光源12；否则继续清洁刀具。

第七步，所述气路控制模块通过清洁气管14关闭清洁喷嘴10，并通过柱塞气管15打开气动柱塞2，在刀具旋转过程中相机模组6通过远心镜头5进行平行投影获取刀具图像序列。

第八步，拍摄完毕后，所述内核程序通过数据处理控制器关闭气动柱塞2和背光光源12，所述内核程序通知测量所述宏程序控制刀具返回所述检测起点完成检测动作。

第九步，所述内核程序对相机模组6和远心镜头5所获取的刀具图像序列进行处理，确定刀具长度和刀具直径；所述刀具长度和所述刀具直径用于确定刀具磨损状态和破损状态；图3为本发明所提供的刀具图像序列处理流程图， 如图3所示，(1)首先对刀具图像序列进行叠加合成，即对图像上包含刀具的区域进行合并，从而消除刀具螺旋槽的影响得到刀具最大扫掠体的图像。(2)对该图像采用Otsu算法进行自适应阈值的二值化，得到二值图，对二值图采用Canny边缘检测算子进行边缘检测，得到刀具最大轮廓，为提高测量精度，在像素级轮廓的基础上采用Zernike矩方法进行亚像素边缘提取。(3)分析刀具轮廓的中轴线与刀具轮廓的交点，根据该点到图像首行的距离可计算刀具长度。(4)根据测量宏程序传递的参数，可在刀具指定的截面位置通过计算刀具轮廓两侧的距离得到刀具直径。

如果刀具长度或直径相对第一次测量值超出阈值，则说明磨损引起的刀具尺寸变化过大，则内核程序通过控制器的通讯接口在数控机床CNC控制器上进行报警、提示换刀；否则把刀具长度和直径通过控制器的通讯接口传输到CNC控制器的刀补寄存器中，进行刀具尺寸的磨损补偿。

第十步，利用霍尔电流传感器获取主轴电流信号。

第十一步，根据所述主轴电流信号确定刀具的崩刃状态以及折断状态。

在切削加工过程中，图4为本发明所提供的基于主轴电流信号确定崩刃状态以及折断状态的方法流程示意图，如图4所示，旋转刀具失效状态在机实时监测系统通过检测与刀具磨损状态相关的主轴电流信号对刀具崩刃和折断等显著失效进行及时响应，其工作原理如下：

在切削加工中，控制器开启霍尔电流传感器，获得数控机床主轴7电流信号。

根据信号的幅值突变对获取的主轴电流信号进行截断，去除刀具切入材料和切出材料时对应的信号曲线，只保留稳定切削过程对应的信号。

对截取保留的信号进行高斯滤波，消除噪声的影响。

对滤波后的波形通过二阶导数曲率分析，判断是否存在幅值剧烈下降点或不同刀齿峰值是否存在周期性显著差异，前者对应刀具折断，后者对应了刀尖崩刃。

如果存在刀具折断或崩刃，则内核程序通过控制器的通讯接口在数控机床CNC控制器上进行报警并停止加工，提示换刀。

上述检测过程相关的测量数据均被存储在内核程序的数据库中，如把旋转 刀具失效状态在机实时监测系统接入车间局域网，还可把测量数据推送到刀具数据服务器中，进行数据的远程备份。

采用本发明所提供的旋转刀具失效状态在机监测系统或检测方法能够达到如下效果：

(1)本发明实现了一个高效、灵敏、覆盖数控加工全过程的通用型刀具失效状态在机实时监测系统，帮助避免刀具失效造成的零件报废，提高刀具利用率，降低加工成本。一方面在加工前后，基于远心成像原理的单相机视觉监测装置，可快速地对旋转刀具的渐进性磨损进行高精度检测和磨损补偿。另一方面在切削过程中，基于与刀具失效状态相关的传感器信号可对刀具崩刃和折断等突发的显著失效进行及时响应，为避免虚假报警，也可再次通过单相机视觉检测装置进行直观精确地校验，从而可在整个加工过程对渐进的磨损和突发性的刀具崩刃或折断都进行灵敏和实时的响应，并且不受刀具类型、工件形状和材料、刀具和机床类型的影响，具有通用性。

(2)本发明采用正气压和气动柱塞的双重防护设计，具有可靠的光路防护。一方面在窗口镜和气动柱塞之间的光路中通有高压气体，高压气压通过气动柱塞圆柱面的外侧配合间隙向外流动，受到内部正压气流形成的阻力，机床加工环境中的油雾、切削液和切屑被拒止在外，无法进入光路对窗口镜及各光学元件造成污染，从而形成对窗口镜和气动柱塞之间光路的正压保护。另一方面，气动柱塞位于光路的外侧，具有开启和关闭两个位置，开启时允许采集刀具图像，关闭时对光路提供防护。上述设计可保证光学元件在有切削液、油雾和切屑的恶劣加工环境中不受污染、可靠运行。

(3)本发明支持测量数据的追溯，一方面，内核程序包含有数据库模块，可对测量过程中的刀具数据和图像进行保存，支持用户进行查询。另一方面，如把旋转刀具失效状态在机实时监测系统接入车间局域网，还可把测量数据推送到刀具数据服务器，实现数据的远程备份。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1. 一种旋转刀具失效状态在机监测系统，其特征在于，包括：检测仪、数据处理控制器、刀具数据服务器以及霍尔电流传感器；

   所述检测仪和所述数据处理控制器通过信号线缆连接；所述数据处理控制器还分别与CNC控制器、所述刀具数据服务器以及所述霍尔电流传感器相连接；所述霍尔电流传感器用于检测主轴电流信号；所述检测仪内设有远心镜头以及背光光源，利用所述远心镜头以及所述背光光源对刀具进行平行投影成像，在刀具旋转过程中获取刀具图像序列，所述刀具图像序列用于显示刀具尺寸的变化趋势；所述刀具尺寸包括刀具直径和刀具长度；所述数据处理控制器根据所述刀具图像序列以及所述主轴电流信号监测刀具失效状态；所述刀具失效状态包括刀具磨损状态、破损状态、崩刃状态以及折断状态。
2. 根据权利要求1所述的旋转刀具失效状态在机监测系统，其特征在于，所述检测仪具体包括：防护壳体、相机模组、远心镜头、45度反射镜、窗口镜、气动柱塞以及光纤传感器；

   所述光纤传感器包括光纤传感器发射端以及光纤传感器接收端；所述防护壳体为凹型防护壳体；所述凹型防护壳体的第一侧腔内设有相机模组、远心镜头、45度反射镜、窗口镜、气动柱塞以及所述光纤传感器发射端；所述防护壳体的第二侧腔内设有所述光纤传感器接收端；所述光纤传感器发射端与所述光纤传感器接收端以所述刀具为中心对称设置；所述背光光源设于所述第二侧腔内，所述背光光源用于在成像时提供均匀的背景照明，形成明暗对比良好的刀具图像；

   所述远心镜头设于所述相机模组的镜头接口上，所述远心镜头的轴线与所述刀具的轴线平行；所述相机模组以及所述远心镜头用于获取旋转刀具的平行投影图像；所述45度反射镜设于所述远心镜头的上部；所述45度反射镜用于对成像光路进行90度转向；所述窗口镜设于所述45度反射镜的反射端；所述窗口镜用于对所述相机模组、所述远心镜头以及所述45度反射镜进行密封；所述气动柱塞与所述窗口镜在同一成像光路上，所述气动柱塞的轴线与窗口镜平面的法向垂直，所述气动柱塞用于控制所述相机模组采集刀具图像以及防护所述成像光路。
3. 根据权利要求2所述的旋转刀具失效状态在机监测系统，其特征在于， 所述窗口镜和所述气动柱塞之间的成像光路中通有高压气体，形成对所述窗口镜和所述气动柱塞之间成像光路的正压防护。
4. 根据权利要求2所述的旋转刀具失效状态在机监测系统，其特征在于，所述光纤传感器发射端与所述光纤传感器接收端的连线与所述刀具的轴线垂直。
5. 根据权利要求2所述的旋转刀具失效状态在机监测系统，其特征在于，所述检测仪还包括：清洁喷嘴；

   所述清洁喷嘴设于所述凹型防护壳体的凹槽区域的表面；所述刀具与所述清洁喷嘴相对应；所述清洁喷嘴用于在成像前对所述刀具进行清洁，去除所述刀具上残留的切屑和切削液。
6. 根据权利要求5所述的旋转刀具失效状态在机监测系统，其特征在于，所述凹槽区域内设有气动防护门。
7. 根据权利要求5所述的旋转刀具失效状态在机监测系统，其特征在于，所述数据处理控制器具体包括：计算模块、光源控制模块以及气路控制模块；

   所述计算模块、所述光源控制模块和所述气路控制模块通过所述信号线缆依次连接；所述计算模块还与所述CNC控制器相连接；所述计算模块以及所述光源控制模块还分别与所述信号线缆相连接；所述计算模块通过车间局域网与所述刀具数据服务器相连接；所述计算模块还与所述霍尔电流传感器相连接，所述计算模块用于控制所述霍尔电流传感器采集所述主轴电流信号。
8. 根据权利要求7所述的旋转刀具失效状态在机监测系统，其特征在于，还包括：清洁气管、柱塞气管以及正压防护气管；

   所述清洁气管用于连接所述清洁喷嘴以及所述气路控制模块；

   所述柱塞气管用于连接所述气动柱塞以及所述气路控制模块；

   所述正压防护气管用于连接所述成像光路中的高压气体以及所述气路控制模块。
9. 一种基于旋转刀具失效状态在机监测系统的刀具失效状态检测方法，其特征在于，所述刀具失效状态检测方法应用于权利要求1-8任一项所述的旋转刀具失效状态在机监测系统，所述刀具失效状态检测方法包括：

   第一步，上电后，计算模块中的内核程序自启动并处于等待测量状态，气 动柱塞处在常闭状态，正气压防护始终开启；

   第二步，机床操作工在数控加工NC主程序中以子程序调用方式运行测量宏程序，在调用测量宏程序时传递参数，所述传递参数用于指定刀具直径测量的具体截面位置；

   第三步，测量宏程序控制刀具移动至检测起点；所述检测起点为用户指定的固定位置；所述固定位置位于检测仪上部；在所述测量宏程序的控制下，刀具继续从所述检测起点下降至壳体中间的凹型测量区域；在刀具下降过程中，刀具端部先遮挡光纤传感器发射端发出的激光束，在光纤传感器接收端产生一个阶跃触发信号，所述阶跃触发信号被发送给数控机床的CNC控制器，触发所述测量宏程序运行G31跳转指令，根据G31跳转指令使得刀具停止下降，宏程序把第一宏变量置为1；

   第四步，内核程序查询第一宏变量的值，如果所述第一宏变量的值为1，则气路控制模块通过清洁气管开启清洁喷嘴，通过喷出高压气流清洁刀具，否则继续等待；

   第五步，所述测量宏程序把刀具移动至远心镜头视场前的检测位置；所述检测位置是远心镜头视场的聚焦点；所述宏程序同时把第二宏变量置为1；

   第六步，所述内核程序查询第二宏变量的值，如果所述第二宏变量为1，则所述内核程序打开相机模组，同时通过光源控制模块打开背光光源；否则继续清洁刀具；

   第七步，所述气路控制模块通过清洁气管关闭清洁喷嘴，并通过柱塞气管打开气动柱塞，在刀具旋转过程中相机模组通过远心镜头进行平行投影获取刀具图像序列；

   第八步，拍摄完毕后，所述内核程序通过数据处理控制器关闭气动柱塞和背光光源，所述内核程序通知测量所述宏程序控制刀具返回所述检测起点完成检测动作；

   第九步，所述内核程序对相机模组和远心镜头所获取的刀具图像序列进行处理，确定刀具长度和刀具直径；所述刀具长度和所述刀具直径用于确定刀具磨损状态和破损状态；

   第十步，利用霍尔电流传感器获取主轴电流信号；

   第十一步，根据所述主轴电流信号确定刀具的崩刃状态以及折断状态。
10. 根据权利要求9所述的基于旋转刀具失效状态在机监测系统的刀具失效状态检测方法，其特征在于，所述第十一步，具体包括：

    在切削加工中，所述数据处理控制器开启霍尔电流传感器，获得数控机床的主轴电流信号；

    根据所述主轴电流信号的幅值突变对所述主轴电流信号进行截断，去除刀具切入材料和切出材料时对应的信号曲线，获取保留的剩余信号；

    对所述保留的剩余信号进行高斯滤波，确定滤波后的波形；

    通过二阶导数曲率对所述滤波后的波形进行分析，判断所述滤波后的波形是否存在幅值剧烈下降点或不同刀齿峰值是否存在周期性显著差异；

    若所述滤波后的波形存在幅值剧烈下降点，确定刀具折断；

    若不同刀齿峰值存在周期性显著差异，确定刀尖崩刃。

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