專利名稱：回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種機械加工檢測設備，具體涉及一種回轉體刀具磨損狀態(tài)的自動的、可在線檢測的裝置。
背景技術：
刀具的磨損狀況對金屬切削加工的精度和制造成本有關鍵影響，當磨損到達一定程度或出現(xiàn)破損后需要更換刀具，如果更換過早，會增加不必要的刀具消耗和生產成本，如果太晚，則可能導致工件尺寸超差和表面劃傷，嚴重時甚至可能傷害操作人員和損害機床， 因此有必要建立在線刀具狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳感器自動獲取切削刃的實際磨損狀況。由于磨損過程的復雜性和漸進性，刀具磨損在線自動檢測技術仍未成熟，目前仍主要利用工具顯微鏡進行人工檢測，這一方法對于生產中廣泛使用的銑刀等回轉刀具，存在如下缺陷
1.無法實現(xiàn)回轉體刀具磨損的在線自動檢測，需要在主軸停轉狀態(tài)下，人工輔助完成測量或拆下刀片離線測量，從而大大增加了待機時間，降低了生產效率；
2.人工檢測過程操作費時，不能做到百分之百的切削刃檢測，也無法與自動化數(shù)控加工工藝集成，影響了加工過程的可靠性。3.現(xiàn)有的回轉體刀具的磨損檢測的裝置還不夠理想，不能有效減少對刀具金屬材料的消耗，設備結構較為復雜，不能滿足現(xiàn)實的需要。

發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有技術問題，本發(fā)明的目的在于提供一種回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，該檢測裝置不需要主軸停轉和人工輔助，在刀具旋轉的狀態(tài)下，自動獲取切削刃的磨損圖像，并通過圖像分析檢測出磨損量。能夠保證加工過程的可靠性，使得生產中廣泛使用的回轉體刀具得到合理利用，降低生產成本，提高加工效率，減少對刀具金屬材料的消耗，節(jié)約自然資源，具有重要意義。為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述技術方案
一種回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，包括裝置基座、刀具光學檢測系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)和刀具磨損警報系統(tǒng)，裝置基座固定安裝在回轉體刀具的機床的工作臺上，刀具光學檢測系統(tǒng)通過裝置支架固定安裝于裝置基座上，刀具光學檢測系統(tǒng)為面陣型圖像傳感器系統(tǒng)，刀具光學檢測系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)信號輸出端與集中控制系統(tǒng)的信號接收端連接，集中控制系統(tǒng)的報警指令信號輸出端與刀具磨損警報系統(tǒng)的信號接收端信號連接，刀具光學檢測系統(tǒng)包括刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置，刀具整體測量裝置采集整體刀具的圖像數(shù)據(jù)，進而確定刀具切削刃的位置及姿態(tài)，切削刃局部測量裝置在加工前、后和切削間隙采集切削刃磨損區(qū)局部細節(jié)圖像數(shù)據(jù)，進而檢測刀具的磨損狀態(tài)，回轉體刀具的機床主軸裝有標定靶物，在進行測量前，要先進行刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置的在線標定。
上述刀具整體測量裝置包括工業(yè)相機和漫反射背光光源，漫反射背光光源正對工業(yè)相機的鏡頭設置，其二者之間的間距空間形成回轉體刀具的檢測作業(yè)空間區(qū)域，漫反射背光光源通過背光光源支撐座固定安裝于裝置基座上，工業(yè)相機的鏡頭能接收到漫反射背光光源發(fā)出的均勻柔光；切削刃局部測量裝置包括數(shù)字顯微鏡和漫反射背光光源，漫反射背光光源也正對數(shù)字顯微鏡的物鏡設置，其二者之間的間距空間也形成回轉體刀具的檢測作業(yè)空間區(qū)域，工業(yè)相機鏡頭主光軸和數(shù)字顯微鏡物鏡的主光軸保持空間平行。上述切削刃局部測量裝置還包括為數(shù)字顯微鏡的物鏡輔助照明的前方明場照明光源，前方明場照明光源為安裝于數(shù)字顯微鏡物鏡前端的環(huán)形光源，環(huán)形光源的軸線與數(shù)字顯微鏡物鏡的主光軸同軸。在上述工業(yè)相機的鏡頭前端外側安裝了保護鏡。在上述環(huán)形光源的外側安裝了保護鏡。上述工業(yè)相機和數(shù)字顯微鏡采用上下布局或水平布局。上述工業(yè)相機和數(shù)字顯微鏡采用上下布局，并分別通過裝置支架的下連接座、上連接塊與裝置基座固定連接。進行刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置的在線標定依據(jù)機床主軸的具體運動方式，使標定靶物分別與刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置形成相對運動，構成虛擬的空間三維標定靶物，在每個位置獲取標定靶物的圖像數(shù)據(jù)，通過標定靶物的空間三維點和標定靶物的圖像上特征點的對應關系，獲取刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置分別相對于機床主軸坐標系的空間位置和姿態(tài)。上述標定靶物上的特征圖案為圓環(huán)或角點。上述刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置的一體設備外圍護結構包括殼體、 蓋板以及裝置基座，設備外圍護結構使設備整體形成凹形結構，凹形結構的下凹空間形成回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測的工作空間，在凹形結構內凹的一側凸臺的內表面安裝漫反射背光光源，在另一側凸臺的殼體內部安裝刀具光學檢測系統(tǒng)，并于該另一側凸臺的內側面的殼體上設有工業(yè)相機鏡頭和數(shù)字顯微鏡物鏡對應的透孔。上述回轉體刀具為銑刀或鉆頭。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點
I.無需主軸停轉和人工輔助，能夠在刀具旋轉的情況下，自動定位切削刃的位置并檢測其磨損狀態(tài)，能夠方便地集成在數(shù)控加工工藝過程中，實現(xiàn)整個加工過程的自動在線磨損檢測。2.本發(fā)明回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置普遍適用于各種類型和尺寸的回轉體刀具，如銑刀或鉆頭，也適用于不同類型的數(shù)控機床或加工中心。3.本發(fā)明回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置能檢測切削刃后刀面磨損，也能檢測前刀面磨損。4.本發(fā)明適合于在回轉體刀具旋轉狀態(tài)下自動進行磨損檢測的裝置，以保證加工過程的可靠性，使得生產中廣泛使用的回轉體刀具得到合理利用，降低生產成本，提高加工效率，減少對刀具金屬材料的消耗，節(jié)約自然資源，具有重要意義。


圖I是本發(fā)明在線自動檢測裝置的外部輪廓結構簡圖。圖2是本發(fā)明在線自動檢測裝置的內部結構示意圖。圖3是本發(fā)明在線自動檢測裝置的內部局部結構分解示意圖。圖4是本發(fā)明在線自動檢測裝置的標定靶物結構示意圖。
具體實施例方式結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下
參見圖I 圖4，一種回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，包括裝置基座6、刀具光學檢測系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)和刀具磨損警報系統(tǒng)，裝置基座6固定安裝在回轉體刀具的機床的工作臺上，刀具光學檢測系統(tǒng)通過裝置支架固定安裝于裝置基座6上，刀具光學檢測系統(tǒng)為面陣型圖像傳感器系統(tǒng)，刀具光學檢測系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)信號輸出端與集中控制系統(tǒng)的信號接收端連接，集中控制系的報警指令信號輸出端與刀具磨損警報系統(tǒng)的信號接收端信號連接，刀具光學檢測系統(tǒng)包括刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置，刀具整體測量裝置采集整體刀具的圖像數(shù)據(jù)，進而確定刀具切削刃的位置及姿態(tài)，切削刃局部測量裝置在加工前、后和切削間隙采集切削刃磨損區(qū)局部細節(jié)圖像數(shù)據(jù)，進而檢測刀具的磨損狀態(tài)，回轉體刀具的機床主軸裝有標定靶物12，在進行測量前，要先進行刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置的在線標定。本發(fā)明適合于在回轉體刀具旋轉狀態(tài)下自動進行磨損檢測的裝置，以保證加工過程的可靠性，使得生產中廣泛使用的回轉體刀具得到合理利用，降低生產成本，提高加工效率，減少對刀具金屬材料的消耗，節(jié)約自然資源，具有重要意義。在本發(fā)明中，參見圖2和圖3，上述刀具整體測量裝置包括工業(yè)相機I和漫反射背光光源4，漫反射背光光源4正對工業(yè)相機I的鏡頭設置，其二者之間的間距空間形成回轉體刀具的檢測作業(yè)空間區(qū)域，漫反射背光光源4通過背光光源支撐座5固定安裝于裝置基座6上，工業(yè)相機I的鏡頭能接收到漫反射背光光源4發(fā)出的均勻柔光；切削刃局部測量裝置包括數(shù)字顯微鏡2和漫反射背光光源4，漫反射背光光源4也正對數(shù)字顯微鏡2的物鏡設置，其二者之間的間距空間也形成回轉體刀具的檢測作業(yè)空間區(qū)域，工業(yè)相機I鏡頭主光軸和數(shù)字顯微鏡2物鏡的主光軸保持空間平行。在圖2和圖3中，回轉體刀具磨損自動檢測裝置的外形整體成凹型結構，工業(yè)相機 I和數(shù)字顯微鏡2安裝在一側，漫反射背光光源4利用背光光源支撐座5安裝在裝配基座6 的另一側，工業(yè)相機I可以接收到漫反射背光光源4，測量時刀具位于背光漫反射光源4和工業(yè)相機I的中間位置，兩部分通過裝配基座6連接，刀具移動到工業(yè)相機I或數(shù)字顯微鏡 2與漫反射背光光源4之間，在旋轉狀態(tài)下完成磨損檢測。在刀具旋轉狀態(tài)下自動檢測切削刃磨損的原理，基于先整體后局部測量的思想，采用了雙相機結構，工業(yè)相機I使用大視場短焦距鏡頭，用于刀具的整體測量，確定刀具切削刃的位置及姿態(tài)，而數(shù)字顯微鏡2，用于刀具磨損區(qū)的局部細節(jié)測量，檢測出刀具磨損狀態(tài)。本發(fā)明實現(xiàn)了在刀具旋轉狀態(tài)下在線自動磨損檢測，無需主軸停轉和人工輔助，能夠在刀具旋轉的情況下，自動定位切削刃的位置并檢測其磨損狀態(tài)，能夠方便地集成在數(shù)控加工工藝過程中，實現(xiàn)整個加工過程的自動在線磨損檢測。在切削加工前或一道工序完成后，首先把刀具移動到工業(yè)相機I與漫反射背光光源4之間，打開漫反射背光光源4，采集旋轉狀態(tài)下刀具的視頻，根據(jù)圖像序列提取刀具輪廓曲線，計算刀具旋轉形成的最大掃掠體的三維模型，以此模型為基礎，識別和跟蹤切削刃，并計算其轉動的角度位置。然后，通過分析刀具掃掠體的母線，提取刀尖位置，從而把刀尖精確移動到數(shù)碼顯微鏡2前，根據(jù)刀具的旋轉速度或主軸角度編碼器的信息，當?shù)毒咿D到合適的角度時，使切削刃磨損區(qū)進入數(shù)字顯微鏡2的視場，以合適的快門速度拍攝前刀面或后刀面的磨損區(qū)圖像，通過圖像分割算法對磨損區(qū)進行自動分析，測量計算出刀具的磨損狀態(tài)。此外，在進行測量前，要先進行工業(yè)相機I和數(shù)字顯微鏡2的在線標定，以獲得相機的光學參數(shù)，并確定兩個相機相對于機床運動坐標系的的位置和姿態(tài)。標定靶物12可安裝在主軸上，依據(jù)機床的具體運動方式，讓標定靶物12和相機形成相對運動，構成虛擬的三維標定靶物，在每個位置拍攝標定物的圖像，并從圖像上提取靶物上的特征點，通過三維點和圖像上特征點的對應關系，根據(jù)相機成像模型計算相機光學參數(shù)和位姿。在本發(fā)明中，參見圖3，上述切削刃局部測量裝置還包括為數(shù)字顯微鏡2的物鏡輔助照明的前方明場照明光源，前方明場照明光源為安裝于數(shù)字顯微鏡2物鏡前端的環(huán)形光源3，環(huán)形光源3的軸線與數(shù)字顯微鏡2物鏡的主光軸同軸。在環(huán)形光源3的輔助下，以合適的快門速度拍攝前刀面或后刀面的磨損區(qū)圖像，然后通過圖像分割算法對磨損區(qū)進行自動分析，測量計算出刀具的磨損狀態(tài)，環(huán)形光源3可以保證數(shù)字顯微鏡2獲取刀具局部圖像的質量，方便數(shù)字顯微鏡2利用環(huán)形光源3對切削刃進行局部測量，顯著提高設備檢測精度。在本發(fā)明中，參見圖I和圖3，在上述工業(yè)相機I的鏡頭前端外側安裝了保護鏡 11，可以保護工業(yè)相機I的鏡頭不被污染，保證設備工作的穩(wěn)定性。在本發(fā)明中，參見圖1，在上述環(huán)形光源3的外側安裝了保護鏡11，可以保護數(shù)字顯微鏡2的物鏡不被污染，保證設備工作的穩(wěn)定性。在本發(fā)明中，上述工業(yè)相機I和數(shù)字顯微鏡2采用上下布局或水平布局。參見圖
I、圖2和圖3，工業(yè)相機I位于數(shù)字顯微鏡2的上部，亦可采用數(shù)字顯微鏡在上面的布局，可以根據(jù)不同的機床結構類型采用多種設備空間布局形式，提高本發(fā)明的適用性。在本發(fā)明中，參見圖I、圖2和圖3，上述工業(yè)相機I和數(shù)字顯微鏡2采用上下布局，并分別通過裝置支架的下連接座7、上連接塊8與裝置基座6固定連接。工業(yè)相機I和數(shù)字顯微鏡2分別通過上連接塊8和下連接座7固定，保障設備工作的穩(wěn)定性。在本發(fā)明中，進行刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置的在線標定依據(jù)機床主軸的具體運動方式，使標定靶物12分別與刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置形成相對運動，構成虛擬的空間三維標定靶物，在每個位置獲取標定靶物12的圖像數(shù)據(jù)，通過標定靶物12的空間三維點和標定靶物12的圖像上特征點的對應關系，獲取刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置分別相對于機床主軸坐標系的空間位置和姿態(tài)。圖4為標定靶物12的結構圖，其安裝在主軸上，通過橢圓提取算法，提取橢圓的中心，實現(xiàn)對工業(yè)相機 2和顯微鏡3的標定。在本發(fā)明中，參見圖4，上述標定靶物12上的特征圖案為圓環(huán)或角點。標定靶物 12上的特征圖案可以采用多種圖案，其中圓環(huán)或角點圖案方便數(shù)學計算和建立模型。在本發(fā)明中，參見圖I和圖2，上述刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置的一體設備外圍護結構包括殼體9、蓋板10以及裝置基座6，設備外圍護結構使設備整體形成凹形結構，凹形結構的下凹空間形成回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測的工作空間，在凹形結構內凹的一側凸臺的內表面安裝漫反射背光光源4，在另一側凸臺的殼體9內部安裝刀具光學檢測系統(tǒng)，并于該另一側凸臺的內側面的殼體9上設有工業(yè)相機I鏡頭和數(shù)字顯微鏡2物鏡對應的透孔。工業(yè)相機I和數(shù)字顯微鏡2分別通過裝置支架固定在殼體9的內部， 殼體9可以更好地保障設備穩(wěn)定工作，提高設備的使用壽命。在本發(fā)明中，上述回轉體刀具為銑刀或鉆頭。實現(xiàn)了在刀具旋轉狀態(tài)下在線自動磨損檢測，并普遍適用于各種類型的回轉體刀具。上面結合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置的技術原理和發(fā)明構思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，包括裝置基座(6)、刀具光學檢測系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)和刀具磨損警報系統(tǒng)，所述裝置基座(6)固定安裝在回轉體刀具的機床的工作臺上，所述刀具光學檢測系統(tǒng)通過裝置支架固定安裝于所述裝置基座(6)上，所述刀具光學檢測系統(tǒng)為面陣型圖像傳感器系統(tǒng)，所述刀具光學檢測系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)信號輸出端與所述集中控制系統(tǒng)的信號接收端連接，所述集中控制系統(tǒng)的報警指令信號輸出端與所述刀具磨損警報系統(tǒng)的信號接收端信號連接，其特征在于所述刀具光學檢測系統(tǒng)包括刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置，所述刀具整體測量裝置采集整體刀具的圖像數(shù)據(jù)，進而確定刀具切削刃的位置及姿態(tài)，所述切削刃局部測量裝置周期性采集切削刃磨損區(qū)局部細節(jié)圖像數(shù)據(jù)，進而檢測刀具的磨損狀態(tài)，回轉體刀具的機床主軸裝有標定靶物(12)，在進行測量前，要先進行刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置的在線標定。
2.根據(jù)權利要求I所述的回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，其特征在于所述刀具整體測量裝置包括工業(yè)相機(I)和漫反射背光光源(4)，所述漫反射背光光源(4)正對所述工業(yè)相機(I)的鏡頭設置，其二者之間的間距空間形成回轉體刀具的檢測作業(yè)空間區(qū)域，所述漫反射背光光源(4 )通過背光光源支撐座(5 )固定安裝于所述裝置基座(6 )上，所述工業(yè)相機(I)的鏡頭能接收到所述漫反射背光光源(4)發(fā)出的均勻柔光；所述切削刃局部測量裝置包括數(shù)字顯微鏡(2)和所述漫反射背光光源(4)，所述漫反射背光光源(4)也正對所述數(shù)字顯微鏡(2)的物鏡設置，其二者之間的間距空間也形成回轉體刀具的檢測作業(yè)空間區(qū)域，所述工業(yè)相機(I)鏡頭主光軸和所述數(shù)字顯微鏡(2)物鏡的主光軸保持空間平行。
3.根據(jù)權利要求2所述的回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，其特征在于所述切削刃局部測量裝置還包括為所述數(shù)字顯微鏡(2)的物鏡輔助照明的前方明場照明光源， 所述前方明場照明光源為安裝于所述數(shù)字顯微鏡(2)物鏡前端的環(huán)形光源(3)，所述環(huán)形光源(3)的軸線與所述數(shù)字顯微鏡(2)物鏡的主光軸同軸。
4.根據(jù)權利要求2所述的回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，其特征在于在所述工業(yè)相機(I)的鏡頭前端外側安裝了保護鏡(11)。
5.根據(jù)權利要求3所述的回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，其特征在于在所述環(huán)形光源(3)的外側安裝了保護鏡(U)。
6.根據(jù)權利要求2 5中任意一項所述的回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，其特征在于所述工業(yè)相機(I)和所述數(shù)字顯微鏡(2 )采用上下布局或水平布局。
7.根據(jù)權利要求6所述的回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，其特征在于進行刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置的在線標定依據(jù)機床主軸的具體運動方式，使所述標定靶物(12)分別與所述刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置形成相對運動，構成虛擬的空間三維標定靶物，在每個位置獲取所述標定靶物(12)的圖像數(shù)據(jù)，通過所述標定靶物(12)的空間三維點和所述標定靶物(12)的圖像上特征點的對應關系，獲取所述刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置分別相對于所述機床主軸坐標系的空間位置和姿態(tài)。
8.根據(jù)權利要求6所述的回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，其特征在于所述標定靶物(12)上的特征圖案為圓環(huán)或角點。
9.根據(jù)權利要求6所述的回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，其特征在于所述刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置的一體設備外圍護結構包括殼體(9)、蓋板(10)以及所述裝置基座(6)，所述設備外圍護結構使設備整體形成凹形結構，凹形結構的下凹空間形成回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測的工作空間，在凹形結構內凹的一側凸臺的內表面安裝所述漫反射背光光源(4)，在所述另一側凸臺的所述殼體(9)內部安裝所述刀具光學檢測系統(tǒng)，并于該另一側凸臺的內側面的所述殼體(9)上設有所述工業(yè)相機(I)鏡頭和所述數(shù)字顯微鏡(2)物鏡對應的透孔。
10.根據(jù)權利要求6所述的回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，其特征在于所述回轉體刀具為銑刀或鉆頭。
11.根據(jù)權利要求6所述的回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，其特征在于所述工業(yè)相機(I)和所述數(shù)字顯微鏡(2)采用上下布局，并分別通過所述裝置支架的下連接座 (7)、上連接塊(8)與所述裝置基座(6)固定連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種回轉體刀具磨損狀態(tài)在線自動檢測裝置，包括裝置基座、刀具光學檢測系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)和刀具磨損警報系統(tǒng)，刀具光學檢測系統(tǒng)為面陣型圖像傳感器系統(tǒng)，包括刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置，采集整體刀具的圖像數(shù)據(jù)和切削刃磨損區(qū)局部細節(jié)圖像數(shù)據(jù)，進而確定刀具切削刃的位置及姿態(tài)和磨損狀態(tài)，回轉體刀具的機床主軸裝有標定靶物，在進行測量前，要先進行刀具整體測量裝置和切削刃局部測量裝置的在線標定。本發(fā)明適合于在回轉體刀具旋轉狀態(tài)下自動進行磨損檢測的裝置，以保證加工過程的可靠性，使得生產中廣泛使用的回轉體刀具得到合理利用，降低生產成本，提高加工效率，減少對刀具金屬材料的消耗，節(jié)約自然資源，具有重要意義。
文檔編號B23Q17/09GK102581699SQ20121004676
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權日2012年2月28日
發(fā)明者張曦, 李來維, 程祥, 鮑晟 申請人:上海大學