一種微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置及方法，圖像獲取裝置安裝在夾具上，夾具安裝在機(jī)械手卡盤上，機(jī)械手卡盤安裝在機(jī)械手上；環(huán)形光源安裝在圖像獲取裝置的端部，且環(huán)形光源的軸線與圖像獲取裝置的軸線相互重合；背光光源、激光源和三棱鏡光路安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上；測量刀尖磨損高度時(shí)機(jī)械手處于檢測初始化狀態(tài)；測量刀具前角和后角時(shí)機(jī)械手使圖像獲取裝置處于與水平面呈一夾角且圖像獲取裝置正對(duì)被測刀具的刀尖；測量刀尖直徑和后刀面磨損面積時(shí)，機(jī)械手使圖像獲取裝置水平放置，并平行于位于刀具下方的三棱鏡光路的垂直工作面。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)在機(jī)床上對(duì)刀具工作形貌進(jìn)行全面的檢測與準(zhǔn)確判斷。
【專利說明】—種微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微細(xì)加工、刀具在位檢測等先進(jìn)制造【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]90年代以來，刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在高性能微機(jī)等新技術(shù)的推動(dòng)下，獲得了進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)為理論基礎(chǔ)的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，隨著CCD攝像傳感技術(shù)的成熟以及價(jià)格的大幅度降低，從而在機(jī)械制造方面開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。一方面基于工件表面紋理的方法，通過已加工工件表面的紋理的變化趨勢來反映刀具的磨損程度，但是該方法和傳感器方法有一樣的缺點(diǎn)，即無法獲得磨損量的精確值。
[0003]另一方面是直接檢測刀具本身的磨損圖像，基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的刀具磨損狀態(tài)檢測是一種很新、很先進(jìn)的測量方法。它具有成本低、精度高、簡單快捷、無接觸、無變形優(yōu)點(diǎn)。但是目前的檢測技術(shù)普遍存在兩點(diǎn)明顯不足:
[0004](I)檢測過程需要把刀具取下放置到某一夾具上進(jìn)行測量，嚴(yán)重影響檢測效率且自動(dòng)化程度低；
[0005](2)針對(duì)微型刀具(以微型銑刀為例)的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)、測量要素沒有統(tǒng)一規(guī)定，應(yīng)用比較廣泛的是主后刀面磨損帶寬度、副后刀面磨損面積及月牙洼面積等，但這這些測量要素并不能反映微型刀具突出的磨損特點(diǎn)即刀尖磨損，因此其科學(xué)性缺少論證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置及方法，可以實(shí)現(xiàn)在機(jī)床上對(duì)刀具工作形貌進(jìn)行全面的檢測與判斷。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置，包括圖像獲取裝置、機(jī)械手、機(jī)械手卡盤、夾具、環(huán)行光源、三棱鏡光路、背光光源和激光源，所述圖像獲取裝置安裝在所述夾具上，所述夾具安裝在機(jī)械手卡盤上，機(jī)械手卡盤安裝在機(jī)械手上；所述環(huán)形光源安裝在圖像獲取裝置的端部，且保持環(huán)形光源的軸線與圖像獲取裝置的軸線相互重合；所述背光光源、激光源和三棱鏡光路安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上；測量刀尖磨損高度時(shí)機(jī)械手處于檢測初始化狀態(tài)，打開背光光源使得圖像獲取裝置能夠獲取被測刀具側(cè)面的圖像；測量刀具前角和后角時(shí)機(jī)械手使圖像獲取裝置處于與水平面呈一夾角且圖像獲取裝置正對(duì)被測刀具的刀尖，激光源發(fā)出的激光能夠在被測刀具的刀面位置形成一條激光輪廓線；測量刀尖直徑和后刀面磨損面積時(shí)，通過工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)使三棱鏡光路的水平工作面處于被測刀具正下方，所述機(jī)械手使圖像獲取裝置水平放置，并平行于三棱鏡光路的垂直工作面，打開環(huán)形光源能夠獲取被測刀具底面圖像。
[0008]所述機(jī)械手安裝在地面上，并位于機(jī)床立柱的正前方、面對(duì)機(jī)床立柱上安裝的主軸以及安裝在主軸上的被測刀具。
[0009]所述三棱鏡光路通過光源安置座安裝在工作臺(tái)上。[0010]所述背光光源通過光源安置座安裝在工作臺(tái)上。
[0011]所述工作臺(tái)上設(shè)有支架，所述激光源安裝在支架的水平支撐孔中。
[0012]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:還提供一種微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測方法，使用上述的微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置，包括以下步驟:
[0013](I)將被測刀具隨機(jī)床主軸向上移動(dòng)到指定位置；機(jī)械手夾持圖像獲取裝置使其軸線正對(duì)被測刀具的刀尖部位；被測刀具隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)到刀具基面平行于圖像獲取裝置的鏡頭平面，并使得背光光源正對(duì)圖像獲取裝置；
[0014](2)測量刀尖磨損高度時(shí)機(jī)械手處于檢測初始化狀態(tài)，打開背光光源，獲取被測刀具側(cè)面圖像，并通過檢測軟件獲得刀尖磨損高度值；
[0015](3)測量刀具前角、后角時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手使圖像獲取裝置處于與水平面呈一夾角，并正對(duì)被測刀具的刀尖，打開激光源，在被測刀具前刀面位置形成一條激光輪廓線，刀具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，激光器與刀具后刀面位置形成一條激光輪廓線，獲取相應(yīng)的刀具圖像，并通過檢測軟件分別獲得實(shí)際工作前角和工作后角值；
[0016](4)測量刀尖直徑和后刀面磨損面積時(shí)，通過工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)使三棱鏡光路的水平工作面處于刀具正下方，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手，使圖像獲取裝置水平放置，并平行于三棱鏡光路的垂直工作面，打開環(huán)形光源，獲取刀具底面圖像，并通過測量軟件分別獲得刀尖部位的工作直徑和后刀面磨損面積值。
[0017]有益效果
[0018]由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0019]本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)在機(jī)床上對(duì)刀具工作形貌進(jìn)行全面的檢測與判斷，可以通過檢測信號(hào)處理與檢測過程、加工過程的并行作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。通過對(duì)微細(xì)加工過程的監(jiān)測與刀具誤差補(bǔ)償，不僅可以保證和提高微細(xì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，而且可以避免和減少不合格率和降低生產(chǎn)成本。
[0020]本發(fā)明采用基于機(jī)器視覺的刀具磨損在位檢測技術(shù)對(duì)微型銑刀進(jìn)行檢測，充分發(fā)揮了其成本低、精度高、簡單快捷、無接觸、無變形的優(yōu)點(diǎn)，與其他檢測方法相比，在微型銑刀磨損檢測方面具有明顯優(yōu)勢。
[0021]與同類型的機(jī)器視覺刀具檢測技術(shù)相比，一方面，本發(fā)明通過機(jī)械手夾持C⑶相機(jī)對(duì)刀具進(jìn)行在位磨損檢測，明顯提高了系統(tǒng)自動(dòng)化水平和檢測效率。另一方面，本發(fā)明緊密結(jié)合微型銑刀的磨損特點(diǎn)通過對(duì)其刀尖磨損高度、刀具前角后角、刀尖部分工作直徑和后刀面磨損面積的測量綜合評(píng)價(jià)刀具磨損，其結(jié)果準(zhǔn)確合理。
[0022]本發(fā)明在自動(dòng)化微型機(jī)床和微型刀具磨損檢測方面具有十分重要的意義和實(shí)用價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是圖1的局部放大圖；
[0025]圖3是本發(fā)明用于測量刀具前角、后角時(shí)右視圖；[0026]圖4是本發(fā)明用于測量刀尖直徑和后刀面磨損面積的示意圖；
[0027]圖5是本發(fā)明測量刀尖磨損高度的拍攝圖像示例圖；
[0028]圖6是本發(fā)明測量刀具前角時(shí)投影到刀具基面上的激光輪廓線示意圖；
[0029]圖7本發(fā)明測量刀具前角的拍攝圖像示例圖；
[0030]圖8本發(fā)明測量刀具后角時(shí)投影面的激光輪廓線示意圖；
[0031]圖9本發(fā)明測量刀具后角時(shí)拍攝圖像示例圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0033]本發(fā)明涉及一種微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置及方法，可在機(jī)床上檢測刀具的工作形貌，包括刀具的實(shí)際尺寸、主要工作角度、主后刀面磨損狀況，如磨損面積、磨損深度等。
[0034]如圖1所示，一種微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置，包括圖像獲取裝置
1、機(jī)械手2、機(jī)械手卡盤3、夾具4、環(huán)行光源5、三棱鏡光路6、背光光源7和激光源13，所述圖像獲取裝置I安裝在所述夾具4上，所述夾具4安裝在機(jī)械手卡盤3上，機(jī)械手卡盤3安裝在機(jī)械手2上；所述環(huán)形光源5安裝在圖像獲取裝置I的端部，且保持環(huán)形光源5的軸線與圖像獲取裝置I的軸線相互重合；所述背光光源7、激光源13和三棱鏡光路6安裝在機(jī)床的工作臺(tái)12上；測量刀尖磨損高度時(shí)機(jī)械手2處于檢測初始化狀態(tài)，打開背光光源7使得圖像獲取裝置能夠獲取被測刀具側(cè)面的圖像；測量刀具前角和后角時(shí)機(jī)械手2使圖像獲取裝置I處于與水平面呈一夾角且圖像獲取裝置I正對(duì)被測刀具10的刀尖，激光源13發(fā)出的激光能夠在被測刀具10的刀面位置形成一條激光輪廓線；測量刀尖直徑和后刀面磨損面積時(shí)，通過工作臺(tái)12的運(yùn)動(dòng)使三棱鏡光路6的水平工作面處于被測刀具10正下方，所述機(jī)械手2使圖像獲取裝置I水平放置，并平行于三棱鏡光路6的垂直工作面，打開環(huán)形光源5能夠獲取被測刀具10底面圖像。所述機(jī)械手2安裝在地面上，并位于機(jī)床立柱11的正前方、面對(duì)機(jī)床立柱11上安裝的主軸9以及安裝在主軸9上的被測刀具10。所述三棱鏡光路6通過光源安置座8安裝在工作臺(tái)12上。所述背光光源7通過光源安置座8安裝在工作臺(tái)12上。所述工作臺(tái)12上設(shè)有支架14，所述激光源13安裝在支架14的水平支撐孔中。
[0035]其中，圖像獲取裝置可以采用CXD相機(jī)，激光源可采用小型激光器。通過調(diào)整CXD相機(jī)位置分別獲得被測刀具的刀尖磨損高度、刀具前角后角、刀尖部位的工作直徑和后刀面磨損面積圖像，并通過刀具磨損檢測軟件獲得測量值，實(shí)現(xiàn)對(duì)微型銑刀磨損狀態(tài)的在位檢測。
[0036]下面進(jìn)一步說明本發(fā)明的使用方法。
[0037]步驟一.檢測系統(tǒng)初始化
[0038]檢測初始化狀態(tài)如圖1和圖2所示，被測刀具隨機(jī)床主軸向上移動(dòng)距離工件30mm，機(jī)械手夾持CCD相機(jī)運(yùn)行到圖示位置使其軸線正對(duì)刀具的刀尖部位，刀具隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)到刀具基面平行于CXD相機(jī)鏡頭位置，背光光源安裝在光源放置板上正對(duì)此時(shí)CXD相機(jī)鏡頭。
[0039]步驟二.測量刀尖磨損高度
[0040]測量刀尖磨損高度時(shí)機(jī)械手處于檢測初始化狀態(tài)，打開背光光源，拍攝刀具側(cè)面圖像，如圖5所示，圖中L的變化量即為刀尖磨損高度。通過檢測軟件獲得刀尖磨損高度值，關(guān)閉背光源。
[0041]步驟三.測量刀具前角、后角
[0042]機(jī)械手夾持(XD相機(jī)運(yùn)動(dòng)到如圖3所示位置，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手使CXD相機(jī)處于與水平面呈30°的方位，并正對(duì)刀具的刀尖，小型激光器通過支架水平放置于CCD相機(jī)下面正對(duì)刀具基面距離為80mm。打開激光器，其與刀具前刀面位置形成一條激光輪廓線(如圖6所示)，拍攝拍攝刀具前刀面圖像(如圖7所示)。刀具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，激光器于刀具后刀面位置形成一條激光輪廓線(如圖8所示)，拍攝刀具后刀面圖像(如圖9所示)，并通過檢測軟件分別獲得實(shí)際工作前角和工作后角值，關(guān)閉激光器。圖6-圖9中的黑色粗體線為激光輪廓線。
[0043]步驟四.測量刀尖直徑和后刀面磨損面積
[0044]由于微型機(jī)床尺寸的限制，CCD相機(jī)一般無法直接對(duì)刀具底面進(jìn)行拍攝，所以使用三棱鏡光路的方法使光線轉(zhuǎn)折90°在側(cè)面進(jìn)行拍攝。如圖4所示通過工作臺(tái)X軸的運(yùn)動(dòng)，使三棱鏡光路的水平工作面處于刀具正下方的IOmm處，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手，使CCD相機(jī)水平放置，并平行于棱鏡光路的垂直工作面，打開環(huán)形光源，拍攝刀具底面圖像，并通過測量軟件分別獲得刀尖部位的工作直徑和后刀面磨損面積值，通過檢測軟件獲得兩測量值。關(guān)閉環(huán)形光源，移動(dòng)工作臺(tái)X軸至初始位置。
【權(quán)利要求】
1.一種微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置，包括圖像獲取裝置(I)、機(jī)械手(2)、機(jī)械手卡盤(3)、夾具(4)、環(huán)行光源(5)、三棱鏡光路(6)、背光光源(7)和激光源(13)，其特征在于，所述圖像獲取裝置(I)安裝在所述夾具(4)上，所述夾具(4)安裝在機(jī)械手卡盤(3)上，機(jī)械手卡盤(3)安裝在機(jī)械手(2)上；所述環(huán)形光源(5)安裝在圖像獲取裝置(I)的端部，且保持環(huán)形光源(5)的軸線與圖像獲取裝置(I)的軸線相互重合；所述背光光源(7 )、激光源(13 )和三棱鏡光路(6 )安裝在機(jī)床的工作臺(tái)(12 )上；測量刀尖磨損高度時(shí)機(jī)械手(2 )處于檢測初始化狀態(tài)，打開背光光源(7 )使得圖像獲取裝置(I)能夠獲取被測刀具(10)側(cè)面的圖像；測量刀具前角和后角時(shí)機(jī)械手(2)使圖像獲取裝置(I)處于與水平面呈一夾角且圖像獲取裝置(I)正對(duì)被測刀具的刀尖，激光源(13)發(fā)出的激光能夠在被測刀具(10)的刀面位置形成一條激光輪廓線；測量刀尖直徑和后刀面磨損面積時(shí)，通過工作臺(tái)(12)的運(yùn)動(dòng)使三棱鏡光路(6)的水平工作面處于被測刀具(10)正下方，所述機(jī)械手(2)使圖像獲取裝置(I)水平放置，并平行于三棱鏡光路(6)的垂直工作面，打開環(huán)形光源(5)能夠獲取被測刀具底面圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置，其特征在于，所述機(jī)械手(2 )安裝在地面上，并位于機(jī)床立柱(11)的正前方、面對(duì)機(jī)床立柱(11)上安裝的主軸(9)以及安裝在主軸(9)上的被測刀具(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置，其特征在于，所述三棱鏡光路(6)通過光源安置座(8)安裝在工作臺(tái)(12)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置，其特征在于，所述背光光源(7 )通過光源安置座(8 )安裝在工作臺(tái)(12 )上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置，其特征在于，所述工作臺(tái)(12)上設(shè)有支架(14)，所述激光源(13)安裝在支架(14)的水平支撐孔中。
6.一種微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測方法，其特征在于，使用權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的微細(xì)精密加工刀具工作形貌在位檢測裝置，包括以下步驟: (1)將被測刀具隨機(jī)床主軸向上移動(dòng)到指定位置；機(jī)械手夾持圖像獲取裝置使其軸線正對(duì)被測刀具的刀尖部位；被測刀具隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)到刀具基面平行于圖像獲取裝置的鏡頭平面，并使得背光光源正對(duì)圖像獲取裝置； (2)測量刀尖磨損高度時(shí)機(jī)械手處于檢測初始化狀態(tài)，打開背光光源，獲取被測刀具側(cè)面圖像，并通過檢測軟件獲得刀尖磨損高度值； (3)測量刀具前角、后角時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手使圖像獲取裝置處于與水平面呈一夾角，并正對(duì)被測刀具的刀尖，打開激光源，在被測刀具前刀面位置形成一條激光輪廓線，刀具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，激光器與刀具后刀面位置形成一條激光輪廓線，獲取相應(yīng)的刀具圖像，并通過檢測軟件分別獲得實(shí)際工作前角和工作后角值； (4)測量刀尖直徑和后刀面磨損面積時(shí)，通過工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)使三棱鏡光路的水平工作面處于刀具正下方，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手，使圖像獲取裝置水平放置，并平行于三棱鏡光路的垂直工作面，打開環(huán)形光源，獲取刀具底面圖像，并通過測量軟件分別獲得刀尖部位的工作直徑和后刀面磨損面積值。
【文檔編號(hào)】B23Q17/09GK103586740SQ201310534085
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月31日
【發(fā)明者】李蓓智, 王慶霞, 王沖沖, 蘇慶, 董婉嬌 申請(qǐng)人:東華大學(xué)