CN102825505A - 基于机器视觉的机床刀具在位检测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的机床刀具在位检测***，包括多自由度的机械臂、图像获取装置和计算机；所述机械臂安装于机床，机械臂包括纵移机构、旋转机构、横移机构和翻转机构；纵移机构的下端通过旋转机构与横移机构连接，翻转机构安装于横移机构上，图像获取装置安装于翻转机构内；纵移机构、旋转机构、横移机构、翻转机构和图像获取装置都与计算机连接。利用本发明能够直接在机床的有限空间内对装在主轴上的刀具自动进行宏观形状尺寸和微观磨破损检测，摄取的图像质量高，检测结果精确。

Description

基于机器视觉的机床刀具在位检测***

技术领域

本发明涉及机床刀具在位检测***，具体涉及一种基于机器视觉的机床刀具在位检测***。

背景技术

刀具是目前工业生产中的机床使用最为广泛的加工工具，其参数和质量直接决定加工的质量与合格率。为了确保加工质量，在刀具的设计、加工和使用中必须对刀具进行测量，以确保零件加工质量，提高生产效率，降低生产成本。

在金属切削过程中，操作人员难以凭肉眼看清楚在机刀具特别是大型机床上的刀具状态。长期以来关于刀具磨破损检测的实验室研究和基于理论或经验的各种各样刀具寿命管理模式研究层出不穷，这一方面说明人们充分认识到要解决此问题的必要性，另一方面也说明该问题的困难和复杂性。因为刀具材质、几何条件和工作环境的复杂性，人们所尝试的基于切削力或机床主轴功率等间接估计方法都难以在生产环境中可靠地表征刀具实际状态。因此，刀具状态检测与调控***一直是机床和切削加工领域中公认的难题。目前仍极少有企业用到刀具自动检测技术。

图像检测法具有直接和可靠的特点。带CCD（Charge-coupled Device，中文全称为：电荷耦合元件）摄像的显微镜有很好的测量精度，但只能在实验室用于小视场检测；光学投影式对刀仪（刀具预调仪）也只能在测量室用于对刀具进行平面形状和尺寸测量，例如投影的刀尖角度、圆弧半径及盘类刀具的径向跳动等离线静态检测，对刀具三维形状尺寸参数无能为力，也无微观磨损检测功能。除简单的接触式对刀仪外，国内还没有实用的在机刀具状态检测量仪。工业先进国家已有一些刀具在线检测仪器，有些已成为商品，但主要是基于接触式测量或激光测量，如英国雷尼绍公司的激光式刀具测量仪，使用时在加工中心工作台一边安装激光束发射器，另一边安装激光束接收器，主要适宜检测刀具破断，而对刀具磨损和复杂几何形状检测不适宜。操作人员对这类非直观可视的检测方法和装置的使用也觉得不很可靠和方便。

近年来有少量学者尝试基于视觉技术进行在机刀具的图像检测，但是以一般原理和图像处理方法介绍为主，图像采集基本上都是采用实验室用加长筒式放大成像器材及一般光源，人工调整和触发相机摄取单帧图像。但这样的检测装置占用空间大，往往需卸除工件或一些机床部件才能安装得下，难以在实际生产中安装在机床有限的空间内进行刀具的在位检测；此外成像视场小，不能兼顾刀具的宏观形状尺寸和表面微观状态检测；而且不能自动调整相机焦距和视场及光源，故自动化和智能化程度低，检测效率低。

发明内容

本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于机器视觉的占用空间小、可跨尺度自动精密检测的机床刀具在位检测***。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：基于机器视觉的机床刀具在位检测***，包括多自由度的机械臂、图像获取装置和计算机；所述机械臂安装于机床，机械臂包括纵移机构、旋转机构、横移机构和翻转机构；纵移机构的末端通过旋转机构与横移机构连接，翻转机构安装于横移机构上，图像获取装置安装于翻转机构内；纵移机构、旋转机构、横移机构、翻转机构和图像获取装置中的电机都通过集成驱动板与计算机连接。

所述纵移机构包括齿条、第一齿轮、第一引导光杆、连接件、纵移步进电机、固定架和同步带传动副；齿条穿过连接件的槽，第一齿轮安装于连接件的槽内，且与齿条啮合，同时第一齿轮通过同步带传动副与纵移步进电机连接，纵移步进电机通过固定架安装于连接件，第一引导光杆穿过连接件的通孔，纵移步进电机和计算机信号连接，齿条的末端和第一引导光杆的末端都固定于旋转机构的一端。当刀具停止工作后停放在一定的高度时，计算机的控制模块驱动纵移步进电机，则纵移步进电机通过同步带传动副带动第一齿轮转动，从而可以调节相机在合适的高度对刀具进行摄像。

作为一种优选，所述第一引导光杆的数目为2根，分别安装于齿条的两侧。齿条与第一引导光杆的长度根据机床的大小及机床的内部空间确定。

所述连接件安装于机床的主轴外壳体或工作台或内壁或顶梁。

作为一种优选，所述连接件安装于机床的主轴外壳体。

所述旋转机构包括旋转框架、旋转步进电机、第一联轴器、连接轴、轴承和锁紧螺母；旋转步进电机安装于旋转框架的槽内的上方，旋转步进电机的输出轴与第一联轴器的上端连接，第一联轴器下端与连接轴连接，连接轴穿过轴承，且连接轴的下端通过锁紧螺母与横移机构的上端固定连接，旋转步进电机与计算机信号连接。计算机的控制模块驱动旋转电机，从而通过连接轴带动横移机构及横移机构所承载的图像获取装置在水平面内进行360°的旋转，从而可以增加检测的范围。

所述横移机构包括横移框架、第一丝杠、第二引导光杆、第二连接轴器、丝杠螺母板、安装框和横移步进电机；第一丝杠安装于横移框架的中间，且第一丝杠的两端分别安装于横移框架的两端，第二引导光杆安装于横移框架内，且位于第一丝杠的两侧，丝杠螺母板的下端同时被第一丝杠和第二引导光杆穿过，上端设置有U形槽，图像获取装置通过翻转机构安装于丝杠螺母板的U形槽内，横移步进电机通过安装框安装于横移框架的尾端，且横移步进电机的输出轴通过第二联轴器与第一丝杆连接，横移步进电机与计算机信号连接。通过计算机的控制模块驱动横移步进电机，从而可以调整相机的镜头相对于刀具的距离。当镜头与刀具之间的距离较远时，相机拍摄刀具的侧面图像，从而可以检测刀具的侧面形状尺寸；而当镜头与刀具之间的距离较近时，则相机将拍摄刀头局部侧面图像，从而检测刀头侧面的微观状态，如刀具的磨损程度。在此基础上，再借助机床主轴带动刀具旋转，则可以检测刀具整个圆周表面。

所述翻转机构包括翻转架和翻转步进电机；翻转架和翻转步进电机分别安装于U形槽的内、外侧，图像获取装置安装于翻转架内，翻转步进电机的输出轴***翻转架的方孔，同时翻转步进电机与计算机信号连接。计算机的控制模块驱动翻转步进电机，从而带动相机在垂直平面内进行180°的转动。当需要检测刀具端面状态时，相机转动90°，令相机镜头朝上，且与水平面垂直。同时，计算机的控制模块驱动横移步进电机，带动相机在水平面移动，令相机镜头正对着刀具的端面，如此可使相机对刀具的端面进行拍摄，从而可以进行刀具端面的状态检测。

所述图像获取装置包括相机和光源；相机固定安装于翻转架内，相机的镜头前端设置有保护罩，光源安装于相机镜头的前方，相机与计算机信号连接。镜头前端安装的保护罩为平光保护罩，从而防止油雾及切屑污染镜头（特别是从下往上拍摄刀具端面时），影响图像的质量，从而影响检测结果。

作为一种优选，所述相机采用百万像素级工业数字相机，而且具有25mm定焦镜头，相机与镜头之间有接圈以调节视场与物距关系，在125mm物距之内拍摄显微磨损视场不小于20*20mm，在300mm物距之内拍摄宏观尺寸视场长边不小于65mm。

所述基于机器视觉的机床刀具在位检测***还包括两根引导槽片、第二丝杠、丝杠螺母架和调距步进电机；所述光源两侧的滑杆***引导槽片，同时光源通过丝杠螺母架安装于第二丝杆上，调距步进电机安装于微型丝杠的尾部，且同时与计算机信号连接。第二丝杆为微型丝杆，通过计算机的控制模块驱动调距步进电机带动第二丝杆转动，从而调节光源与镜头之间在距离。因此相机可以合适的光亮强度下进行拍摄获取图片。

所述基于机器视觉的机床刀具在位检测***还包括第二齿轮、固定板和调焦步进电机；所述第二齿轮安装于调焦步进电机的输出轴，且同时与相机的调焦齿圈啮合，调焦步进电机通过固定板固定安装于相机，调焦步进电机与计算机信号连接。利用计算机的控制模块驱动调焦步进电机从而可进行自动调焦，获取高质量图像。相机主体与镜头之间可选择不同规格的接圈，以调节相机的视场和物距关系。

所述机床的主轴外壳体的下端设置有背光源装置，背光源装置包括背光源、安装板和连接板，且背光源位于光源的前方，背光源铰接于连接板的下端，连接板的上端与安装板下端铰接，安装板的上端固定安装在主轴外壳体的下端，被检测的刀具位于光源与背光板之间。连接板起到一个折叠的作用。在对刀具进行侧面摄像时，如果有背景干扰或光照强度不足的情况下，可以手动设置背光源（或者单独使用电机驱动），从而去除背景的干扰和增强照明。当背光源不使用时，可以向上收拢，从而不会影响刀具的加工。

本发明的工作原理如下：当检测***不工作时，相机位于最高处；当检测***开始工作前，计算机首先对检测***进行***初始化，即令检测***里的各个步进电机参数和图像处理参数清零，然后操作人员根据具体检测目标和要求检测的刀具参数依次在计算机里输入需要拍摄刀具图像的各个位置参数和图像处理参数的控制指令，再点击计算机的用户界面上的“开始运行”按钮，检测***进入自动检测状态。计算机驱动各个步进电机令相机达到预定的拍摄位置时，自动进入调焦，调焦步进电机驱动镜头自动前后调整同时对刀具连续拍摄系列图像，计算机中的相机调焦软件程序根据对焦函数自动判别其中最清晰图像。计算机中的调焦步进电机控制模块根据得到的最清晰图像信号后，再将控制信号通过通用串行或并行接口反馈给调焦步进电机，从而控制镜头定在对应位置进行摄像。之后将拍摄的图像传送到计算机，计算机里的图像分析软件对图像进行处理分析，从而检测刀具的状态，并将刀具的检测结果在计算机的显示屏里显示；检测结束后，计算机控制相机恢复到原来的位置，即相机位于最高处，从而使检测***在不工作时，不影响刀具的工作。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1、本发明的基于机器视觉的机床刀具在位检测***通过纵移机构、旋转机构、横移机构和翻转机构之间的连接，通过计算机控制多个机构及部件的运动令相机根据不同的要求确定在不同的位置，令相机在有限的机床空间内能够获取刀具的跨尺度图像，故可以自动完成刀具侧面、底面的宏观形状、尺寸的检测和刀具磨破损微观检测，而且检测***的机构紧凑，在检测***不工作时，不会影响机床的加工运行。

2、本发明的基于机器视觉的机床刀具在位检测***不仅镜头离刀具之间的距离及角度可以自动调节，而且光源与镜头之间的距离也可以自动调节，故相机获取刀具图像的质量高，从而令刀具的检测结果更准确。

3、本发明的基于机器视觉的机床刀具在位检测***能够直接在机床里检测刀具状态，而不需要将刀具拆卸下再进行检测，所以大大减少了检测时间和节省重新对刀时间；且检测***里的各个机构及部件的运动都通过计算机控制，从而提高了检测***的自动化和智能化程度。

附图说明

图1是本发明的基于机器视觉的机床刀具在位检测***的结构示意图。

图2是本发明的机械臂的结构示意图。

图3是本发明的纵移机构的结构示意图。

图4是本发明的旋转机构的结构示意图。

图5是本发明横移机构、翻转机构和图像获取装置的结构示意图。

图6是本发明的基于机器视觉的机床刀具在位检测***在检测刀具侧面形状尺寸的状态时的结构示意图。

图7是本发明的基于机器视觉的机床刀具在位检测***在检测刀具侧面微观的状态时的结构示意图。

图8是本发明的基于机器视觉的机床刀具在位检测***在检测刀具端面状态时的结构示意图。

图9是本发明的基于机器视觉的机床刀具在位检测***处于非工作状态时的结构示意图。

图10是本发明的基于机器视觉的机床刀具在位检测***的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1至图5所示的基于机器视觉的机床刀具在位检测***，包括多自由度的机械臂、图像获取装置7和计算机；所述机械臂安装于机床，机械臂包括纵移机构4、旋转机构5、横移机构6和翻转机构8；纵移机构4的末端通过旋转机构5与横移机构6连接，翻转机构8安装于横移机构6上，图像获取装置7安装于翻转机构8内；纵移机构4、旋转机构5、横移机构6、翻转机8构和图像获取装置7都与计算机连接。

所述纵移机构4包括齿条12、第一齿轮13、第一引导光杆11、连接件10、纵移步进电机15、固定架9和同步带传动副14；齿条12穿过连接件10的槽，第一齿轮13安装于连接件10的槽内，且与齿条12啮合，同时第一齿轮13通过同步带传动副14与纵移步进电机15连接，纵移步进电机15通过固定架9安装于连接件10，第一引导光杆11穿过连接件10的通孔，纵移步进电机15和计算机信号连接，齿条12的末端和第一引导光杆11的末端都固定于旋转机构5的一端。作为一种优选，齿条12和第一引导光杆11的下端都固定于旋转机构5中的旋转框架22的上端。所述第一引导光杆11的数目为2根，分别安装于齿条12的两侧。齿条12与第一引导光杆11的长度根据机床的大小及机床的内部空间确定。

作为一种优选，所述连接件10安装于机床的主轴外壳体3。

所述旋转机构5包括旋转框架22、旋转步进电机16、第一联轴器17、连接轴18、轴承19和锁紧螺母21；旋转步进电机16安装于旋转框架22的槽内的上方，旋转步进电机16的输出轴与第一联轴器17的上端连接，第一联轴器下端17与连接轴18连接，连接轴18穿过轴承19，且连接轴18的下端通过锁紧螺母21与横移机构6中的横移框架的上端固定连接，旋转步进电机16与计算机信号连接。

所述横移机构6包括横移框架20、第一丝杠24、第二引导光杆23、第二连接轴器27、丝杠螺母板30、安装框25和横移步进电机26；第一丝杠24安装于横移框架20的中间，且第一丝杠24的两端分别安装于横移框架20的两端，第二引导光杆23安装于横移框架20内，且位于第一丝杠24的两侧，丝杠螺母板30的下端同时被第一丝杠24和第二引导光杆23穿过，上端设置有U形槽，图像获取装置7通过翻转机构8安装于丝杠螺母板30的U形槽内，横移步进电机26通过安装框25安装于横移框架20的尾端，且横移步进电机26的输出轴通过第二联轴器27与第一丝杆24连接，横移步进电机26与计算机信号连接。所述第一丝杆24的两端分别通过轴承安装于横移框架20的前板31和后板28，且第一丝杆24的一端通过第二连轴器27与横移步进电机26连接。而2根第二引导光杆23分别位于第一丝杆24的两侧，且第二引导光杆23的两端分别固定于前板31和后板28。

所述翻转机构8包括翻转架40和翻转步进电机29；翻转架40和翻转步进电机28分别安装于U形槽的内、外侧，图像获取装置7安装于翻转架40内，翻转步进电机29的输出轴***翻转架40的方孔，同时翻转步进电机29与计算机信号连接。

所述图像获取装置包括相机42和光源34；相机42固定安装于翻转架40内，相机42的镜头前端设置有保护罩36，光源34安装于相机镜头的前方，相机42与计算机信号连接。

作为一种优选，所述相机采用百万像素级工业数字相机，装有25mm定焦镜头，相机与镜头之间有接圈，在125mm物距之内拍摄显微磨损视场不小于20*20mm，在300mm物距之内拍摄宏观尺寸视场长边不小于65mm。

所述基于机器视觉的机床刀具在位检测***还包括两根引导槽片35、第二丝杠32、丝杠螺母架33和调距步进电机；所述光源34两侧的滑杆***引导槽片35，同时光源34通过丝杠螺母架33安装于第二丝杆32上，调距步进电机安装于第二丝杠的尾部，且同时与计算机信号连接。

所述基于机器视觉的机床刀具在位检测***还包括第二齿轮38、固定板41和调焦步进电机39；所述第二齿轮38安装于调焦步进电机39的输出轴，且同时与相机42的调焦齿圈37啮合，调焦步进电机39通过固定板41固定安装于相机42，调焦步进电机39与计算机信号连接。

所述机床的主轴外壳体的下端设置有背光源装置2，背光源装置包括背光源201、连接板202和安装板203，且背光源201位于光源34的前方，背光源201铰接于连接板202的下端，连接板202的上端与安装板203下端铰接，安装板203的上端固定安装在主轴外壳体的下端，被检测的刀具位于光源与背光板之间。

根据图10，本基于机器视觉的机床刀具在位检测***的各个检测状态：

如图6，当需要检测刀具1侧面形状尺寸时，首先利用计算对检测***进行初始化，然后在计算机中输入对各个步进电机的控制指令。即首先驱动纵移步进电机15调整相机42到达设定的高度，再驱动旋转步进电机16令相机42转动一定的角度，使相机42的镜头正对刀具1，接着驱动横移步进电机26带动相机42进行水平移动，令镜头与刀具1之间的距离为设定的大小。利用调焦步进电机39调节相机42的焦距，调整到合适的焦距后，启动相机42对刀具1进行拍摄，并将拍摄得到的图像通过串行口传送到计算机。计算机中的图像处理软件对图像进行处理分析，从而检测刀具1的侧面形状尺寸。在进行侧面摄像时，机床主轴可带动刀具1旋转，从而相机42可以拍摄刀具1全部的圆周侧面。拍摄的图像传送给计算机进行处理分析，将处理分析的数据进行保存，同时通过计算机的显示屏显示结果。在侧面摄像的过程中，背光源2根据光照的需要及背景的情况而决定是否拉下。

如图7，需要检测刀具1侧面的微观状态时，首先利用计算对检测***进行初始化，然后在计算机中输入对各个步进电机的控制指令。利用计算机控制纵移步进电机15和旋转步进电机16，令相机42移动到合适的高度及在水平面内转动到使相机42的镜头正对着刀具1端头的合适位置。驱动横移步进电机26，使相机42的镜头靠近刀具1端头的的侧面，然后在相机42调整好焦距之后对刀具1端头的侧面进行近距离拍摄获取图像，再将图像传送给计算机进行处理分析，并将对刀具端头微观状态分析得出数据进行保存，同时通过计算机的显示屏显示结果。在侧面显微摄像的过程中，机床主轴可带动刀具1旋转，从而相机42可以拍摄到刀具端头全部的圆周侧面，此时背光源2一般处于收拢状态；

如图8，当需要检测刀具1的端面状态时，首先利用计算对检测***进行初始化，然后在计算机中输入对各个步进电机的控制指令。利用计算机控制纵移步进电机15和旋转步进电机16，令相机42位于设定的高度及转动一定的角度；再驱动翻转步进电机29，使相机42在垂直面内翻转90°，令相机42的镜头朝上；然后驱动横移步进电机26，令相机42的镜头正对着刀具1的端面；再将相机42的焦距进行调整到合适的位置后，相机42对刀具1的端面进行拍摄获取图像，并将图像传送到计算机，而计算机利用处理分析软件对端面的图像进行处理分析，并将此分析得出的数据进行保存，同时通计算机的显示屏显示结果。在刀具1的端面检测时，因为不需要使用背光源2，所以背光源处于收拢状态。

如图9所示，当检测***处于非工作状态时，横移机构6中的横移框架20与机床的主轴外壳体3平行，同时纵移机构4将相机42上升到最高位置，从而避免检测***影响刀具的工作运行。

实施例2

本基于机器视觉的机床刀具在位检测***除下述特征外同实施例1：作为一种优选，所述连接件10安装于机床的内壁。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于机器视觉的机床刀具在位检测***，其特征在于：包括多自由度的机械臂、图像获取装置和计算机；所述机械臂安装于机床，机械臂包括纵移机构、旋转机构、横移机构和翻转机构；纵移机构的末端通过旋转机构与横移机构连接，翻转机构安装于横移机构上，图像获取装置安装于翻转机构内；纵移机构、旋转机构、横移机构、翻转机构和图像获取装置都与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的机床刀具在位检测***，其特征在于：所述纵移机构包括齿条、第一齿轮、第一引导光杆、连接件、纵移步进电机、固定架和同步带传动副；齿条穿过连接件的槽，第一齿轮安装于连接件的槽内，且与齿条啮合，同时第一齿轮通过同步带传动副与纵移步进电机连接，纵移步进电机通过固定架安装于连接件，第一引导光杆穿过连接件的通孔，纵移步进电机和计算机信号连接，齿条的末端和第一引导光杆的末端都固定于旋转机构的一端。

3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的机床刀具在位检测***，其特征在于：所述连接件安装于机床的主轴外壳体或工作台或内壁或顶梁。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的机床刀具在位检测***，其特征在于：所述旋转机构包括旋转框架、旋转步进电机、第一联轴器、连接轴、轴承和锁紧螺母；旋转步进电机安装于旋转框架的槽内的上方，旋转步进电机的输出轴与第一联轴器的上端连接，第一联轴器下端与连接轴连接，连接轴穿过轴承，且连接轴的下端通过锁紧螺母与横移机构的上端固定连接，旋转步进电机与计算机信号连接。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的机床刀具在位检测***，其特征在于：所述横移机构包括横移框架、第一丝杠、第二引导光杆、第二连接轴器、丝杠螺母板、安装框和横移步进电机；第一丝杠安装于横移框架的中间，且第一丝杠的两端分别安装于横移框架的两端，第二引导光杆安装于横移框架内，且位于第一丝杠的两侧，丝杠螺母板的下端同时被第一丝杠和第二引导光杆穿过，上端设置有U形槽，图像获取装置通过翻转机构安装于丝杠螺母板的U形槽内，横移步进电机通过安装框安装于横移框架的尾端，且横移步进电机的输出轴通过第二联轴器与第一丝杆连接，横移步进电机与计算机信号连接。

6.根据权利要求5所述的基于机器视觉的机床刀具在位检测***，其特征在于：所述翻转机构包括翻转架和翻转步进电机；翻转架和翻转步进电机分别安装于U形槽的内、外侧，图像获取装置安装于翻转架内，翻转步进电机的输出轴***翻转架的方孔，同时翻转步进电机与计算机信号连接。

7.根据权利要求6任一项所述的基于机器视觉的机床刀具在位检测***，其特征在于：所述图像获取装置包括相机和光源；相机固定安装于翻转架内，相机的镜头前端设置有保护罩，光源安装于相机镜头的前方，相机与计算机信号连接。

8.根据权利要求7所述的基于机器视觉的机床刀具在位检测***，其特征在于：还包括两根引导槽片、第二丝杠、丝杠螺母架和调距步进电机；所述光源两侧的滑杆***引导槽片，同时光源通过丝杠螺母架安装于第二丝杆上，调距步进电机安装于微型丝杠的尾部，且同时与计算机信号连接。

9.根据权利要求7所述的基于机器视觉的机床刀具在位检测***，其特征在于：还包括第二齿轮、固定板和调焦步进电机；所述第二齿轮安装于调焦步进电机的输出轴，且同时与相机的调焦齿圈啮合，调焦步进电机通过固定板固定安装于相机，调焦步进电机与计算机信号连接。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的基于机器视觉的机床刀具在位检测***，其特征在于：所述机床的主轴外壳体的下端设置有背光源装置，背光源装置包括背光源、安装板和连接板，且背光源位于光源的前方，背光源铰接于连接板的下端，连接板的上端与安装板下端铰接，安装板的上端固定安装在主轴外壳体的下端，被检测的刀具位于光源与背光板之间。

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