CN105345599B - 一种车削刀具后刀面磨损的在位检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车削刀具后刀面磨损的在位检测设备，其包括成像装置和位姿调节装置，所述成像装置包括相机、远心镜头和同轴光源，所述远心镜头安装在相机上，同轴光源固定在远心镜头的末端；相机的像素不低于200W，其芯片尺寸不小于1/1.8英寸；远心镜头的畸变率不高于0.02％；相机与远心镜头组合的图像分辨率不低于400pixel/mm，整体长度不大于150mm；所述位姿调节装置用于实现成像装置的多自由度精密调节。工作时，成像装置通过位姿调节装置固定于车床横向位移拖板的位于车削刀具后刀面的外法线一侧。本发明具有测量精度高，测量方便等优点，适于在车刀的后刀面磨损上应用。

Description

一种车削刀具后刀面磨损的在位检测设备

技术领域

本发明属于刀具磨损监测领域，更具体地，涉及一种车削刀具后刀面磨损的在位检测装置。

背景技术

车刀是车削加工中的主要成形工具，刀具的磨损和破坏是影响切削质量的主要因素。刀具产生磨损后，使工件的加工精度降低，表面完整性恶化，并进一步引起切削力的增大和切削温度上升，进一步降低刀具的加工寿命，直接影响加工成本和加工效率。随着加工过程的自动化、高速化和智能化，刀具工作状态的检测已经成为现代车削加工过程监控的一个重要组成部分。

车刀的磨损类型按位置可以分为后刀面磨损、月牙洼磨损、崩刃、破碎等形式，其中，后刀面磨损是正常加工过程中的一种渐进式磨损，是最常见的磨损形式之一。后刀面的磨损状态对工件表面的粗糙度状态有着决定性的影响，因此，车刀后刀面的磨损监测对保证加工质量有着非常重要的意义。

目前常用的车刀后刀面磨损状态检测主要是基于高倍率光学显微镜的离线检测形式，需要将车刀从加工位置拆卸下来，放到专门的测量平台上进行检测。这种方法效率低，而且由于需要拆装刀具，改变了工件与刀具的相对位置，会一定程度上降低加工精度。针对这一问题，部分学者提出了基于相机的在位检测方法，但其所用的镜头由于存在畸变，在测量之前需要对镜头进行标定以校正图像的变形，但常用的标定方法精度有限，而车刀的磨损区域小，一般的光学镜头难以达到要求的测量精度。此外，由于常用的CCD相机视场较大，而目标区域非常小，因此光源的位置对成相质量的影响很大，对后续的图像测量算法要求较高。部分专利中有涉及后刀面磨损的测量方法，但由于安装角度和位置的问题，基本无法在车刀的后刀面磨损上得到应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种车削刀具后刀面磨损的在位检测设备，其中通过采用远心镜头，解决常用镜头的畸变校正问题，通过采用一种小视场的相机和镜头组合，并结合同轴光照明，解决传统方法中光源对成像质量的影响，并设计了一种灵活的多自由度调节装置，通过合理地安装布置，实现了镜头与成像平面的精确垂直定位，保证了图片的成相质量。

为实现上述目的，本发明提出了一种车削刀具后刀面磨损的在位检测设备，该设备包括成像装置和位姿调节装置，其中：

所述成像装置的成像视场不大于5mm×5mm，其包括相机、远心镜头和同轴光源，所述远心镜头安装在相机上，所述同轴光源固定安装在所述远心镜头的末端；所述相机的像素不低于200W，其芯片尺寸不小于1/1.8英寸；所述远心镜头的畸变率不高于0.02％，合焦时镜头前端与待测车削刀具后刀面的垂直距离不大于100mm，所述相机与远心镜头组合的图像分辨率不低于400pixel/mm，整体长度不大于150mm；检测时，所述成像装置的轴线垂直于待测车削刀具的后刀面；

所述位姿调节装置用于实现所述成像装置的多自由度精密调节，以使成像装置的轴线与待测车削刀具的后刀面垂直，保证成像装置的准确对焦。

作为进一步优选的，所述同轴光源优选为白色的同轴环形光源。

作为进一步优选的，所述位姿调节装置固定于车床横向位移拖板的位于车削刀具后刀面的外法线一侧。

作为进一步优选的，所述位姿调节装置包括Z向调节单元、Y向调节单元和X向调节单元，以实现所述成像装置的Z向、Y向和X向的平移和旋转。

作为进一步优选的，所述Z向调节单元包括Z向旋转调节器和Z向旋转微调旋钮，所述Z向旋转调节器固定在底座夹具上，所述Z向旋转微调旋钮用于调节Z向旋转调节器，使相机1绕Z轴旋转；所述Z向旋转调节器上固定有立柱，所述立柱上固定有Z向位移调节器，通过Z向位移微调旋钮调节Z向位移调节器，使相机沿Z向平移。

作为进一步优选的，所述X向调节单元包括固定在Z向位移调节器上的X向位移调节器，其通过X向位移微调旋钮进行调节，以使相机沿X向平移，其上连接有平移导板。

作为进一步优选的，所述Y向调节单元包括固定在平移导板上的Y向位移调节器，其通过Y向位移微调旋钮进行调节，以使相机沿Y向平移。

作为进一步优选的，所述Y向位移调节器上安装有X向旋转调节器，所述X向旋转调节器通过X向旋转微调旋钮进行调节，以使相机绕X轴旋转。

作为进一步优选的，所述相机固定在所述X向旋转调节器上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过设计由相机、远心镜头和同轴光源组成的成像装置，并对相机、远心镜头和同轴光源的参数进行研究与设定，通过采用像素不低于200W、芯片尺寸不小于1/1.8英寸的相机，配合畸变率不高于0.02％、与待测车削刀具后刀面的垂直距离不大于100mm的远心镜头，同时结合同轴光照明，使得成像装置可获得不大于5mm×5mm的小成像视场，图像分辨率不低于400pixel/mm；通过采用远心镜头，解决常用镜头的畸变校正问题，通过采用小视场的相机和镜头组合，结合同轴光照明，解决传统方法中光源对成像质量的影响，具有测量精度高，测量方便等优点，适于在车刀的后刀面磨损上应用。

2.本发明还设计了一种灵活的多自由度位姿调节装置，通过设置X、Y和Z三向调节单元，并根据X、Y和Z三向调节单元的合理安装布置，实现成像装置的多自由度高精度的有效调节，以实现成像装置的轴线与待测车削刀具的后刀面垂直，保证镜头与成像平面的精确垂直定位以及成像装置的准确对焦，保证图片的成相质量。

3.本发明根据车削刀具后刀面待测面尺寸小，精度要求高的特点，巧妙地选择小尺寸高像素的相机，配合高精度的远心镜头，实现了对车刀后刀面磨损区的高效高精度成像；通过合理地布置相机***的安装位置，设计了结构紧凑的多自由度位姿调节***，能够在不干扰车床正常加工的前提下，在非常有限的空间(200mm左右)内实现相机***的有效定位，。

附图说明

图1是本发明的车削刀具后刀面磨损的在位检测设备的结构示意图；

图2是本发明的车削刀具后刀面磨损的在位检测设备的安装示意图；

图3是本发明的车削刀具后刀面磨损的在位检测设备的安装简图；

图4(a)-(d)是本发明的在位检测设备在车刀处于不同的工作主偏角下的安装示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种车削刀具后刀面磨损的在位检测设备，其主要包括成像装置和位姿调节装置。通过成像装置对车削刀具的后刀面磨损区进行高精度的拍照，图像分辨率达到400pixel/mm以上，根据拍摄的照片获取刀具后刀面的磨损情况，根据获得的磨损情况，选择相应的操作。通过位姿调节装置实现成像装置的多自由度精密调节，以使成像装置的轴线与待测车削刀具的后刀面垂直，保证成像装置的准确对焦。

下面将对本发明的关键组件逐一进行更为具体的说明。

作为本发明的关键组件之一，成像装置包括相机1、远心镜头1-1和同轴光源1-2，远心镜头1-1安装在相机1上，同轴光源1-2固定安装在远心镜头1-1的末端，检测时，成像装置整体的轴线垂直于待测车削刀具的后刀面。具体的，相机1的像素不低于200万(200W)，相机的芯片尺寸不小于1/1.8英寸，以此保证相机具有不低于200pixel/mm的单倍图像分辨率；远心镜头1-1的畸变率不高于0.02％，合焦时远心镜头端面与被测车刀后刀面的垂直距离不大于100mm，以此保证相机***不会对车床的正常使用产生干涉；相机1与远心镜头1-1组合的图像分辨率不低于400pixel/mm，相机1与远心镜头1-1组合的整体长度不大于150mm；本发明的成像装置通过本发明中的相机和远心镜头的组合，获取不大于5mm×5mm的小视场成像视场，以保证稳定高质量的光照效果，保证成像质量。

在一个实施例中，成像装置采用如下配置：采用BaslerACA 1600-20gc200W像素CCD相机，相机体积29×29×44mm，像素尺寸4.4μm×4.4μm，传感器尺寸7.16mm×5.44mm；采用MoritexMML2-ST65D X2远心镜头，镜头轮廓尺寸Φ34mm×97mm，工作距离65mm，分辨率5.8μm，景深0.35mm，畸变率0.011％；经过倍率标定，相机与镜头组合的成像参数为：视场尺寸为3.57mm×2.71mm，图像分辨率为455.5pixel/mm，相机镜头组合的整体长度为141mm；采用白色同轴环形光源作为同轴光源，光源功率不低于1.5W，与镜头同轴固定。

作为本发明的另一关键组件，位姿调节装置包括Z向调节单元、Y向调节单元和X向调节单元，以实现成像装置的Z向、Y向和X向的平移和旋转，成像装置固定于位姿调节装置上。

其中，Z向调节单元优选采用如下结构：

主要包括Z向旋转调节器9和Z向旋转微调旋钮11，Z向旋转调节器9固定在底座夹具10上，Z向旋转微调旋钮11用于调节Z向旋转调节器9，使相机1绕Z轴旋转；Z向旋转调节器9上固定有立柱6，Z向位移调节器7固定连接在支撑立柱6上，并可以沿Z向调节固定位置；通过Z向位移微调旋钮8调节Z向位移调节器7，使相机1沿Z向平移。

X向调节单元优选采用如下结构：

主要包括固定在Z向位移调节器7上的X向位移调节器12，X向位移调节器12通过X向位移微调旋钮13进行调节，使相机1沿X向平移，X向位移调节器12上连接有平移导板5。

Y向调节单元优选采用如下结构：

主要包括Y向位移调节器3，其固定连接在平移导板5上，并能沿Y向调节固定位置，Y向位移调节器3通过Y向位移微调旋钮4进行调节，使相机1沿Y向平移。

Y向位移调节器3上安装有X向旋转调节器2，X向旋转调节器2通过X向旋转微调旋钮14进行调节，使相机1绕X轴旋转。相机1固定在X向旋转调节器2上。

下面将具体说明本发明的车削刀具后刀面磨损的在位检测设备的使用方式。

如图2和3所示，车削工件时，工件18的两端通过顶尖19和卡盘21固定，车刀15通过刀架16安装在车床的X向位移拖板20上，本发明的在位检测设备安装在车床Y向位移拖板17上，具体的，成像装置通过位姿调节装置上的底座夹具10固定于车床Y向位移拖板17位于车刀后刀面的外法线一侧的侧边上。通过调节位姿调节装置的固定位置，使得相机1不与卡盘21发生干涉；将刀架16沿X向退出至合适的可对焦位置，通过位姿调节装置调整相机1的X向、Y向、Z向位置使得车刀15的刀尖磨损区位于视场范围内；调节相机的X向和Z向角度，使得相机轴线垂直于被测车刀的后刀面；最后通过Y向位移微调旋钮4微调相机Y向位置，完成对焦；固定相机位置，记录车刀当前位置。

如图4(a)-(d)所示，对于刀具不同的工作主偏角，相机1的固定位姿需要相应地调整，相机的轴线与刀具的切削刃垂直。如果刀具的工作主偏角α等于90度，如图4(a)所示，或大于90度，如图4(b)所示，按上述方式完成安装和位姿调整。如果刀具主偏角α小于90度，则根据机床在X方向的行程状态来确定安装方式：若刀架的X正向行程能够给相机足够的定位空间，即卡盘到车刀之间的距离足够相机固定，则按工作主偏角小于90度的状态进行定位，如图4(c)所示；若刀架的X向行程无法提供足够的安装空间，即卡盘到车刀之间的距离不够相机固定，则将刀具工位逆时针旋转90度，再进行相机的定位，如图4(d)所示，其中A为工作位置，B为测量位置。

完成相机位姿调节后，即可开始车削加工。加工一段时间后，将车刀移动至对焦时所记录的位置，通过相机采集车刀后刀面的磨损图像，通过数据线，将采集到的图像传输到计算机以进行磨损区域的特征识别。如果磨损量在允许范围内，则继续加工；如果磨损量超过可用范围，则进行换刀操作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种车削刀具后刀面磨损的在位检测设备，其特征在于，该设备包括成像装置和位姿调节装置，其中：

所述成像装置的成像视场不大于5mm×5mm，其包括相机(1)、远心镜头(1-1)和同轴光源(1-2)，所述远心镜头(1-1)安装在相机(1)上，所述同轴光源(1-2)固定安装在所述远心镜头(1-1)的末端；所述相机(1)的像素不低于200W，其芯片尺寸不小于1/1.8英寸；所述远心镜头(1-1)的畸变率不高于0.02％，合焦时镜头前端与待测车削刀具后刀面的垂直距离不大于100mm，所述相机(1)与远心镜头(1-1)组合的图像分辨率不低于400pixel/mm，整体长度不大于150mm；检测时，所述成像装置的轴线垂直于待测车削刀具的后刀面；通过所述相机和远心镜头的组合，获取不大于5mm×5mm的小视场成像视场，以保证稳定高质量的光照效果，保证成像质量；

所述位姿调节装置用于实现所述成像装置的多自由度精密调节，以使成像装置的轴线与待测车削刀具的后刀面垂直，保证成像装置的准确对焦，其固定于车床横向位移拖板的位于车削刀具后刀面的外法线一侧，该位姿调节装置包括Z向调节单元、Y向调节单元和X向调节单元，以实现所述成像装置的Z向、Y向和X向的平移和旋转；所述Z向调节单元包括Z向旋转调节器(9)和Z向旋转微调旋钮(11)，所述Z向旋转调节器(9)固定在底座夹具(10)上，所述Z向旋转微调旋钮(11)用于调节Z向旋转调节器(9)，使相机(1)绕Z轴旋转；所述Z向旋转调节器(9)上固定有立柱(6)，所述立柱(6)上固定有Z向位移调节器(7)，通过Z向位移微调旋钮(8)调节Z向位移调节器(7)，使相机(1)沿Z向平移；所述Y向调节单元包括固定在平移导板(5)上的Y向位移调节器(3)，其通过Y向位移微调旋钮(4)进行调节，以使相机(1)沿Y向平移。

2.如权利要求1所述的车削刀具后刀面磨损的在位检测设备，其特征在于，所述同轴光源(1-2)优选为白色的同轴环形光源。

3.如权利要求1所述的车削刀具后刀面磨损的在位检测设备，其特征在于，所述X向调节单元包括固定在Z向位移调节器(7)上的X向位移调节器(12)，其通过X向位移微调旋钮(13)进行调节，以使相机(1)沿X向平移，其上连接有平移导板(5)。

4.如权利要求3所述的车削刀具后刀面磨损的在位检测设备，其特征在于，所述Y向位移调节器(3)上安装有X向旋转调节器(2)，所述X向旋转调节器(2)通过X向旋转微调旋钮(14)进行调节，以使相机(1)绕X轴旋转。

5.如权利要求4所述的车削刀具后刀面磨损的在位检测设备，其特征在于，所述相机(1)固定在所述X向旋转调节器(2)上。