CN106840028A - 刀具磨损的在位测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的名称为刀具磨损的在位测量方法和装置。属于刀具磨损测量方法及装置技术领域。它主要是提供在位测量刀具磨损状况的方法及装置。它包括以下步骤：⑴在刀具侧部安装线结构激光器和CCD摄像机，CCD摄像机通过图像采集卡与计算机连接；⑵线激光垂直投射到刀具刀刃上，变形的激光线在CCD摄像机光敏面上成像并传输到计算机；⑶经图像处理和标定计算，得到光条点在光平面上二维尺寸；⑷随刀具旋转完成对刀具的一周扫描，获取整个刀具的三维尺寸数据；⑸与刀具标准三维模型进行比较，得出磨损量。本发明具有成本较低、高精度、条纹图像信息易于提取、实时性强及主动受控等特点，能够达到μm级测量精度，适合用于刀具磨损的在位测量。
Description
技术领域
本发明属于刀具磨损测量方法及装置技术领域。具体涉及一种数控铣床或加工中心的铣刀磨损量的在位测量方法和装置。
背景技术
刀具是机械加工的工具，在加工工件时，不可避免会发生磨损，如果超过了磨钝标准，不仅会影响工件的精度，而且会导致废品而影响加工成本。
在位测量刀具磨损状况，是保证加工质量和效率的前提。目前刀具检测方法主要有直接测量法和间接测量法。直接测量刀具能识别刀刃外观、表面品质或表面形状的变化，主要方法有射线测量法、光学测量法、计算机图像处理法。直接检测方法结果真实准确，但多数只能停机离线检测。间接测量法利用刀具磨损状态对不同工作参数的影响，测量反应刀具磨损程度的相关参量，常用方法有切削力检测法、振动信号检测法、电流信号检测法等。间接测量能在位检测刀具状态，但检测干扰因素太多，检测结果精度无法保证。
刀具磨损对工件加工效率、品质和成本有着直接的影响，对其进行检测是十分必要的。刀具的磨损集中在微米级，因此对测量精度要求高。刀具检测的发展方向是实现在机床加工过程中的在位测量，因此对测量的环境适应性要求也较高。
发明内容
本发明的目的就是针对上述不足而提供一种刀具磨损的在位测量方法和装置，能完整、准确地监测刀具磨损区域形貌在加工过程中的变化，通过刀具三维形貌的扫描重建，快速获得刀具的磨损量，以适应机床的使用环境。
本发明刀具磨损的在位测量方法的技术解决方案是：一种刀具磨损的在位测量方法，其特征在于包括以下步骤：
⑴在数控机床主轴上刀具的侧部水平位置上安装线结构激光器和CCD摄像机，CCD摄像机通过图像采集卡与计算机连接，计算机与数控机床的控制***连接；将刀具标准三维模型输入计算机，在光平面上建立测量坐标系；
⑵使刀具匀速转动，控制线结构激光器发出线激光垂直投射到刀具刀刃上，被刀具表面形貌调制变形，变形的激光线在CCD摄像机光敏面上成像，形成光条图像，图像采集卡将光条图像传输到计算机；
⑶经过计算机图像处理计算，得到光条点的像素坐标，再利用传感器测量模型，通过标定计算，可得到光条点在光平面上二维尺寸；
⑷随刀具旋转完成对刀具的一周扫描，利用光条点在光平面上二维尺寸及刀具转速获取转动的角度值，建立柱面坐标系；
⑸通过柱面坐标系和测量坐标系之间的转换关系，获取整个刀具的三维尺寸数据；
⑹与输入计算机的该刀具标准三维模型进行比较，就可以得出磨损量。
本发明刀具磨损的在位测量方法的技术解决方案中所述的CCD摄像机包括第一CCD摄像机和第二CCD摄像机，第一CCD摄像机、第二CCD摄像机分别位于线结构激光器的两侧。
本发明刀具磨损的在位测量装置的技术解决方案是：一种刀具磨损的在位测量装置，其特征在于：包括检测传感器、双杆滑动气缸、工控机或计算机；其中，检测传感器由固定在传感器安装底板上的第一CCD摄像机、线结构激光器和第二CCD摄像机构成，第一CCD摄像机、第二CCD摄像机分别位于线结构激光器的两侧；双杆滑动气缸通过支架水平固定在机床上，双杆滑动气缸的气缸杆端部设有带条形传感器安装孔的传感器支撑板，检测传感器固定在传感器支撑板上。
本发明刀具磨损的在位测量装置的技术解决方案中所述的支架包括两块支撑板和一个气缸支撑架；两块支撑板分别固定在机床前面的横梁和后面的顶平面上，两块支撑板上表面在同一平面内；气缸支撑架由型材焊接而成，垂直安装在支撑板上；双杆滑动气缸安装在气缸支撑架底端。
本发明刀具磨损的在位测量装置的技术解决方案中所述的双杆滑动气缸的气缸进出口处安装有气缸调速阀。
本发明给出一种利用激光测量传感器检测刀具磨损量的新方法，并设计了一种可实现数控机床刀具在位检测的装置，配合自动传送机构，可实现在位检测刀具磨损情况。本发明效果如下：⑴刀具在位匀速旋转扫描，刀具纵向测量范围在40mm~50mm；⑵传感器深度测量范围为5mm，切削刃深度测量精度达到0.01mm；⑶可实现刀具的自动在位测量，并将测量结果反馈给机床本身，提高生产效率及工件加工精度。本发明具有成本较低、高精度、条纹图像信息易于提取、实时性强及主动受控等特点，能够达到μm级测量精度，采用扫描测量方式，适合用于在位测量，在工业环境中有广泛的应用。
附图说明
图1是本发明的刀具检测原理图。
图2是本发明的刀具磨损在位测量示意图。
图3是本发明的双杆滑动气缸结构示意图。
图4是本发明的传感器结构示意图。
图5是本发明的刀具磨损在位测量流程方框图。
图中：1、数控机床，2、刀具，3、CCD摄像机，4、线结构激光器，5、图像采集卡，6、计算机，21、支撑板，22、气缸支撑架，23、双杆滑动气缸，24、检测传感器，25、工件，26、刀具，31、双杆滑动气缸，32、双杆气缸安装孔，33、气缸杆，34、连接螺钉，35、传感器支撑板，36、传感器安装孔，41、第一CCD摄像机，42、接线口，43、线结构激光器，44、第二CCD摄像机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详述：
测量原理如图1所示。刀具2安装在数控机床1主轴上的刀具夹具上，工作时由刀具夹具带动随主轴旋转。CCD摄像机3、线结构激光器4水平设置在刀具2的侧部，CCD摄像机3与图像采集卡5连接，图像采集卡5与计算机6连接。线结构激光器4的线激光垂直投射到刀具2刀刃上，被刀具2表面形貌调制变形，变形的激光线在以一定角度放置的CCD摄像机3光敏面上成像，形成光条图像，图像采集卡5将光条图像传输到计算机6；经过图像处理计算，可以得到光条点的像素坐标，再利用传感器测量模型，通过标定计算，可得到光条点在光平面上二维尺寸；机床刀具夹头带动刀具2旋转，完成刀具2一周的扫描；建立柱面坐标系和测量坐标系之间的转换关系，从而可以获取整个刀具的三维尺寸数据；与输入***的该刀具标准三维模型进行比较，就可以得出磨损量。
如图2至图4所示。支撑板21共有两块，分别安装在机床前面的横梁和后面的顶平面上。支撑板21具有一定厚度和刚度，起支撑气缸支撑架22、双杆滑动气缸23、检测传感器24的作用。两快支撑板21焊接在机床上，需保证上表面在同一平面内。
气缸支撑架22由型材焊接而成，用于固定双杆滑动气缸23，之间由螺栓固定。气缸支撑架22安装在支撑板21上，二者由螺钉固定，并可调节前后位置，安装时需保证传感器上的激光平面与刀具轴心在同一面内，误差不能过大。
双杆滑动气缸31包括两个气缸杆33、传感器支撑板35、双杆气缸安装孔32等，传感器支撑板35通过连接螺钉34固定在两个气缸杆33上。双杆滑动气缸31只需拖动检测传感器24，其质量比较轻，可以拖动。检测传感器24中所使用的CCD摄像机具有一定的景深，所以运动精度不需要很高，双杆滑动气缸31可以满足要求。可在双杆滑动气缸31进出口处安装气缸调速阀，调整气缸运行速度，保证气缸运行过程中检测传感器24的平稳性。
检测传感器24包括传感器安装底板及固定在传感器安装底板上的第一CCD摄像机41、接线口42、线结构激光器43和第二CCD摄像机44。传感器安装底板设有四个传感器安装孔36。检测传感器24是刀具测量装置的检测部分，负责采集刀具2的实时磨损状态，是本测量装置的关键部分。
工件25安装在工作台上，是刀具2加工的对象。
刀具2安装在主轴上，受数控机床1空间影响，检测传感器24不能离工作台太近，测量刀具磨损状态时，主轴需抬起到合适位置，并保证刀具以一定的速度匀速转动。
本发明刀具磨损的在位测量装置的安装步骤：
⑴将两支撑板21焊接在机床前面的横梁和后面的顶平面上，保证两支撑板21上表面位于同一平面内；
⑵将气缸支撑架22安装在支撑板21上，并利用水平仪，采用在支撑板21与气缸支撑架22之间塞入薄片的方式，调整气缸支撑架22，使之水平。利用螺栓固定，并保证线结构激光器43距刀具2表面的距离在允许范围内；
⑶使用螺栓将双杆滑动气缸31固定在气缸支撑架22底端，并进行调整使得气缸杆33水平；
⑷接好气缸控制装置，需在双杆滑动气缸31的气缸进出气口接气缸调速阀，方便调整气缸运动速度；将气缸速度调至预期值，并实验验证效果；
⑸将组装好的检测传感器24安装在气缸杆33前端的传感器支撑板35上，传感器支撑板35前后方向开有传感器安装孔36，可前后微调检测传感器24的位置，保证线结构激光器43平面与刀具轴心重合；
⑹根据线结构激光器43中心到工作台的距离，确定测量时刀具2的位置；根据相机帧率，确定主轴旋转速度，编写主轴控制程序，使得刀具测量时，刀具2可到达预定位置，并保证主轴可按预定转速转动；
⑺接好检测传感器24上的电源线和数据传输线，保证其在检测传感器24平移和工作时的可靠与稳定；连接好双杆滑动气缸31的控制回路，保证其可按照预定动作运行。
线结构激光器43、第一CCD摄像机41和第二CCD摄像机44之间的相对位置确定后，它们之间的相对关系也就确定。利用传统精密靶标，对其内参和外参进行标定，将标定结果储存起来。
实际测量现场中，按照安装要求安装检测传感器24，无需对第一CCD摄像机41、第二CCD摄像机44和线结构激光器43内、外参数重新标定。但需要进行光平面的标定，标定的方法是采用一个精密检棒，人工辅助校准，使得激光光平面与检棒的回转轴重合。
本发明刀具磨损的在位测量方法包括以下步骤：
⑴在数控机床主轴上刀具的侧部水平位置上安装线结构激光器24、第一CCD摄像机41和第二CCD摄像机44，第一CCD摄像机41、第二CCD摄像机44分别位于线结构激光器24的两侧，第一CCD摄像机41和第二CCD摄像机44通过图像采集卡与计算机6连接，计算机6与数控机床1的控制***连接；将刀具标准三维模型输入计算机，在光平面上建立测量坐标系；
⑵使刀具匀速转动，控制线结构激光器发出线激光垂直投射到刀具刀刃上，被刀具表面形貌调制变形，变形的激光线在CCD摄像机光敏面上成像，形成光条图像，图像采集卡将光条图像传输到计算机；
⑶经过计算机图像处理计算，得到光条点的像素坐标，再利用传感器测量模型，通过标定计算，可得到光条点在光平面上二维尺寸；
⑷随刀具旋转完成对刀具的一周扫描，利用光条点在光平面上二维尺寸及刀具转速获取转动的角度值，建立柱面坐标系；
⑸通过柱面坐标系和测量坐标系之间的转换关系，获取整个刀具的三维尺寸数据；
⑹与输入计算机的该刀具标准三维模型进行比较，就可以得出磨损量。
刀具测量具体步骤如图5所示。开始→主轴升至设定位置→气缸前进→主轴旋转，线结构激光器光平面作用于刀具表面→刀具表面形貌使激光变形，并反射至CCD摄像机→摄像机将信号传至计算机→气缸退回→计算机进行数据处理，得出磨损量→磨损量是否在允许范围内→是，机床正常工作；否，机床发出换刀信号。
在刀具检测的控制部分中，双杆滑动气缸31由数控机床1的PLC控制，需考虑数控机床1的PLC与计算机6之间的协调。刀具磨损是一个缓慢的过程，不需要实时都对刀具进行检测，只需每隔一段时间对刀具检测一次，若有问题提醒数控***换刀或提醒工人手动换刀即可。计算机6也可换为工控机。
刀具磨损在位检测属于精密测量，对传感器安装精度要求较高。根据现场加工需要，适时撤出刀具，并将测量传感器定位到刀具位置附近，尽可能使线结构光传感器24的激光光平面逼近刀具回转轴且垂直于被测刀具2表面。线结构光传感器24的型号为NL-FF-01L-660-100-75，波长为660nm，功率为10mw，聚焦工作距离为D=40mm，结构光线宽为40μm，线激光的扇角为75o，则线激光的长度为，可覆盖纵向相机测量的部分的视场范围。激光器的景深范围大于5mm，保证在被测刀具深度范围内，线激光的线宽保持在50um以内。以保证测量深度方向分辨率和测量精度。
线结构光传感器数学模型包含摄像机模型和光平面方程两个部分。本***采用的是光平面测量坐标系模型。该数学模型中的摄像机模型一般采用Tsai的模型，以光平面作为测量坐标系。光平面上一点和其实际计算机图像坐标(u d , v d )的转换模型为：
式中，为角度扫描间隔，d x 和d y 分别为CCD的水平和垂直像素间距，由于实际水平像元间距与CCD感光面的标称尺寸不一致，因此引入比例因子s x ；f 为摄像机镜头有效焦距；k p 为一阶径向畸变；(r 1, r 4, r 7)T和(r 2, r 5, r 8)T为旋转矩阵R的列向量，(t x , t y ,t z )T为平移矢量T，它们表示了从摄像机坐标系到光平面坐标系的空间转换关系。
该模型中需要标定的参数有两部分：①摄像机内部参数f ，k p ，s x ，u 0，v 0；②空间转换外部参数(r 1, r 4, r 7)T，(r 2, r 5, r 8)T，(t x , t y , t z )T。上述参数确定之后，在实际测量过程中即可利用图像处理得到被物体形貌调制的光条点的计算机图像坐标，代入公式(1)计算得到物体表面点的三维坐标。式(1)计算的坐标值是在柱面坐标系下的坐标，可以利用角度值转换为笛卡尔坐标系下的空间三维坐标：。
该模型标定过程一般分为两步：第一步，采用Tsai的径向排列约束(RadialAlignment Constraint, RAC)方法完成摄像机的标定；第二步，借助光平面上的特征点完成外部参数标定，确定摄像机坐标系与光平面坐标系的空间转换关系。精密的已知坐标的靶标特征点可以利用线结构光投射设计的平面靶标借助精密平移台等方式提供。
Claims (5)
1.一种刀具磨损的在位测量方法，其特征在于包括以下步骤：
⑴在数控机床主轴上刀具的侧部水平位置上安装线结构激光器和CCD摄像机，CCD摄像机通过图像采集卡与计算机连接，计算机与数控机床的控制***连接；将刀具标准三维模型输入计算机，在光平面上建立测量坐标系；
⑵使刀具匀速转动，控制线结构激光器发出线激光垂直投射到刀具刀刃上，被刀具表面形貌调制变形，变形的激光线在CCD摄像机光敏面上成像，形成光条图像，图像采集卡将光条图像传输到计算机；
⑶经过计算机图像处理计算，得到光条点的像素坐标，再利用传感器测量模型，通过标定计算，可得到光条点在光平面上二维尺寸；
⑷随刀具旋转完成对刀具的一周扫描，利用光条点在光平面上二维尺寸及刀具转速获取转动的角度值，建立柱面坐标系；
⑸通过柱面坐标系和测量坐标系之间的转换关系，获取整个刀具的三维尺寸数据；
⑹与输入计算机的该刀具标准三维模型进行比较，就可以得出磨损量。
2.根据权利要求1所述的一种刀具磨损的在位测量方法，其特征在于：所述的CCD摄像机包括第一CCD摄像机和第二CCD摄像机，第一CCD摄像机、第二CCD摄像机分别位于线结构激光器的两侧。
3.一种专用于权利要求1所述方法的刀具磨损的在位测量装置，其特征在于：包括检测传感器、双杆滑动气缸、工控机或计算机；其中，检测传感器由固定在传感器安装底板上的第一CCD摄像机、线结构激光器和第二CCD摄像机构成，第一CCD摄像机、第二CCD摄像机分别位于线结构激光器的两侧；双杆滑动气缸通过支架水平固定在机床上，双杆滑动气缸的气缸杆端部设有带条形传感器安装孔的传感器支撑板，检测传感器固定在传感器支撑板上。
4.根据权利要求3所述的一种刀具磨损的在位测量装置，其特征在于：所述的支架包括两块支撑板和一个气缸支撑架；两块支撑板分别固定在机床前面的横梁和后面的顶平面上，两块支撑板上表面在同一平面内；气缸支撑架由型材焊接而成，垂直安装在支撑板上；双杆滑动气缸安装在气缸支撑架底端。
5.根据权利要求3或4所述的一种刀具磨损的在位测量装置，其特征在于：所述的双杆滑动气缸的气缸进出口处安装有气缸调速阀。
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