CN108655826B - 一种用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置及视诊方法 - Google Patents
一种用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置及视诊方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置及视诊方法。该装置包括图像采集装置、驱动装置和计算机；该装置结构简单，安装方便，可在加工间隙实现刀具磨损状态在机检测，无需卸载刀具即可实现车削刀具主后刀面的测量，检测精度高，大大减少检测时间和再对刀时间，提高工作效率，非常适合自动化现场的应用。该方法采用VBmax、VB和主后刀面磨损区域面积三个刀具磨损参数作为特征指标对刀具磨损状态进行描述，克服单一参数可能产生的误差；利用支持向量机建立样本数据库并训练支持向量机，将磨损区域的三个刀具磨损参数作为支持向量机的输入，自适应地监测刀具所属的磨损级别。
Description
技术领域
本发明涉及刀具磨损状态检测***，具体是一种用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置及视诊方法。
背景技术
刀具磨损会影响加工质量，加快刀具消耗，降低生产效率和提高生产费用。因此，有效可靠的刀具磨损视诊方法及视诊装置具有重要的应用价值。现阶段，刀具磨损状态检测主要有直接法和间接法。间接法是通过测量与刀具磨损相关的中间参数，对刀具的磨损状况进行评估，常用的间接法有切削力检测法、声发射检测法、功率/电流检测法、振动检测法等。间接法虽然能够实现在线检测刀具状态，但是对检测结果产生影响的因素多，检测结果的精确度不能保证。此外，间接法需要通过传感器进行相关信号的检测，传感器确定安装位置困难并且价格昂贵。直接法通过直接识别刀具的表面品质和外观以及刀具尺寸的变化来判断刀具磨损情况，主要有射线检测法、计算机图像处理检测法。随着图像处理技术的发展及硬件能力的提升，使得利用机器视觉实现刀具磨损状态的在机检测成为可能。机器视觉检测具有高精度、非接触、可靠性高、自动化程度高及价格优廉的优点，克服了现有直接检测法的不足，实现了刀具状态直接在机检测。此外，刀具表面是刀具磨损状态的直接反应，它所具备的优点是其他检测方法所不具备的。
申请号201610982019.X的文献公开了一种便携式刀具磨损测量装置，包括微型显微镜、手机及弹性手机夹，将微型显微镜的目镜端旋装在弹性手机夹的一个夹爪上，该夹爪上有通孔，通孔与手机的摄像头相对，弹性手机夹的另一夹爪夹持在手机的正面，拍摄的刀具磨损图像通过手机自带的图像处理软件进行处理，或者将拍摄图像传输至装有图像处理软件的计算机中，通过分析得到刀具的磨损值。文中所提出的方式结构简单、使用方便，无需将刀具从机床上取下即可实现刀具磨损状态的快速检测，但是，该方法无法保证手机拍摄刀具时的位置与刀具磨损面的平行，容易产生较大的测量误差。
申请号201110400626.8的文献公开了一种用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测***，包括顶面摄像机、镜头和环形光源，侧面摄像机、镜头和环形光源，导轨、滑块、支架、图像采集卡和计算机等。该***采用正交双向的图像采集方式，采集到的图像经图像采集卡转换为数字信号，利用计算机中的图像处理软件对数字信号处理，测量出立铣刀的磨损带宽度和磨损带面积。该方式具有分辨率高、检测精度高的特点，但是需要将刀具移至专门的测量装置进行检测，属于离线测量，降低效率。
文献《基于区域生长法的数控刀具磨损状态检测方法》提出不停机刀具磨损状态检测方法和检测装置，但是该方法需要手动调整、移动采集装置，并且仅采用VBmax判断刀具磨损状态，判断条件单一，易产生误判。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置及视诊方法。
本发明解决所述装置技术问题的技术方案是，提供一种用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置，其特征在于该装置包括图像采集装置、驱动装置和计算机；
所述图像采集装置包括数字CCD相机、LED环形光源和远心镜头；所述数字CCD相机与远心镜头连接；所述数字CCD相机的信号输入端通过千兆以太网线与计算机连接；所述LED环形光源与远心镜头固定连接；
所述驱动装置包括直线步进电机、联轴器、滑轨、滚珠丝杠、滑轨固定架、连接件、相机支撑板和驱动器；所述连接件固定在数控车床的主轴箱上；所述滑轨的两端分别通过滑轨固定架固定于连接件上；所述直线步进电机固定在一个滑轨固定架上，其输入端与驱动器的信号输出端连接，其输出端通过联轴器与滚珠丝杠的一端连接；所述驱动器的信号输入端与计算机连接；滚珠丝杠穿过相机支撑板，另一端安装于另一个滑轨固定架上；相机支撑板安装在滑轨和滚珠丝杠上，相机支撑板在滚珠丝杠的带动下可在滑轨上沿Z轴做直线运动；所述数字CCD相机安装在相机支撑板上。
本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种用于数控车削加工的刀具磨损视诊方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、检查数字CCD相机是否完成标定；若数字CCD相机未完成标定则进行步骤2，实现相机标定及检测位置确定；若相机完成标定则进行步骤3；
步骤2、加工前，初始化检测程序，计算机向驱动器发送脉冲信号，驱动器接收脉冲信号后控制驱动装置带动图像采集装置沿Z轴方向移动到合适位置，数控车床中的溜板带动未磨损的刀具沿X和Y轴不断运动，保证数字CCD相机视野内包含主后刀面磨损的整个区域，调整LED环形光源的亮度和远心镜头的光圈，以便清楚的看到刀具的主后刀面，拍摄未磨损刀具的图像，记录此时图像采集装置和溜板的位置，设定其为检测位；将采集的未磨损刀具图像传输至计算机的图像处理与分析软件中，实现相机标定；
步骤3、在加工间隙驱动溜板和图像采集装置至检测位，在计算机的图像采集软件中设置图像保存路径，采用连续采集方式根据设定的采集时间间隔采集刀具的主后刀面的图像；通过千兆以太网线将采集到的主后刀面的图像进行模数转换并传输至计算机；
步骤4、图像采集结束，溜板带动刀具退出检测位，图像采集装置移动至初始位置，以免影响车削加工；
步骤5、利用图像处理与分析软件对采集的主后刀面图像进行处理分析：在程序中设置好图像裁剪的起始点和裁剪后的图像尺寸，去除多余的背景区域，使主后刀面的图像占据整个图像的中心位置；采用中值滤波去除或减少图像中的噪声和干扰，增加图像信噪比；由于采集的图像受光照影响，因此采用顶帽运算变换减少光照对单幅图像的影响；采用区域生长法实现磨损区域分割；利用形态学开运算处理二值化后的主后刀面图像，并对闭合区域填充；计算主后刀面磨损区域面积和1/2背吃刀量处后刀面上测量的磨损带宽度VB值，求取后刀面上的均匀磨损区域的最小外接矩形，最小外接矩形的高即为刀具主后刀面磨损量VBmax；最后根据标定得到的像素的实际尺寸，得到刀具主后刀面磨损区域的三个刀具磨损参数VBmax、VB和主后刀面磨损区域面积；用三个刀具磨损参数作为特征指标建立样本数据库；利用样本数据训练支持向量机，建立VBmax、VB、主后刀面磨损区域面积与刀具磨损级别的关系；最后将三个刀具磨损参数作为支持向量机的输入，自适应地监测刀具所属的磨损级别；当刀具磨损量超出刀具的磨损极限，则报警提示用户换刀，并输出刀具磨损量测量结果；当刀具磨损量在刀具磨损极限内，则需要根据刀具磨损量修正机床工艺参数，补偿磨损量，并输出测量结果。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)该装置结构简单，安装方便，可在加工间隙实现刀具磨损状态在机检测，无需卸载刀具即可实现车削刀具主后刀面的测量，检测精度高，大大减少检测时间和再对刀时间，提高工作效率，非常适合自动化现场的应用。
(2)该装置的各个模块由计算机统一控制，实现检测自动化、集成化，非常适合自动化现场的应用；
(3)驱动装置设计简单合理，由于刀具可在刀架的带动下实现x、y轴的移动，因此该驱动装置可充分发挥现有优势，只需实现z轴移动即可实现刀具主后刀面测量；
(4)图像采集装置可自动调整测量位置。
(5)该方法采用VBmax、VB和主后刀面磨损区域面积三个刀具磨损参数作为特征指标对刀具磨损状态进行描述，克服单一参数可能产生的误差；利用支持向量机建立样本数据库并训练支持向量机，将磨损区域的三个刀具磨损参数作为支持向量机的输入，自适应地监测刀具所属的磨损级别。
附图说明
图1为本发明用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置及视诊方法一种实施例的视诊装置整体结构示意图；
图2为本发明用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置及视诊方法一种实施例的图像采集装置和驱动装置的安装示意图；
图3为本发明用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置及视诊方法一种实施例的刀具磨损形态示意图；
图4为本发明用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置及视诊方法一种实施例的刀具主后刀面磨损形态细节图；(图中：1、图像采集装置；2、驱动装置；3、刀具；4、计算机；5、卡盘；6、工件；7、车床滑轨；8、溜板；9、刀架；10、主轴箱；101、数字CCD相机；102、LED环形光源；103、远心镜头；104、千兆以太网线；201、直线步进电机；202、相机支架紧固螺钉；203、联轴器；204、滑轨；205、滚珠丝杠；206、滑轨固定架；207、连接件；208、相机支撑板；209、驱动器；301、前刀面；302、月牙洼磨损；303、主后刀面磨损；304、主后刀面；305主切削刃；306、副切削刃；307、边界磨损；308、副后刀面)
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置(参见图1-2，简称装置)，其特征在于该装置包括图像采集装置1、驱动装置2和计算机4；所述驱动装置2安装于主轴箱10上；图像采集装置1安装于驱动装置2上；
所述图像采集装置1包括数字CCD相机101、LED环形光源102和远心镜头103；所述数字CCD相机101与远心镜头103通过螺纹连接；所述数字CCD相机101的信号输入端通过千兆以太网线104与计算机4连接；所述LED环形光源102与远心镜头103通过螺钉固定连接，保证LED环形光源102与远心镜头103的相对位置固定，以便保证待检测区域与其他区域有较高的对比度；所述数字CCD相机101垂直于刀具3的主后刀面304拍摄，保证拍摄的图像真实反映刀具形状；
所述数字CCD相机101型号为MV-EM120M，分辨率为1280*960；所述数字CCD相机101感光面积为4.8mm×3.6mm，具有连续、外触发及软触发三种图像采集方式；
所述远心镜头103的型号为M3Z1228C-MP；所述远心镜头103为变焦镜头，焦距为12mm-36mm，最小物距为20cm；所述远心镜头103前具有镜头保护罩，防止切削污染；
所述千兆以太网线104是图像采集装置1与计算机4的接口，其将采集到的模拟信号转换为数字信号并传递给计算机4；
所述驱动装置2包括直线步进电机201、联轴器203、滑轨204、滚珠丝杠205、滑轨固定架206、连接件207、相机支撑板208和驱动器209；所述连接件207通过相机支架紧固螺钉202固定在数控车床的主轴箱10上；所述滑轨204的两端分别通过滑轨固定架206固定于连接件207上；所述直线步进电机201通过螺钉固定在一个滑轨固定架206上，其输入端通过串口线与驱动器209的信号输出端连接，由驱动器209驱动，其输出端通过联轴器203与滚珠丝杠205的一端连接；所述驱动器209的信号输入端通过串口线与计算机4连接，接收计算机4传递的脉冲信号；滚珠丝杠205穿过相机支撑板208，另一端安装于另一个滑轨固定架206上；相机支撑板208安装在滑轨204和滚珠丝杠205上，相机支撑板208在滚珠丝杠205的带动下可在滑轨204上沿Z轴做直线运动；所述数字CCD相机101通过螺钉安装在相机支撑板208上。
所述联轴器203选用膜片联轴器；
所述计算机4中安装有图像采集软件、图像处理与分析软件；所述图像采集软件实现图像采集控制，用于控制数字CCD相机101采集刀具图像，可设置图像采集方式和图像存储方式等；所述图像处理与分析软件对采集的刀具图像进行预处理、特征提取、特征测量及刀具磨损级别监测，实现图像处理结果及特征测量结果显示。
被视诊对象是刀具3；所述刀具3是装配于数控车床上用于车削外圆的90度外圆车刀，本方法是对刀具的主后刀面磨损级别进行在机检测。
所述刀具3包括前刀面301、主后刀面304、主切削刃305、副切削刃306和副后刀面308；所述前刀面301是刀具3上切屑流过的表面；所述前刀面301的磨损包括月牙洼磨损302；所述主后刀面304是刀具3与工件6过渡表面相对的表面；所述主后刀面304的磨损主要包括主后刀面磨损303；所述主切削刃305是前刀面301与主后刀面304相交的棱边；所述副后刀面308是刀具3与工件6已加工表面相对的表面；所述副切削刃306是前刀面301与副后刀面308相交的棱边；所述副后刀面308的磨损形式包括边界磨损307。
所述刀具3安装于数控车床上；所述数控车床包括刀具3、卡盘5、车床滑轨7、溜板8、刀架9和主轴箱10；所述刀具3通过刀架9安装于溜板8上，并在溜板8的带动下沿车床滑轨7做X、Y方向的运动；所述卡盘5；所述卡盘5背部有圆柱形或短锥形结构，通过法兰盘或直接与车床主轴箱10端部连接，用于夹紧工件6。
本发明用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置及视诊方法的工作原理和工作流程是：
原理：在合适的光照强度条件下，调整被测刀具3和数字CCD相机101位置，以便获取清楚的刀具主后刀面图像；图像采集软件控制数字CCD相机101拍摄刀具3的主后刀面304；千兆以太网线104将刀具主后刀面图像模拟信号转换为数字信号并传输至计算机4中；图像处理与分析软件对刀具主后刀面图像进行处理，分割出主后刀面磨损区域，测量主后刀面磨损区域VBmax、VB和主后刀面磨损区域面积；结合光学***的放大倍率与实际像素的对应关系，得到磨损区域的几何尺寸，以此判断刀具磨损级别，根据不同的刀具磨损状态指导后续加工任务执行，在初期磨损和正常磨损阶段可以通过补偿磨损量修正工艺参数以提高加工精度，在急剧磨损阶段则提示用户直接换刀。
本发明同时提供了一种用于数控车削加工的刀具磨损视诊方法(简称方法)，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、检查数字CCD相机101是否完成标定；若数字CCD相机101未完成标定则进行步骤2，实现相机标定及检测位置确定；若相机完成标定则直接进行步骤3；
步骤2、加工前，初始化检测程序，计算机4通过串口线向驱动器209发送脉冲信号，驱动器209接收脉冲信号后控制驱动装置2带动图像采集装置1沿Z轴方向移动到合适位置，数控车床中的溜板8带动未磨损的刀具3沿X和Y轴不断运动，保证数字CCD相机101视野内包含主后刀面磨损303的整个区域，调整LED环形光源102的亮度和远心镜头103的光圈，以便清楚的看到刀具3的主后刀面304，拍摄未磨损刀具的图像，记录此时图像采集装置1和溜板8的位置，设定其为检测位，给远心镜头103安装保护罩，防止切削和冷却液污染远心镜头103；将采集的未磨损刀具图像传输至计算机4的图像处理与分析软件中，实现相机标定；
步骤3、在加工间隙驱动溜板8和图像采集装置1至检测位，在计算机4的图像采集软件中设置图像保存路径，采用连续采集方式根据设定的采集时间间隔(本实施例是每5秒采集一次)采集刀具3的主后刀面304的图像；通过千兆以太网线104将采集到的主后刀面304的图像进行模数转换并传输至计算机4；
步骤4、图像采集结束，溜板8带动刀具3退出检测位，图像采集装置1移动至初始位置，以免影响车削加工；
步骤5、利用图像处理与分析软件对采集的主后刀面图像进行处理分析：在程序中设置好图像裁剪的起始点和裁剪后的图像尺寸，去除多余的背景区域，使主后刀面的图像占据整个图像的中心位置；采用中值滤波去除或减少图像中的噪声和干扰，增加图像信噪比；由于采集的图像不可避免的受光照影响，因此采用顶帽运算变换减少光照对单幅图像的影响；采用区域生长法实现磨损区域分割；利用形态学开运算处理二值化后的主后刀面图像，并对闭合区域填充；计算主后刀面磨损区域面积和1/2背吃刀量处后刀面上测量的磨损带宽度VB值，求取后刀面上的均匀磨损区域B区的最小外接矩形，最小外接矩形的高即为刀具主后刀面磨损量VBmax；最后根据标定得到的像素的实际尺寸，得到刀具主后刀面磨损区域的三个刀具磨损参数VBmax、VB和主后刀面磨损区域面积；用三个刀具磨损参数作为特征指标建立样本数据库；利用样本数据训练支持向量机，建立VBmax、VB、主后刀面磨损区域面积与刀具磨损级别的关系；最后将三个刀具磨损参数作为支持向量机的输入，自适应地监测刀具所属的磨损级别。当刀具磨损量超出刀具的磨损极限，则报警提示用户换刀，并输出刀具磨损量测量结果；当刀具磨损量在刀具磨损极限内，则需要根据刀具磨损量修正机床工艺参数，补偿磨损量，并输出测量结果。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (5)
1.一种用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置，其特征在于该装置包括图像采集装置、驱动装置和计算机；
所述图像采集装置包括数字CCD相机、LED环形光源和远心镜头；所述数字CCD相机与远心镜头连接；所述数字CCD相机的信号输入端通过千兆以太网线与计算机连接；所述LED环形光源与远心镜头固定连接；
所述驱动装置包括直线步进电机、联轴器、滑轨、滚珠丝杠、滑轨固定架、连接件、相机支撑板和驱动器；所述连接件固定在数控车床的主轴箱上；所述滑轨的两端分别通过滑轨固定架固定于连接件上；所述直线步进电机固定在一个滑轨固定架上，其输入端与驱动器的信号输出端连接，其输出端通过联轴器与滚珠丝杠的一端连接；所述驱动器的信号输入端与计算机连接；滚珠丝杠穿过相机支撑板，另一端安装于另一个滑轨固定架上；相机支撑板安装在滑轨和滚珠丝杠上，相机支撑板在滚珠丝杠的带动下可在滑轨上沿Z轴做直线运动；所述数字CCD相机安装在相机支撑板上；
基于该装置的刀具磨损视诊方法，包括以下步骤：
步骤1、检查数字CCD相机是否完成标定；若数字CCD相机未完成标定则进行步骤2，实现相机标定及检测位置确定；若相机完成标定则进行步骤3；
步骤2、加工前，初始化检测程序，计算机向驱动器发送脉冲信号，驱动器接收脉冲信号后控制驱动装置带动图像采集装置沿Z轴方向移动到合适位置，数控车床中的溜板带动未磨损的刀具沿X和Y轴不断运动，保证数字CCD相机视野内包含主后刀面磨损的整个区域，调整LED环形光源的亮度和远心镜头的光圈，以便清楚的看到刀具的主后刀面，拍摄未磨损刀具的图像，记录此时图像采集装置和溜板的位置，设定其为检测位；将采集的未磨损刀具图像传输至计算机的图像处理与分析软件中，实现相机标定；
步骤3、在加工间隙驱动溜板和图像采集装置至检测位，在计算机的图像采集软件中设置图像保存路径，采用连续采集方式根据设定的采集时间间隔采集刀具的主后刀面的图像；通过千兆以太网线将采集到的主后刀面的图像进行模数转换并传输至计算机；
步骤4、图像采集结束，溜板带动刀具退出检测位，图像采集装置移动至初始位置，以免影响车削加工；
步骤5、利用图像处理与分析软件对采集的主后刀面图像进行处理分析：在程序中设置好图像裁剪的起始点和裁剪后的图像尺寸，去除多余的背景区域，使主后刀面的图像占据整个图像的中心位置；采用中值滤波去除或减少图像中的噪声和干扰，增加图像信噪比；由于采集的图像受光照影响，因此采用顶帽运算变换减少光照对单幅图像的影响；采用区域生长法实现磨损区域分割；利用形态学开运算处理二值化后的主后刀面图像，并对闭合区域填充；计算主后刀面磨损区域面积和1/2背吃刀量处后刀面上测量的磨损带宽度VB值，求取后刀面上的均匀磨损区域的最小外接矩形，最小外接矩形的高即为刀具主后刀面磨损量VBmax；最后根据标定得到的像素的实际尺寸，得到刀具主后刀面磨损区域的三个刀具磨损参数VBmax、VB和主后刀面磨损区域面积；用三个刀具磨损参数作为特征指标建立样本数据库；利用样本数据训练支持向量机，建立VBmax、VB、主后刀面磨损区域面积与刀具磨损级别的关系；最后将三个刀具磨损参数作为支持向量机的输入，自适应地监测刀具所属的磨损级别；当刀具磨损量超出刀具的磨损极限，则报警提示用户换刀，并输出刀具磨损量测量结果；当刀具磨损量在刀具磨损极限内，则需要根据刀具磨损量修正机床工艺参数，补偿磨损量，并输出测量结果。
2.根据权利要求1所述的用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置，其特征在于所述数字CCD相机垂直于刀具的主后刀面拍摄，其型号为MV-EM120M。
3.根据权利要求1所述的用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置，其特征在于所述计算机中安装有图像采集软件、图像处理与分析软件；所述图像采集软件实现图像采集控制，用于控制数字CCD相机采集刀具图像，可设置图像采集方式和图像存储方式；所述图像处理与分析软件对采集的刀具图像进行预处理、特征提取、特征测量及刀具磨损级别监测，实现图像处理结果及特征测量结果显示。
4.根据权利要求1所述的用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置，其特征在于所述远心镜头的型号为M3Z1228C-MP。
5.根据权利要求1所述的用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置，其特征在于所述联轴器选用膜片联轴器。
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