CN210678020U - 一种清洁切削环境下刀具损伤在线与在位检测*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种清洁切削环境下刀具损伤在线与在位检测***，***包括在线预判及识别***、在位检测***、用于清洗刀具的清洁***、计算机；在线预判及识别***用于实时测量切削位置的振动量、主轴电压与电流的变化值、切削力的变化值、声信号；在位检测***用于在位采集刀具的侧刃图像和底刃图像；所述数据采集卡、图像采集卡分别将各传感器检测到的信号和视觉***采集的图像传输给计算机。本实用新型可现刀具磨损的准确检测。

Description

一种清洁切削环境下刀具损伤在线与在位检测***

技术领域

本实用新型属刀具检测技术领域，特别是一种清洁切削环境下刀具损伤在线与在位检测***。

背景技术

在自动化机械加工过程中，监测刀具磨损状态是降低制造成本，减少制造环境危害，保证生产制造***正常高效运行和产品质量的重要手段之一。刀具磨损对产品的加工精度、加工质量以及加工效率有着显著影响，若刀具磨损未被及时发现，将会导致零件报废，机床停机、机床损坏，甚至工件折断伤人，直接影响加工效益和经济效益。工业统计表明，刀具磨损是引起机床故障的首要因素，由此引起的停机时间占数控机床总停机时间的1/5～1/3。因此，针对数控加工***批量加工过程进行刀具磨损状态监测，是智能制造背景下迫切需要解决的问题。

中国专利公开号CN102564314A公开了一种用于检测立铣刀磨损状态的正交视觉检测***，该检测***需要停机拆卸刀具在实验室中检测，占用生产工时，不利于柔性制造***生产效益及经济效益的提高，且无法检测出加工过程中刀具磨/破损的状态变化过程；中国专利公开号CN106840028A公开了一种刀具磨损的在位测量方法和装置，将视觉检测***安装于机床刀具侧部来检测，视觉检测***被固定，无法实现多角度对刀具进行图像采集，刀具磨损区域检测不全面，且没有考虑自动清洁切削检测环境，缺乏视觉***保护装置及刀具清洗装置；中国专利公开号CN107553219A公开了一种基于多种类传感器复合信号的刀具磨损监控方法，由于切削条件复杂多样，影响检测结果的干扰因素较多，容易由于其他故障因素引起刀具磨/破损的误判，造成刀具的浪费。综上所述，目前的检测方法均存在一定不足，缺乏一套效率与精度兼顾，且自动化程度高的刀具磨损检测***，严重阻碍了柔性制造***生产效益与经济效益的提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种清洁切削环境下刀具损伤在线与在位检测***，以实现刀具磨损的准确检测。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：

一种清洁切削环境下刀具损伤在线与在位检测***，包括在线预判及识别***、在位检测***、数据采集卡、图像采集卡、用于清洗刀具的清洁***、计算机；

所述在线预判及识别***包括振动传感器、电压传感器、力传感器、电流传感器、声发射传感器；所述振动传感器用于实时测量机床加工过程中切削位置的振动量；所述电压传感器与电流传感器分别用于实时测量机床加工过程中主轴电压与电流的变化值；所述力传感器用于实时测量机床加工过程中切削力的变化值；所述声发射传感器用于实时测量刀具切削时的声信号；

所述在位检测***包括机器人、视觉***；所述机器人设置在机床加工中心的切削位置附近一侧；所述视觉***设置在机器人末端，所述机器人带动视觉***在位采集刀具的侧刃图像和底刃图像；所述数据采集卡、图像采集卡分别将各传感器检测到的信号和视觉***采集的图像传输给计算机。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本实用新型采用在线与在位综合的刀具磨/破损检测方法，实现了刀具损伤检测效率与可靠性的双重提升：在线预判及识别***对刀具磨/破损进行初步预判，当初步判定刀具磨/破损后，通过在位检测***采集刀具图像，进行刀具磨/破损的精密检测，最终判定刀具磨/破损程度、刀具磨/破损类型及是否需更换刀具，降低了刀具磨/破损检测出错率；在线实时预判过程使得在位精密检测无需频繁间隔采集刀具图像，仅在预判到刀具磨/破损后进行图像采集，降低了在位精密检测的数据采集量，减少了停机次数，有效延长了机床设备无故障运行时间，大幅提高了柔性制造***的生产效益及经济效益。

(2)本实用新型采用软体机器人驱动相机拍照***进行图像采集，柔性较好，能够较好的适应机床加工中心内空间狭小，障碍多的特点，且自动化程度较高，实现了刀具磨/破损的智能化检测。

(3)本实用新型通过设置启动清洗高压喷枪、擦镜器、以及电动窗，可有效防止检测时刀具上沾有切屑，同时保持镜头的清洁以及防止加工过程中切屑刮伤镜头以及切削液、水汽等附着在镜头上，为刀具磨/破损检测提供的清洁的切削检测环境；提高了检测精度。

附图说明

图1为检测***示意总体结构示意图。

图2为视觉***结构示意图。

图3为清洁***结构示意图。

图4为擦镜器结构示意图。

图5为工业相机采集刀具侧刃图像示意图。

图6为工业相机采集刀具底刃图像示意图。

图7为本实用新型***工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的介绍。

结合图1-图6，本实用新型的一种清洁切削环境下刀具损伤在线与在位检测***，包括在线预判及识别***、在位检测***、数据采集卡15、图像采集卡13、清洁***、计算机14；

所述在线预判及识别***包括振动传感器1、电压传感器2、力传感器3、电流传感器4、声发射传感器5；所述振动传感器1安装在机床加工中心6的切削位置附近或刀柄处，用于实时测量机床加工过程中切削位置附近的振动量；所述电压传感器2与电流传感器4安装于机床加工中心6的控制柜处，用于实时测量机床加工过程中主轴电压与电流的变化值；所述力传感器3安装于机床加工中心6的工作台处或机床主轴夹持刀具16处，用于实时测量机床加工过程中切削力的变化值；所述声发射传感器5通过磁力座固定在机床加工中心6的切削位置附近，用于实时测量刀具16切削时的声信号；

所述数据采集卡15将各传感器检测到的信号传输给计算机14；所述在位检测***包括机器人78、视觉***；所述机器人78设置在机床加工中心6的切削位置附近一侧；所述视觉***设置在机器人78末端，所述机器人78带动视觉***在位采集刀具16的侧刃图像和底刃图像；

所述清洁***用于清洗刀具16，保证视觉***采集图像的准确性；

所述计算机14用于对各传感器采集的振动、电流、电压、切削力、声发射信号进行时域特征与频域特征的提取与数据融合；以提取的数据特征为纵轴，时间为横轴生成变化曲线，若加工过程中，曲线超过设定阈值，则发出预警，机床停机；并对视觉***采集的刀具16图像进行处理，计算刀具损伤程度，判别是否需更换刀具，并显示在显示屏上；当计算机14判定在线预判及识别***采集的数据异常时，机床停机，清洁***开始清洗刀具16，刀具16旋转，视觉***开始采集刀具16的侧刃图像和底刃图像；进一步判定刀具16的损伤类型和损伤程度。所述计算机14还用于控制机床加工中心6和机器人78的运行，并控制刀具旋转一周的频次，以保证刀具16的侧刃图像拍摄完整；

进一步的，所述视觉***7包括连接件75、相机支座74、工业相机70、镜头71、环形光源72；所述相机支座74通过连接件75固定在机器人78的执行末端；所述工业相机70固定在相机支座74上；所述镜头71与工业相机70连接，所述环形光源72安装在镜头71前端；所述机器人78带动工业相机70在位采集刀具16的图像。

进一步的，所述机器人78采用现有购置的软体机器人，柔性较好，能够较好的适应机床加工中心内空间狭小，障碍多的特点。

进一步的，采集刀具16的侧刃图像时，刀具需旋转一周，分n次旋转，每次旋转2π/n的角度，n>2，以保证刀具16的侧刃图像拍摄完整；

进一步的，所述清洁***包括电动窗9、气动清洗高压喷枪11、空气压缩机10、带喷嘴的橡胶软管12、镜头保护盖73；所述电动窗9安装于机床加工中心6的切削位置附近，设置在视觉***与道具16之间，在进行刀具磨/破损在位精密检测时自动为机器人78开启/闭合，可使视觉***7与加工环境隔离，防止加工时的切屑刮伤镜头71、切削液打湿镜头71、水汽附着在镜头71上。当进行图像采集时，电动窗9开启，机器人78伸入机床加工中心6中，带动工业相机70完成刀具16侧刃、底刃的图像采集，采集完后机器人78带动工业相机70回到原位，电动窗9关闭；所述气动清洗高压喷枪11接于空气压缩机10上，所述橡胶软管12接于喷枪口处，橡胶软管12喷嘴一端通过固定架77固定在机器人78执行末端，在对刀具16进行图像采集前，橡胶软管12与机器人78随动，达到清洗刀具16的目的；所述镜头保护盖73安装于环形光源72前端，用于保护镜头71及环形光源72，避免沾染粉尘、切屑以及切削液等污垢。

进一步的，所述清洁***还包括擦镜器8，所述擦镜器8固定在机器人78附近，且电动窗9将其与加工环境隔离；所述擦镜器8包括擦镜棉81、支架82，所述擦镜棉81固定在支架82上端；当镜头71与环形光源72沾染灰尘或污垢后，机器人78带动相机镜头71在擦拭棉81上来回往复擦拭；

本实用新型的检测***的工作过程为：

多传感器协同在线实时预判刀具磨/破损：

采集数据：运行机床进行实际加工，利用振动传感器、电流传感器、电压传感器、切削力传感器、声发射传感器实时采集机床的振动、电流、电压、切削力、声发射信号；

特征提取与融合：将采集的振动、电流、电压、切削力以及声发射信号按式(1)-(8)提取能客观反映刀具磨/破损状态的时域特征、频域特征：

时域特征：

x_Max＝max(|x_i|) (3)

频域特征：

x_i代表第i个传感器在切削过程中的某一时间段内采集到的监测信号，i＝1,2,3,…,N；N为传感器个数；μ为在切削过程中的某一时间段内采集到的监测信号的均值，是监测信号的静态部分，反映了监测信号的变化趋势；x_RMS为在切削过程中的某一时间段内采集到的监测信号的均方根，表示在给定的某一段时间内监测信号的平均能量，反映了监测信号的强度；x_Max为在切削过程中的某一时间段内采集到的监测信号的最大值之和，表示监测信号的最大瞬时振幅；x_Std为在切削过程中的某一时间段内采集到的监测信号的标准差，监测信号的动态部分，反映了监测信号在均值附近波动的程度；x_Ske为在切削过程中的某一时间段内采集到的监测信号的偏度，反映了监测信号以均值为对称线的不对称度；x_Kur为在切削过程中的某一时间段内采集到的监测信号的峭度，反映了监测信号的瞬态现象和平稳性；f_i代表给定的某一时间段内采集到的监测信号通过快速傅里叶变换(FFT)从时域信号(即原始信号)转换而来的频谱，P(f_i)代表监测信号的功率谱密度，M代表监测信号的功率谱的长度；x_FC为监测信号的频率重心，是频谱的静态部分；x_FV为监测信号的频率方差，频谱的分动态部，反映了监测信号的频谱在频率重心附近的波动的程度。

在线预判：以提取的数据特征为纵轴，时间为横轴，实时显示经特征提取与融合的各时域特征、频域特征随时间变化的曲线，若加工过程中，曲线超过阈值，则发出预警，机床停机；

清洗***对刀具进行清洗后，视觉***在位检测刀具磨/破损：

软体机器人带动相机采集完整的刀具侧刃、底刃图像，采集刀具侧刃图像时，刀具需旋转一周，分n次旋转，每次旋转2π/n的角度，n>2，以保证刀具侧刃图像拍摄完整，在计算机的图像采集软件中设置图像保存路径，采集的图像通过千兆以太网线传输给图像采集卡，再传输给计算机，采集完后机器人带动工业相机回到原位，电动窗关闭；

利用图像处理与分析软件对采集的刀具图像进行灰度化、降噪、中值滤波、二值化处理以及边缘检测提取刀具磨损轮廓。设图像的像素尺寸为M×N，根据光学放大倍数，可计算标定图像上一个像素的实际面积S和边长a×b，对刀具磨/破损区域进行测量，计算出磨/破损面积和最大磨/破损带宽度以及平均磨/破损带宽度；

根据在位高精检测的刀具磨损量及位置，判别刀具磨破损类型以及是否需更换刀具。

为了避免在线预判及识别***预判出错，影响加工质量，同时为了提高检测效率，采用变频率检测方法，即在机床实际加工初期，刀具额定寿命的前60％的加工时间段内，在位高精检测***可每天开机加工前或加工结束后对刀具进行在位视觉高精检测，而当在线预判及识别***报警后或在刀具额定寿命的后40％的加工时间段内，在位高精检测***检测频率变频繁，可在每道加工工序开始前或结束后进行在位视觉高精检测。

Claims (5)

1.一种清洁切削环境下刀具损伤在线与在位检测***，其特征在于，包括在线预判及识别***、在位检测***、数据采集卡(15)、图像采集卡(13)、用于清洗刀具的清洁***、计算机(14)；

所述在线预判及识别***包括振动传感器(1)、电压传感器(2)、力传感器(3)、电流传感器(4)、声发射传感器(5)；所述振动传感器(1)用于实时测量机床加工过程中切削位置的振动量；所述电压传感器(2)与电流传感器(4)分别用于实时测量机床加工过程中主轴电压与电流的变化值；所述力传感器(3)用于实时测量机床加工过程中切削力的变化值；所述声发射传感器(5)用于实时测量刀具切削时的声信号；

所述在位检测***包括机器人(78)、视觉***；所述机器人(78)设置在机床加工中心的切削位置附近一侧；所述视觉***设置在机器人(78)末端，所述机器人(78)带动视觉***在位采集刀具的侧刃图像和底刃图像；所述数据采集卡(15)、图像采集卡(13)分别将各传感器检测到的信号和视觉***采集的图像传输给计算机(14)。

2.根据权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述视觉***(7)包括连接件(75)、相机支座(74)、工业相机(70)、镜头(71)、环形光源(72)；所述相机支座(74)通过连接件(75)固定在机器人(78)的执行末端；所述工业相机(70)固定在相机支座(74)上；所述镜头(71)与工业相机(70)连接，所述环形光源(72)设置在镜头(71)前端；所述机器人(78)带动工业相机(70)在位采集刀具的图像。

3.根据权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述清洁***包括电动窗(9)、气动清洗高压喷枪(11)、空气压缩机(10)、带喷嘴的橡胶软管(12)、镜头保护盖(73)；所述电动窗(9)设置在视觉***与道具之间；所述气动清洗高压喷枪(11)接于空气压缩机(10)上，所述橡胶软管(12)接于喷枪口处，橡胶软管(12)喷嘴一端通过固定架(77)固定在机器人(78)执行末端；所述镜头保护盖(73)安装于环形光源(72)前端，用于保护镜头(71)及环形光源(72)。

4.根据权利要求3所述的检测***，其特征在于，所述清洁***还包括擦镜器(8)，所述擦镜器(8)包括擦镜棉(81)、支架(82)，所述擦镜棉(81)固定在支架(82)上端；当镜头(71)与环形光源(72)沾染灰尘或污垢后，机器人(78)带动相机镜头(71)在擦镜棉(81)上擦拭。

5.根据权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述机器人(78)采用软体机器人。

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