一种用于刀具的伸缩式立体视觉检测方法

测量装置的制造及其应用技术1.本发明属于刀具检测领域，尤指一种用于刀具的伸缩式立体视觉检测方法，并实现刀具在机检测以及刀具磨损在线补偿。背景技术：2.在自动化生产过程中，数控机床的刀具磨损状态直接影响产品的加工质量和加工效益，刀具状态监测技术关系到产品的加工成本，制造设备的正常运行和产品的质量。传统的刀具磨损检测依赖于人工判断或者停机检测，这两种检测方法虽然在一定程度上减少刀具磨损造成的损失，但测量周期长、精度不稳定、干涉机床正常加工过程，因此，若能实现无干涉机床加工的刀具在机检测，即可大大提升加工效率，保证加工质量。3.发明专利：cn 202110828278.8公开一种加工中心用刀具实时检测装置及其检测方法，通过软体机械臂上视觉图像采集系统对刀具图像进行采集，再判别刀具磨破损级别，以此达到对刀具进行检测的目的，使用时无需取下刀具；但其采用专门用于检测软体机械臂，需专门为机械臂腾出工作空间，且机械臂成本较高，不利于推广。4.发明专利：cn 202010731115.3公开一种微细铣刀在机多视角视觉检测仪及其检测方法。基于远心光学平行投影成像原理，采用半透半反射镜，使用单相机实现径向和轴向检测；该检测仪安装于机床内部，占用工作台空间，虽有防护壳体，但相机仍易受切削液、油雾和切屑的恶劣加工环境影响。5.发明专利：cn201811050334.4公开一种回转刀具的在机视觉检测方法及其检测装置，提出视觉检测装置安装于摆臂上，通过摆臂回转运动实现刀具在机检测；该检测装置安装于机床侧板内壁上，占用机床内部空间，虽装有保护罩，工业相机仍易受冷却液、油雾和切屑的喷溅影响。技术实现要素：6.本发明旨在提供一种用于刀具的伸缩式立体视觉检测方，通过传动装置的伸缩式直线运动方式，将视觉检测装置移至机床主轴正下方，在不取下刀具的情况下，采用竖直和水平双方向工业相机与数控机床主轴刀具联动方式，对刀具进行图像拍摄并运用计算机分析求得刀具磨损状态，定时检测并判断刀具是否可继续使用，并实现刀具磨损在线补偿。7.为达上述目的，本发明公开了一种用于刀具的伸缩式立体视觉检测方法，具有检测系统，所述检测系统包括视觉检测装置a、传动装置b和收线装置c，所述视觉检测装置a安装在所述传动装置b上，所述收线装置c与所述传动装置b连接，所述传动装置b通过伸缩式传动方式驱动所述视觉检测装置a 移动；8.所述检测方法包括：9.(1).在机床加工周期结束后，机床主轴刀具移动至指定的合适高度，利用机床自带的清洁装置对刀具进行初步的清洁工作；10.(2).待清洁工作完成后，检测装置接收到待测信号；11.(3).传动装置b驱动视觉检测装置a伸进机床内部主轴刀具正下方，机床主轴将刀具下移至检测区域；12.(4).视觉检测装置a进行刀具图像拍摄，光源进行打光，拍摄刀具侧刃面图像；13.(5).待图像拍摄结束后，在传动装置b驱动视觉检测装置a返回至保护装置d内部，同时视觉检测装置a的线缆22在收线装置c的引导下也一并缩回；14.(6).获取图像完毕后，将底刃面图像和刀具侧刃面图像进行图像预处理以及边缘特征提取，判断刀具磨/破损类型与刀具磨损量；15.(7).判断刀具是否可用并将检测结果反馈给数控机床，若刀具已破损或超出磨损范围，则需更换新刀具，若刀具磨损在允许范围内，自动进行刀具磨损在线补偿；16.(8).单次检测完毕后，判断机床加工是否结束，若加工未结束则继续下一加工周期，并开始新一轮刀具检测，重复以上步骤，直至机床加工结束。17.进一步地，所述视觉检测装置a包括工业相机1、相机支架2、检测电机 3、电机支架4、联轴器5、同步带6、连接轴7、空心轴8、碗状光源9、检测平台10；其中，碗状光源9与竖直方向的工业相机同心，固定在相机支架 2上，分布于水平方向上的工业相机固定在对应的相机支架2上，相机支架2 固定在空心轴8一端，分布于竖直方向上的工业相机安装在空心轴8的中心位置，空心轴8安装于检测平台头部轴孔中心，且空心轴8通过两连接板与连接轴7连接，连接轴7通过同步带6、联轴器5与检测电机3连接，检测电机3安装于电机支架4上，电机支架4与检测平台10连接固定。。18.进一步地，所述传动装置b包含驱动电机13、丝杆模组17、驱动轴24、直线导轨21、连接杆19；其中，驱动电机13通过联轴器与丝杆模组17连接，丝杆模组17与直线导轨21固定在装置支架上，驱动轴24通过固定座与丝杆模组17的滑块连接，驱动轴24用于驱动连接杆19，若干连接杆19相互交错组成菱形机构，在驱动轴24和直线导轨21的引导下，实现直线伸缩运动。19.进一步地，所述收线装置c包括收线盘25、收线支架26、带连接块14、固定座15、传动带16；收线支架26固定在装置支架12上，收线盘25通过连接轴固定在收线支架26上，带连接块14与驱动轴24连接，带动三组带传动16，进而驱动收线盘25转动。20.进一步地，传动装置b与收线装置c共用同一动力源驱动电机13，两者间同步联动；驱动电机13驱动滚珠丝杆模组做直线运动的同时带连接块14 带动三组带传动16进而驱动收线盘25转动；通过调节两者间传动比关系，可使收线盘25跟随检测平台10的伸缩直线运动同步转动，解决线缆22收放不同步，干扰检测装置正常运行问题。21.进一步地，还包括保护装置d和支撑装置e；所述视觉检测装置a、传动装置b和收线装置c设置在所述保护装置d的内部，所述装置支架12支撑在所述支撑装置e上。22.进一步地，所述保护装置d包括保护壳28、气缸30、气缸滑块31、气缸连接板32、密闭门33、气缸导轨34；气缸30和气缸导轨34固定在支撑面板 27上，密闭门33通过气缸连接板32与气缸滑块31连接，密闭门33在气缸 30的带动下左右滑动，实现密闭门33关闭和开启动作，有效隔绝检测装置与机床内部环境，解决工业相机镜头受冷却液、油雾和切屑的喷溅影响问题。23.进一步地，所述支撑装置e包括支撑面板27、支撑底座35、加强筋36；支撑面板27安装在数控铣床侧板29的窗口位置；装置支架12固定在支撑面板27上。24.进一步地，采用碗状光源的打光方式，水平方向工业相机绕主轴旋转，同时控制主轴刀具升降，采用两者联动方式，可清晰完整地拍摄提取出刀具侧刃面刀刃形状，解决背光源打光方式无法拍摄侧刃面刀刃形状以及有效降低前光源打光方式刀刃表面反光严重问题。25.进一步地，26.(1).机床加工周期结束后，机床主轴刀具移动至指定的合适高度，利用机床自带的清洁装置对刀具进行初步的清洁工作；27.(2).待清洁工作完成后，检测装置接收到待测信号，先由安装在支撑面板27上的气缸30驱动气缸连接板32，以开启密闭门33；28.(3).由传动装置b的丝杆模组17带动连接杆19做伸缩式直线运动，使视觉检测装置a伸进机床内部主轴刀具正下方，机床主轴将刀具下移至检测区域；29.(4).视觉检测装置a进行刀具图像拍摄，光源进行打光，以竖直方向工业相机拍摄刀具底刃面图像，获取刀具角度；水平方向工业相机可绕主轴旋转，同时控制主轴刀具升降，采用两者联动方式，拍摄刀具侧刃面图像；30.(5).待图像拍摄结束后，在传动装置b中的丝杆模组17驱动下，视觉检测装置a回缩至保护装置d内部，同时线缆22在收线装置c的引导下也一并缩回，关闭密闭门33；31.(6).获取图像完毕后，将底刃面图像和刀具侧刃面图像进行图像预处理以及边缘特征提取，判断刀具磨/破损类型与刀具磨损量；32.(7).判断刀具是否可用并将检测结果反馈给数控机床，若刀具已破损或超出磨损范围，则需更换新刀具，若刀具磨损在允许范围内，自动进行刀具磨损在线补偿；33.(8).单次检测完毕后，判断机床加工是否结束，若加工未结束则继续下一加工周期，并开始新一轮刀具检测，重复以上步骤，直至机床加工结束；34.(9).刀具伸缩式立体视觉检测系统中，计算机、cnc数控系统和视觉检测装置三者间组成局域网，可通过计算机控制cnc数控系统与视觉检测装置进行联动，且计算机可连入互联网进行刀具检测数据共享，实现刀具在线在机检测。35.本发明所公开的一种用于刀具的伸缩式立体视觉检测方法，其检测系统采用直线运动方式，连杆机构由若干连接杆相互交错配合组成。连杆机构伸缩性强，伸缩比可达1:5以上，可简化装置占用的空间，相比于目前较为常用的液压缸的驱动方式，伸缩式连杆机构较适用于本发明，若采用单级液压缸驱动则不能实现高伸缩比的要求，若采用多级液压缸驱动则活塞杆端部的视觉检测装置的稳定性不能满足，若在此情况下要满足稳定性时需要增加滑动轨道，增加了部件的数量，且会造成对机床正常工作的影响，而发明的伸缩式连杆机构则能够较好的解决上述问题；对比其他在机检测方案，机构伸缩比可调节扩展，伸缩性强，检测装置安装于机床侧板外部，不占用机床内部空间，不干扰机床的正常加工过程，防止工业相机受机床内部的恶劣环境影响；相较于传统的刀具检测方式，实现刀具在机检测，无需从机床取下刀具，节省了检测时间。附图说明36.图1为伸缩式立体视觉检测系统总体结构示意图；37.图2为伸缩式立体视觉检测系统各部分结构示意图；38.图3为伸缩式立体视觉检测系统主体视觉检测装置示意图；39.图4为伸缩式立体视觉检测系统传动装置与收线装置示意图；40.图5为伸缩式立体视觉检测系统保护装置示意图；41.图6为伸缩式立体视觉检测系统的支持装置示意图；42.图7为伸缩式立体视觉检测方法流程图。43.视觉检测装置a、传动装置b、收线装置c、保护装置d、支撑装置e、工业相机1、相机支架2、检测电机3、电机支架4、联轴器5、同步带6、连接轴7、空心轴8、碗状光源9、检测平台10、滑块11、装置支架12、驱动电机13、带连接块14、固定座15、传动带16、丝杆模组17、辅助滑轨18、连接杆19、连接轴20、直线导轨21、线缆22、线缆挂环23、驱动轴24、收线盘25、收线支架26、支撑面板27、保护壳28、铣床侧板29、气缸30、气缸滑块31、气缸连接板32、密闭门33、气缸导轨34、支撑底座35、加强筋36。具体实施方式44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在此需要说明的是，下面所描述的本发明各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。45.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。46.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。47.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。48.如图1-2所示，本发明提供了一种用于刀具的伸缩式立体视觉检测装置，包括视觉检测装置a、传动装置b和收线装置c，还可以进一步包括保护装置 d和支撑装置e。49.如图5所示，本发明的伸缩式立体视觉检测装置安装在数控铣床侧板29 窗口的外部。检测开始时，利用机床自带的清洁装置(如高压气枪)对刀具进行初步的清洁工作，清洁工作完成后，先由开启密闭门33，通过传动装置 b的直线运动，将视觉检测装置a移至机床主轴正下方，在不取下刀具的情况下，采用竖直和水平两方向上的双工业相机对刀具进行图像拍摄并运用计算机分析求得刀具磨/破损状态，定时检测并判断刀具是否可继续使用；检测结束后，视觉检测装置a缩回保护罩28内并关闭密闭门33。详细参见图1至图6所示。50.本发明所述的视觉检测装置a包括工业相机1、相机支架2、检测电机3、电机支架4、联轴器5、同步带6、连接轴7、空心轴8、碗状光源9、检测平台10等。其中，碗状光源9与竖直方向的工业相机同心，固定在相机支架2 上，分布于水平方向上的工业相机固定在对应的相机支架2上，相机支架2 固定在空心轴8一端，分布于竖直方向上的工业相机安装在空心轴8的中心位置，空心轴8安装于检测平台头部轴孔中心，且空心轴8通过两连接板与连接轴7连接，连接轴7通过同步带6、联轴器5与检测电机3连接，检测电机3安装于电机支架4上，电机支架4与检测平台10连接固定。通过以上连接方式，在检测电机3的驱动下，水平方向工业相机可实现旋转。检测时，由竖直方向的工业相机拍摄刀具的底刃面图像，以便于进行刀具角度定位；水平方向工业相机做旋转运动，拍摄提取刀具的侧刃面图像。51.本发明所述的传动装置b包含驱动电机13、丝杆模组17、驱动轴24、直线导轨21、连接杆19等。其中，驱动电机13通过联轴器与丝杆模组17连接，丝杆模组17与直线导轨21固定在装置支架上，驱动轴24通过固定座与丝杆模组17的滑块连接，驱动轴24用于驱动连接杆19。其中，若干连接杆19相互交错组成菱形机构，在驱动轴24和直线导轨21的引导下，实现直线伸缩运动；52.本发明所述的收线装置c包括收线盘25、收线支架26、带连接块14、固定座15、传动带16等。收线支架26固定在装置支架12上，收线盘25通过连接轴固定在收线支架26上；其中，带连接块14与驱动轴24连接，带动三组带传动16，进而驱动收线盘25转动，实现一个电机动力源的多用途。53.本发明所述的保护装置d包括保护壳28、气缸30、气缸滑块31、气缸连接板32、密闭门33、气缸导轨34等。气缸30和气缸导轨34固定在支撑面板27上，密闭门33通过气缸连接板32与气缸滑块31连接。密闭门33在气缸30的带动下左右滑动，实现密闭门33关闭和开启动作，隔绝检测装置与机床内部环境，以保护工业相机镜头不受冷却液、油雾和切屑的喷溅影响。54.本发明所述的支撑装置e包括支撑面板27、支撑底座35、加强筋36。支撑面板27安装在数控铣床侧板29的窗口位置；装置支架12固定在支撑面板 27上。55.基于上述检测系统本发明还揭示了一种刀具伸缩式立体视觉检测方法，图7为本发明所述检测方法的流程图。所述检测方法为：加工周期完成后，打开装置密闭门33，视觉检测装置a伸入机床，使竖直方向工业相机的中心置于主轴刀具中心的正下方；以竖直方向工业相机拍摄刀具底刃面图像，获取刀具角度；水平方向工业相机可绕主轴旋转，同时控制主轴刀具升降，采用两者联动方式，拍摄刀具侧刃面图像；据以上步骤获取图像完毕后，将底刃面图像和刀具侧刃面图像进行图像预处理以及边缘特征提取，判断刀具磨/ 破损类型与刀具磨损量，据此判断刀具是否可用或是否需要更换新刀，并实现刀具磨损在线补偿；刀具图像拍摄完成后，视觉检测装置缩回保护罩内并关闭密闭门33；单次检测完毕后，判断机床加工是否结束，若加工未结束则继续下一加工周期，并开始新一轮刀具检测，重复以上步骤，直至机床加工结束。56.本发明实施例更具体的伸缩式立体视觉检测方法包括以下步骤：57.1.机床加工周期结束后，机床主轴刀具移动至指定的合适高度，利用机床自带的清洁装置(如冷却油管、高压气枪等)对刀具进行初步的清洁工作；58.2.待清洁工作完成后，检测装置接收到待测信号，先由安装在支撑面板 27上的气缸30驱动气缸连接板32，以开启密闭门33；59.3.由传动装置b的丝杆模组17带动连接杆19做伸缩式直线运动，使视觉检测装置a伸进机床内部主轴刀具正下方，机床主轴将刀具下移至检测区域；60.4.视觉检测装置a进行刀具图像拍摄，光源进行打光，以竖直方向工业相机拍摄刀具底刃面图像，获取刀具角度；水平方向工业相机可绕主轴旋转，同时控制主轴刀具升降，采用两者联动方式，拍摄刀具侧刃面图像；61.5.待图像拍摄结束后，在传动装置b中的丝杆模组17驱动下，视觉检测装置a回缩至保护装置d内部，同时线缆22在收线装置c的引导下也一并缩回，关闭密闭门33；62.6.获取图像完毕后，将底刃面图像和刀具侧刃面图像进行图像预处理以及边缘特征提取，判断刀具磨/破损类型与刀具磨损量；63.7.判断刀具是否可用并将检测结果反馈给数控机床，若刀具已破损或超出磨损范围，则需更换新刀具，若刀具磨损在允许范围内，自动进行刀具磨损在线补偿；64.8.单次检测完毕后，判断机床加工是否结束，若加工未结束则继续下一加工周期，并开始新一轮刀具检测，重复以上步骤，直至机床加工结束；65.9.刀具伸缩式立体视觉检测系统中，计算机、cnc数控系统和视觉检测装置三者间组成局域网，可通过计算机控制cnc数控系统与视觉检测装置进行联动，且计算机可连入互联网进行刀具检测数据共享，实现刀具在线在机检测。66.对本发明中视觉检测装置a进行刀具图像拍摄的过程进行如下阐述，其拍摄方式进一步限定了本发明与现有技术的不同，提高了检测的准确度：67.1)视觉检测装置上的竖直方向与水平方向两工业相机的轴线相互垂直；检测时，视觉检测装置移动至机床内部，使竖直方向工业相机轴线与立铣刀具轴线重合，对准刀具的端部，进行拍摄立铣刀具的底刃面图像。竖直方向工业相机拍摄的图像主要有两个作用：(1)用于底刃面磨损情况检测，对底刃面图像进行处理，从而获得刀具磨损的情况；(2)求取刀具当前所处的角度，以便于拍摄侧刃面时进行相机位置定位。68.2)再根据获得的刀具角度，控制旋转电机调节水平方向工业相机至刀具侧刃面，并对准第一刀刃对应位置。依次拍摄所有侧刃的图像(如2刃立铣刀，总共拍摄2次，每次旋转180度；如4刃立铣刀，总共拍摄4次，每次旋转90度)。水平方向工业相机拍摄的图像主要作用：用于检测刀具侧刃磨损的情况。69.3)水平方向工业相机是绕竖直方向工业相机的轴线进行旋转的(当竖直方向工业相机与机床主轴刀具轴线重合时，水平方向工业相机相当于绕主轴刀具轴线进行旋转)，其旋转角度可覆盖360度，即检测时可绕刀具一周进行各个角度拍摄。70.在此需要说明，上述对图像的处理分析或者具体处理算法过程不在本技术的保护重点，其可以采用现有技术实现，也可以采用创新技术实现，对本技术的关键技术并未产生效果，因此不再详细描述。71.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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