一种用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置及视诊方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。

A tool wear diagnosis device and a visual inspection method for NC turning

The invention discloses a tool wear diagnosis device and a visual inspection method for numerically controlled turning. The device consists of an image acquisition device, a driving device and a computer; the device is simple in structure and easy to install, and can realize on-line detection of tool wear state in machining clearance, and can realize the measurement of the main and rear cutter face of turning tool without unloading the cutter. The detection accuracy is high, the detection time and the re-tool setting time are greatly reduced and the work is improved. The efficiency is very suitable for automated field applications. This method uses VBmax, VB and the wear area of the main and rear cutter face as the characteristic index to describe the wear state of the cutter, and overcomes the error caused by a single parameter. The input of the vector machine is used to monitor the wear grade of the tool adaptively.

【技术实现步骤摘要】
一种用于数控车削加工的刀具磨损视诊装置及视诊方法
本专利技术涉及刀具磨损状态检测系统，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。
技术介绍
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系统，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。该系统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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术有益效果在于：(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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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。6.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨泽青，范敏，刘丽冰，金伟，陈英姝，黄凤荣，高颂，彭凯，王彤，许扬，吕硕颖，李超，刘奇，张艳蕊，孙士荣，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12