一种非接触式立铣刀侧刃磨损形貌在机检测实验台及方法与流程

1.本发明涉及机械技术中的刀具检测设备技术领域，更具体的说，是涉及一种利用线激光边缘检测技术和机器视觉多传感器集成装置设计及多源信息融合数据获取方法。


背景技术：

2.由于立铣刀侧刃刀尖部位时常出现刀尖结构破损缺失或月牙洼磨损，以及立铣刀侧刃螺旋分布的复杂空间形貌和实际拍摄条件中复杂光照等因素的限制，采取单一机器视觉检测方法会造成刀尖区域图像信息不完整的问题，若采取单一线激光边缘检测方法时又会造成立铣刀磨损状态评价不直观，难以对立铣刀状态做出迅速反应，因此很难实现对立铣刀磨损状态的准确评价。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有检测装置技术中存在的装置和技术缺陷，而提出一种利用双传感器集成技术获取立铣刀侧刃磨损状态详细数据的实验装置，其具有线激光轴向扫描功能和工业显微镜双光强取景功能，获取待测立铣刀直径变化数据以及双光强下各侧刃磨损二维照片数据，通过数据融合反映立铣刀磨损状态。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
5.一种非接触式立铣刀侧刃磨损形貌在机检测实验台，包括检测控制与实现模块、三轴运动控制器、线激光扫描测微仪﹑工业显微镜、侧姿调节气缸、电动旋转平台、立铣刀夹具、光学平台及固定座；所述固定座通过四个支撑腿设置于光学平台上，所述三轴运动控制器安装在所述固定座上，所述三轴运动控制器的执行端安装有所述侧姿调节气缸,所述侧姿调节气缸的执行端安装有所述线激光扫描测微仪；所述光学平台上与所述线激光扫描测微仪的相对位置上设有电动旋转平台，所述电动旋转平台的旋转台面上安装有所述立铣刀夹具，立铣刀夹具确保待测立铣刀垂直于光学平台；所述线激光扫描测微仪的激光中心法线方向安装有所述工业显微镜，所述工业显微镜与所述光学平台固定连接。
6.进一步的，所述工业显微镜包括ccd工业相机、镜头、环形光源、可调节支架、磁吸底座，所述环形光源安装于所述镜头前端，以调节环境亮度，所述镜头后端安装所述ccd工业相机且三者中心位于同一轴线，所述镜头与所述可调节支架连接，所述磁吸底座为方形，上方与所述可调节支架连接，且所述磁吸底座后安装有磁力开关，通过磁力开关实现与所述光学平台实现无缝隙固定连接；经初始位置标定后，所述电动旋转平台每90
°
暂停两秒，并通过所述环形光源改变环境光强，实现待测立铣刀四个侧刃在强光和常光两种环境下磨损照片的获取，经图像处理后进而得到铣刀磨损量。
7.进一步的，三轴运动控制器包括x轴臂、y轴臂和z轴臂；x轴臂、y轴臂和z轴臂的一侧均设有滑轨，x轴臂位于最下端与固定座固定连接，y轴臂滑动连接于x轴臂的滑轨，y轴臂悬空端通过滑块和导轨与固定座滑动连接，以保证y轴臂在运动过程的稳定性，防止发生抖动；z轴臂滑动连接于y轴臂的滑轨，z轴臂作为三轴运动控制器的执行端，安装有侧姿调节
气缸。
8.本发明还提供一种非接触式立铣刀侧刃磨损形貌在机检测方法，包括以下步骤：
9.(1)通过三轴运动控制器控制所述线激光扫描测微仪沿着三轴运动控制器的z轴臂自上而下移动，所述检测控制与实现模块刚出现数据时则为待测铣刀刀尖位置即测量初始位置，记录此时该位置z轴臂坐标即完成所述线激光扫描测微仪初始位置标定；调节述所工业显微镜像素并通过所述电动旋转平台缓慢旋转至所述工业显微镜完整清晰获取待测铣刀侧刃图像，记录此时所述电动旋转平台位置即完成所述工业显微镜初始位置标定；
10.(2)通过线激光扫描技术获取立铣刀侧刃磨损数据；所述电动旋转平台旋转一周后所述线激光扫描测微仪完成当前截面的直径测量，控制所述三轴运动控制器的z轴臂下降0.1mm进行下一截面直径测量，直至整个磨损区域全部检测完成，进而转换成铣刀磨损量；
11.(3)通过机器视觉技术获取立铣刀侧刃磨损数据；经初始位置标定后，电动旋转平台6每90
°
暂停两秒，并通过工业显微镜中的环形光源改变环境光强，实现待测立铣刀四个侧刃在强光和常光两种环境下磨损照片的获取，经图像处理后进而得到铣刀磨损量；
12.(4)将步骤(2)通过线激光扫描技术获取的立铣刀侧刃磨损数据与(3)通过机器视觉技术获取的立铣刀侧刃磨损数据进行融合，从而得到待检测立铣刀完整的磨损状态数据。
13.进一步的，步骤(2)中在获取待测立铣刀直径数据后，根据立铣刀侧刃磨损检测直径值与磨损vb值的关系原理，将立铣刀直径数据转换为立铣刀磨损vb值，其对应关系函数为：
14.vb＝r
′
sinθ(1-tan(α)tan(β))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
15.vb为待检测立铣刀侧刃后刀面磨损量；γ为立铣刀侧刃的前角；α为立铣刀侧刃的后角；r为当前截面侧刃原始半径值；r
′
为测得的磨损后当前截面最大半径值；θ是需要求解的中间未知量，θ由立铣刀侧刃的前角γ、后角α和r
′
确定的，在此给出了θ与r
′
之间的关系式：
[0016][0017]
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0018]
1.本发明提出的一种利用线激光与机器视觉融合的立铣刀侧刃在机磨损区域形貌智能检测试验台，借助线激光技术与机器视觉技术的结合，有效解决了采取单一机器视觉技术和单一线激光技术在处理刀尖结构破损缺失或月牙洼结构时造成刀尖区域图像信息不完整和测量数据不直观的问题。
[0019]
2.本发明的检测实验台能够及时获得铣刀的实时全面磨损状态，结构简单，稳定性好，能够实现快速、精准的在机立铣刀磨损检测。
[0020]
3.本发明的检测实验台可实现同步采样刀具直径信息和两张不同光强下的侧刃磨损图片信息，提供了更丰富的信号资源，得到了更加完整刀具磨损区域以及刀具磨损参数，有效的提升了磨损值的测量效果，使结果更具说服力。
[0021]
4.本发明的检测实验台采用的两种技术均为非接触式自动采样技术，便于实现智能制造环境下的刀具检测。
[0022]
5.本发明的检测实验台获取的两项不同维度数据通过相互融合实现刀具特征信息补偿以及多角度刀具磨损评价，丰富了刀具磨损评价方法的有效信息，有助于进一步分析立铣刀侧刃的磨损机理和评估立铣刀的磨损状态。
[0023]
6.本发明利用线激光边缘检测数据的强鲁棒性与机器视觉检测数据的完整性和直观性的特点，采用线激光边缘检测技术与机器视觉技术融合的方式，设计线激光-工业显微镜双传感器集成实验装置，对立铣刀侧刃磨损状态检测进行在机自动化检测，使检测结果具有更好的准确性、鲁棒性、和智能性，在未来刀具磨损状态检测领域具有广阔的应用潜力。
附图说明
[0024]
图1所示为本发明检测实验台的结构示意图；
[0025]
图2所示为立铣刀结构的半径量与侧刃后刀面磨损量关系示意图；
[0026]
图3所示为工业显微镜结构图。
具体实施方式
[0027]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0028]
本发明非接触式立铣刀侧刃磨损形貌在机智能检测试验台的结构示意图如图1所示，包括检测控制与实现模块、三轴运动控制器1、滑块4、导轨5、线激光扫描测微仪3﹑工业显微镜12、光学平台9、侧姿调节气缸2、电动旋转平台6、立铣刀夹具7及固定座10；检测控制与实现模块采用pc机。三轴运动控制器1安装在固定座10上，固定座10为方形，固定座10的四个角部分别安装有支撑腿11，支撑腿11保持与光学平台9无缝隙连接，光学平台9保持绝对水平且表面附有阵列分布的坐标点，用于确定工业显微镜12与待测立铣刀的相对位置，工业显微镜12安装在待测立铣刀侧刃垂直方向，工业显微镜12与光学平台9固定连接，三轴运动控制器1的执行端安装有侧姿调节气缸2,侧姿调节气缸2的执行端安装有线激光扫描测微仪3，三轴运动控制器1及侧姿调节气缸2用于实现线激光扫描测微仪3对待测立铣刀相对位置的调整，与线激光扫描测微仪3相对的位置有电动旋转平台6,通过电动旋转平台6实现待测立铣刀的旋转，进而实现直径及侧刃照片的获取，电动旋转平台6的旋转台面上安装有立铣刀夹具7，立铣刀夹具7保证待测立铣刀垂直于光学平台9，保证线激光扫描测微仪3在沿待测立铣刀8轴线上下移动扫描过程中不发生偏移。该检测实验台稳定性好,能够获取铣刀多元融合磨损数据，实现快速、精准、直观的在机立铣刀磨损检测。其中三轴运动控制器1包括x轴臂1-3、y轴臂1-2和z轴臂1-1；本实施例中x轴臂1-3、y轴臂1-2和z轴臂1-1三者利用轴臂本身携带滑轨连接，x轴臂1-3位于最下端与固定座固定连接，y轴臂1-2滑动连接于x轴臂1-3的滑轨，另外，其悬空端通过滑块4和导轨5与固定座10滑动连接，以保证y轴臂1-2在运动过程的稳定性，防止发生抖动，z轴臂1-1滑动连接于y轴臂1-2的滑轨，z轴臂1-1作为三轴运动控制器1的执行端，安装有侧姿调节气缸2。
[0029]
具体的，检测初始位置的标定步骤如下：线激光扫描测微仪3沿着运动控制器z轴臂1-1自上而下移动，检测控制与实现模块刚出现数据时则为待测铣刀刀尖位置即测量初始位置，记录此时该位置z轴臂坐标即完成线激光扫描测微仪3初始位置标定。调节工业显
微镜12像素和通过电动旋转平台6缓慢旋转至工业显微镜12完整清晰获取待测铣刀侧刃图像，记录此时电动旋转平台6位置即完成工业显微镜初始位置标定。
[0030]
线激光技术获取数据步骤如下：初始位置标定后，电动旋转平台6旋转一周线激光扫描测微仪3完成当前截面的直径测量，三轴运动控制器控制z轴臂下降0.1mm进行下一截面直径测量至整个磨损区域全部检测完成，进而转换成铣刀磨损量。
[0031]
本实施例中，工业显微镜12包括ccd工业相机13、镜头14、环形光源15、可调节支架16、磁吸底座17，环形光源15安装于镜头14前端，以调节环境亮度，镜头14后端安装ccd工业相机13且三者中心位于同一轴线，镜头14与可调节支架16连接，磁吸底座17为方形，上方与可调节支架16连接，且磁吸底座17后安装有磁力开关，通过磁力开关实现与下方光学平台9实现无缝隙固定连接，且方便拆装。可调节支架16实现工业显微镜12与待测立铣刀左右相对位置调整，可调节支架16可调节镜头14与待测立铣刀相对距离。
[0032]
机器视觉技术获取数据步骤如下：经初始位置标定后，电动旋转平台6每90
°
暂停两秒，并通过环形光源15改变环境光强，实现待测立铣刀四个侧刃在强光和常光两种环境下磨损照片的获取，经图像处理后进而得到铣刀磨损量。
[0033]
利用本发明监测试验台得到同一工况下立铣刀侧刃磨损状态数据，包括：线激光侧刃磨损直径与双光强下两张图像数据。数据处理过程如下所述：
[0034]
(1)线激光扫描技术获取立铣刀侧刃磨损量：如图2立铣刀结构的半径量与侧刃后刀面磨损量关系示意图所示，在获取待测立铣刀直径数据后，根据立铣刀侧刃磨损检测直径值与磨损vb值的关系原理，将立铣刀直径数据转换为立铣刀磨损vb值，其对应关系函数为：
[0035]
vb＝r
′
sinθ(1-tan(α)tan(β))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0036]
vb为待检测立铣刀侧刃后刀面磨损量；γ为立铣刀侧刃的前角；α为立铣刀侧刃的后角；r为当前截面侧刃原始半径值；r
′
为测得的磨损后当前截面最大半径值；θ是需要求解的中间未知量，θ由立铣刀侧刃的前角γ、后角α和r
′
确定的，在此给出了θ与r
′
之间的关系式：
[0037][0038]
(2)机器视觉技术获得立铣刀侧刃磨损量：获取待测立铣刀磨损图像后，通过自适应中值滤波、边缘检测等图像处理技术获取待测立铣刀侧刃磨损量。
[0039]
(3)将步骤(1)通过线激光扫描技术获取的立铣刀侧刃磨损数据与(2)通过机器视觉技术获取的立铣刀侧刃磨损数据进行融合，从而得到待检测立铣刀完整的磨损状态数据。
[0040]
其中，线激光扫描测微仪3测量范围(≤28mm)要大于待测立铣刀8的直径，测量距离大于待测立铣刀8加工时的轴向切削深度。可以根据实验情况调节平移进给的量程，为后续过程获得更完善的vb值变化曲线，确保立铣刀侧刃磨损量的检测精度。
[0041]
ccd工业相机12测量距离小于320mm，保证完整获取磨损区域；获取的立铣刀侧刃后刀面图像位于整个磨损图像的中心位置，确保立铣刀侧刃磨损量的检测精度。
[0042]
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本
发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。