一种回转刀具的在机视觉检测方法及其检测装置与流程

本发明涉及刀具磨损检测装置及检测方法，尤指一种应用于回转刀具、并可在机检测的视觉检测方法及其检测装置。

背景技术：

在自动化生产中，一个极为关键的技术就是刀具状态监测技术，它是降低制造成本，减少制造环境危害，保证制造系统正常高效运行和产品质量的主要手段之一。传统的刀具寿命管理虽然可以一定程度上减轻刀具磨损和破损而造成的损失，但是因为刀具寿命的随机性，其寿命极限估计往往过于保守，以至于大部分刀具未能充分利用。因此，在机加工过程中，定时的掌握刀具的状态，监测和诊断刀具磨损等损伤故障，对于延长机床设备无故障运行，提高产品质量非常重要。

近年来，随着计算机技术的高速发展，基于计算机视觉的刀具状态监测逐步进入机械自动化领域，基于机器视觉的刀具磨损检测方法，其测量结果不易受实际切削方法和切削参数的影响。一般的视觉检测装置采用单摄像头固定的方式，不仅检测范围小，而且检测精度跳动度大。并且，检测主要在加工结束后将刀具取出，放置于专门的检测机构上，时间成本较大。所以刀具在机检测技术逐渐成为厂家重点关注的对象。

一般针对刀具磨损并基于视觉的检测装置和方法通常有如下几种类型：

一种是由摄像头拍摄刀具侧面图像（侧刀刃图像），通过对图像进行处理并通过一定算法得出刀具磨损情况。例如：cn201710223766.x公开的“一种全自动成型铣刀刃口磨损量的检测方法及装置”、cn200810207545.4公开的“基于图像识别的放置刀具状态多参数综合评价方法”、cn201610136470.x公开的“一种超视场在线检测方法”、cn201621110874.3公开的“一种刀具检测装置”。这种检测装置及方法只能检测刀具侧面刀刃磨损情况，对于刀具的端面磨损不能检测。此外，而且由于回转刀具一般具有多个刀刃，且其刀刃位置不确定（由刀具停止位置不同导致），需要对刀具进行旋转或者对摄像头进行旋转或者设置多个摄像头，以便拍摄多个图像，并对多个图像分别进行处理，因此将增加处理时间、降低处理效率。

另一种是由摄像头拍摄刀具端部图像（正刀面图像），通过对图像进行处理并通过一定算法得出刀具磨损情况。例如：cn201711050107.7公开的“一种高速铣削刀具磨损自动监测方法”、cn201110375174.2公开的“一种球头铣刀定位及磨损监测方法”。同样的，这种检测装置及方法只能检测刀具端面刀刃磨损情况，对于刀具的侧面磨损不能检测。

还有一种检测装置及方法可以对刀具的端部及侧面拍摄图像，从而可以对刀具的正刀面及侧刀刃进行磨损检测。例如：东华大学王冲冲学位论文《基于高精度计算视觉的刀具磨损在位检测》，其通过在刀具端部设置三棱镜，实现设置在侧面的相机拍摄刀具端部图像的目的。该检测技术虽然可以实现对刀具端部及侧面刀刃的磨损检测，但是两者的检测相互独立。因此该检测方式对于回转刀具而言，同样需要拍摄多个图像并分别处理，导致处理时间长、处理效率低。

此外，由于回转刀具的加工机械（例如铣床）主轴不能进行较精度的旋转角度确认，很难实现在机检测，必须将刀具从机床上取下，安装于专门的检测机构上。如果刀具磨损还在使用范围内，需要将刀具再安装回机床上进行加工使用，从而增加时间成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种应用于回转刀具、并可在机检测的视觉检测方法及其检测装置，其通过对回转刀具正刀面拍照分析刀刃角度后，将侧面摄像头旋转对应的角度，拍摄侧刃图像，之后将所拍摄的图像进行视觉分析，求得磨损情况。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种回转刀具的在机视觉检测方法，对加工完后仍安装在机床主轴上的回转刀具的端面以第一摄像头进行拍摄，获得刀具正刀面图像；对刀具正刀面图像进行处理，分析获得所有刀刃所在位置的角度；根据各刀刃所在位置角度，控制第二摄像头回转至侧刃面，且使第二摄像头轴线与侧刃面垂直，之后进行拍摄，获得各刀刃侧刃面图像；对刀具正刀面图像和刀具侧刃面图像进行视觉分析，获得刀具磨损情况。

一种回转刀具的在机视觉检测装置，包括检测机构及可带动该检测机构移动的移动机构；该检测机构包括第一摄像头、第二摄像头、支架、旋转电机及底座；两摄像头安装在该支架上，且两摄像头的轴线相互垂直；检测时，第一摄像头位于刀具端部拍摄刀具正刀面图像，第二摄像头位于刀具侧面拍摄刀具侧刃面图像；该旋转电机的旋转轴与该支架相联接，且该旋转轴与第一摄像头的轴线同心；该旋转电机安装在底座上，该底座安装在所述移动机构上。

优选地，所述的支架上设有可以调节所述第二摄像头相对第一摄像头位置的调节机构。

优选地，进一步设置第一光源，该第一光源为环设在第一摄像头外周的环形光源；还进一步设置有第二光源，该第二光源为环设在第二摄像头外周的环形光源，或者为设置在第一摄像头另一侧的条形光源。

优选地，进一步包括保护罩组件，该保护罩组件包括不进行检测时可将检测机构罩于其内的保护罩。

优选地，所述的保护罩组件包括固定架、铰接在固定架上的所述保护罩以及可带动该保护罩旋转的动力机构。

优选地，所述的旋转电机采用中空电机，中空电机的中空轴用于数据线和供电线穿过电机。

上述回转刀具的在机视觉检测装置的检测方法，检测开始后，加工机床将刀具及刀柄移动到机床内指定位置，再移送检测机构进入机床内的主轴下方，使第一摄像头位于刀具的正下方并与刀具同轴；之后由第一摄像头拍摄刀具的正刀面图像；通过对该正刀面图像进行处理分析，获得所有刀刃在正刀面图像中的角度；根据各刀刃的角度控制旋转电机旋转相应的角度，从而使第二摄像头的轴线垂直于侧刃面；之后由第二摄像头拍摄侧刃面图像；根据需要处理分析正刀面图像和侧刃面图像，获得刀具的磨损情况。

上述回转刀具的在机视觉检测装置的检测方法，包括如下步骤：

（a）在加工完成后，机床控制刀轴移动到指定位置；

（b）将检测机构根据设定好的点位传送到指定位置，使第一摄像头位于刀具下方，该设定好的点位即为刀具理论中心点；之后控制第一摄像头拍摄刀具正刀面图像，通过对图像处理分析获取刀具正面的中心点，即为刀具当前中心点，计算刀具当前中心点与理论中心点的差值；

（c）输出步骤（b）差值信号，驱动移动机构移动检测机构到对应的距离，使得第一摄像头拍摄的轴线位于刀面的当前中心点；

（d）对正后再次拍摄正刀面图像，处理分析该正刀面图像拟合出各刀刃在正刀面图像中的角度；

（e）根据步骤（d）中所输出的角度，控制旋转电机带动支架旋转所需角度，使第二摄像头的轴线依次与各刀刃的侧刃面垂直，并分别拍摄刀具各刀刃的侧刃面图像；

（f）根据步骤（d）及步骤（e）所拍摄的刀具正刀面图像和刀具侧刃面图像，进行视觉分析获得刀具磨损情况。

优选地，所述检测方法在检测开始之前，根据刀具的直径大小以及刀具的长度，通过调节机构调节第二摄像头相对第一摄像头的位置。

采用上述方案后，本发明具有如下有益效果：

1．本发明通过先拍摄刀具正刀面图像，通过正刀面图像获得刀刃角度，再通过刀刃角度旋转摄像头到相应角度，这样即可使摄像头与刀刃的侧刃面对正，从而快速拍摄侧刃面图像，无需拍摄多个图像再处理分析获得最佳图像，该方式相较于传统的刀具视觉检测方法，能够更精确地拍摄刀具侧面的磨损区域，减少无效的图像数量，提高检测效率。

2．本发明相较于传统的刀具视觉检测方法，不用将刀具从机床上取下，节省了检测所用时间。且刀具的磨损还在可使用范围内时，可直接进行下一次的加工作业，减少安装拆卸时间，提高加工效率。

附图说明

图1是本发明所述检测装置第一实施例的结构示意图；

图2是本发明所述检测装置第一实施例中位置调节机构的结构示意图；

图3是本发明所述检测装置第二实施例的结构示意图；

图4是本发明所述保护罩组件的结构示意图（打开状态）；

图5a、图5b及图5c是本发明所述检测装置第二实施例的检测机构隐藏于保护罩组件内的主视图、后视图及俯视图；

图6a及图6b是本发明所述检测装置第二实施例的检测机构使用时从保护罩组件内移出时的主视图及俯视图；

图7是本发明所述检测装置第三实施例的结构示意图；

图8是本发明所述检测方法的流程图；

图9a是回转刀具的正刀面结构示意图；

图9b是回转刀具的侧刃面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。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。

本发明所揭示的是一种回转刀具的在机视觉检测方法，如图8所示，为本发明所述检测方法的流程图。所述检测方法为：对加工完后仍安装在机床主轴上的回转刀具的端面以第一摄像头进行拍摄，获得刀具正刀面图像；对刀具正刀面图像进行处理，分析获得所有刀刃所在位置的角度；根据各刀刃所在位置角度，控制第二摄像头回转至侧刃面，且使第二摄像头轴线与侧刃面垂直，之后进行拍摄，获得各刀刃侧刃面图像；对刀具正刀面图像和刀具侧刃面图像进行视觉分析，获得刀具磨损情况。

基于上述检测方法，本发明还揭示了一种回转刀具的在机视觉检测装置，该检测装置包括检测机构a及移动机构b，还可以进一步包括保护罩组件c，参见图1、图3及图6所示。

如图1所示，为本发明所述检测机构a的第一实施例。所述的检测机构a包括第一摄像头11、第二摄像头21、支架3、旋转电机4及底座5。其中：

所述的第一摄像头11还可以进一步配备有第一光源12，该第一光源12可以采用环设在摄像头外周的环形光源。

所述的第二摄像头21同样可以进一步配备有第二光源22，该第二光源22也可以采用环设在摄像头外周的环形光源。

该第一摄像头11及第二摄像头21安装在所述支架3上，且两摄像头的轴线相互垂直。为了使第二摄像头21的位置可调，以适应不同直径及刀刃位置的回转刀具，可以进一步设置调节机构以调节第二摄像头21相对第一摄像头11的位置。可以在固定第一摄像头11和第二摄像头21的支架之间设置一调节机构6，用以调节第二摄像头21相对第一摄像头11在x轴上的位置；还可以在第二摄像头21与其固定支架之间设置另一调节机构6，用以调节第二摄像头21相对第一摄像头11在z轴上的位置。具体的，所述的支架3包括均为l形结构的第一支架31、第二支架32及第三支架33，所述的第一摄像头11通过螺栓固定安装在第一支架31上；设所述第一摄像头11的轴线为z轴，所述第二摄像头12的轴线为x轴；所述的第二支架32安装在第一支架31上，两者之间设置有一调节机构6，该第二支架32通过调节机构6可以在x轴方向调节移动；所述的第二支架32上安装有第三支架33，两者之间设置有另一调节机构6，该第三支架33通过另一调节机构6可以在z轴方向调节移动；所述的第二摄像头21通过螺栓固定安装在该第三支架33上，该第二摄像头21的轴线在x轴上。

所述的调节机构6可以采用多种结构实现，本实施例具体的，如图2所示，该调节机构6包括滑轨61、旋钮62及滑槽63，该滑轨61和滑槽63相互配合并分别设置在两个相对移动的部件上（两个相对移动的部件即为用以固定第一摄像头11和第二摄像头21的支架，或者第二摄像头21及其固定支架；本实施例即为所述的第一支架31及第二支架32，或者第二支架32及第三支架33）；所述的旋钮62设有螺杆621，该螺杆621螺旋在设置有滑槽63的部件上，且该螺杆621的端部抵顶在所述滑轨61上。图1及图2以设置在第一支架31及第二支架32的调节机构6为例，该滑轨61安装在第一支架31上，所述的第二支架32上设有可滑移在该滑轨61上的滑槽63；所述旋钮62的螺杆621螺旋在所述第二支架32，该螺杆621的端部抵顶在所述滑轨61上。要移动相关部件时，旋转旋钮62，使螺杆621离开滑轨61，这样即可移动相关部件在滑轨61上来回滑动；移到所需位置时，旋紧旋钮62，使螺杆621端部抵顶在所述滑轨61边缘，从而使整个机构固定不动，完成位置的调节。第二支架32及第三支架33之间的另一调节机构6与图1、2相同，不再详细说明。

所述旋转电机4的旋转轴与所述支架3相联接，且该旋转电机4的旋转轴与第一摄像头11的轴线同心，这样可以保证在旋转电机4旋转的过程中，第一摄像头11所拍摄的图像中，刀具正刀面的图像不会出现过度的偏移。具体的，所述第一支架31上开有与一联轴器7相配合的孔位（图中未示出），从而与联轴器7相连，联轴器7再安装在所述旋转电机4的旋转轴上，从而通过联轴器7联接所述第一支架31及旋转电机4，使得支架3能够随着旋转电机4一同转动。所述的旋转电机4可以采用中空电机，中空电机的中空轴可以用于使第一摄像头11、第二摄像头21及第一、第二光源12、22等电器元件的数据线和供电线穿过电机，防止在检测过程中线材因为重力作用下干扰到待测道刀具和检测装置。

所述的底座5用于所述旋转电机4安装其上。

本发明所述的检测机构a在使用时，可以通过底座5安装在一移动机构（本实施例未提供具体移动机构实例）上，该移动机构安装在机床上，其可以带动该检测机构a移动至所需的位置，例如刀具的下方。该移动机构可以采用机械手臂或者传动装置或者三轴移动平台等。该底座5上设有安装孔51可以与机械手臂或者传动装置连接。

如图3、4所示，为本发明所述检测装置的第二实施例。该实施例的检测装置包括检测机构a、移动机构b及保护罩组件c。其中：

所述的检测机构a同样包括第一摄像头11、第二摄像头21、支架3、旋转电机4及底座5。

所述的第一摄像头11配备有第一光源12，本实施例，该第一光源12也采用环设在摄像头外周的环形光源。

所述的第二摄像头21也配备有第二光源22，本实施例，该第二光源22为条形光源，且该条形光源设置在第一摄像头11的另一侧，即该第二摄像头21与第二光源22分别位于所述第一摄像头11的两侧。

该第一摄像头11及第二摄像头21安装在所述支架3上，且两摄像头的轴线相互垂直。具体的，所述的支架3包括均为l形结构的第一支架31、第二支架32及条形光源支架34，还包括一底板35。所述的第一摄像头11、第二摄像头21及第二光源22通过螺栓分别固定安装在第一支架31、第二支架32及条形光源支架34上。该第一支架31、第二支架32及条形光源支架34分别安装在所述底板35上，且第二支架32及条形光源支架34分别位于所述第一支架31两侧，从而使该第二摄像头21与第二光源22分别位于所述第一摄像头11的两侧。将第二摄像头21与第二光源22分别位于所述第一摄像头11两侧之后，当工作时，第二摄像头21与第二光源22就分别位于刀具的两侧，这样就形成背光，可以更清楚的拍摄侧刃面的轮廓。这是因为，侧刃面的磨损主要是外轮廓的磨损，更清晰的拍摄出轮廓图像更有利于磨损情况的分析。而采用条形光源则可以更好的适应刀具的长度形状。

本实施例所述的旋转电机4可以采用与上述第一实施例相同的结构，即可以采用中空电机，且可以通过联轴器7将旋转电机4与支架3的底板35连接在一起。另外，该旋转电机4的旋转轴需要与所述第一摄像头11的轴线同心。

所述的底座5用于安装所述的旋转电机4。该底座5再固定安装在一移动机构b上，固定连接可以采用螺栓连接或者其他连接方式。

本实施例，所述的移动机构b包括连杆81及旋转底座82，该连杆81通过电机（图中未示出）可旋转地安装在所述旋转底座82上。上述检测机构a的底座5固定安装在该连杆81上，通过电机可以带动连杆81旋转，从而带动连杆81上的检测机构a旋转。所述的旋转底座82则被固定在机床固定结构（图中未示出）上，从而将检测机构a固定在机床旁边。

本实施例还进一步包括了保护罩组件c，该保护罩组件c被安装在机床旁边，该保护罩组件c至少包括一保护罩92。当所述的检测机构a不使用时，通过移动机构b可将检测机构a旋转或者移动到保护罩92之内，从而对检测机构a进行保护；当需要对刀具进行检测时，通过移动机构b，可以将检测机构a移出保护罩92，并移动到机床内刀具所在的指定位置。

所述的保护罩组件c可以采用多种结构形式，本实施例中（配合图4所示），该保护罩组件c包括固定在机床固定结构（图中未示出）上的固定架91、铰接在固定架91上的所述保护罩92以及可带动该保护罩92旋转的动力机构93。该动力机构93也固定在机床固定结构上，其可以采用多种结构实现，例如电动推杆等。本实施例具体的，该动力机构93包括伸缩气缸931，该伸缩气缸931两端分别铰接在所述保护罩92和机床固定结构上；可以在保护罩92上固定保护罩气缸连接件932，在机床固定结构上固定气缸连接件933，通过该连接932、933与伸缩气缸931进行铰接连接。

如图5a、图5b及图5c所示，本发明所述的检测机构a在不使用时，位于所述的保护罩92之内。当要对刀具进行检测时，控制保护罩组件c的伸缩气缸931动作，使保护罩92绕固定架91旋转，从而使保护罩92打开；再控制移动机构b的电机动作，带动连杆81转动，从而将检测机构a从保护罩组件c移出（如图6a及图6b所示）。

再如图7所示，为本发明所述检测装置第三实施例的结构示意图。该实施例的检测装置大体上与上述第二实施例相同，也包括检测机构a及移动机构b，保护罩组件也可以与第二实施例相同，由于保护罩组件相对与其他机构位置独立，因此未在图中表示。本实施例的关键在于设有调节机构6，在此以仅详细说明调节机构6，而与上述第二实施例相同的部分不再详细说明，标号相同部分也不再详细说明。

所述的调节机构6用于调节第二摄像头21相对第一摄像头11的位置；可以在固定第一摄像头11和第二摄像头21的支架之间设置一调节机构6，用以调节第二摄像头21相对第一摄像头11在x轴上的位置；还可以在第二摄像头21与其固定支架之间设置另一调节机构6，用以调节第二摄像头21相对第一摄像头11在z轴上的位置。本实施例，该调节机构6为丝杆螺母机构，其包括固定座64、安装在固定座64上的丝杆65、安装在丝杆65上的螺母66以及可带动丝杆65旋转的电机（图中未示出），该固定座64与螺母66分别固定安装在两个相对移动的部件上（两个相对移动的部件即为用以固定第一摄像头11和第二摄像头21的支架，或者第二摄像头21及其固定支架）。图7所示实施例，该固定座64固定安装在所述支架3的底板35上，所述第二支架32则固定安装在所述螺母66上。通过该调节机构6可以调节第二摄像头21相对第一摄像头11在x轴方向的位置。

在第二摄像头21及其固定支架（第二支架32）之间也可以安装一个所述的丝杆螺母机构作为调节机构，用于调节第二摄像头21相对第一摄像头11在z轴方向的位置。本实施例图中未给出在第二摄像头21及第二支架32安装调节机构的实例。

上述各实施例中，“固定”、“固定连接”、“固定安装”、“安装”等，均可以采用本领域技术人员可以理解的结构方式，例如螺纹连接或焊接等。

本发明上述各实施例检测装置的检测方法为：检测开始后，加工机床将刀具及刀柄移动到机床内指定位置，再由移动机构b将检测机构a从保护罩组件c的保护罩92内移出，并移送检测机构a进入机床内，使第一摄像头11位于刀具的正下方并与刀具同轴，而第二摄像头21则位于刀具的侧面，对第二、第三实施例，第二光源22与第二摄像头21分设在刀具的两侧；之后由第一摄像头11拍摄刀具的正刀面图像；通过对该正刀面图像进行处理分析，获得所有刀刃在正刀面图像中的角度；根据各刀刃的角度控制旋转电机4旋转相应的角度，从而使第二摄像头21的轴线垂直于各刀刃的侧刃面；之后由第二摄像头21分别拍摄各刀刃的侧刃面图像；根据需要，处理分析正刀面图像和侧刃面图像，获得刀具的磨损情况。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申请的保护重点，其可以采用现有技术实现，也可以采用创新技术实现，对本申请的关键技术并未产生效果，因此不再详细描述。

更为具体的，上述检测装置针对回转刀具的在机视觉检测方法包括如下步骤：

在检测开始之前，可以根据刀具的直径大小或者刀具的长度，通过调节机构6调节第二摄像头21的x轴与z轴的位置，从而调节第二摄像头21相对第一摄像头11的位置。

（a）在加工完成后，机床控制刀轴移动到指定位置（如安全高度的原点），无需将刀具从刀柄上取下。在此步骤，机床可以利用内部自带的清洁装置（如气枪、喷油管等）对刀具进行初步的清洁。

(b)如果需要，先启动保护罩组件c，使保护罩92打开；之后或者同时启动移动机构b，将检测机构a根据设定好的点位传送到指定位置，使第一摄像头11位于刀具下方，该设定好的点位即为刀具理论中心点；之后控制第一摄像头11拍摄刀具正刀面图像(如图7所示)，通过对图像处理分析获取刀具正面的中心点，即为刀具当前中心点，计算刀具当前中心点与理论中心点的差值；

（c）输出步骤（b）差值信号，驱动移动机构b移动检测机构a到对应的距离，使得第一摄像头11的轴线位于刀面的当前中心点；

（d）对正后再次拍摄正刀面图像，处理分析该正刀面图像拟合出各刀刃在正刀面图像中的角度，如图9a所示。图像的处理分析以及角度的拟合可以采用现有技术，本发明具体的，将拍摄得到的正刀面图像转化为灰度图像，增强边缘显示之后，利用边缘提取算法，拟合刀刃边缘直线，通过计算该拟合直线的偏转角度，从而将刀刃所偏转的角度计算出来。

（e）根据步骤（d）中所输出的角度，控制旋转电机4带动支架旋转所需各角度，使第二摄像头21的轴线依次与各刀刃的侧刃面垂直，并分别拍摄刀具各刀刃的侧刃面图像，如图9b所示。

（f）根据步骤（d）及步骤（e）所拍摄的刀具正刀面图像和刀具侧刃面图像，进行视觉分析获得刀具磨损情况。具体的，对步骤（d）拍摄的刀具正刀面图像处理分析，提取正刀面切削部分的磨损区域，将提取的区域在图像中标注出来，同时计算磨损面积大小。通过对步骤（e）拍摄的刀具各侧刃面图像处理分析，提取刀具前10mm的图像及其磨损区域，将提取的区域在图像中标注出来，同时计算磨损面积大小。根据获得的正刀面和侧刃面的磨损区域及磨损面积，进一步处理分析所需的磨损情况，并进行后续处理。该步骤不是本案重点，不再详细展开说明。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。