本实用新型涉及一种机床在线精确获得刀具磨破损区域的磨损长度、宽度、面积等的检测装置，属于刀具磨破损检测技术领域。
背景技术：
刀具作为数控机床用于加工精密零件的专业工具，对其磨损状态的有效监控不仅能发挥刀具寿命潜能，而且是推进智能制造发展的有效途径。目前的刀具磨破损检测方法有一定局限性：
第一.工业生产中磨损检测主要凭工人的经验进行判断，往往刀具磨损量已超过磨钝标准，影响工件的加工质量；或者在固定时间内换刀，而磨损量并未达到磨钝标准而换刀，造成刀具浪费；
第二.工程应用中采用传感器采集力、振动、声发射、电流等信号间接监测刀具磨损状态，但无法对磨损信号精准量化，对是否换刀提供有力支持；
第三.目前采用的检测装置不适用于实际生产工况，需要利用显示镜离线测量刀具磨损量。为保证主轴系统能够安全可靠地运转，主轴-刀柄-刀具结合面需要具有高几何精度、高重复装卡精度及高刚度等特性，结合面对高速主轴系统动力学特性有着重要的影响；并且考虑到工厂实际生产工况，刀具储存在刀库，主轴-刀具-刀柄结合面已定位，按照现有的测量方案，需要刀具先从刀库卸刀，然后再从刀柄卸下，二次装夹需要重复定位，降低了效率、增大了误差，对刀具磨损量的精度有直接影响。
技术实现要素：
本实用新型针对现有刀具磨破损检测技术存在的不足，提供一种测量精度高、效率高的基于CCD刀具磨破损在线检测装置。
本实用新型的基于CCD刀具磨破损在线检测装置，采用以下技术方案：
该装置，包括采集箱、工控机和显示器，采集箱内设置有CCD工业相机、双远心镜头、环形光源和三棱镜，CCD工业相机、双远心镜头、工控机和显示器依次连接。
所述采集箱包括底座以及设置在底座上的箱体，箱体包括前后左右四个侧箱门和一个顶箱门，顶箱门上设置有刀具在线检测的入口，入口处装有毛刷(对用气泵初次清理切削液和切屑的刀具进行再次清理)。
所述采集箱的底座上设置有相机横向移动机构和三棱镜Y向移动机构，相机横向移动机构上设置有相机纵向移动机构，所述CCD工业相机安装在相机纵向移动机构上；三棱镜Y向移动机构上设置有三棱镜X向移动机构，三棱镜X向移动机构上设置有三棱镜Z向移动机构，所述三棱镜安装在三棱镜Z向移动机构上。
所述相机横向移动机构，包括横向导轨、横向滑块及横向滑块移动机构，横向滑块和横向滑块移动机构均设置在横向导轨上，横向滑块与横向滑块移动机构连接。横向滑块移动机构采用丝杠螺母副机构，横向导轨上设置有锁定横向滑块位置的横向锁紧螺钉。横向导轨上还设置有用于观察横向滑块位置的横向标尺。
所述相机纵向移动机构，包括纵向导轨、纵向滑块和纵向滑块移动机构，纵向导轨设置在横向滑块上，纵向滑块和纵向滑块移动机构均设置在纵向导轨上，纵向滑块与纵向滑块移动机构连接。纵向滑块移动机构采用丝杠螺母副机构。纵向导轨上设置有锁定纵向滑块位置的纵向锁紧螺钉，纵向导轨上还设置有用于观察纵向滑块位置的纵向标尺。
所述三棱镜X向移动机构，包括X向导轨、X向滑块及X向滑块移动机构，X向滑块和X向滑块移动机构均设置在X向导轨上，X向滑块与X向滑块移动机构连接。X向滑块移动机构采用丝杠螺母副机构。X向导轨上设置有锁定X向滑块位置的X向锁紧螺钉。
所述三棱镜Y向移动机构，包括Y向导轨、Y向滑块及Y向滑块移动机构，Y向滑块和Y向滑块移动机构均设置在Y向导轨上，Y向滑块与Y向滑块移动机构连接。Y向滑块移动机构采用丝杠螺母副机构，Y向导轨上设置有锁定Y向滑块位置的Y向锁紧螺钉。
所述三棱镜Z向移动机构，包括Z向导轨、Z向滑块及Z向滑块移动机构，Z向滑块和Z向滑块移动机构均设置在Z向导轨上，Z向滑块与Z向滑块移动机构连接。Z向滑块移动机构采用丝杠螺母副机构，Z向导轨上设置有锁定Z向滑块位置的Z向锁紧螺钉。
环形光源与双远心镜头相连，利用前光源光照采集刀具表面磨损信息的图像，为后续图像处理做准备。三棱镜安装在三棱镜Z向移动机构的Z向滑块上，完成刀具底刃磨破损图像的采集，使刀具底刃和侧刃的采集集成在一个相机中，以减小了装置体积。
上述基于CCD刀具磨破损在线检测装置的检测过程如下所述：
(1)将整个装置安装在机床工作台上，使整个装置随机床X轴向和Y轴向运动；
(2)接通电源，将CCD工业相机与工控机和显示器连接，打开环形光源；
(3)调节机床，抬起刀具，然后调节机床X轴工作台和机床Y轴溜板，使整个装置运行至刀具下方；调节机床，使刀具下降并穿过采集箱，停置在三棱镜上方，完成粗调；
(4)使CCD工业相机上下运动及前后运动，标定完成后，固定住CCD工业相机不动，微调三棱镜，使CCD工业相机与三棱镜平齐，完成精调；
(5)调节完毕后采集图像，一次性采集全部底刃；调节三棱镜并使刀具下降，采集侧刃磨损图像，转动刀具，每刃连续采集4张不同位置的图像，根据转速和刃数设置旋转角度使各刃依次采集，直至完成所有侧刃图像的采集；
(6)工控机对采集的刃部图像进行数据处理。
本实用新型基于视觉非接触在线检测刀具磨破损状态，并计算刀具磨损带的长度、宽度、面积等，避免二次装夹，提高了精度和效率；刀具底、侧刃检测集成于一个相机，减小了装置体积，安装方便、操作简单，节省人力物力，更适用于智能制造加工。
附图说明
图1是本实用新型的基于CCD刀具磨破损在线检测装置的内部结构示意图。
图2是本实用新型的基于CCD刀具磨破损在线检测装置安装在机床上的示意图。
图中：1.纵向丝杠调节旋钮，2.纵向导轨，3.纵向滑块，4.纵向锁紧螺钉，5.纵向标尺，6.横向滑块，7.横向标尺，8.横向导轨，9.横向丝杠调节旋钮，10.横向锁紧螺钉，11.底座，12.Y向丝杠调节旋钮，13.Y向导轨，14.Y向滑块，15.X向锁紧螺钉，16.X向导轨，17.X向丝杠调节旋钮，18.X向滑块，19.Z向锁紧螺钉，20.Z向滑块，21.Z向丝杠调节旋钮，22.三棱镜，23.环形光源，24.双远心镜头，25.CCD工业相机，26.毛刷口，27.采集箱，28.机床Y轴溜板，29.机床X轴工作台，30.刀具。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的基于CCD刀具磨破损在线检测装置，包括采集箱27、工控机(图中未显示)和显示器(图中未显示)。采集箱27内主要设置有CCD工业相机25、双远心镜头24、环形光源23、三棱镜22，CCD工业相机25、双远心镜头24、工控机和显示器依次连接。
采集箱27是在底座11上设置箱体而成，箱体包括前后左右四个侧箱门和一个顶箱门，各门均可打开，顶箱门上设置刀具在线检测时用于再次清理的毛刷口26。采集箱27的底座11上设置有相机横向移动机构和三棱镜Y向移动机构，相机横向移动机构上设置有相机纵向移动机构，CCD工业相机25安装在相机纵向移动机构的纵向滑块3上。三棱镜Y向移动机构上设置有三棱镜X向移动机构，三棱镜X向移动机构上设置有三棱镜Z向移动机构，三棱镜22安装在三棱镜Z向移动机构的Z向滑块20上。
相机横向移动机构包括横向导轨8、横向滑块6及横向滑块移动机构，横向滑块6和横向滑块移动机构均设置在横向导轨8上，横向滑块6与横向滑块移动机构采用丝杠螺母副连接，丝杠一端设置有横向丝杠调节旋钮9。横向导轨8上设置有锁定横向滑块6位置的横向锁紧螺钉10。横向导轨8上还设置有用于观察横向滑块6位置的横向标尺7，以便为下次调节作参考。
相机纵向移动机构包括纵向导轨2、纵向滑块3和纵向滑块移动机构，纵向导轨2设置在横向滑块6上，纵向滑块3和纵向滑块移动机构均设置在纵向导轨2上，纵向滑块3与纵向滑块移动机构也采用丝杠螺母副连接，丝杠上端设置有纵向丝杠调节旋钮1。纵向导轨2上设置有锁定纵向滑块3位置的纵向锁紧螺钉4，纵向导轨2上还设置有用于观察纵向滑块3位置的纵向标尺5，以便为下次调节作参考。
三棱镜X向移动机构包括X向导轨16、X向滑块18及X向滑块移动机构，X向滑块18和X向滑块移动机构均设置在X向导轨16上，X向滑块18与X向滑块移动机构采用丝杠螺母副连接，丝杠一端设置有X向丝杠调节旋钮17。X向导轨16上设置有锁定X向滑块18位置的X向锁紧螺钉15。
三棱镜Y向移动机构包括Y向导轨13、Y向滑块14及Y向滑块移动机构，Y向滑块14和Y向滑块移动机构均设置在Y向导轨13上，Y向滑块14与Y向滑块移动机构采用丝杠螺母副连接。Y向导轨13上设置有锁定Y向滑块14位置的Y向锁紧螺钉。
三棱镜Z向移动机构包括Z向导轨、Z向滑块20及Z向滑块移动机构，Z向滑块20和Z向滑块移动机构均设置在Z向导轨上，Z向滑块20与Z向滑块移动机构采用丝杠螺母副连接，丝杠一端设置有Z向丝杠调节旋钮21。Z向导轨上设置有锁定Z向滑块20位置的Z向锁紧螺钉19。
如图2所示，将采集箱27安装在机床上，考虑到机床主轴的可移动性，选择采集箱27可随机床X轴向和Y轴向运动，机床主轴由机床自身程序控制保持Z轴上下运动和转动。刀具磨破损在线检测的具体过程如下所述：
1.接通电源，将CCD工业相机25与工控机和显示器连接，打开环形光源开关并调节光照强度；
2.调节数控机床手轮，抬起刀具30，然后调节机床X轴工作台29和机床Y轴溜板28，使采集箱27运行至刀具30下方合适位置；调节数控机床手轮，使刀具30下降并穿过上箱门的毛刷口26，停置在三棱镜22上方10mm处，完成粗调；
3.转动纵向丝杠调节旋钮1使CCD工业相机25上下运动，旋紧纵向锁紧螺钉4锁定纵向导轨2位置；转动横向丝杠调节旋钮9使CCD工业相机25前后运动，旋紧横向锁紧螺钉10固定横向导轨8；标定完成后，CCD工业相机25固定不动，微调三棱镜22三向移动机构使CCD工业相机25与三棱镜22平齐，完成精调；
4.调节完毕后采集图像，一次性采集全部底刃；调节三棱镜Y向移动机构和Z向移动机构，并使刀具30下降30mm，采集侧刃磨损图像，刀具30低速旋转，每刃连续采集4张不同位置的图像，根据转速和刃数设置旋转角度使各刃依次采集，直至完成所有侧刃图像的采集。
5.对采集的刀具磨破损图像进行数据处理：
对灰度变换、二值化等预处理后的图像采用自相匹配算法进行图像处理。自相匹配的图像处理算法是以刀具本身信息为参照，以各刃最大磨损量的最大值表征刀具最大磨损值。自相匹配算法主要包括连通域分割算法、旋转定位算法、局部角度阈值算法和最小二乘法。
本实用新型采用基于视觉非接触在线检测刀具磨破损的方式，精度高、响应速度快。通过由CCD工业相机、双远心镜头、环形光源、三棱镜等组成的光学系统，将底、侧刃磨损检测集成于同一相机，既减小了装置的体积又节省了工作台的空间，将所拍摄的图像实时传送到工控机，再利用图像处理技术，从而得到刀具底、侧刃磨损带的磨损长度、宽度、面积等参数，实现智能检测，节省人力物力，提高了加工效率。整个检测过程按照检测程序自动完成，无须人工干预，结构简单，易操作、易掌握。