一种基于刀具光学检测技术的刀具磨削加工控制方法与流程

本发明涉及刀具磨削技术领域，尤其涉及一种基于刀具光学检测技术的刀具磨削加工控制方法。

背景技术：

随着现代制造技术的发展，对高精度复杂刃型刀具品种的数量需求越来越大，而这类复杂刃型高精度刀具，采用普通工具磨床和传统工艺方法来制造是很难实现的，为了满足这一要求，数控工具磨床得到了快速的发展。高精度、高刚度、结构紧凑、操作方便、效率高、软件编程灵活、合适的功率和可视化效果一直都是刀具制造企业对数控工具磨床的追求，数控工具磨床必须配置用于磨削加工、刀具测量等软件才能完成相应操作，制造出高品质的刀具，因此，机床的软件功能已经成为判断数控工具磨床先进性水平的主要标志之一。

刀具磨削工艺软件是专业的刀具设计软件，也是数控工具磨床的大脑，国外比较知名的刀具磨削软件有toolstudio、toolroom、numrotoplus等。目前，我国各数控工具磨床生产厂家也积极与各科研院所合作，开发具有自我知识产权的刀具磨削工艺软件系统，例如科德数控股份有限公司自主开发的gtool刀具磨削软件、上海黑格数控的helixcnc-5a五轴工具磨床配置自行开发设计的刀具磨削软件等。刀具光学检测系统是一种基于视觉图像的刀具几何参数快速检测系统，在线进行刀具几何参数检测和质量检查。在刀具的连续加工过程中，可能出现砂轮磨损等情况，直接影响到刀具的加工尺寸精度，因此，在刀具的磨削生产过程中，对刀具状态的检测具有非常重要的意义。

在实际的生产过程中，目前数控机床技术中刀具磨削工艺系统和刀具光学检测系统是两套独立的系统，通常是各自与数控系统进行交互来分别实现刀具的生产和测量，但是各自独立的系统在生产配合过程中易引入过多的人工干预。因此，随着现代生产和制造技术的不断发展，人们对机械加工中的自动化和智能水平的要求越来越高，应该尽可能地避免由于人工干预导致的刀具补偿参数误判断和误输入问题。如果补偿参数的补偿方向判断错误，将导致刀具尺寸报废。如果刀具补偿参数误输入，撞机的风险可能成倍增加，轻则砂轮崩损，重则机床轴受损，同时维修时长延误交货工期。因此可以说，实现集加工与检测一体化的自动调机功能，已成为刀具磨削领域未来的发展趋势。

技术实现要素：

基于此，为解决在现有技术存在的不足，特提出了一种基于刀具光学检测技术的刀具磨削控制加工方法。

一种基于刀具光学检测技术的刀具磨削加工控制方法，其用于机床数控系统的加工控制过程，其特征在于，包括：

s1、在所述机床数控系统的主控制程序中预先载入磨削工艺控制程序和光学检测控制程序；

s2、用户通过主控制程序输入的待加工参数，其中，所述待加工参数至少包括磨削工艺加工参数和光学检测加工参数；

s3、所述主控制程序调用磨削工艺控制程序并通过磨削工艺控制程序赋予磨削工艺程序机床控制权，使得其基于所述磨削工艺加工参数控制机床加工部件对待加工刀具进行磨削加工；

s4、在达到光学检测条件时，所述主控制程序调用光学检测控制程序并通过光学检测控制程序赋予光学检测程序机床控制权，光学检测控制程序初始化后使得其基于所述磨削工艺加工参数控制机床加工部件对当前磨削完成刀具进行光学检测并生成检测报告；

s5、使得光学检测控制程序基于本次生成的检测报告确定是否通知主控制程序进行控制权切换，是则将控制权交还给磨削工艺控制程序继续对下一批次的待加工刀具进行磨削加工；否则将检测报告所给定的超差参数通过主控制程序下发给磨削工艺控制程序；

s6、所述磨削工艺控制程序基于所述超差参数重新生成磨削工艺加工参数后，所述主控制程序再次调用磨削工艺控制程序并赋予磨削工艺程序机床控制权，使得其继续对下一批次的待加工刀具进行磨削加工；

s7、重复上述步骤s4-s6直至完成全部待加工零件的磨削加工工序。

可选的，在其中一个实施例中，所述机床加工部件至少包括：直线轴、旋转轴、砂轮主轴以及图像采集单元，所述图像采集单元安装在砂轮主轴上。

可选的，在其中一个实施例中，所述磨削工艺加工参数至少包括：刀具直径、周刃螺旋角、切削刃长度、刀具端齿数、倒锥、刀具外露长度；所述光学检测加工参数至少包括：第一光学检测控制参数，其用于确认是否开启光学检测程序，以向传递给数控系统执行信号；以及第二光学检测控制参数，其包括用户设定的检测周期。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本发明实现了集加工与测量一体化的自动调机功能，本发明成功将光学检测系统集成在刀具磨削工艺系统中，在刀具的连续加工中实现了刀具的在线监控，并将检测结果实时反馈给刀具磨削工艺程序中，及时给出合适的精度补偿，提高了国产五轴工具的加工精度和精度保持性，具有广泛的经济前景和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一个实施例中所述方法对应的步骤流程图；

图2为一个实施例中所述方法对应的磨削工艺程序基础工作步骤流程图；

图3为一个实施例中所述方法对应的光学检测程序基础工作步骤流程图；

图4为一个实施例中所述方法对应的磨削工艺程序与学检测程序交互步骤流程图；

图5为一个实施例中所述方法对应的控制权切换过程示意图；

图6为一个实施例中所述方法应用到五轴工具磨床的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。

鉴于现有技术所存在的不足，在本实施例中，特提出了一种刀具光学检测系统与刀具磨削工艺系统的协同部署设计方案，其旨在将刀具的在线检测技术成功地应用于刀具的连续磨削加工中，在刀具的连续加工中实现了刀具的在线监控，并将检测结果实时反馈给刀具磨削工艺系统，及时给出合适的精度补偿，从而提高刀具生产的自动化程度(特别是提高了国产五轴工具等设备的加工精度和精度保持性)，可以说其实现了集加工与测量一体化的自动调机功能(即其能在自动化批量加工过程中,通过采取上述方式或方法,自动判别加工产品的几何尺寸变化量,并根据尺寸超差量自动调整程序,从而达到全程无人工干预的自动化加工目标)，进而使刀具磨削技术进入了一个新的发展阶段。

如图1-5所示，该方法其用于机床数控系统的加工控制过程，其特征在于，包括：

s1、在所述机床数控系统的主控制程序中预先载入磨削工艺控制程序和光学检测控制程序；

s2、用户通过主控制程序输入的待加工参数，其中，所述待加工参数至少包括磨削工艺加工参数和光学检测加工参数；

s3、所述主控制程序调用磨削工艺控制程序并通过磨削工艺控制程序赋予磨削工艺程序机床控制权，使得其基于所述磨削工艺加工参数控制机床加工部件对待加工刀具进行磨削加工；

s4、在达到光学检测条件时，所述主控制程序调用光学检测控制程序并通过光学检测控制程序赋予光学检测程序机床控制权，光学检测控制程序初始化后使得其基于所述磨削工艺加工参数控制机床加工部件对当前磨削完成刀具进行光学检测并生成检测报告；

s5、使得光学检测控制程序基于本次生成的检测报告确定是否通知主控制程序进行控制权切换，是则将控制权交还给磨削工艺控制程序继续对下一批次的待加工刀具进行磨削加工；否则将检测报告所给定的超差参数通过主控制程序下发给磨削工艺控制程序；

s6、所述磨削工艺控制程序基于所述超差参数重新生成磨削工艺加工程序后，所述主控制程序再次调用磨削工艺控制程序并赋予磨削工艺程序机床控制权，使得其继续对下一批次的待加工刀具进行磨削加工；

s7、重复上述步骤s4-s6直至完成全部待加工刀具的磨削加工工序。

在一些具体的实施例中，s1中，由于磨削工艺程序为机床数控系统原有加工程序，其具备刀具的全参数化输入、图形引导、参数化编程、加工路径优化、磨削进给自适应控制、后处理、碰撞监视和三维模拟等功能，其受控于所述机床数控系统的主控制程序；用户根据设计的刀具图纸，编制磨削工艺程序，并生成可用于加工控制的磨削工艺控制程序，然后，用户在机床数控系统中，由主控制程序调用该nc程序即磨削工艺控制程序，控制机床加工部分的各轴运动，从而完成刀具产品磨削，其工作流程如图2所示。光学检测程序也为机床数控系统原有加工程序，其用于对刀具进行图像捕捉并记录图像信息并分析本次加工是否合格并生成检测报告等，本例中通过在所述机床数控系统的主控制程序中预先载入和光学检测控制程序以分别对磨削工艺程序和光学检测程序进行交替调用控制；由上述方案，本案中直接在同一控制程序中载入两种子控制程序完成磨削加工和光学检测的闭环形式的自动控制过程；以规避现有技术中人工影响因素并提高自动化水平，即克服了现有技术中刀具磨削加工完成后，有工人人工或者机械手送至光学检测装置进行光学检测获得光学检测参数后，若发现存在误差后返回磨削加工设备处进行人工的加工参数调整的弊端。

在一些具体的实施例中，s2中，所述磨削工艺加工参数至少包括：刀具直径、周刃螺旋角、切削刃长度、刀具端齿数、倒锥、刀具外露长度等等；所述光学检测加工参数至少包括：第一光学检测控制参数，其用于确认是否开启光学检测程序，以向传递给数控系统执行信号；以及第二光学检测控制参数，其包括用户设定的检测周期，该参数用来控制每次加工多少根刀具后进行一次检测；同时上述两参数的赋值时间为：当用户在光学检测软件主界面设置完参数后，点击生成检测程序时，将这两个参数写入到相应的#变量中。

在一些具体的实施例中，s3中，所述主控制程序调用磨削工艺控制程序并赋予磨削工艺控制程序机床控制权，磨削工艺控制程序控制磨削工艺加工程序基于所述磨削工艺加工参数控制机床加工部件对待加工刀具进行磨削加工；所述磨削工艺加工参数包括刀具直径、周刃螺旋角、切削刃长度、刀具端齿数、倒锥、刀具外露长度等等，同时磨削工艺加工参数同步传给光学检测程序以便于光学测量程序读取刀具磨削程序传递出的相关参数，进行刀具测量参数初始化，然后生成刀具测量nc程序。

在一些具体的实施例中，s4中，所述光学检测条件是指是否达到满足第一光学检测控制参数以及第二光学检测控制参数的设定周期，如用户指示进行光学检测并检测周期为设定加工一件刀具(也可以在加工几个工件后)即进行光学检测等；在确定达到光学检测条件时，所述主控制程序调用光学检测控制程序并赋予光学检测控制程序机床控制权，磨削工艺控制程序控制磨削工艺加工工序停工，在光学检测控制程序初始化后使得光学检测控制程序基于所述磨削工艺加工参数控制机床加工部件对当前磨削完成刀具进行光学检测(如对刀具进行图像捕捉并记录图像信息并分析本次加工是否合格)并生成检测报告；其中光学检测过程所需的检测图像由ccd摄像头采集，并由光学检测程序进行误差检测，若发现存在偏差则将相应的超差值和补偿信号一并存储至该刀具的检测报告中，若检测到偏差值处于设计超差范围内，则刀具检测报告内将更新修正信号设置为无需更新，并存储对应超差值；在报告中给出是否将控制权还给磨削加工程序的信号。

在一些具体的实施例中，s5中，光学检测控制程序基于本次生成的检测报告确定是否通知主控制程序进行控制权切换，若检测报告中仅有无需更新命令，则将控制权交还给磨削工艺控制程序，维持原设定参数继续对下一批次的待加工刀具进行磨削加工；否则将检测报告所给定的超差参数通过主控制程序下发给磨削工艺控制程序。

在一些具体的实施例中，s6中，若检测报告中体现某一种或者多种的磨削工艺加工参数存在偏差，则将相应的超差值作为调整值，并由磨削工艺控制程序控制磨削工艺程序重新生成信号状态，即所述磨削工艺控制程序基于所述超差参数重新生成磨削工艺加工参数后，所述主控制程序再次调用磨削工艺控制程序并赋予磨削工艺控制程序机床控制权，使得其继续对下一批次的待加工刀具进行磨削加工直至完成全部加工任务；

基于上述实施例所述设计方案，申请人将其应用到本公司自己的五轴工具磨床上，申请人所述的五轴工具磨床其整体采用3+2结构，即由3个直线轴和2个旋转轴组成，其中直线轴包括x轴1、y轴2、z轴3，旋转轴即刀具轴包括a轴4和c轴5，如图6，直线轴x轴1位于床身平台之后，由电机控制其进行左右移动；直线轴y轴2安装在直线轴x轴1上，其随x轴1可以进行左右移动的同时，由电机控制其进行前后移动；直线轴z轴3安装在床身立柱之上，电机控制z轴上下移动；刀具轴a轴4安装在y轴2之上，可随x轴1、y轴2运动，且刀具8被装卡在a轴4上，与a轴4一同绕直线轴x1旋转；旋转轴c轴5固定在直线轴z3一侧，本图为左侧，随z轴3上下移动，同时可绕z轴3旋转；砂轮主轴6安装在c轴5下方；刀具光学检测过程由ccd摄像头7(图像采集)和光学测量程序(整个检测过程以及数据分析由其完成且其受控于光学检测控制程序)软件构成；其中，ccd摄像头7安装在砂轮主轴6一侧，本图为右侧；当满足检测条件时并进行刀具测量时，主控制程序能够使得c轴5旋转180°，将ccd摄像头7旋转至面向刀具方向，此时机床各轴处于零点位置。具体过程包括：首先用户通过主控制程序输入本次刀具加工工艺参数，如刀具直径、周刃螺旋角、切削刃长度、刀具端齿数、倒锥、刀具外露长度等等，基于上述参数，所述主控制程序调用磨削工艺控制程序并赋予磨削工艺控制程序机床控制权，使得其对待加工刀具进行磨削加工；光学检测程序读取磨削工艺程序传递出的相关参数，进行刀具测量参数初始化，然后生成刀具光学检测nc程序即控制程序。光学检测控制程序被主控制程序赋予控制权后其控制机床c轴5旋转180°，然后移动直线轴x轴1、y轴2、z轴3，以将加工完成的刀具8移动至在ccd摄像头7左侧安装吹气孔正下方的安全位置处，启动吹气开关，同时也可以完成对刀具表面附着油污的清理工作，为ccd摄像头7取景排除干扰(即以一定速度同时移动直线轴x轴1和刀具轴a轴4)，然后打开ccd摄像头7保护盖，并控制直线轴x轴1、y轴2、z轴3，分别移动至ccd摄像头7取景框中心点与刀具周刃起点在机床xoy平面内投影点重合，且在z轴方向ccd摄像头7焦点上方一定安全距离的位置处，开始进行相机对焦定位，机床直线轴的z轴3向下以一定速度缓慢下移一段距离并进行检测工作，下面以具体刀具加工工艺参数偏差检测为例进行简单说明，由于光学检测程序为现有成熟技术，因此本例不再赘述检测技术，仅选择几个典型类型对检测控制逻辑进行简要说明；若涉及检测刀具直径，则使得ccd摄像头7移动到刀具外径测量位置，并旋转a轴4，光学检测程序获取刀具实际半径值，如果刀具实际半径超过设定的理论半径值的偏差范围，则其所生成的刀具检测报告中给出半径超差值和y轴偏移补偿信号一并存储；若涉及检测周刃螺旋角，则使得将ccd摄像头7移动至实际对焦位置，开始测量刀具螺旋角，以一定速度，移动直线轴x轴1和刀具轴a4，ccd摄像头7同时记录影像，第一齿记录完成之后，迅速定位至下一齿的周刃起点位置，直至所有周刃被测量完，形成最终的刀具螺旋图像数据以获取刀具螺旋角，同理，如果刀具实际螺旋角超过了设定的理论螺旋角的偏差范围，则螺旋角超差值和螺旋角补偿信号一并被存储至刀具检测报告中；若涉及检测周切削刃长度，则直接基于刀具螺旋角的图像数据获取刀具切削刃实际长度，如果刀具实际切削刃长超过了设定的理论切削刃长的偏差范围，则需要将刃长超差值和切削刃长补偿信号存储至刀具检测报告中。同时如果偏差值处于设计超差范围内，则刀具检测报告内将更新修正信号设置为无需更新，并存储对应超差值，即维持原设定参数继续加工。另用户可通过gnc系列数控系统预留的宏参数(#变量)进行参数设定，同时将磨削工艺程序对应的刀具加工nc控制程序和光学检测程序对应的刀具检测控制nc程序，分别看作两个子程序，记为gnc1.nc和gnc2.nc，如用户可输入是否检测、检测周期、刀具序列号等参数，在主控制程序gnc.nc中通过对#变量的取值进行判断来决定执行哪个子程序，在本案中主程序设定完后可以不用修改，每次通过修改宏变量来满足用户的不同控制需求同时主程序涉及的判断信号包括：当前加工刀具的序列号，连续加工的刀具数目(即加工前料盘中的棒料总数目，可在数控系统中设置)。基于上述内容给出进一步的实例，如设定光学检测程序需要检测关于刀具半径、螺旋角度和切削刃长度相关的数据；则需要对光学检测程序所生成的检测报告中提及的关于刀具半径、螺旋角度和切削刃长度相关的检测参数进行判断，如果任意一个参数的超差值超过了设定的理论偏差范围，则调整轴偏差的数值为调整值，重新生成信号判断都为是，只有全部参数均不存在超差时，更新修正参数值全部为0，且重新生成信号为否；同时磨削工艺程序受控于磨削工艺控制程序，并能够根据基于所述刀具检测报告中所包含的参数判别是否重新生成信号状态；如果为是，将更新相应轴调整修正数据，并重新生成gnc1.nc；否则，跳过直接执行下一步，即维持原设定参数继续加工；若进入下一光学检测周期，即将控制权交给光学检测控制程序使其调用光学检测程序执行对刀具检测，当检测完刀具的几何参数后，其光学检测程序与内部预设的理论输入值进行比较，当测量值和理论值的误差在公差范围内时，会跳出gnc2.nc，回到主程序，继续下一把刀具的加工，当测量值和理论值的误差超出公差时，则暂停加工，并生成检测报告，将控制权交给主程序，用户通过主程序根据检测结果进行调机并进行下一步的加工。

基于上述内容，下述实际实施例以将上述方案应用于本公司自主开发的ktoolg3515系列五轴工具磨床上为例进行具体说明：

本例所采用的数控系统采用本公司自主研发的gnc62数控系统，gnc62系列数控系统是以国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(专项课题2009zx04009012)的成果gnc62数控系统为基础，结合先进数控机床市场需求分析，逐步完善gnc62数控系统功能而形成的系列产品。

本例所采用的磨削工艺程序采用gtool刀具磨削工艺软件，gtool刀具磨削工艺软件是与ktoolg3515系列五轴工具磨床配套的刀具设计软件，用户参照刀具设计图纸等在gtool软件界面上设置刀具工艺参数，同时还可以在其内生成刀具加工的nc程序即磨削工艺程序gnc1.nc，并可以在仿真模块中模拟整个加工过程，待仿真结果准确无误后，即可完成调参过程。

本例所采用的光学检测程序采用国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(专项课题2018zx04041001)的研究成果，由大连理工大学开发，整个在线检测系统由照明、镜头、相机以及tasol数字图像处理软件构成，用户在tasol软件界面上设置测量相关的初始参数，并由tasol生成测量nc程序gnc2.nc。以上操作完成后，在gnc62数控系统中通过主程序gnc.nc调用上述两个子程序，即可实现在刀具连续加工过程中对刀具的实时监控检测，既减少了人工的干预，又可以保证刀具产品的加工精度，有助于提高国产自主品牌的竞争优势，对国产五轴工具磨床打破国外技术垄断和产品封锁起到了重要作用。同时在实施过程中验证该设备能够保证持续、高效地对刀具进行生产，并对整个加工过程进行有效的监控，避免了因砂轮的磨损、破损等因素造成的刀具精度下降。因此可以说，本案实现了集加工与测量一体化的自动调机功能，给出了一种光学检测系统和刀具磨削工艺系统协同部署方案，成功将光学检测系统集成在刀具磨削工艺系统中，在刀具的连续加工中实现了刀具的在线监控，并将检测结果实时反馈给刀具磨削工艺系统，及时给出合适的精度补偿，提高了国产五轴工具的加工精度和精度保持性，具有广泛的经济前景和社会效益。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。