刀具检测装置及其检测方法与流程

本发明涉及刀具检测技术领域，具体涉及为一种刀具检测装置及其检测方法。

背景技术：

刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。刀具在生产完成后需要检测其是否符合标准。然而，刀具类型复杂，型号、尺寸、外形的差异会加大刀具测量的困难，原有的刀具检测方法需要将刀具从相关设备中取出，通过多个工人协作使用几种不同类型的复杂检测设备来检测刀具的多个尺寸参数，这种依赖于人工标定、测量，工序繁复的方法若要保证检测精度需要，操作困难且很大程度上依赖于相关人员的经验，需要耗费大量时间、人力，易造成原材料浪费，导致检测成本较高，难以满足大规模、智能化生产需要。

技术实现要素：

鉴于上述状况，实有必要提供一种检测效率高且检测结果准确的刀具检测装置及其检测方法，以解决上述问题。

本发明提供了一种刀具检测装置，包括：

图像采集模组，可相对于刀具运动，用于采集所述刀具的端面图像和多组侧面图像；

控制器，与所述图像采集模组电性连接，用于：

控制所述图像采集模组相对于所述刀具运动，并使得所述图像采集模组采集所述刀具的端面图像和多组侧面图像；

将多组所述侧面图像进行融合；

根据所述端面图像和融合后的所述侧面图像获取所述刀具的尺寸值。

进一步地，所述图像采集模组包括：

光源，用于向所述刀具的侧面或端面发射平行光；

相机，与所述光源相连，用于采集所述刀具的端面图像和侧面图像；

镜头，与所述光源、所述相机同轴设置，且设于所述光源和所述相机之间，用于减小所述相机的成像畸变率。

进一步地，所述刀具检测装置还包括：

远心光源，设于所述光源的相对侧，且与所述光源同轴设置，用于突出所述刀具的侧面特征。

进一步地，所述控制器将多组所述侧面图像进行融合的方法具体包括：

将采集的第一组侧面图像进行垂直纠正；

将第二组侧面图像至第n组侧面图像以所述第一组侧面图像为基准依次进行垂直纠正；

将垂直纠正后的所述第一组侧面图像至所述第n组侧面图像进行叠加，获得融合后的侧面图像。

进一步地，所述刀具检测装置还包括：

通讯模组，与刀具加工设备通讯连接；

所述控制器与通讯模组电性连接，所述通讯模组用于向所述刀具加工设备发送所述刀具的尺寸值，以使所述刀具加工设备根据所述尺寸值可选择地调整刀具的加工参数。

本申请还提出了一种刀具检测方法，包括：

采集刀具的端面图像和多组侧面图像；

将多组所述侧面图像进行融合；

根据所述端面图像和融合后的所述侧面图像获取所述刀具的尺寸值。

进一步地，所述采集刀具的端面图像的方法包括：

采集所述刀具开刃前的端面图像和开刃后的端面图像。

进一步地，所述采集多组侧面图像的方法包括：

将所述刀具转动至第一角度；

将图像采集模组和所述刀具的侧面之间的距离调整至第一距离，以使所述图像采集模组采集所述刀具的月牙图像。

进一步地，所述采集多组侧面图像的方法包括：

将所述刀具转动至第二角度；

将图像采集模组和所述刀具的侧面之间的距离调整至第二距离，以使所述图像采集模组采集所述刀具的后宽图像，其中，所述月牙在所述后宽和所述刀具的中轴线之间，所述第二距离大于所述第一距离。

进一步地，所述图像采集模组采集所述刀具的后宽图像之后的方法还包括：

将图像采集模组和所述刀具的侧面之间的距离调整至第三距离，所述第三距离小于所述第一距离；

转动所述刀具，以使所述图像采集模组采集多组所述刀具的不同位置的侧面图像。

进一步地，所述方法还包括：

向所述刀具加工设备发送所述刀具的尺寸值，以使所述刀具加工设备根据所述尺寸值可选择地调整刀具的加工参数。

进一步地，所述采集多组所述刀具的侧面图像方法的具体包括：

令所述刀具转动，以采集多组所述刀具不同位置的侧面图像。

进一步地，所述将多组所述侧面图像进行融合的方法具体包括：

将采集的第一组侧面图像进行垂直纠正；

将第二组侧面图像至第n组侧面图像以所述第一组侧面图像为基准依次进行垂直纠正；

将垂直纠正后的所述第一组侧面图像至所述第n组侧面图像进行叠加，获得融合后的侧面图像；

进一步地，所述根据所述端面图像和融合后的所述侧面图像获取所述刀具的尺寸值的方法具体包括：

确定一基准刀具图像中基准刀具的检测位置；

计算所述侧面图像和所述端面图像中所述刀具的检测位置与所述基准刀具的检测位置之位置变化的仿射变换矩阵；

通过仿射变换将所述侧面图像和所述端面图像中所述刀具的检测位置变换至与所述基准刀具的检测位置相同；

计算所述刀具的检测位置的尺寸值。

本发明提供的刀具检测装置及其方法，通过控制器控制图像采集模组相对于刀具运动，并使得图像采集模组采集刀具的端面图像和多组侧面图像；然后将多组所述侧面图像进行融合；最后根据所述端面图像和融合后的所述侧面图像获取所述刀具的尺寸值。相对于现有技术，本申请操作简单，耗时短，且检测结果准确，极大地提高了检测效率。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中的刀具检测装置与刀具加工设备装配结构示意图。

图2是本发明一个实施例中的刀具检测装置与刀具在第一位置的结构示意图。

图3是本发明一个实施例中的刀具检测装置与刀具在第二位置的结构示意图。

图4是本发明的刀具检测装置与刀具加工设备的硬件架构示意图。

图5是本发明的刀具检测装置采集的未开刃的刀具端面图像中的刃径、芯径、周刃前角及圆弧后角的具体位置图。

图6是本发明的刀具检测装置采集的开刃后的刀具端面图像中的s1、s2和s3的具体位置图。

图7是本发明的刀具检测装置采集的刀具侧面图像中的倒角角度和r角的具体位置图。

图8是本发明的刀具检测装置采集的刀具侧面图像中的周刃一后宽的具体位置图。

图9是本发明的刀具检测装置采集的刀具侧面图像中的月牙的具体位置图。

图10是本发明的一个实施例中的刀具检测方法的流程图。

图11是图10中的采集多组侧面图像的具体方法流程图。

图12是图10中的将多组侧面图像进行融合的具体方法流程图。

图13是图10中的根据端面图像和融合后的侧面图像获取刀具的尺寸值的具体方法流程图。

主要元件符号说明

刀具检测装置100

图像采集模组10

光源11

相机12

镜头13

控制器20

远心光源30

通讯模组40

刀具200

刀具加工设备300

主轴310

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，他可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中设置的元件。当一个元件被认为是“设置在”另一个元件，他可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中设置的元件。

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，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1和图4，本发明提供了一种刀具检测装置100，包括图像采集模组10和控制器20。

具体地，图像采集模组10可相对于刀具200运动，用于采集刀具200的端面图像和多组侧面图像。控制器20与图像采集模组10电性连接，用于：控制图像采集模组10相对于刀具200运动，并使得图像采集模组10采集刀具200的端面图像和多组侧面图像；将多组侧面图像进行融合；根据端面图像和融合后的侧面图像获取刀具200的尺寸值。

在本实施例中，端面图像包括刀具200的未开刃的端面图像和开刃后的端面图像。

在本实施例中，该刀具200可为端刀、圆鼻刀、t型刀等。其中，每种刀具可为两刃刀、三刃刀、四刃刀等。

在本实施例中，请参阅图5至图9，当刀具200为端刀时，需检测端刀的端面和周刃，在端面未开刃时，端面上的检测项目包括芯径、周刃前角、圆弧后角、周刃一后角；在端面开刃后，端面上的检测项目包括端刃一后角、一后宽、偏心距、过中心、s1、s2、s3和sr等；周刃上的检测项目包括刃径、月牙、一后宽、颈径、弧宽和柄径等。其中，偏心距为直线l1与直线l2的水平距离；s1为点p3到直线l1的垂直距离；s2为点p2到直线l3的距离；s3为p1到直线l2的距离；过中心为点p2与点p2’沿中线m1方向的距离。

当刀具200为圆鼻刀时，需检测圆鼻刀的端面和周刃，在端面未开刃时，端面上的检测项目包括芯径、周刃前角、圆弧后角、周刃一后角；在端面开刃后，端面上的检测项目包括端刃一后角、一后宽、偏心距、过中心、s1、s2、s3和sr等；周刃上的检测项目包括r角、刃径、月牙、端刃一后角、弧宽、颈径和柄径等。

当刀具200为t形刀时，需检测端刀的端面和周刃，在端面未开刃时，端面上的检测项目包括芯径、周刃前角、圆弧后角、周刃一后角；在端面开刃后，端面上的检测项目包括端刃一后角、一后宽、偏心距、过中心、s1、s2、s3和sr等；周刃上的检测项目包括r角、一后宽、刃径、月牙、弧宽、落差、颈径、柄径、倒角角度等。

其中，每个尺寸值在检测时需要测量多次，以使检测结果更为准确。例如：在测量r角时，将刀具200转动一周，连续拍照，将所有图片进行融合得到一张融合后的图，确定r角的位置并计算其数值。

请参阅图2和图3。图2是本发明一个实施例中的刀具检测装置100与刀具200在第一位置的结构示意图。图3是本发明一个实施例中的刀具检测装置与刀具在第二位置的结构示意图。其中，在图2中，刀具检测装置100采集刀具200的端面图像。在图3中，刀具检测装置100采集刀具200的侧面图像。

其中，图像采集模组10包括光源11、相机12和镜头13。

具体地，光源11用于向刀具200的侧面或端面发射平行光。相机12与光源相连，用于采集刀具200的端面图像和侧面图像。镜头13与光源11、相机12同轴设置，且设于光源11和相机12之间，用于减小相机12的成像畸变率。

在本实施例中，该光源11为环形光源。

可以理解地，在其他的实施方式中，该光源11也可为框形光源。

在本实施例中，可根据刀具200的直径范围(最小刀具直径至最大刀具直径)选择相应视野范围的相机12。考虑到刀具200的端面不水平(刀刃有倒角)、刀具200为圆柱形以及刀具200本身的钨钢材质等特点，选择合适的光学照明系统。本实施例中优选图像采集模组10的工作距离为110mm，视野范围为13.09*8.8mm，像素精度达到0.0031mm，可90°翻转，以实现刀具的端面和侧面尺寸检测。

在本实施例中，相机12为ccd相机。例如4424*2838分辨率的高清工业相机。

在本实施例中，由于不同刀具200的外露部分长度和刀具200直径不同，图像采集模组10需实时根据外露部分的长度和刀具200直径的变化调整位置，使镜头13的工作距离始终保持在110±2mm。

在本实施例中，刀具加工设备300内设有与图像采集模组10连接的驱动件(图未示)，以驱动图像采集装置90°翻转。驱动件可为机械臂、三轴移动平台、丝杠螺母结构等。

其中，控制器20可为计算机、微电脑、plc、单片机或工控机中的至少一种。

在至少一实施方式中，刀具检测装置100还包括远心光源30。

其中，远心光源30设于光源11的相对侧，且与光源11同轴设置，用于突出刀具200的侧面特征。

在本实施例中，远心光源30在采集刀具200的侧面图像时始终与镜头13保持在同一水平线上，以达到最好的成像效果。

在至少一实施方式中，刀具检测装置100还包括通讯模组40。

其中，通讯模组40与刀具加工设备300通讯连接。

控制器20与通讯模组40电性连接，用于向刀具加工设备300发送刀具200的尺寸值，以使刀具加工设备300根据尺寸值可选择地调整刀具200的加工参数。

在本实施例中，通讯模组40为cad/cam模组，其可与刀具加工设备300进行信号交互，实现图像采集模组10的运动控制与主轴310的控制实时交互，以确保两者不会产生干涉。

在本实施例中，刀具加工设备300用于加工刀具200。刀具加工设备300包括一用于固定刀具200的主轴310，该主轴310可带动刀具200转动。

在本实施例中，刀具加工设备300为五轴磨床设备。

在本实施例中，主轴310可带动刀具200沿x、y、z轴方向运动，且可沿顺时针或逆时针方向自转，坐标精度0.0001mm，角度分辨率0.0001°。

请参阅图10，本发明还提供了一种刀具检测方法。具体地，该刀具检测方法包括如下步骤：

步骤s410：采集刀具200的端面图像和多组侧面图像。

具体地，当刀具200加工至周刃已开刃，而端面未开刃时，控制器20控制图像采集模组10移动至图像采集模组10的镜头13正对刀具200的端面(如图3)，然后采集未开刃的刀具200的端面图像，以获得刀具200的芯径、周刃前角、圆弧后角及周刃一后角等尺寸值。

待检测结束后，控制器20控制图像采集模组10移动至初始位置。刀具加工设备300对刀具200进行加工。

待刀具200加工(端面开刃)后，控制器20控制图像采集模组10移动至图像采集模组10的镜头13正对刀具200的端面，然后采集开刃后的刀具200的端面图像，以获得刀具200半径r(粗略值)、偏心距、过中心、周刃一后宽等尺寸值。

在本实施例中，测量端面的各尺寸值时，可先预设一基准刀具，并计算刀具200的端面相对于基准刀具的偏移量。例如，刀具200端面的月牙相对于基准刀具端面的月牙的偏移角度为a1。刀具200端面的周刃一后宽相对于基准刀具端面的周刃一后宽的偏移角度为a2。

接着，控制器20控制图像采集模组10翻转90°，使得图像采集模组10的镜头13正对刀具200的侧面(如图4)。其中，请参阅图11，采集多组侧面图像的具体方法包括以下步骤：

s411：将刀具200转动至第一角度。

具体地，由于刀具200端面的月牙相对于基准刀具端面的月牙的偏移角度为a1，所以，在控制器20控制图像采集模组10翻转90°后，将刀具200转动第一角度a1，可使得图像采集模组10正对刀具200的月牙。

s412：将图像采集模组10和刀具200的侧面之间的距离调整至第一距离，以使图像采集模组10采集刀具200的月牙图像。

具体地，在控制器20控制图像采集模组10翻转90°后，刀具200和图像采集模组10之间的距离为c1，c1为刀具200侧面和图像采集模组10之间的距离，及刀具200端面与图像采集模组10之间的距离。由于月牙在刀具200的中轴线和刀具200的侧面之间，所以需要使得图像采集模组10朝靠近刀具200的方向移动，或刀具200朝靠近图像采集模组10的方向移动，将图像采集模组10和刀具200的侧面之间的距离调整至第一距离c2，其中c1大于c2。

s413：将刀具200转动至第二角度。

具体地，由于刀具200端面的周刃一后宽相对于基准刀具端面的周刃一后宽的偏移角度为a2，所以，在控制器20控制图像采集模组10翻转90°，且刀具200转动第一角度a1后，将刀具200转动至第二角度a2-a1后，可使得图像采集模组10正对刀具200的一后宽。

s414：将图像采集模组10和刀具200的侧面之间的距离调整至第二距离，以使图像采集模组10采集刀具200的一后宽图像，其中，月牙在后宽和刀具200的中轴线之间，第二距离大于第一距离。

具体地，由于后宽在刀具200的侧面，所以，还需使得图像采集模组10朝远离刀具200的方向移动，或刀具200朝远离图像采集模组10移动，使得图像采集模组10和刀具200的侧面之间的距离调整至第二距离，并采集刀具200的一后宽图像。

s415：将图像采集模组10和刀具200的侧面之间的距离调整至第三距离，第三距离小于所述第一距离；

具体地，在采集刀具200的后宽图像后，还需要测量位于刀具200中轴线处的r角、刃径、颈径、柄径和倒角角度等检测项目。所以，还需使得图像采集模组10朝靠近刀具200的方向移动，或刀具200朝靠近图像采集模组10的方向移动，使得图像采集模组10和刀具200的侧面之间的距离调整至第三距离。

s416：转动所述刀具200，以使所述图像采集模组10采集多组所述刀具200的不同位置的侧面图像。

具体地，在检测刀具200的r角和刃径时，由于r角或刃径不在刀具200的一平面上，故需转动刀具200，采集多组图像，将多组图像融合后才可获得r角值和刃径值。而颈径、柄径和倒角角度等仅需采集相应位置的一组图像即可。

可以理解，在其他的实施方式中，步骤s411和步骤s412可以省略，也即是说，采集刀具200的侧面图像时可不采集刀具200的月牙图像，此时先采集刀具200的后宽图像，然后采集刀具200的r角值、刃径值、颈径、柄径和倒角角度等图像。需要说明的是，此时也不需要计算刀具200端面的月牙相对于基准刀具端面的月牙的偏移角度为a1。

步骤s420：将多组侧面图像进行融合。

具体地，请参阅图12，图12是图10中的将多组侧面图像进行融合的具体方法流程图，包括以下步骤：

步骤s421：将采集的第一组侧面图像进行垂直纠正。

具体地，先对第一组侧面图像进行阈值分割，以确定刀具200的轮廓；然后对第一组侧面图像进行垂直纠正。

在本实施例中，垂直纠正时，以第一组侧面图像的中轴线的顶部端点为基准。

步骤s422：将第二组侧面图像至第n组侧面图像以第一组侧面图像为基准依次进行垂直纠正。

具体地，在垂直纠正后，需计算第二组侧面图像至第n组侧面图像相对于第一组侧面图像的偏移量。例如，在x向和/或y向的偏移量，旋转角度。

步骤s423：将垂直纠正后的第一组侧面图像至第n组侧面图像进行叠加，获得融合后的侧面图像。

具体地，根据第二组侧面图像至第n组侧面图像相对于第一组侧面图像的偏移量，将第二组侧面图像至第n组侧面图像进行平移、旋转，使得第一组侧面图像至第n组侧面图像进行叠加，并获得融合后的侧面图像。

步骤s430：根据端面图像和融合后的侧面图像获取刀具200的尺寸值。

具体地，请参阅图13，图13是图10中的根据端面图像和融合后的侧面图像获取刀具200的尺寸值的具体方法流程图，包括以下步骤：

步骤s431：确定一基准刀具图像中基准刀具的检测位置。

具体地，先确定基准刀具图像中基准刀具的检测位置，以及检测位置对应的检测项目。

步骤s432：计算侧面图像和端面图像中刀具200的检测位置与基准刀具的检测位置之位置变化的仿射变换矩阵。

具体地，由于侧面图像和端面图像中刀具200的检测位置和基准刀具的检测位置之间存在差异，所以需将侧面图像和端面图像中刀具200的检测位置调整至与基准刀具的检测位置一致。而仿射变换矩阵能反映侧面图像和端面图像中刀具200的检测位置和基准刀具的检测位置之间具体位置变化。例如，旋转的角度、位移量。

步骤s433：通过仿射变换将侧面图像和端面图像中刀具200的检测位置变换至与基准刀具的检测位置相同。

具体地，根据计算获得的仿射变换矩阵，通过仿射变换可将侧面图像和端面图像中刀具200的检测位置调整至与基准刀具的检测位置一致。

步骤s434：计算刀具200的检测位置的尺寸值。

步骤s440：向刀具加工设备300发送刀具200的尺寸值，以使刀具加工设备300根据尺寸值可选择地调整刀具200的加工参数。例如，调整某一不合格的尺寸值的加工参数。

本发明提供的刀具检测装置100及其方法，通过控制器20控制图像采集模组10相对于刀具200运动，并使得图像采集模组10采集刀具200的端面图像和多组侧面图像；然后将多组侧面图像进行融合；最后根据端面图像和融合后的侧面图像获取刀具200的尺寸值。相对于现有技术，本申请操作简单，耗时短，且检测结果准确，极大地提高了检测效率。

本申请的刀具检测装置100及其方法基于工业机器视觉，可以满足刀具200检测需求，其结构相对简便，可以直接替代原有的多种检测设备，与传统的人工相比效率更高，检测结果的一致性更好，适应性更强。其智能补偿功能(根据尺寸值可选择地调整刀具200的加工参数)可以替代机台操作人员，对后续刀具200加工进行补偿，另外它能够在设备上直接测试，在不影响加工进程的同时产生回馈数据用于后续补正生产程序设置，大大节省人力、时间，提高产品质量良率的同时最大化的减少因检测延迟造成的耗费。

本申请的刀具检测装置100及其方法设计结构简单，通过在线测量刀具的关键尺寸参数，一次可输出多个刀具200测量结果，并及时检测刀具200异常尺寸结果，而后通过分析检测数据进行后续生产。相较于人工操作，可以大幅提高检测结果输出效率，减少调机补正时长，避免因结果输出的延迟而导致的生产成本浪费。下面以刀具检测装置100进行智慧调机补正为例，它能显著降低刀具生产调机对人员技术的依赖，调机频次仅为原人工调机所需的4到5分之一，首次调机成功率达70％，最终调机时间由最初的4h缩短至30分钟，大大节省人力成本，此外，调机产品不良率更是由1.5％下降到0.5％，生产质量得到进一步提升，生产材料浪费也进一步降低，生产成本能够再原有基础上减少10％。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在相同数据处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在相同单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。计算机装置权利要求中陈述的多个单元或计算机装置也可以由同一个单元或计算机装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。