立铣刀侧刃磨损检测的装置及方法
发布日期：2023-06-22
针对机器视觉技术在立铣刀侧刃磨损检测过程中，面对刀尖结构破损缺失或月牙洼结构等典型工况下出现的刀尖区域结构缺失、图像信息不完整等问题，提出一种线激光边缘检测与机器视觉相结合的轮廓获取方法．分析导致刀尖区域图像信息缺失的主要原因是侧刃的螺旋分布特性及实际拍摄条件中复杂光照等．因此，本文提出一种图像拼接策略对捕捉到的磨损区域不同光强下的原始照片进行预处理，选取弱光下的刀尖区域和强光下的均匀磨损区域作为数据源；对该数据源采用组合型阈值分割的方法进行轮廓提取，拼接后获得较为完整的刀具磨损区域图；为补充准确的刀尖区域缺失信息，利用线激光检测数据进行补偿，从而获得更加完整和丰富的刀具磨损区域信息．设计并搭建了机器视觉和线激光相结合的立铣刀侧刃磨损检测实验装置，对两种检测方法的实验数据进行采集，实现了线激光在刀尖区域的检测数据对图像数据中的缺失信息进行补偿．最后，通过实际铣削加工实验，获取典型刀具磨损状态实验样本，对文中所提检测方法和实验装置进行验证．结果表明该装置能够获取更完善的磨损区域轮廓信息，给出精确的刀具磨损参数和磨损区域的全面评价，最大磨损值的测量精度高于98%，最大误差不超过5mm．
在利用切削刀具进行金属加工的过程中，与铣削加工最相关的就是刀具的磨损和由此导致的刀具寿命缩短，进而导致了低加工精度和低生产率．切削刀具的状态对于生产效率和表面加工质量有重要影响，对刀具进行磨损检测具有一定的必要性．但目前针对立铣刀的各种测量技术还仍存在精度不高或者是评价信息不够全面等问题，缺乏准确性[1-4]．因此需要智能高效的检测方法和装置，能够快速地检测立铣刀磨损从而避免因为刀具失效造成加工效率以及加工质量下降，并且可以降低生产成本．
基于机器视觉的刀具磨损检测方法不受切削条件和工件材料的影响，而且在测量切削过程中刀具磨损的实际几何变化时，它具有更高的准确性和可靠 性[5-6]．因此，一直以来众多学者对立铣刀磨损检测方法的研究都集中在基于机器视觉的检测方法和设备上．其中Szydłowski等[7]建造了一台微铣刀自动化检查机，并提出了一种基于小波的原始扩展景深图像重建方法，实现对微型铣刀磨损完全自动化的检测．Su等[8]使用机器视觉开发了一种使用微钻视觉系统的自动化刀面磨损测量方案，并通过使用这种方法评估刀具寿命．Dai等[9]提出了一种用于在线刀具状态监测的机器视觉系统的新型装置，以提高零件质量并延长微型刀具的使用寿命．Wang等[10]开发了一种自动化系统，用于捕获和处理移动刀片的连续图像，以使用连续图像对之间的互相关技术来测量铣削中的侧面磨损．You等[11]提出了一种在宽视野图像中通过刀具磨损区域的“定位、分割和测量”进行刀具磨损监控．
总的来说，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，很难实现对立铣刀磨损状态的准确评价．但是，由于线激光检测方法具有高效高精、灵敏度高、实时性好等特点被广泛应用于高精度非接触测量中．同时，相较于机器视觉检测方法，线激光检测方法具有装置结构较为简单、容易标定、定位精度和重复定位精度高等优点，因此线激光技术在刀具磨损状态检测领域具有广阔的应用潜力．其中Matsumura等[12]提出了一种通过线激光扫描器监测铣削过程中侧面磨损的方法．通过测量铣刀直径和高度的变化来监控立铣刀侧面磨损．Devillez等[13]提出了使用白光干涉测量法测量磨损坑，并将磨损量与磨损坑的深度和粗糙度相关联．代红川[14]研究了基于激光位移传感器的刀具磨损检测方法，设计并搭建了基于激光位移传感器的刀具磨损检测系统．研究了刀具磨损区域任意截面面积和磨损体积的测量方法．刘佳斌等[15]对数控加工中的直柄立铣刀的在位测量设计并搭建了一套线结构光视觉测量系统，通过构建出立铣刀的三维形貌，实现在不同时刻测得刀具的径向尺寸.
通过众多学者对激光技术在刀具测量的研究可知，线激光测量技术具有很高的可靠性和高效性．因此，本文对线激光测量技术在立铣刀侧刃磨损测量的工程应用进行了一系列研究发现，线激光在刀尖区域的检测数据可以对图像数据中刀尖缺失的信息进行补偿，而且具有更高的鲁棒性．
基于此，本文提出了一种线激光边缘检测与机器视觉相结合的轮廓获取方法，设计并搭建了一套集成两项技术的立铣刀侧刃磨损状态检测装置．对机器视觉获取到仍存在信息缺失的刀尖区域，利用线激光检测数据进行补充，从而获得更加完整和丰富的刀具磨损区域信息，帮助对立铣刀侧刃磨损状态做出更加准确的评价．
1 线激光数据对刀尖区域图像信息缺失的补偿方法1.1 线激光技术
线激光扫描测径方法是当前运用普遍的直径测量方法，具有高精度、快速、可实现在线动态测量等优点．测量原理如图1所示．
激光光束由激光发射器发出后，经平面反光镜反射传到稳定转动的正八面体扫描反射镜上，激光光束经过正八面体扫描反射镜面反射后形成了激光扫描光束，激光扫描光束穿过透镜1后，变成互相平行且匀速的线激光扫描光束，线激光扫描穿过待测工件，经过透镜2后汇聚在光敏元件上，光敏元件将接收到的光信号变成电信号，待测物工件遮挡住部分平行光，并通过透镜2在光敏元件上转换成低电平；而没有被遮挡的平行光则转换为高电平，通过计算低电平的扫描时间，就可以计算出被测工件的直径．
在切削过程中，刀具的磨损是在剧烈的剪切力和摩擦力作用下逐步形成的．通过对立铣刀侧铣磨损原理分析，立铣刀侧刃磨损原理如图2所示．
图2是立铣刀的一个垂直于轴线的剖面图．在立铣刀侧刃磨损中，通过线激光传感器测量立铣刀侧刃磨损前后的直径，可以直接获取的数据是当前截面侧刃初始半径