基于影像视觉的立铣刀磨损状态检测技术研究与系统开发

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刀具磨损对数控机床，尤其是高端数控机床的加工性能、切削效率、零件加工质量、甚至机床使用安全都具有直接影响。因此，在机加工过程中，定时的掌握刀具磨损状态，监测和诊断刀具磨损等损伤故障，可以了解刀具加工质量和机床运行状态。这对于延长机床设备无故障运行时间，提高产品质量非常重要。研究表明，采用刀具磨损检测技术后能够将人为和技术因素引起的故障停机时间减少75%，生产率提高 10% -60%，机床利用率提高50%以上 J。由此可以看出，刀具磨损状态监测技术在 自动化机床上的应用具有十分重要的意义和实用价值。刀具磨损状态监测技术己成为各国公认的重大关键技术，受到高度重视。

根据测量手段不同，刀具磨损检测方法可分为收稿日期：2012年 8月59问接检测法和直接检测法。间接检测法通过测量机加工过程中与刀具磨损有较强内在联系的-种或几种参量，并利用-定的标定关系以检测刀具的磨损状态。例如-些能够表征刀具磨损的可测参数包括切削力、主轴功率、机床振动和工件表面质量等。由于只有变幅较大的信号才能被可靠地检测出来，所以间接检测法主要适用于检测刀具的严重性能不良，其检测刀具磨损的能力不强。直接检测法通过- 定的测量手段确定刀具材料在质量上的减少或形状上的改变，直接检测法包括以下三类：接触检测方法、放射线检测方法和光学检测法。其中，采用光学检测刀具磨损不易受切削条件和工件材料影响，能同时获得刀具多个磨损模式图像数据，便于对刀具的磨损状态的整体了解，因此受到了广泛关注。

在光学直接检测法中，基于机器视觉及图像处理技术的刀具检测技术具有较高的研究价值和较好的应用前景。该技术采集原始刀具灰度图像并识别、提取出刀具磨损区域，对刀具磨损状态进行检60测，从而估算刀具剩余寿命，建立刀具的寿命曲线及数据库。由于直接测量刀具磨损特征参数，该技术不受实际切削方法和切削参数的影响，可实现刀具磨损量的精确测量。该检测技术因其具有非接触、检测速度快、检测结果准确以及获取刀具信息量大等优势，已成为国内外刀具磨损检测技术的研究热点和发展趋势。

目前，英国、美国、德国等工业强国均有多种型号的刀具磨损视觉检测仪。如图 1所示，德国ZOLLER的产品，能自动聚焦，自动测量刀具的各个几何参数值，并检测刀具的磨损状态 J。但是国外产品，软硬件使用成本非常昂贵，且技术上处于保密。在国内，目前-般工具车间用万能工具显微镜来测量刀具几何参数以判断刀具磨损状态。其缺点是读数过程繁琐、测量时间长。利用光学原理和图像处理开发的非接触测量仪器日益增多，如非接触精密三坐标测量系统和光学影像测量仪等，但这些测量仪大多只能对-些微小物体进行测量，还不能对刀具的磨损区域参数进行准确测量。目前，刀具检测设备市场被诸多国外公司占领，其昂贵的产品价格和使用成本让国内许多公司望而却步。同时在其系统软件中对刀具磨损状态判断准则和知识库都是基于国外刀具材料和切削工艺而制定，系统不具有开放性，无法满足国内企业的需要。随着国内高效数控加工机床的普及，对刀具磨损检测系统的需求更加迫切。

图 1 ZOLLER genius 3为此提出了-种基于影像视觉的立铣刀磨损状态检测方案，包括双正交三轴检测硬件方案以及基于磨损区域特征识别的检测算法。在此研究基础上，开发了立铣刀磨损状态检测样机并开展工程应用，实现了对立铣刀磨损状态的快速、精密、自动检测。

2 硬件系统方案工 具 技 术2.1 测量原理各种刀具在切削加工不同材料时，后刀面都会产生磨损。这种磨损又直接影响到加工表面质量，加大了刀具的重磨工作量。后刀面的测量比较方便。所以，-般都以后刀面的磨损带平均宽度作为刀具磨钝的标准。但是铣刀为多切削刃刀具，以断续切削方式工作，磨损形式非常复杂，磨损带宽度为- 维度量值，无法准确的反映磨损带的真实状况。

为了更准确地判断铣刀磨损情况，采用二维度量值后刀面磨损带面积作为衡量刀具磨损程度的重要指标。

基于立铣刀磨损特点，提出了基于影像的刀具磨损状态检测架构，由光学成像系统和三轴机械系统构成，如图2所示。光学成像系统由成像镜头、CCD传感器及 LED环形光源构成。二维位移控制系统和转台旋转系统驱动光学系统至刀具局部待测特征的最佳测量位置，并且通过正面 LED环形光源照明，在镜头之中得到清晰的磨损区域图像，CCD传感器将镜头中的光学信号转换为电信号以获得磨损图像的数字图像，数字摄像机将图像信息输送至计算机内存。通过磨损区域识别，磨损特征提取等图像处理算法，获取待测的关键特征磨损量，再结合由光学成像系统标定建立的图像像素和实际尺寸之间的对应关系，最终精确测量出立铣刀后刀面磨损带面积，实现对立铣刀磨损状态的精密检测。

L 形瘩 机 图 犟 法- 喇 系统综I合标定 立铣刀 CCD图像传感器 (1)光学成像系统采用小嘲的放大镜头成像。为了满足立铣刀磨损区域检测高精度的要求，必须选择嘲小的镜头。为了能够测量不同直径尺寸的立铣刀，选用的图像最大尺寸为8.8mm X 6.6ram，能够实现对直径20mm内的立铣刀的测量。由于具有高分辨率和超大变倍镜头，能够在整个屏幕范围内都有高对比度及清晰度的图像。根据测量嘲及像素精度要求，采用 1392×1040的1/2英寸面阵CCD传感器。