[发明专利]一种视觉在机对刀仪及其对刀方法

说明书

本发明涉及一种视觉在机对刀仪及其对刀方法。所述视觉在机对刀仪包括：检测仪、数据处理控制器以及刀具数据服务器；检测仪和数据处理控制器通过信号线缆、清洁气管、柱塞气管和正压防护气管连接；数据处理控制器还分别与CNC控制器以及刀具数据服务器相连接；检测仪内设有远心镜头以及光源背板，利用远心镜头以及光源背板对刀具进行平行投影成像，形成刀具图像序列，通过数据处理控制器分析刀具图像序列，计算刀具长度和刀具直径，并传输至CNC控制器。采用该视觉在机对刀仪能够提高对刀效率和精度，并支持对历史测量数据的追溯，从而保证数控加工的精度，降低加工成本。

技术领域

本发明涉及数控加工在机检测仪器领域，特别是涉及一种视觉在机对刀仪及其对刀方法。

背景技术

对回转体刀具进行在机检测涉及五个相互独立的功能，分别是：对刀、微细刀具的多视角检测、刀具跳动检测、前后刀面的逐齿磨损检测、全加工过程的实时监测，其中，前四个功能只能在加工前和加工后运行，而第五个功能可对数控加工全过程中的刀具状态进行实时监测，这五个功能相互独立，分别关注了刀具在机状态的某一特定属性。本文仅针对对刀这一独立功能进行研究。

为保证数控加工的精度，在使用回转体刀具切削加工前必须进行对刀，即检测刀具在主轴上的夹持长度和刀具特定轴向位置的截面直径，并把测量值传输到计算机数字控制器(Computer Numerical Control，CNC)的刀补寄存器中，在切削加工中，刀补寄存器中的刀具长度值被数控加工(Numerical Control，NC)程序调用进行刀具长度补偿，刀具直径则被用于刀具半径补偿，从而保证加工精度。对刀效率直接影响工件的加工效率，对刀精度也直接影响工件的加工精度和使用性能。

目前有四种对刀技术：机外对刀仪、接触式在机对刀仪、激光在机对刀仪、基于3D视觉技术的在机对刀仪。这些技术的原理和存在的缺陷如下，难以满足对工程中大量使用的回转体刀具进行对刀的需求：

(1)机外对刀仪采用离线视觉检测原理，需要在数控机床外的专用设备上对刀具进行半自动测量，效率低，并且一般通过人工方式把测量数据输入到数控机床CNC控制器的刀补寄存器中，较容易出错。更重要的，由于不是在数控机床上对刀具进行在机测量，机外对刀仪无法及时检测出刀具在加工后的尺寸变化。此外，机外对刀仪体积太大、无针对切削液的密封防护设计，也无法安装在空间紧凑、环境恶劣的数控机床上。

(2)接触式在机对刀仪采用接触原理，刀具需要缓慢接触对刀仪表面，测量效率低。受接触传感器灵敏度限制和对刀接触表面磨损的影响，接触式在机对刀仪精度较低，且不方便在主轴旋转状态下测量刀具直径。此外受限于接触测量原理，只能对刀具端部进行测量，无法测量其它截面位置的径向尺寸。

(3)激光在机对刀仪采用基于激光遮挡的单点测量原理，为保证测量精度，刀具必须慢速往复运动趋近激光束才能精确检测刀具边缘的遮挡位置，测量时间长、效率低。其测量精度还取决于机床运动精度和激光束的聚焦尺寸。此外，激光对刀仪无法同时测量多个截面位置，进行轮廓检测和测量成型刀具时效率很低。

(4)基于3D视觉的在机对刀技术在主轴旋转状态下通过图像分析进行对刀，存在的问题：其中，一种微细铣刀在线自动对刀与破损检测装置，一方面是针对微细铣刀的检测，对其它类型的刀具不具有通用性；另一方面采用非远心成像原理，需要利用安装在主轴上的靶物，通过数控机床的各轴运动形成虚拟三维标定靶物，进行相机坐标系与机床坐标系的精确标定，并根据回转体约束进行刀具最大扫掠体的三维重建，测量效率低、计算复杂，测量误差环节多。一种视频与激光融合的旋转刀具在机自动检测装置也是基于非远心成像原理，需要利用刀具的回转体约束进行三维重建，根据三维模型确定粗略测量位置，再利用激光遮挡原理完成刀补测量，测量效率低。现有是视觉在机对刀技术还存在光路防护困难的问题，在实际切削加工中光学窗口镜非常容易被切削液和油雾污染，无法可靠工作。