具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统，针对具备刀库的机床，所述基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统能够在刀库3内对刀具底刃、侧刃图像进行采集，进而对刀具图像进行分析，实现刀具损伤检测；基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测系统包括刀库视觉检测子系统1、刀具清洁子系统2、软件控制与分析子系统4。

所述刀库视觉检测子系统1设置在刀库3内换刀位置一侧，其轴线与处在刀库3内换刀位置的刀具轴线同轴，当待测刀具5通过退刀步骤退回至刀库内换刀位置后，刀库视觉检测子系统1用于采集刀具底刃与侧刃图像；刀库视觉检测子系统1可为单镜头刀库视觉检测子系统1a或为双镜头刀库视觉检测子系统1b；

具体的，如图6、图7、图8所示，分别为单镜头刀库视觉检测子系统1a在斗笠式刀库6、盘式刀库7、链式刀库8内的安装位置，单镜头刀库视觉检测子系统1a中心轴线与处在刀库内换刀位置的刀具轴线重合；双镜头刀库视觉检测子系统1b在斗笠式刀库6、盘式刀库7、链式刀库8内的安装位置与单镜头机器视觉在机检测系统1a一致，其中心轴线与处在刀库内换刀位置的刀具轴线重合；

进一步的，所述单镜头刀库视觉检测子系统1a包括图像集成化采集模块1a1、单镜头检测系统位姿调整机构1a2；所述双镜头刀库视觉检测子系统1b包括两个图像集成化采集模块、双镜头检测系统位姿调整机构1b3，所述两个图像集成化采集模块为：底刃图像集成化采集模块1b1和侧刃图像集成化采集模块1b2，底刃图像集成化采集模块1b1用于采集刀具底刃图像，侧刃图像集成化采集模块1b2用于采集刀具侧刃图像；

进一步的，所述图像集成化采集模块1a1、底刃图像集成化采集模块1b1和侧刃图像集成化采集模块1b2三个模块结构相同；所述图像集成化采集模块lal包括：第一自动开合镜头盖1a11、第一自动变焦摄像头模组1a12、第一环形LED可调光源1a13、第一保护壳1a14；所述第一自动变焦摄像头模组1a12封装在第一保护壳1a14内，能够自动调节光圈和焦距；所述第一环形LED可调光源1a13紧贴第一保护壳1a14外表面，环设在第一自动变焦摄像头模组1a12镜头周围，用于调节视场亮度；所述第一自动开合镜头盖1a11设置在第一自动变焦摄像头模组1a12前端，第一自动变焦摄像头模组1a12未工作时，第一自动开合镜头盖1a11保持关闭状态，第一自动变焦摄像头模组1a12工作时，第一自动开合镜头盖1a11自动打开；

进一步的，所述底刃图像集成化采集模块1b1包括：第二自动开合镜头盖1b11、第二自动变焦摄像头模组1b12、第二环形LED可调光源1b13、第二保护壳1b14；所述第二自动变焦摄像头模组1b12封装在第二保护壳1b14内，能够自动调节光圈和焦距；所述第二环形LED可调光源1b13紧贴第二保护壳1b14外表面，环设在第二自动变焦摄像头模组1b12镜头周围，用于调节视场亮度；所述第二自动开合镜头盖1b11设置在第二自动变焦摄像头模组1b12前端，第二自动变焦摄像头模组1b12未工作时，第二自动开合镜头盖1b11保持关闭状态，第二自动变焦摄像头模组1b12工作时，第二自动开合镜头盖1b11自动打开；

进一步的，所述侧刃图像集成化采集模块1b2包括：第三自动开合镜头盖1b21、第三自动变焦摄像头模组1b22、第三环形LED可调光源1b23、第三保护壳1b24；所述第三自动变焦摄像头模组1b22封装在第三保护壳1b24内，能够自动调节光圈和焦距；所述第三环形LED可调光源1b23紧贴第三保护壳1b24外表面，环设在第三自动变焦摄像头模组1b22镜头周围，用于调节视场亮度；所述第三自动开合镜头盖1b21设置在第三自动变焦摄像头模组1b22前端，第三自动变焦摄像头模组1b22未工作时，第三自动开合镜头盖1b21保持关闭状态，第三自动变焦摄像头模组1b22工作时，第三自动开合镜头盖1b21自动打开；

进一步的，所述单镜头检测系统位姿调整机构1a2包括第一中空旋转平台1a21、第一支撑平台1a22、单镜头检测系统直线导轨滑台1a23、电动推杆1a24、矩形连接件1a25、侧姿气缸1a26；所述单镜头检测系统位姿调整机构1a2能够驱动图像集成化采集模块1a1进行四自由度运动；所述第一中空旋转平台1a21通过螺纹连接固定在刀库3内，其轴线与处在刀库3内换刀位置的刀具轴线同轴，用于驱动图像集成化采集模块沿第一中空旋转平台1a21中心轴线做回转运动；所述第一支撑平台la22通过螺纹连接固定在第一中空旋转平台1a21上，其中心轴线与第一中空旋转平台1a21轴线重合；所述单镜头检测系统直线导轨滑台1a23通过螺纹连接设置在第一支撑平台1a22半径方向上，用于驱动图像集成化采集模块1a1沿第一支撑平台1a22径向做水平运动；所述电动推杆1a24通过螺纹连接设置在单镜头检测系统直线导轨滑台1a23的滑块上，其轴线与第一支撑平台1a22上表面垂直，用于驱动图像集成化采集模块1a1沿竖直方向进行伸缩；所述电动推杆1a24具有足够高的刚度，在伸缩过程中不会发生倾斜现象；所述矩形连接件1a25通过螺纹连接设置在电动推杆1a24顶端；所述侧姿气缸1a26通过螺纹连接设置在矩形连接件1a25上；所述图像集成化采集模块1a1通过螺纹连接设置在侧姿气缸1a26上；所述侧姿气缸1a26用于驱动图像集成化采集模块1a1在竖直平面内进行90度翻转，使其轴线能够在重合于电动推杆1a24轴线方向和垂直于电动推杆1a24轴线方向之间进行转换，当图像集成化采集模块1a1轴线与电动推杆1a24轴线重合时，即图像集成化采集模块1a1镜头竖直向上时，用于采集底刃图像，当图像集成化采集模块1a1轴线与电动推杆1a24轴线垂直时，即图像集成化采集模块1a1镜头水平指向第一支撑平台la22轴线时，用于采集侧刃图像；

进一步的，所述双镜头检测系统位姿调整机构1b3包括第二中空旋转平台1b31、第二支撑平台1b32、双镜头检测系统直线导轨滑台1b33、第一电动推杆1b34、第二电动推杆1b35；所述双镜头检测系统位姿调整机构1b3能够驱动底刃图像集成化采集模块1b1和侧刃图像集成化采集模块1b2分别进行两自由度运动和三自由度运动；所述第二中空旋转平台1b31通过螺纹连接固定在刀库3内，用于驱动底刃图像集成化采集模块1b1、侧刃图像集成化采集模块1b2沿第二中空旋转平台1b31中心轴线做回转运动；所述第二支撑平台1b32通过螺纹连接固定在第二中空旋转平台上1b31，其中心轴线与第二中空旋转平台1b31轴线重合；所述第一电动推杆1b34通过螺纹连接设置在第二支撑平台1b32上，其轴线与第二中空旋转平台1b31中心轴线重合，用于驱动底刃图像集成化采集模块1b1沿竖直方向进行伸缩；所述双镜头检测系统直线导轨滑台1b33通过螺纹连接设置在第二支撑平台1b32半径方向上，用于驱动侧刃图像集成化采集模块1b2沿第二支撑平台1b32径向做水平运动；所述第二电动推杆1b35通过螺纹连接设置在双镜头检测系统直线导轨滑台1b33的滑块上，其轴线与第二支撑平台1b32上表面垂直，用于驱动侧刃图像集成化采集模块1b2沿竖直方向进行伸缩；所述第一电动推杆1b34、第二电动推杆1b35具有足够高的刚度，在伸缩过程中不会发生倾斜现象；

所述刀具清洁子系统2设置在主轴外壳上，用于采集刀具图像前清除刀具表面切屑、切削液、粉尘，包括伸缩式清洁装置21、橡胶管22、气泵23；伸缩式清洁装置21包括环形连接件211、四个相同规格的笔式电动推杆212、环形气刀213；环形连接件211通过螺栓连接固定在机床主轴外壳上，四个笔式电动推杆212通过螺栓连接等间隔的固定在环形连接件211上，环形气刀213通过螺栓连接与四个笔式电动推杆212相连；加工结束后，四个笔式电动推杆212同步伸长，进而带动环形气刀213向下移动，清除刀具表面切屑、切削液、粉尘，待清除工作结束后，四个笔式电动推杆212同步收缩，进而带动环形气刀213向上移动返回初始位置；环形气刀213进气口与气泵23通过橡胶管22相连；

所述软件控制与分析子系统4部署在计算机上，分别与刀库视觉检测子系统1、刀具清洁子系统2通过数据线相连接，用于控制刀库视觉检测子系统1与刀具清洁子系统2动作，并对采集的刀具图像进行分析；软件控制与分析子系统4包括清洁系统控制单元、位姿控制单元、图像采集单元、图像处理单元；

进一步的，所述图像采集单元包括图像实时显示单元、LED光源控制单元、快门释放单元；

更进一步的，所述图像实时显示单元用于实时显示第一自动变焦摄像头模组1a12、第二自动变焦摄像头模组1b12、第三自动变焦摄像头模组1b22成像情况，并根据实时成像情况调节光圈与焦距，实现准确对焦；

更进一步的，所述LED光源控制单元用于调节第一环形LED可调光源1a13、第二环形LED可调光源1b13、第三环形LED可调光源1b23照射角度与明亮程度，改善采集图像时的暗视场条件，保证刀具损伤图像的清晰度；

更进一步的，所述快门释放单元用于准确对焦后释放第一自动变焦摄像头模组1a12、第二自动变焦摄像头模组1b12、第三自动变焦摄像头模组1b22快门，采集刀具损伤图像。

基于上述的检测系统，本发明提出的一种基于机器视觉的刀库集成式刀具损伤检测方法，具体实施步骤如下：

步骤1、清洁刀具、通过退刀步骤将待测刀具退回刀库3内指定位置：

步骤1.1、清洁刀具：控制笔式电动推杆212伸长，带动环形气刀213向下移动，同时启动气泵23，利用环形气刀213内圈大流速气流清除待测刀具5表面切屑、切削液、粉尘，待清洁工作完成后，控制控制环形气刀213向上移动返回初始位置；

步骤1.2、退刀：通过软件控制与分析子系统4向数控系统发出退刀指令，进而驱动待测刀具5通过退刀步骤退回到刀库3内指定位置；

步骤2、通过软件控制与分析子系统4控制刀库视觉检测子系统1采集待测刀具5底刃、侧刃图像；

步骤3、对采集的刀具损伤图像进行处理并量化刀具损伤结果：

步骤3.1、图像处理：对采集的图像进行灰度化处理、中值滤波去噪、旋转矫正，再对预处理后的刀具损伤图像进行磨损区域、破损区域提取，并将两区域相加得到完整的刀具损伤区域；

步骤3.2、刀具损伤量计算：根据完整的刀具损伤区域构造刀具损伤区域的最小外接矩形，并计算平均损伤宽度，同时将平均损伤宽度与预设阈值作比较，根据比较结果判定是否需要换刀；

进一步的，可选用单镜头刀库视觉检测子系统1a或双镜头刀库视觉检测子系统1b实现步骤2中待测刀具5底刃图像、侧刃图像的采集：

(A)采用单镜头刀库视觉检测子系统1a实现步骤2的具体步骤为：

步骤2.1、采集底刃图像：通过软件控制与分析子系统4进行初始化化操作，使图像集成化采集模块1a1保持镜头竖直向上、轴线与待测刀具5同轴，接着控制电动推杆1a24伸长，驱动图像集成化采集模块1a1到达图像采集位置，使图像集成化采集模块1a1镜头前端与待测刀具5底刃之间的距离处于焦距范围之内，然后根据实时成像情况，调整焦距与光圈，同时根据视场环境调节第一环形LED可调光源1a13入射方向与明亮程度，使呈现清晰的刀具底刃损伤图像，进而发出快门指令控制第一自动变焦摄像头模组1a12拍下待测刀具5底刃图像，最后控制电动推杆1a24复位；

步骤2.2、采集侧刃图像：通过软件控制与分析子系统4控制侧姿气缸1a26翻转90度，使图像集成化采集模块1a1轴线与待测刀具5轴线垂直，接着根据待测刀具5直径大小，控制单镜头检测系统直线导轨滑台1a23驱动图像集成化采集模块1a1沿第一支撑平台1a22径方向移动，使图像集成化采集模块1a1镜头前端与待测刀具轴线之间的距离大于刀具半径，以避免电动推杆1a24伸长时图像集成化采集模块1a1与刀具发生干涉，然后控制电动推杆1a24伸长，驱动图像集成化采集模块1a1到达待测刀具5侧刃所在高度，然后根据实时成像情况，控制单镜头检测系统直线导轨滑台1a23驱动图像集成化采集模块1a1移动，使图像集成化采集模块1a1镜头前端与刀具5侧刃之间的距离处于焦距范围之内，再控制第一中空旋转平台1a21驱动图像集成化采集模块1a1对准待测刀刃，并根据视场环境调节第一环形LED可调光源1a13入射方向与明亮程度，同时调整焦距与光圈，使呈现清晰的刀具侧刃损伤图像，进而发出快门指令控制第一自动变焦摄像头模组1a12拍下第一张刀具侧刃图像，接着控制第一中空旋转平台1a21转动指定角度，采集下一个刀具侧刃损伤图像，在整个侧刃图像采集过程中，第一中空旋转平台1a21一共需要旋转360°，针对具有N个侧刃的刀具的侧刃图像采集过程而言，第一中空旋转平台1a21一共需要旋转N次，直至待测刀具5所有侧刃图像采集完成，最后控制第一中空旋转平台1a21、电动推杆1a24、单镜头检测系统直线导轨滑台1a23、侧姿气缸1a26依次复位；

(B)采用双镜头刀库视觉检测子系统1b实现步骤2的具体步骤为：

步骤2.1、采集底刃图像：通过软件控制与分析子系统4控制第一电动推杆1b34伸长，驱动底刃图像集成化采集模块1b1到达图像采集位置，使底刃图像集成化采集模块1b1镜头前端与刀具5底刃之间的距离处于焦距范围之内，然后根据实时成像情况，调整焦距与光圈，同时根据视场环境调节第二环形LED可调光源1b13入射方向与明亮程度，使呈现清晰的刀具底刃损伤图像，进而发出快门指令控制第二自动变焦摄像头模组1b12拍下刀具底刃图像，最后控制第一电动推杆1b34复位；

步骤2.2、采集侧刃图像：通过软件控制与分析子系统4控制第二电动推杆lb35伸长，驱动侧刃图像集成化采集模块1b2到达待测刀具(5)侧刃所在高度，然后根据实时成像情况，控制双镜头检测系统直线导轨滑台1b33带动侧刃图像集成化采集模块1b2沿第二支撑平台1b32径向移动，使侧刃图像集成化采集模块1b2镜头前端与待测刀具5侧刃之间的距离处于焦距范围之内，再控制第二中空旋转平台1b31驱动侧刃图像集成化采集模块1b2对准待测刀刃，并根据视场环境调节第三环形LED可调光源1b23入射方向与明亮程度，同时调整焦距与光圈，使呈现清晰的刀具侧刃损伤图像，进而发出快门指令控制第三自动变焦摄像头模组1b22拍下第一张刀具侧刃图像，接着控制第二中空旋转平台1b31转动指定角度，采集下一个刀具侧刃损伤图像，在整个侧刃图像采集过程中，第二中空旋转平台1b31一共需要旋转360°，针对具有N个侧刃的刀具的侧刃图像采集过程而言，第二中空旋转平台1b31一共需要旋转N次，直至待测刀具5所有侧刃图像采集完成，最后控制第二中空旋转平台1b31、第二电动推杆1b35、双镜头检测系统直线导轨滑台1b33依次复位。