一种金刚石刀具切削刃磨损检测模块及检测方法

摘要

一种金刚石刀具切削刃磨损检测模块及检测方法，属于超精密加工与检测技术领域，模块包括3R高精度气动转换夹具、转接板、显微镜筒Z向运动台，单筒变倍显微镜筒、同轴点光源、显微物镜、CCD相机、光谱共焦传感器、光谱共焦控制器、光谱共焦传感器Z向运动台、图像采集卡、运动控制器以及PC处理机，采用了显微视觉和光谱共焦测量的复合测量手段，利用加工机床的XY轴对金刚石刀具切削刃磨损进行快速扫描分析；利用切削刃磨损深度和图像灰度相关性，图像的二维数据通过SFS法恢复出三维图，与光谱共焦测量的三维数据进行数据融合，实现切削刃磨损的评价。本发明能够充分考虑在超精密加工机床上进行快速集成，实现刀具表面较大范围的三维磨损检测。

说明书

技术领域

本发明属于超精密加工与检测技术领域，特别是涉及到一种金刚石刀具切削刃磨损检测模块及检测方法。

背景技术

金刚石因具有高硬度、良好的机械性能和导热性能，在金属切削过程中具有较好的抗黏结、腐蚀及出色的化学稳定性，是目前最为理想的超精密切削用刀具材料。因其可以通过微磨削获得锋利的刃口，在金属超精密加工中，可获得纳米级的加工精度和表面粗糙度。

在金属超精密加工过程中，金刚石刀具刃口承受着较大的机械压力和切削温度，以及切削过程中与金属材料接触发生溶解，导致金刚石刀具表面硬度和耐磨性降低，刃口区会逐渐产生微观磨损。刀具磨损的产生同时也影响工件加工质量。

目前的金刚石刀具磨损检测方法主要是通过原子力显微镜检测，通过原子力探针进行刀具刃口区纳米级扫描，获得刃口区三维图像，进而判断刀具磨损程度，但原子力扫描扫描范围较小，一般在百微米级，横向分辨率在亚纳米级，很难实现大范围磨损观测，并且原子力测量设备很难在机床上做到高度集成，一般用于线下测量；此外也有采用光学成像方式对金刚石刀具表面进行测量，但可见光成像受成像感光芯片像元和感光灵敏度所限，以及检测噪声的存在，微观磨损的测量可信度较低，一般用于微米级以上的刀具磨损测量，借助于其它图像三维恢复算法，很难精确评估金刚石刀具三维尺度上的磨损程度。

因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种金刚石刀具切削刃磨损检测模块及检测方法，能够充分考虑在超精密加工机床上进行快速集成，实现刀具表面较大范围的三维磨损检测。

一种金刚石刀具切削刃磨损检测模块，其特征是：包括3R高精度气动转换夹具、转接板、显微镜筒Z向运动台、单筒变倍显微镜筒、显微物镜、同轴点光源、CCD相机、镜筒夹具、光谱共焦传感器、光谱共焦传感器夹具、光谱共焦控制器、光谱共焦传感器Z向运动台、图像采集卡、运动控制器、光源控制器以及PC处理机，

所述3R高精度气动转换夹具安装在待检测的超精密机床上，所述转接板设置在3R高精度气动转换夹具上；

所述显微镜筒Z向运动台、显微镜筒、显微物镜、同轴点光源、CCD相机以及镜筒夹具组成图像检测子模块，所述显微镜筒Z向运动台设置在转接板上，所述显微镜筒通过镜筒夹具设置在显微镜筒Z向运动台上，所述显微物镜设置在显微镜筒的一端，所述CCD相机设置在显微镜筒的另一端，所述同轴点光源设置在显微镜筒Z向运动台上；

所述光谱共焦传感器、光谱共焦传感器夹具以及光谱共焦传感器Z向运动台组成光谱共焦检测子模块，所述光谱共焦传感器通过光谱共焦传感器夹具设置在光谱共焦传感器Z向运动台上；

所述光谱共焦控制器与光谱共焦传感器和PC处理机通信连接；

所述运动控制器分别与显微镜筒Z向运动台和光谱共焦传感器Z向运动台连接；

所述图像采集卡与CCD相机和PC处理机通信连接；

所述光源控制器与同轴点光源和PC处理机连接。

所述显微镜筒与光谱共焦传感器沿X轴并排垂直布置。

所述同轴点光源可通过光源控制器调节光强，且光源波长为可见光波段。

一种金刚石刀具切削刃磨损检测方法，其特征是：应用所述的一种金刚石刀具切削刃磨损检测装置，包括标定过程和检测过程，

其中标定过程包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，

步骤一、通过图像检测子模块对标准圆模板成像，获得圆模板灰度图像；

步骤二、通过检测圆模板灰度图像进行亚像素圆轮廓提取，获得视场标定系数；

步骤三、将3R高精度气动转换夹具安装在待检测的超精密机床上，并调装水平和垂直，将标准槽样块安装于超精密机床的X轴上，通过移动超精密机床的X轴，图像检测子模块扫描标准台阶样块，标定出显微成像中心和光谱共焦中心之间的XY方向偏差，并输入到PC处理机；

检测过程包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，

步骤一、通过图像检测子模块对刀具表面获取图像，人工在图像中设置检测区域，通过所述标定过程步骤二中获得的标定系数，计算出检测区域的大小和始末位置；

步骤二、利用所述标定过程步骤三获得显微成像中心和光谱共焦中心之间的XY方向偏差，移动机床的XY轴至所述步骤一获得检测区域初始位置，设定XY采集步长，启动光谱共焦检测子模块对设定区域进行高度扫描；

步骤三、将设定区域图像灰度图进行基于阴影恢复算法SFS的高度图恢复计算；

步骤四、将所述步骤三中获得的高度图和所述步骤二扫描后的三维高度图进行融合处理，获得融合高度图；

步骤五、根据所述步骤四获得的融合高度图的高度分布，确定刀具未磨损基面；

步骤六、根据步骤五中的基面设置和融合高度图，计算当前刀具表面的磨损深度，磨损长度和磨损宽度。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种金刚石刀具切削刃磨损检测模块及检测方法，实现了在线对金刚石刀具切削刃磨损三维形貌的高精度检测。采用了显微视觉和光谱共焦测量的复合测量手段，能够在金刚石刀具加工后，利用加工机床的XY轴对金刚石刀具切削刃磨损进行快速扫描分析；利用切削刃磨损深度和图像灰度相关性，采用由图像灰度恢复获得的三维图和光谱共焦测量的三维数据进行数据融合成三维数据，实现切削刃磨损的评价。与传统三维成像方法或图像二维刀具磨损测量方法相比，提高了测量的一致性和可靠性，高精度的切削刃测量数据可为金刚石刀具超精密加工提供技术支持。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明一种金刚石刀具切削刃磨损检测模块结构示意图。

图2为本发明一种金刚石刀具切削刃磨损检测模块的机床装配示意图。

图3为本发明一种金刚石刀具切削刃磨损检测方法图像检测子模块视场标定流程示意框图。

图4为本发明一种金刚石刀具切削刃磨损检测方法图像检测子模块与光谱共焦子模块中心X偏差标定流程示意框图。

图5为本发明一种金刚石刀具切削刃磨损检测方法检测流程示意图。

图中1-3R高精度气动转换夹具、2-转接板、3-显微镜筒Z向运动台、4-单筒变倍显微镜筒、5-显微物镜、6-同轴点光源、7-CCD相机、8-镜筒夹具、9-光谱共焦传感器、10-光谱共焦传感器夹具、11-光谱共焦控制器、12-光谱共焦传感器Z向运动台、13-图像采集卡、14-运动控制器、15-光源控制器、16-PC处理机。

具体实施方式

一种金刚石刀具切削刃磨损检测模块，如图1所示，包括3R高精度气动转换夹具1、转接板2、显微镜筒Z向运动台3，单筒变倍显微镜筒4、显微物镜5、同轴点光源6、CCD相机7、镜筒夹具8、光谱共焦传感器9、光谱共焦传感器夹具10、光谱共焦控制器11、光谱共焦传感器Z向运动台12、图像采集卡13、运动控制器14、光源控制器15以及PC处理机16。

如图2所示，本实施例中，3R高精度气动转换夹具1为气动夹紧方式，重复定位精度1μm，有效负荷10kg，3R高精度气动转换夹具1的底座装配在机床上。

本实施例中，所述同轴点光源6为白光光源。

本实施例中，所述显微镜筒Z向运动台3、光谱共焦传感器Z向运动台12为步进电机驱动，最小移动调整量1μm。

本实施例中，所述CCD相机7为黑白面阵CCD，模拟信号输出。

本实施例中，所述光谱共焦传感器9为白光输入，测量范围0μm～100μm。

本实施例中，所述显微物镜5为白光波段的显微物镜，放大倍数5X，物距34mm，数值孔径0.21，有效焦距40mm。

本实施例中，单筒变倍显微镜筒4可以手动调节镜筒的放大倍率，0.7-4X可调，与显微物镜构成3.5-20X的放大倍率。

本实例中上述显微镜筒Z向运动台3和光谱共焦传感器Z向运动台12通过运动控制器14与PC处理机16相连，由PC处理机16下达运动控制指令，实现图像检测子模块的CCD相机7的图像对焦以及光谱共焦检测子模块的采样初始高度调整；CCD相机7通过图像采集卡与PC处理机16构成图像采集通道，由PC处理机16下达图像设置、采集指令；光谱共焦控制器11与PC处理机16相连，由PC处理机16下达光谱共焦检测子模块的高度数据采集指令。此外，PC处理机16与机床的UMAC控制系统的网线连接，传输刀具移动指令到机床。

一种金刚石刀具切削刃磨损检测方法，包括标定过程和检测过程，

标定过程包括以下步骤，

步骤一、通过图像检测子模块对标准圆模板成像，获得圆模板灰度图像，圆模版中标准圆直径100μm，由微细电火花加工制成。

步骤二、通过检测圆模板图像，通过边缘检测和圆轮廓提取，并进行圆拟合出半径，获得视场中圆轮廓水平和垂直方向的像素与圆半径之间的比例关系，即实际标定系数Δx、Δy。

步骤三、将金刚石刀具切削刃磨损检测模块通过3R高精度气动转换夹具安装在超精密机床上，并调装水平、垂直；将标准台阶样块安装于机床的X轴上，通过移动机床的X轴，图像检测子模块扫描标准台阶样块，标定出显微成像中心和光谱共焦中心之间的XY方向偏差，并输入到PC进行处理，其中台阶试样高度50μm，标定流程如图3和图4所示，其中图像检测子模块与光谱共焦子模块中心Y偏差标定流程与X偏差标定流程一致。

检测过程包括以下步骤，

步骤一、通过图像检测子模块对刀具表面获取图像，人工在图像中设置检测区域，图像尺寸为w×h＝1280×1024。通过标定步骤中的步骤二中获得的视场标定系数，计算出需要检测的区域大小及始末位置，区域实际大小为W，H，始末位置分别为(X_机床-W/2，Y_机床-H/2)、(X_机床+W/2，Y_机床+H/2)，X_机床，Y_机床分别为机床当前坐标。

步骤二、利用标定步骤中的步骤三中获得的显微成像中心和光谱共焦中心之间的XY方向偏差，移动机床的XY轴至步骤一中的需要检测区域的开始位置，设定XY采集步长，启动光谱共焦检测子模块对设定区域进行高度扫描。其中XY采集步长分别为W/w，H/h，保证采集的点数与图像像素数一致。

步骤三、将设定图像灰度图进行基于阴影恢复算法(SFS)的高度图恢复计算。

步骤四、将所述步骤三中获得的高度图和和所述步骤二扫描后的三维高度图进行融合处理，获得融合高度图。其中步骤三获得的高度图进行宽度和高度标定，融合算法采用基于BEMD的融合算法。

其中H_max，W_max,L_max分别为光谱共焦扫描后获得的高度图的最大高、宽、长实际尺寸。

其中H_{max_(p_SFS)},W_SFS,L_SFS分别为SFS算法恢复后获得的高度图的最大高、宽、长像素尺寸。

其中Hⁱ_{p_SFS}，Wⁱ_{p_SFS},，Lⁱ_{p_SFS}分别为SFS算法恢复后获得的高度图的高、宽、长像素坐标值。

其中Hⁱ_SFS，Wⁱ_SFS,，Lⁱ_SFS分别为SFS算法恢复后获得的高度图经标定后的每一像素点位置的高、宽、长实际尺寸值。

融合高度图I_fusion＝k₁*LowPass(I_SFS)+k₂*HighPass(I_measure)；

LowPass和HighPass分别为低通和高通算子，k₁和k₂分别为调整系数，k₁+k₂＝1。

步骤五、根据步骤三获得的融合高度图的高度分布，确定刀具未磨损基面的确定。

步骤六、根据步骤五中的基面设置和融合高度图，计算当前刀具表面的磨损参数。