基于激光位移传感器扫描的刀具磨损三维形貌的测量方法

摘要

本发明涉及一种基于激光位移传感器扫描的刀具磨损三维形貌的测量方法，通过用激光位移传感器对刀具的磨损区域进行逐行扫描，分别得到刀具磨损区域内多处点的高度信息，关于各行之间跨度较大显得不够连续的情况，这里提出一种基于高度均值和实际高度之差的插值方法对扫描的各行之间的点进行插值，使得插值后的行距与横向扫描时各点之间的距离相等，对测量以及插值得到的所有点的高度信息进行三维重建，通过对刀具磨损区域的三维形貌进行还原，从而可以对刀具磨损区域的三维形貌有一个形象、具体的把握，最终对磨损程度可以有一个定量的评估分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工程检测领域，特别是基于激光位移传感器扫描的刀具磨损三维形貌的 测量方法。

背景技术

刀具磨损对工件表面加工质量有着重要的影响。近年来，国内研究者对刀具磨损状态检 测技术进行了大量研究，这些研究主要倾向于以下三个方面：(1)对刀具在切削过程中产生 的切屑进行测量，该方法是一种间接测量方法，尚处于理论研究阶段；(2)监视特定的机床 参数，用来判断刀具的磨损情况，也是一种间接测量方法，虽然操作较为容易，但是精度不 高；(3)直接对刀具进行观测，该方法操作虽然精度较高,但是实现较难。

刀具的磨损区域集中在微米级的研究范围，因而对于测量提出了更高的要求。目前，由 于三维测量设备的应用限制，通过图像处理的刀具磨损分析一直局限在二维形貌的分析上， 磨钝标准的制定也仅限于平面二维参数方面的度量，比如：前刀面的月牙洼磨损深度KT，刀 尖磨损最大值VC，主沟槽磨损量VN，后刀面磨损宽度VB。而对于刀具磨损程度的更深程度 的认识需要了解磨损区域的三维形貌。

刀具磨损区域的三维重建属于显微三维表面重构的范畴。传统的三维重建方法比如双目 视觉的方法，由于显微照片的背景和结构关系简单、对比度低、光学畸变等原因难以确定特 征点并进行有效的匹配；结构光三维重建方法又由于系统结构复杂，标定困难等原因推广较 难，此外，国内外对刀具磨损区域的三维重建的研究都鲜有报道。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于激光位移传感器扫描的刀具磨损三维形貌 的测量方法。

本发明所述的基于激光位移传感器扫描的刀具磨损三维形貌的测量方法，包括以下步骤：

(1)用固定在运动装置上的激光位移传感器对刀具的磨损区域进行逐行扫描；

(2)对扫描的各行之间的点进行插值；

(3)运用Matlab对最终插值后的数据进行三维重建，使得刀具磨损的三维形貌得以还原。

激光位移传感器和运动装置同时采用可编程控制器进行控制。

对扫描的各行之间的点进行插值时所采用的是运用基于高度均值和实际高度之差的插值 方法，其都是从两行的中间部位开始插值计算，逐级往下插值。

取一纵向截面刀具磨损面实际曲线上扫描行以及与其隔一行的扫描行，将两者底部用直 线段相连，该连线与该纵向截面内的实际扫描行相交于一点，记该点与该截面内的扫描行的 实际高度相差Δh；接下来对这两个相邻的实际扫描行中间部位进行插值：将被插值行两侧的 扫描行的底部用直线段相连，在直线段中部向下延伸Δh/2的距离，即完成该点的高度的插值。

根据上述步骤，逐层往下计算插值，直到完成该截面的所有插值，插值后的所有行中， 相邻两行的距离与横向扫描时相邻两点之间的距离相等。

插值完后得到一矩阵，矩阵内的所有数值表示扫描区域内的点的高度值，用Matlab对这 些表示高度值的数据进行三维重建，最终还原刀具磨损区域的三维形貌图。

附图说明

图1是刀具磨损示意图；

图2是在机床上用激光位移传感器对刀具磨损区域进行扫描示意图；

图3是用激光位移传感器扫描刀具的描路径示意图；

图4是基于高度均值和实际高度之差的插值方法示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明涉及一种基于激光位移传感器扫描的刀具磨损三维形貌的测量方法，通过用激光 位移传感器对刀具的磨损区域进行逐行扫描，分别得到刀具磨损区域内多处点的高度信息， 关于各行之间跨度较大显得不够连续的情况，这里提出一种基于高度均值和实际高度之差的 插值方法对扫描的各行之间的点进行插值，使得插值后的行距与横向扫描时各点之间的距离 相等，对得到的测量以及插值得到的所有点的高度信息进行三维重建，最终可以对刀具磨损 区域的具体三维形貌进行还原，对刀具的磨损区域的三维形貌可以有一个形象、具体的把握， 对磨损程度可以有一个定量的评估分析。

本发明可以同时检测如图1所示的前刀面磨损1，主后刀面磨损2以及副后刀面磨损3。

具体而言，如图2所示，首先将被测刀具6置于工作台7上，将激光位移传感器5固定 于PLC控制运动装置4，通过可编程控制器同时控制运动装置4的运动和微光位移传感器5 扫描记录的启动，使得激光位移传感器能按照指定的路径对磨损的刀具进行逐行扫描，其扫 描的路径如图3所示，首先横向扫描，在启动PLC控制运动装置4的同时启动激光位移传感 器5的扫描记录操作，在扫描的过程中激光位移传感器5将以固定的频率记录激光位移传感 器与刀具磨之间的距离。第一次横向距离扫完后可编程控制器控制激光位移传感器5停止记 录，并用电脑保存刚刚扫描测量到的数据，其次可编程控制器继续控制运动装置4发生斜向 移动，使得激光位移传感器5对准第下一行的开始的位置，在可编程控制器启动运动装置4 向右运动时，激光位移传感器将同时被启动开始扫描记录，以此进行，直到扫描完最后一行， 使得刀具的磨损区域已经被扫描完毕。

在用激光位移位移传感器5进行扫描记录距离的过程中，为了提高精度，可以适当提高 其记录的频率，使得扫描的每个点之间的实际距离很小，如果运动装置4的运动速度为1mm/s， 激光位移传感器的记录频率为1000Hz，那么其扫描的每个点之间的实际距离为0.001mm，尽 管如此，扫描的各行之间的距离若也是0.001mm，那么扫描1mm的纵向距离需要来回扫描1000 次，这将是一个非常消耗时间的过程，最终使得整个刀具磨损的测量过程变得效率非常低， 且工作量过大。

为提高测量效率，必须加大扫描的各行之间的距离，减小纵向扫描的次数。以此方法在 提高扫描效率的同时，会暴露出另一问题，即多次扫描得到的矩阵形式的数据中，横向和纵 向之间所代表的实际距离不一致，使得三维重建无法进行，因此这里必须对扫描的各行之间 的缺失的数据进行插值的操作，使得最终矩阵形式的数据中横向和纵向之间所代表的实际距 离一致，为后期刀具磨损面的三维重建提供可靠的数据。

目前已有的插值方法种类繁多，最简单的插值方法莫过于线性插值，但是这种插值方法 其缺陷也是显而易见的，在绝大部分场合下其误差是很大的，同时考虑到插值效率和插值精 度，本发明提供一种基于高度均值和实际高度之差的插值方法对扫描的各行之间的点进行插 值。

首先要说明的一点是，对于不规则的曲线，任何一种插值方法都不可能准确无误地对曲 面进行插值，多多少少会存在一定的误差，好的插值方法其优势在于其误差往往是比较小的。 这里介绍的插值方法在提高插值效率的基础上，其插值精度也是很高的。

如图4所示，首先取某一纵向截面刀具磨损面实际曲线12上扫描行8以及与其隔一行的 实际扫描行11，将其底部用直线段相连，该连线必将与该截面内的实际扫面行10相交与一 点，该点与该截面内的扫描行10的实际高度相差Δh，即图4中编号为14的距离。接下来对 该截面内的扫描行8和扫描行10中间的行进行插值，将其底部用直线段相连，在线段中部向 下延伸Δh/2的距离，即图4中编号为13的距离，即完成该点的高度的插值，插值都是从中 部开始，再对扫描行8和扫描行10之间进行插值时候也是中这两条线的中部开始，一层一层 往下计算，直到完成该截面的所有插值，插值后的所有行中，相邻两行的距离与横向扫描时 相邻两点之间的距离相等。

这里要注意，测量之初必须选好合适的激光位移传感器的采样频率和扫描行之间的距离， 在对扫描行采取上述插值方法进行插值过程中使得行距在不断被平均划分后相邻的行距能有 机会与横向相邻两点之间的距离相等。

插值完后可以得到一矩阵，矩阵内的所有数值表示扫描区域内的点的高度值，用Matlab 可以对这些表示高度值的数据进行三维重建，最终还原了刀具磨损区域的三维形貌图，在可 以更加形象具体观察刀具磨损形貌的同时根据这些数值还可以计算磨损的体积，最终对刀具 磨损程度可以有一个定量的评估分析。

本发明提供了基于激光位移传感器扫描的刀具磨损三维形貌的测量方法，具体实现该技 术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加 以实现。