基于不等高度數(shù)據(jù)采集的刀具磨損三維檢測*

高 飛, 周兆鋒

(鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

基于不等高度數(shù)據(jù)采集的刀具磨損三維檢測*

高 飛, 周兆鋒

(鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

由于刀具磨損對切削過程以及表面加工質(zhì)量有著重要的影響，因此刀具磨損程度的檢測對于提高零件的表面加工質(zhì)量有重要的意義。文章提供了一種新的刀具磨損檢測方法，該方法主要基于在不同高度對磨損區(qū)域拍照所得的圖像，并對磨損區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的三維重構(gòu)，最終能得到刀具磨損區(qū)域的三維形貌圖，其不僅能使得刀具的磨損區(qū)域得到重現(xiàn)，而且能對磨損的體積進(jìn)行較為精確的測量。將該技術(shù)對實(shí)際加工中不同切削條件下的刀具的磨損進(jìn)行檢測，最終得到了不同切削條件下的刀具的磨損，結(jié)果表明該方法對于刀具磨損的檢測不僅方便，而且精度較高。

磨損；刀具壽命；三維重建；切削條件

0 引言

近年來，由于柔性制造單元(FEC -flexible manufacturing cells)，柔性制造系統(tǒng)(FMS -flexible manufacturing systems)以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS-Computer Integrated Manufacturing System)技術(shù)的迅速發(fā)展，對于在自動(dòng)化加工過程的檢測方面的研究近年來得到了越來越多的關(guān)注，特別是對于加工過程中刀具磨損狀態(tài)的檢測[1-2]。在自動(dòng)化程度較高的場合，刀具磨損的在線檢測對于保證加工過程的順利進(jìn)行顯得尤其重要。在過去的幾十年中，對于刀具磨損檢測有大量的研究，目前已有的檢測方法較多，由于刀具的多樣性以及切削條件的多樣性，使得絕大部分的在線檢測方法都只能在特定的工作環(huán)境下順利檢測，能廣泛運(yùn)用于多種條件下的檢測技術(shù)較少[3-4]。

刀具的磨損對于切削力，切削溫度，以及表面加工質(zhì)量，包括表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力都會(huì)產(chǎn)生較為重要的影響[5-11]，因此對于刀具磨損的檢測在現(xiàn)代制造領(lǐng)域顯得非常重要。根據(jù)已有的研究，目前的檢測技術(shù)主要分為間接檢測法和直接檢測法。間接檢測法主要依據(jù)與刀具磨損相關(guān)的變量進(jìn)行相應(yīng)的研究，如切削力，切削溫度，聲發(fā)射等諸如此類的信息，該方法的自動(dòng)化程度較高，但是其缺點(diǎn)很明顯，這些相應(yīng)的信息與刀具的磨損程度并沒有很嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系[12]，因此其檢測精度在要求較高的場合往往不盡人意。 而直接法是通過對刀具磨損區(qū)域進(jìn)行圖像采集，通過對采集到的圖像進(jìn)行相應(yīng)的分析，最終得到刀具磨損的相關(guān)信息，該方法在精度上占有一定的優(yōu)勢[13]，不過在自動(dòng)化程度上與間接法相比存在一定差距，目前大部分都是對磨損區(qū)域進(jìn)行二維分析，對于磨損區(qū)域的三維的分析目前還鮮有研究。

在近幾十年中，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于機(jī)器視覺的刀具磨損檢測被廣泛運(yùn)用于制造領(lǐng)域中刀具磨損的在線檢測，由于其所需設(shè)備相對較為便宜，且檢測效率高，而且其檢測結(jié)果不受切削條件和切削參數(shù)的影響[14]，當(dāng)然，其缺點(diǎn)也很明顯，即其只能檢測刀具磨損區(qū)域的二維形貌，對于磨損區(qū)域的三維形貌的檢測目前幾乎沒有[15]，而且在絕大部分情況下，需要人工選定閾值以去除圖像中的噪聲并對磨損區(qū)域的邊緣進(jìn)行檢測，因此其自動(dòng)化程度不高。

本文提出了一種新的刀具磨損區(qū)域的檢測方法，其主要基于對不同高度所采集的圖像進(jìn)行相應(yīng)的檢測。首先，圖像中的清晰區(qū)域通過不同的圖像之間的亮度方差的比較進(jìn)行判斷，免去了人為設(shè)定閾值的步驟，提高了其自動(dòng)化程度，其次對不同圖像中的清晰區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的三維重建，可以得到刀具磨損區(qū)域的三維形貌，所以該方法不再僅僅局限于傳統(tǒng)的二維上的檢測，而是將其擴(kuò)展到三維檢測，相對于傳統(tǒng)的檢測方法，其無論在自動(dòng)化程度還是在檢測精度上都占有絕對的優(yōu)勢。

1 圖像采集

如圖1所示，數(shù)控刀具上有一處磨損區(qū)域，這是由于切削所引起的刀具的磨損。為了具體并精確地檢測該刀具的磨損程度，需要對該磨損區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的三維重建并對磨損的體積進(jìn)行相應(yīng)的測量。

圖1 切削加工而引起的刀具的磨損

首先，對刀具的磨損區(qū)域進(jìn)行圖像采集，用到的儀器有①M(fèi)ITUTOYO-AT112-220型顯微鏡；②SONY-SSC-DC498P型相機(jī)；③SCHOTT冷光源系統(tǒng)。分別如圖2、圖3所示。

圖2 AT112-220顯微鏡和SONY SSC-DC498P圖像增強(qiáng)型相機(jī)

圖3 SCHOTT 冷光源

首先調(diào)整顯微鏡，使得其成像的最清晰的區(qū)域?yàn)榈毒吣p區(qū)域的最底部，并采集相應(yīng)的圖像，緊接著調(diào)整顯微鏡的高度，使其向上移動(dòng)Δh的距離，從而其所成像的最清晰的區(qū)域也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，對此時(shí)所成像進(jìn)行采集，重復(fù)上述步驟，直到顯微鏡所成像的最清晰的區(qū)域?yàn)榈毒吣p區(qū)域的最上端，最終采集了18張圖像，其中兩張圖像如圖4所示。

(a)刀具磨損區(qū)域圖像1

(b)刀具磨損區(qū)域圖像2圖4 在不同高度所采集到的刀具的磨損區(qū)域圖像

可以看出，圖像中有明顯的較為清晰的區(qū)域，但是同時(shí)也看到，圖像中有很明顯的模糊的區(qū)域，這主要是清晰的區(qū)域在顯微鏡的聚焦處，而模糊區(qū)域并不在顯微鏡的聚焦處，隨著顯微鏡的高度被調(diào)整，處于顯微鏡的聚焦處的刀具磨損區(qū)域也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整，最終使得不同的圖像中的清晰區(qū)域處在不同的區(qū)域。

2 圖像清晰區(qū)域的分析檢測

為了得到不同圖像中的高度信息，必須對圖像中的清晰區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的提取。通過觀察，可以發(fā)現(xiàn)，清晰區(qū)域與模糊區(qū)域的主要的區(qū)別為亮度的方差上的差別，因此根據(jù)亮度方差對圖像中的清晰和模糊區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的判斷。

計(jì)算圖像中不同區(qū)域的亮度方差的公式為：

(1)

(2)

其中，f(x,y)值為在坐標(biāo)為(x, y)處的像素點(diǎn)亮度值，u為在選定區(qū)域的所有像素的亮度的平均值，M和N分別為選定區(qū)域的長度和寬度上的像素?cái)?shù)。

被判斷的像素處于被選定區(qū)域的中央，M和N分別為大于2的奇數(shù)，本文M和N選取的值均為7，為了避免人為選取閾值所帶來的誤差以及自動(dòng)化程度低的缺點(diǎn)，本文通過不同圖像之間進(jìn)行相互比較的方式進(jìn)行對清晰像素的判斷，其原理如圖5所示。通過式(1)和式(2)計(jì)算不同圖像的相同坐標(biāo)(xi,yi)處的像素的亮度方差，最終找出亮度方差最大的一個(gè)值，其被確定為清晰點(diǎn)，

V0=max{VAR}

(3)

V0為被定義為清晰的像素，該像素所在的圖層被設(shè)定為第n層，相應(yīng)地將第n圖層中坐標(biāo)為(xi,yi)處的像素信息進(jìn)行保留，而將其他圖層中坐標(biāo)為(xi,yi)處的像素的亮度信息去除，并以純白色進(jìn)行替代。由于不同的圖層在不同的高度所采集，該像素點(diǎn)的高度信息與其所在圖層的高度一致。

圖5 不同圖層之間相同坐標(biāo)處的像素方差比較示意圖

對于處在圖像邊緣出的像素點(diǎn)，由于無法將其置于所取區(qū)域的中心，如果將其置于所選區(qū)域的邊緣處，最終得到的亮度方差信息也是可以進(jìn)行分析的，相應(yīng)的結(jié)果也是可靠的。

運(yùn)用上述方法對圖像中的清晰區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的檢測，原圖4中的兩幅圖被處理成如圖6中的兩幅圖。可以看出，圖中的清晰區(qū)域部分的像素得到了很好的保留，而模糊區(qū)域已經(jīng)被完全去除，最終可以得出結(jié)論：根據(jù)像素的亮度方差對圖像的清晰區(qū)域進(jìn)行檢測其效率較高，檢測結(jié)果令人滿意。

(a)刀具磨損區(qū)域圖像1 (b)刀具磨損區(qū)域圖像2 提取到的清晰部分提取到的清晰部分圖6 清晰區(qū)域得到提取后的圖像

不同高度的圖像通過調(diào)整顯微鏡的高度進(jìn)行采集，即便顯微鏡每次移動(dòng)的高度值Δh很小，兩個(gè)圖層之間總歸會(huì)存在相應(yīng)的間隔，為了更加完美地再現(xiàn)刀具磨損區(qū)域的三維形貌，需要對不同圖層之間的間隔進(jìn)行相應(yīng)的插值。

在過去的幾十年中，在三維插值算法領(lǐng)域出現(xiàn)了不少運(yùn)用較為廣泛的插值方法，如最鄰近插值法，高斯插值法，以及B樣條曲線插值法等。文獻(xiàn)[16]指出修正后的拉普拉斯算子的聚焦測度在最大值的附近區(qū)域基本上呈正態(tài)分布的趨勢，因此本文中利用高速插值算法對刀具磨損區(qū)域采集到的不同圖層之間的間隔進(jìn)行相應(yīng)的插值。

高斯插值法的聚焦函數(shù)表達(dá)式為[16]：

(4)

(5)

(6)

(7)

圖7 針對于聚焦函數(shù)評價(jià)的高斯插值

在最大值F(d)附近分別搜索Fm-1，F(xiàn)m，F(xiàn)m+1值，通過高斯算法計(jì)算插值的高度信息，最終不同圖層之間的間隔得到了較為完美的插值，刀具磨損區(qū)域的高度信息的得到了較好的再現(xiàn)。

3 刀具磨損區(qū)域的三維重建

基于上述對于所有圖像的清晰區(qū)域的檢測和提取以及對不同圖層之間間隔的插值，通過Matlab軟件對得到的信息進(jìn)行相應(yīng)的三維重建，最終得到如圖8所示的結(jié)果，對其不同高度的信息通過不同的顏色進(jìn)行表示。

圖8 刀具磨損區(qū)域的三維重建效果

圖8所示的三維重構(gòu)的結(jié)果為在切削速度為vc=300m/min，切削距離為L=150m下的檢測結(jié)果，潤滑條件為干切削。

為了對刀具的磨損程度進(jìn)行較為精確的測量，而并非僅僅局限于傳統(tǒng)的對磨損區(qū)域圖像的二維分析，磨損區(qū)域的體積通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(8)

其中，S為磨損區(qū)域的二維區(qū)域，其為俯視圖得到的區(qū)域，S(x,y)為在圖像中一個(gè)像素區(qū)域所代表的實(shí)際的刀具磨損區(qū)域的實(shí)際二維面積，h(x,y)為在坐標(biāo)為(x,y)處的像素點(diǎn)的高度信息，其由上述高斯插值法得到，其中S(x,y)值的表達(dá)式為：

S(x,y)=(L/N)2

(9)

其中，L為刀具磨損區(qū)域的長度，N為該長度范圍內(nèi)所覆蓋的像素?cái)?shù)，(L/N)其實(shí)就是單個(gè)像素的在L方向上所占的長度。

4 測量結(jié)果

相應(yīng)的刀具磨損程度的測量在切削鈦合金的刀具上進(jìn)行相應(yīng)的檢測。實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)用兩種切削速度，分別為v1=50m/min和v2=300m/min，切削深度和進(jìn)給量分別設(shè)定為dp=1.0mm,f=0.15mm/rev，為了分析不同的切削條件對于刀具磨損情況的分析，這里刀具的切削過程在三種不同的條件下進(jìn)行，分別為干切削，射流冷卻，以及微量潤滑切削。其中微量潤滑冷卻的射流速率為50ml/h。通過對不同切削速度，不同切削條件以及不同切削距離下刀具磨損情況的檢測，最終得到的刀具的磨損情況如圖9所示。

可以看出，在切削的初期，刀具的磨損速率較快，其后，刀具的磨損速率逐漸降低，直到達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的磨損速率，到最后刀具的磨損速率又快速增加，直到刀具被磨損壞。干切削條件下刀具的磨損速率始終是最快的，意味著切削溫度是影響刀具磨損的一個(gè)很大的因素，在射流冷卻條件下刀具的磨損速率最小，而微量潤滑條件下刀具的磨損速率介于上述兩者之間。

(a)切削速度為v=50m/min時(shí)候刀具的磨損變化趨勢

(b)切削速度為v=300m/min時(shí)候刀具的磨損變化趨勢圖9 不同切削速度和不同切削條件下刀具磨損變化趨勢

就切削速度而言，當(dāng)切削速度從50m/min上升到300m/min時(shí)，三種切削條件下刀具的磨損均呈現(xiàn)增加的趨勢，但是就切削距離而言，射流冷卻和微量潤滑切削條件下刀具的磨損速率的稍有變化不是很大，幾乎呈現(xiàn)一致的趨勢，值得注意的是，對于干切削而言，隨著切削速度的增大，相同的切削距離所引起的刀具的磨損量反而呈現(xiàn)減小的趨勢，這主要是由于隨著切削速度的增大，會(huì)有更多的熱量被切屑帶走，而在射流冷卻和微量潤滑切削條件下，隨著切削速度的增大，絕大部分的熱量仍然是被冷卻液所帶走，因此出現(xiàn)了上述刀具的磨損現(xiàn)象。

相對于干切削而言，射流冷卻和微量潤滑切削條件下刀具有更長的使用壽命，即便是提高切削速度會(huì)使得刀具能切削更長的距離，但是其所能達(dá)到的使用壽命仍然對于有冷卻液條件下的切削過程，盡管如此，不能完全否定干切削，干切削仍然有其自身的優(yōu)勢，其可以節(jié)省切削液以達(dá)到降低成本的效果，另外從保護(hù)環(huán)境的角度上，干切削更是有其絕對的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

本文主要介紹了一種基于不同高度圖像采集的刀具磨損檢測方法，并對不同切削速度和切削條件下的刀具的磨損進(jìn)行了相應(yīng)的測量，最終可以得到如下結(jié)論：

(1)通過調(diào)整顯微鏡的高度對刀具的磨損區(qū)域進(jìn)行圖像采集，得到了圖像中包含有清晰區(qū)域和模糊區(qū)域，其中清晰區(qū)域包含了相應(yīng)高度信息;

(2)基于像素的亮度的方差，圖像中的清晰區(qū)域可以得到高效率的提取，因此不同圖像中高度信息也得到了相應(yīng)的提??；

(3)基于對不同圖層的清晰區(qū)域的提取以及相應(yīng)的插值計(jì)算，刀具磨損區(qū)域的三維形貌可以通過三維重建得到再現(xiàn)，同時(shí)刀具的磨損體積可以得到計(jì)算以對刀具的磨損程度進(jìn)行更好的評估;

(4)對于干切削，射流冷卻切削以及微量潤滑切削三種切削條件下，刀具在干切削時(shí)的磨損速率最高，而在射流冷卻切削和微量潤滑條件下刀具的磨損速率相對較低，這是由于大量的熱量會(huì)被冷卻液和微量潤滑液所帶走，當(dāng)切削速度由50m/min增加到300m/min時(shí)，干切削條件下相同的刀具磨損量能切削更長的距離，其意味著在干切削條件下，與常速切削相比，采用高速切削可以相應(yīng)地減少切削成本。

[1]Nouri M, Fussell B K, Ziniti B L, et al. Real-time tool wear monitoring in milling using a cutting condition independent method[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2015, 89: 1-13.

[2] Arrazola P J, Garay A, Fernandez E, et al. Correlation between tool flank wear, force signals and surface integrity when turning bars of Inconel 718 in finishing conditions[J]. International Journal of Machining and Machinability of Materials 7, 2014, 15(1-2): 84-100.

[3] Yen C L, Lu M C, Chen J L. Applying the self-organization feature map (SOM) algorithm to AE-based tool wear monitoring in micro-cutting[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2013, 34(1): 353-366.

[4] Thepsonthi T, ?zel T. 3-D finite element process simulation of micro-end milling Ti-6Al-4V titanium alloy: Experimental validations on chip flow and tool wear[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 221: 128-145.

[5] Meng Longhui, He Ning, Yang Yinfei, et al. Method for Measuring Residual Stresses Induced by Boring in Internal Surface of Tube and Its Validation with XRD Method[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2014, 31(5): 508-514.

[6] Hartung P D, Kramer B M, Von Turkovich B F. Tool wear in titanium machining[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1982, 31(1): 75-80.

[7] Meng Longhui, He Ning, Li Liang, et al. Measurement of Pre-Self-Balanced Surface Residual Stresses Induced by Milling in Titanium Alloys and the FEM Validation[C]//Advanced Materials Research,2014, 996: 615-621.

[8] Dan L, Mathew J. Tool wear and failure monitoring techniques for turning—a review[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1990, 30(4): 579-598.

[9] Longhui M, Ning H, Yinfei Y, et al. Measurement of Surface Residual Stresses Generated by Turning Thin-Wall Ti6Al4V Tubes Using Different Cutting Parameters[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2015, 44(10): 2381-2386.

[10] Meng L H. Finite Element Simulation of High Speed Machining of Ti6Al4V Alloy and the Corresponding Experimental Study[C]//Materials Science Forum. Trans Tech Publications, 2016, 836: 444-451.

[11] Meng L, Atli M, Yang Y, et al. Accurate measurement of the surface residual stresses generated by milling in pre-equilibrium state[J]. Journal of Materials Research, 2016, 31(14): 2076-2087.

[12] Zhang G, To S, Xiao G. The relation between chip morphology and tool wear in ultra-precision raster milling[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2014, 80: 11-17.

[13] Abbas J, Al-Habaibeh A, Su D Z. Investigating the Design of Condition Monitoring Systems to Evaluate Surface Roughness under the Variability in Tool Wear and Fixturing Conditions[C]//Key Engineering Materials,2014, 572: 467-470.

[14] Krolczyk G M, Nieslony P, Legutko S. Determination of tool life and research wear during duplex stainless steel turning[J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2015, 15(2): 347-354.

[15] Zhang X Q, Liu K, Kumar A S, et al. A study of the diamond tool wear suppression mechanism in vibration-assisted machining of steel[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2014, 214(2): 496-506.

[16] Yan Q, Wenqing Y, Xiangze L, et al. Variety identification of rice seed based on three-dimensional reconstruction method of sequence images[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(7)：190-196.

(編輯 李秀敏)

The Three-Dimensional Detection of the Tool Wear Based on the Dates Obtained on Different Levels

GAO Fei，ZHOU Zhao-feng

(School of Mechanical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu 2240451, China)

With respect to the tool wear has a significant effect to the cutting procedures and the properties of the machined surfaces, so it is very important to monitor the tool wear extent in the cutting process. This paper provides a new technique for tool wear detection, which is based on the images taken from different layers, and the three-dimensional shape of the tool wear area is represented based on the corresponding three-dimensional reconstruction. This technique is applied to detect the tool area under different coolant conditions and different cutting parameters in this paper, the results indicated that the technique can detect the tool wear extent accurately and concretely, the comparison between the wear rates under different cutting conditions showed that the coolant could prolong the tool life due to the decrease of cutting temperature, as for dry cutting, high speed could be used to prolong the tool life and reduce the cost of the production.

wear; tool life; three-dimensional reconstruction; cutting condition

1001-2265(2017)05-0103-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.027

2016-09-08；

2016-10-27

江蘇省科技廳科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BY2015057-11)；江蘇省科技廳科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BY2016065-34)

高飛(1982—)，男，江蘇豐縣人，鹽城工學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)榭焖俪尚椭圃旒夹g(shù)及材料、機(jī)械工程材料、CAD/CAM等，(E-mail)gaofei@ycit.cn。

TH162;TG506

A