基于激光位移傳感器掃描的刀具磨損三維形貌的測量方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于激光位移傳感器掃描的刀具磨損三維形貌的測量方法，通過用激光位移傳感器對刀具的磨損區域進行逐行掃描，分別得到刀具磨損區域內多處點的高度信息，關于各行之間跨度較大顯得不夠連續的情況，這里提出一種基于高度均值和實際高度之差的插值方法對掃描的各行之間的點進行插值，使得插值后的行距與橫向掃描時各點之間的距離相等，對測量以及插值得到的所有點的高度信息進行三維重建，通過對刀具磨損區域的三維形貌進行還原，從而可以對刀具磨損區域的三維形貌有一個形象、具體的把握，最終對磨損程度可以有一個定量的評估分析。
【專利說明】基于激光位移傳感器掃描的刀具磨損三維形貌的測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種工程檢測領域，特別是基于激光位移傳感器掃描的刀具磨損三維形貌的測量方法。
【背景技術】
[0002]刀具磨損對工件表面加工質量有著重要的影響。近年來，國內研究者對刀具磨損狀態檢測技術進行了大量研究，這些研究主要傾向于以下三個方面:(I)對刀具在切削過程中產生的切屑進行測量，該方法是一種間接測量方法，尚處于理論研究階段；(2)監視特定的機床參數，用來判斷刀具的磨損情況，也是一種間接測量方法，雖然操作較為容易，但是精度不高；(3)直接對刀具進行觀測，該方法操作雖然精度較高，但是實現較難。
[0003]刀具的磨損區域集中在微米級的研究范圍，因而對于測量提出了更高的要求。目前，由于三維測量設備的應用限制，通過圖像處理的刀具磨損分析一直局限在二維形貌的分析上，磨鈍標準的制定也僅限于平面二維參數方面的度量，比如:前刀面的月牙洼磨損深度KT，刀尖磨損最大值VC，主溝槽磨損量VN，后刀面磨損寬度VB。而對于刀具磨損程度的更深程度的認識需要了解磨損區域的三維形貌。
[0004]刀具磨損區域的三維重建屬于顯微三維表面重構的范疇。傳統的三維重建方法比如雙目視覺的方法，由于顯微照片的背景和結構關系簡單、對比度低、光學畸變等原因難以確定特征點并進行有效的匹配；結構光三維重建方法又由于系統結構復雜，標定困難等原因推廣較難，此外，國內外對刀具磨損區域的三維重建的研究都鮮有報道。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有技術的不足，提供了一種基于激光位移傳感器掃描的刀具磨損三維形貌的測量方法。
[0006]本發明所述的基于激光位移傳感器掃描的刀具磨損三維形貌的測量方法，包括以下步驟:
[0007](I)用固定在運動裝置上的激光位移傳感器對刀具的磨損區域進行逐行掃描；
[0008](2)對掃描的各行之間的點進行插值；
[0009](3)運用Matlab對最終插值后的數據進行三維重建，使得刀具磨損的三維形貌得以還原。
[0010]激光位移傳感器和運動裝置同時采用可編程控制器進行控制。
[0011]對掃描的各行之間的點進行插值時所采用的是運用基于高度均值和實際高度之差的插值方法，其都是從兩行的中間部位開始插值計算，逐級往下插值。
[0012]取一縱向截面刀具磨損面實際曲線上掃描行以及與其隔一行的掃描行，將兩者底部用直線段相連，該連線與該縱向截面內的實際掃描行相交于一點，記該點與該截面內的掃描行的實際高度相差Ah ;接下來對這兩個相鄰的實際掃描行中間部位進行插值:將被插值行兩側的掃描行的底部用直線段相連，在直線段中部向下延伸AhA的距離，即完成該點的高度的插值。
[0013]根據上述步驟，逐層往下計算插值，直到完成該截面的所有插值，插值后的所有行中，相鄰兩行的距離與橫向掃描時相鄰兩點之間的距離相等。
[0014]插值完后得到一矩陣，矩陣內的所有數值表示掃描區域內的點的高度值，用Matlab對這些表示高度值的數據進行三維重建，最終還原刀具磨損區域的三維形貌圖。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是刀具磨損示意圖；
[0016]圖2是在機床上用激光位移傳感器對刀具磨損區域進行掃描示意圖；
[0017]圖3是用激光位移傳感器掃描刀具的描路徑示意圖；
[0018]圖4是基于高度均值和實際高度之差的插值方法示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合說明書附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0020]本發明涉及一種基于激光位移傳感器掃描的刀具磨損三維形貌的測量方法，通過用激光位移傳感器對刀具的磨損區域進行逐行掃描，分別得到刀具磨損區域內多處點的高度信息，關于各行之間跨度較大顯得不夠連續的情況，這里提出一種基于高度均值和實際高度之差的插值方法對掃描的各行之間的點進行插值，使得插值后的行距與橫向掃描時各點之間的距離相等，對得到的測量以及插值得到的所有點的高度信息進行三維重建，最終可以對刀具磨損區域的具體三維形貌進行還原，對刀具的磨損區域的三維形貌可以有一個形象、具體的把握，對磨損程度可以有一個定量的評估分析。
[0021]本發明可以同時檢測如圖1所示的前刀面磨損1，主后刀面磨損2以及副后刀面磨損3。
[0022]具體而言，如圖2所示，首先將被測刀具6置于工作臺7上，將激光位移傳感器5固定于PLC控制運動裝置4，通過可編程控制器同時控制運動裝置4的運動和微光位移傳感器5掃描記錄的啟動，使得激光位移傳感器能按照指定的路徑對磨損的刀具進行逐行掃描，其掃描的路徑如圖3所示，首先橫向掃描，在啟動PLC控制運動裝置4的同時啟動激光位移傳感器5的掃描記錄操作，在掃描的過程中激光位移傳感器5將以固定的頻率記錄激光位移傳感器與刀具磨之間的距離。第一次橫向距離掃完后可編程控制器控制激光位移傳感器5停止記錄，并用電腦保存剛剛掃描測量到的數據，其次可編程控制器繼續控制運動裝置4發生斜向移動，使得激光位移傳感器5對準第下一行的開始的位置，在可編程控制器啟動運動裝置4向右運動時，激光位移傳感器將同時被啟動開始掃描記錄，以此進行，直到掃描完最后一行，使得刀具的磨損區域已經被掃描完畢。
[0023]在用激光位移位移傳感器5進行掃描記錄距離的過程中，為了提高精度，可以適當提高其記錄的頻率，使得掃描的每個點之間的實際距離很小，如果運動裝置4的運動速度為lmm/s，激光位移傳感器的記錄頻率為1000Hz，那么其掃描的每個點之間的實際距離為0.001mm，盡管如此，掃描的各行之間的距離若也是0.001mm，那么掃描Imm的縱向距離需要來回掃描1000次，這將是一個非常消耗時間的過程，最終使得整個刀具磨損的測量過程變得效率非常低，且工作量過大。
[0024]為提高測量效率，必須加大掃描的各行之間的距離，減小縱向掃描的次數。以此方法在提高掃描效率的同時，會暴露出另一問題，即多次掃描得到的矩陣形式的數據中，橫向和縱向之間所代表的實際距離不一致，使得三維重建無法進行，因此這里必須對掃描的各行之間的缺失的數據進行插值的操作，使得最終矩陣形式的數據中橫向和縱向之間所代表的實際距離一致，為后期刀具磨損面的三維重建提供可靠的數據。
[0025]目前已有的插值方法種類繁多，最簡單的插值方法莫過于線性插值，但是這種插值方法其缺陷也是顯而易見的，在絕大部分場合下其誤差是很大的，同時考慮到插值效率和插值精度，本發明提供一種基于高度均值和實際高度之差的插值方法對掃描的各行之間的點進行插值。
[0026]首先要說明的一點是，對于不規則的曲線，任何一種插值方法都不可能準確無誤地對曲面進行插值，多多少少會存在一定的誤差，好的插值方法其優勢在于其誤差往往是比較小的。這里介紹的插值方法在提高插值效率的基礎上，其插值精度也是很高的。
[0027]如圖4所示，首先取某一縱向截面刀具磨損面實際曲線12上掃描行8以及與其隔一行的實際掃描行11，將其底部用直線段相連，該連線必將與該截面內的實際掃面行10相交與一點，該點與該截面內的掃描行10的實際高度相差Ah，即圖4中編號為14的距離。接下來對該截面內的掃描行8和掃描行10中間的行進行插值，將其底部用直線段相連，在線段中部向下延伸Ah/2的距離，即圖4中編號為13的距離，即完成該點的高度的插值，插值都是從中部開始，再對掃描行8和掃描行10之間進行插值時候也是中這兩條線的中部開始，一層一層往下計算，直到完成該截面的所有插值，插值后的所有行中，相鄰兩行的距離與橫向掃描時相鄰兩點之間的距離相等。
[0028]這里要注意，測量之初必須選好合適的激光位移傳感器的采樣頻率和掃描行之間的距離，在對掃描行采取上述插值方法進行插值過程中使得行距在不斷被平均劃分后相鄰的行距能有機會與橫向相鄰兩點之間的距離相等。
[0029]插值完后可以得到一矩陣，矩陣內的所有數值表示掃描區域內的點的高度值，用Matlab可以對這些表示高度值的數據進行三維重建，最終還原了刀具磨損區域的三維形貌圖，在可以更加形象具體觀察刀具磨損形貌的同時根據這些數值還可以計算磨損的體積，最終對刀具磨損程度可以有一個定量的評估分析。
[0030]本發明提供了基于激光位移傳感器掃描的刀具磨損三維形貌的測量方法，具體實現該技術方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。
【權利要求】
1.基于激光位移傳感器掃描的刀具磨損三維形貌的測量方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)用固定在運動裝置上的激光位移傳感器對刀具的磨損區域進行逐行掃描； (2)對掃描的各行之間的點進行插值； (3)運用Matlab對最終插值后的數據進行三維重建，使得刀具磨損區域的三維形貌得以還原。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于:激光位移傳感器和運動裝置同時采用可編程控制器進行控制。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于:對掃描的各行之間的點進行插值時所采用的是運用基于高度均值和實際高度之差的插值方法，其都是從兩行中間部位開始插值計算，逐級往下插值。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于:取一縱向截面刀具磨損面實際曲線上掃描行以及與其隔一行的實際掃描行，將兩者底部用直線段相連，該連線與該縱向截面內的實際掃面行相交于一點，記該點與該截面內的掃描行的實際高度相差Ah ;接下來對該截面內的這兩個相鄰的實際掃描行中間部位進行插值，將被插值行兩側的掃描行的底部用直線段相連，在直線段中部向下延伸AhA的距離，即完成該點的高度的插值，插值是總是從兩行的中部開始，對相鄰兩個掃描行之間進行插值時候從兩條掃描線的中部開始； 根據上述步驟，逐層往下進行插值計算，直到完成該截面的所有插值，插值后的所有行中，相鄰兩行的距離與橫向掃描時相鄰兩點之間的距離相等。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于:插值完后得到一矩陣，矩陣內的所有數值表示掃描區域內的點的高度值，用Matlab對這些表示高度值的數據進行三維重建，最終還原刀具磨損區域的三維形貌圖。
【文檔編號】G01B11/24GK104359420SQ201410621567
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】袁鐵軍, 孟龍暉, 張秀麗 申請人:鹽城工學院