基于线阵CCD的刀具尺寸测量系统设计

邵伟业，梁睿君，黄敏凯，李伟，宋丹

(南京航空航天大学机电学院，江苏 南京210016)

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51575272）

作者简介：邵伟业(1994—)，男，硕士研究生，主要研究方向为机床误差补偿技术，shaoweiye@nuaa.edu.cn.

摘要：在铣削加工过程中，铣刀磨损是影响工件加工精度的重要因素，对铣刀尺寸或磨损量进行精确测量具有重要意义。设计了高精度非接触式刀具尺寸测量系统，以STM32为主控制器，采用CCD线阵图像传感器进行测量，利用AD9826对CCD输出信号进行去噪处理和模数转换，转换后将获得的一维图像数据存储于STM32控制器内存中。通过中值滤波方法在消除高频噪声的同时保留图像边缘细节，基于浮动阈值和梯度算子直线拟合相结合的方法以提高图像边缘提取精度，实现了对刀具尺寸的精确测量。

关键词：线阵CCD；图像处理；边缘提取；刀具磨损

中图分类号：TH39   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)01-0067-04

随着现代航空制造业的发展，对零件加工精度的要求越来越高。切削刀具作为机械加工工艺系统的重要组成部分，直接参与零件表面和几何形状的生成。在钛合金等难切削材料的铣削加工过程中，刀具磨损现象十分严重［1］。特别是大尺寸零件的连续精加工，刀具磨损产生的加工误差对工件加工质量的影响更大。为了研究刀具磨损量对工件加工质量的影响，需要对刀具尺寸或磨损量进行精确测量［2］。利用测量数据建立刀具磨损模型，从而对刀具尺寸变化进行补偿，可提高切削加工的精度。

针对刀具磨损量测量，杨学刚等［3］利用智能手机的摄像机和小型光学镜头组成便携式视觉检测系统，拍摄刀具图片后将图像传输至计算机，经过处理后获得刀具后刀面的磨损量。方记文等［4］运用复映测量方法，借助软质材料上的复映孔，间接获取刀具尺寸，进而获取刀具磨损量。和传统的测量方法相比，上述测量方法在一定程度上缩短了测量时间，但是仍然存在着和传统测量方法相同的问题，即测量时需要人工参与，时间上和空间上跨度均较大，系统集成度低，无法满足数据采集的实时性和自动化加工需求。

为了实现在机测量刀具尺寸并获取其磨损量，本文提出了一种立铣刀径向尺寸的光电测量方法，设计了一种基于线阵CCD（charge coupled device）和STM32控制器的非接触式刀具尺寸测量系统，利用STM32控制器产生线阵CCD的驱动脉冲，通过CCD像素单元的光电效应将接收到的光信号转换成电信号输出，模数转换后将数据储存在微处理器中，经过图像处理得到刀具尺寸。这种方法具有非接触、高精度、易于实现自动化的特点，克服了传统测量方法的弊端。

1立铣刀径向尺寸的测量

刀具磨损原因复杂，且磨损形式多样，国标中推荐使用后刀面磨损量VB表示刀具磨损程度。传统的刀具磨损测量方法是工具显微镜法［5］，当需要获取铣削过程中某一时段内刀具的磨损状况时，机床必须要完全停止工作，才能取下刀具使用显微镜进行观测。操作麻烦，测量效率低。

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