(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210497385.1 (22)申请日 2022.05.09 (71)申请人 南京理工大 学 地址 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫 街200号 (72)发明人 张诗怡　王禹林　张雅姝　熊哲　 林剑波　徐国达　周世超　 (74)专利代理 机构 北京华仁联合知识产权代理 有限公司 1 1588 专利代理师 王松艳 (51)Int.Cl. B23Q 17/09(2006.01) B23Q 11/00(2006.01) G05B 19/4065(2006.01) B08B 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于三维激光扫描的刀具损伤智能化 监测系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于三维激光扫描的刀 具损伤智能化监测系统及方法， 所述系统包括自 清洗模块、 无人机模块、 三维激光扫描模块和计 算机模块； 自清洗模块用于清洗刀具上的油污和 切屑； 无人机模块通过其电动云台携带三维激光 扫描模块定位至指定机床的刀具待检测工位； 三 维激光扫描模块用于采集损伤刀具的点云数据： 当调整激光对准刀具轴线时， 刀具随主轴慢速转 动一周， 可测量刀具侧刃； 当调整激光对准刀具 底部并相对水平移动时， 可测量刀具底刃； 计算 机模块用于记录机床的位置信息、 将采集的点云 数据进行三维重构、 分析刀具损伤类型和磨损程 度。 本发明体积小， 移动灵活， 易于多台机床公 用， 在黑暗恶劣环境下亦可实现损伤刀具高精检 测。 权利要求书3页 说明书6页 附图3页 CN 114888636 A 2022.08.12 CN 114888636 A 1.一种基于三维激光扫描的刀具损伤智能化监测系统， 其特征在于， 包括自清洗模块 (1)、 无人机模块(2)、 三维激光扫描模块(3)和计算机模块； 所述自清洗模块(1)包括高压水枪(11)和鼓风机(12)； 所述高压水枪(11)通过螺栓连 接固定在机床的主轴箱(4)外壳上； 所述小 型鼓风机(12)包括机体和底座， 底 座通过螺栓连 接安装在机床防护门(5)上； 所述无人机模块(2)包括信号接收器、 飞行控制系统、 电动云台(21)、 小型相机(22)、 无 人机本体(23)； 所述信号接收器用于接收计算机模块发出的指令信号， 并将机床位置信息 传递给飞行控制系统； 所述飞行控制系统控制无人机本体(23)通过电动云台(21)携带三维 激光扫描模块(3)至机床待检测 工位， 实现粗定位； 且可使得三维激光扫描模块(3)对准刀 具轴线或刀具(6)底部以分别实现刀具侧刃和底刃的精定位； 所述三维激光扫描模块(3)包括激光发射器(31)、 接收器(32)； 当三维激光扫描模块 (3)位于机床指定位置I时， 激光发射器(31)调整激光对准刀具轴线， 可测量刀具侧刃； 当三 维激光扫描模块位于机床指 定位置II时， 激光 发射器(31)调整激光对准刀具底刃并相对 水 平移动， 可测量底刃； 所述计算机模块包括无人机数据处理部分、 激光扫描数据处理部分、 数据库以及刀具 损伤判别部 分； 所述无人机数据处理部 分用于向无人机模块(2)发送指 定机床的位置信息； 所述激光扫描数据 处理部分用于采集刀具(6)的点云数据； 所述数据库用于保存三维重构 后的点云数据； 所述刀具损伤判别部分用于分析和处理损伤刀具 的三维图像， 与原始刀具 点云数据对比， 判别出刀具损伤的类型和磨损程度。 2.根据权利要求1所述的刀具损伤智能化监测系统， 其特征在于， 所述电动云台(21)包 括安装板(24)、 固定杆(25)和移动杆(26)； 所述固定杆(25)可以进行伸缩和平移运动； 所述 移动杆(26)可以进行伸缩、 平移和 旋转运动， 其安装方式如下： 首先， 通过螺纹连接将电动 云台(21)的安装板上侧与无人机本体(23)底部的螺纹孔组进行配合安装， 同时电动云台 (21)的移动杆(26)的定位销与三维激光扫描模块(3)的定位孔配合连接， 小型相机(22)也 通过螺纹连接在电动云台(21)的安装板(23)的下端， 小型相机(22)位于三维激光扫描模块 (3)的正上 方。 3.根据权利要求1所述的刀具损伤智能化监测系统， 其特征在于， 所述待检测工位位于 目标机床的防护门内部， 无人机模块(2)和三 维激光扫描模块(3)位于主轴(7)正前方， 且激 光发射器(31)发射激光的最底部与所测刀具(6)的底刃在同一水平面上。 4.根据权利要求1所述的刀具损伤智能化监测系统， 其特征在于， 所述机床指定位置I 为三维激光扫描模块(3)的激光发射器(31)对准刀具的轴线， 且距离在150mm ‑400mm范围之 间， 同时三维激光扫描模块(3)悬停的位置应保证激光发射器(31)的扫描范围覆盖待检测 刀具(6)侧刃的最下端； 若激光发射器(31)的扫描范围能覆盖整个刀具(6)的侧刃， 则电动 云台(21)和三维激光扫描模块(3)保持静止； 若激光发射器(31)的扫描范围无法覆盖整个 刀具(6)侧刃， 当刀具被覆盖部分旋转一周完整采集后， 电动云台(21)带动三 维激光扫描模 块(3)向上移动一个完整扫描范围的距离并继续该扫描过程， 最终拼接得到完整的刀具侧 刃图像。 5.根据权利要求1所述的刀具损伤智能化监测系统， 其特征在于， 所述机床指定位置II 为三维激光扫描模块(3)的激光发射器(31)位于刀具(6)下方， 与刀具(6)底刃平面的竖直权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114888636 A 2距离在80mm ‑200mm范围之间， 且距离底刃外侧水平距离15mm ‑100mm范围之间， 同时应保证 三维激光扫描模块(3)水平移动方向平行于刀具底刃 平面； 所述电动 云台(21)携带三维扫 描模块(3)相对刀具底刃水平 移动的速度范围为120m m/min‑160mm/min。 6.根据权利要求1所述的刀具损伤智能化监测方法， 其特征在于， 所述电动云台(21)带 动三维激光扫描模块(3)的精定位通过小型相机(22)实现； 小型相机(22)用于精确判断机 床中刀具(6)与三维激光扫描模块(3)的相对位置关系， 并传递给电动云台(21)； 测量侧刃时位置调整方式： 当三维激光扫描模块(3)扫描范围位于所识别刀具(6)侧刃 底部的上方/下方时， 电动云台(21)的固定杆(25)伸缩移动使三 维激光扫描模块(3)扫描范 围覆盖刀 具(6)侧刃底部即可； 当三维激光扫描模块(3)扫描范围位于所识别刀 具(6)侧刃 的左方或右方时， 电动云台(21)左右调整相对位置对准刀具轴线； 测量底刃时位置调整方式： 当三维激光扫描模块(3)与所识别刀具(6)底刃的竖直距离 远于/近于指定位置II的竖直距离范围时， 电动云台(21)的固定杆(25)伸缩移动调整三维 激光扫描模块(3)与刀具(6)底刃的竖直距离， 使其位于指定位置II的竖直距离范围内即 可； 当三维激光扫描模块(3)与所识别刀具(6)底刃外侧的水平距离远于/近于指定位置II 的水平距离范围时， 电动云台(21)左右平移调整三 维激光扫描模块(3)与刀具(6)底刃外侧 的水平距离， 使其 位于指定位置I I的水平距离范围内即可。 7.根据权利要求1所述的刀具损伤智能化监测系统， 其特征在于， 所述飞行控制系统包 括加速度计、 超声波传感器、 GPS模块； 所述加 速度计用于检测无人机模块(2)在XYZ三轴方 向所承受的加速力， 从而帮助无人机本体(23)在车间稳定飞行； 所述超声波传感器用于躲 避车间障碍； 所述GP S模块用于 定位无人机模块(2)在加工车间的位置 。 8.根据权利要求1 ‑7任一项所述的一种基于三维激光扫描的刀具损伤智能化监测系统 的使用方法， 其特 征在于步骤如下： 步骤1： 原始刀具数据采集： 三维激光扫描模块(3)在新刀具第一次使用前采集完整刀 具的点云数据， 并保存至计算机模块中用于与损伤刀具(6)进行对比； 步骤2： 清洗油污切屑： 当自清洗模块(1)收到来自计算机模块(4)的清洗指令， 高压水 枪(11)自动开启并冲洗刀具(6)表面的油污和切屑， 小型鼓风机(12)转动清理加 工产生的 粉尘及其 他污染物； 步骤3： 粗定位： 计算机模块向无人机模块(2)发送所需检测刀具的机床位置信息， 信号 接收器接收指 令以后并传递给飞行控制系统， 使无人机模块(2)携带三 维激光扫描模块(3) 粗定位至主轴(7)正前 方， 且保证激光发射器(31)与刀具(6)底刃在同一水平面上； 步骤4.1： 刀具侧刃数据采集： 无人机模块(2)利用电动云台(23)携带三维激光扫描模 块(3)精确悬停至指定位置I采集刀 具(6)侧刃的点云数据时， 保证激光发射器(31)的扫描 范围覆盖刀具侧刃， 刀具(6)跟随主轴(7)慢速旋转一周， 且速度范围为20r/min ‑50r/min； 同时三维激光扫描模块(3)不 断地驱动激光发射器(31)发射激光脉冲至损伤刀 具(6)侧刃 处， 并将采集的数据发送至 激光扫描数据处 理部分； 步骤4.2： 刀具底刃数据采集： 无人机模块(2)利用电动云台(21)携带三维激光扫描模 块(3)精确悬停在机床指 定位置II采集刀具(6)底刃的点云数据时， 主轴(7)带动刀具(6)向 上移动， 电动云台(21)的移动杆(26)向下伸长并携带三维激光扫描模块(3)旋转一定角度 使其扫描 方向朝上， 然后三 维激光扫描模块(3)对准刀具底部