刀具磨损在线监测为提高金属切削加工的生产效率和生产质量提供了更大的空间,实现刀具磨损在线监测也是实现智能化生产的重要部分。然而,由于刀具在切削过程中部分受到工件和切屑的遮挡,刀具的磨损状态难以实时直接被观察到,所以通过在线监测已加工表面的方法实时、间接获取刀具磨损状态更具有可行性。已加工表面由刀具直接切削作用产生,主要受刀具轮廓形貌、加工工艺参数和刀具-工件材料性能影响,在已知其他主要因素情况下,已加工表面轮廓可看作是刀刃轮廓的映射。通过对已加工表面进行在线监测,不仅能直接控制已加工表面质量,还能间接监测刀具状态。通过对已加工表面轮廓形成机理进行分析并修正,可从已加工表面反求获取刀刃磨损状态(锋利/磨损)信息,实现对刀具的间接监测,所以本文实现刀刃轮廓在线监测需完成的内容包括:(1)探究已加工表面形成机理,并根据其主要影响因素进行已加工表面几何模型的修正;(2)分析机器视觉图像采集的光照原理,探究已加工表面图像形成时图像灰度与纹理高度的相关关系,并在此基础上对单幅已加工表面图像进行三维重构;(3)结合已加工表面形成机理及机器视觉单幅已加工表面图像三维重构技术,计算并分析已加工表面轮廓与刀刃有效作用轮廓的关系,进一步从已加工表面图像反求出刀刃对已加工表面的有效作用轮廓;(4)在实验室和实际生产加工(火车轮镟修)中应用以上在线监测系统并验证其可行性。已加工表面实际轮廓形成受多种因素影响:刀具几何、加工工艺参数、工件材料物理性能和加工系统刚性等。其中刀具几何和加工工艺参数是最常被考虑的影响因素。实际上,在假设加工系统刚性足够理想的情况下,工件材料特别是塑性金属材料的弹塑性变形对已加工表面轮廓形成也是一个不可忽视的重要影响因素。因此本文在传统(仅考虑刀具几何和加工工艺参数)已加工表面形成模型的基础上,增加考虑了工件残余切削层弹塑性变形的影响,并建立修正的已加工表面形成模型,通过几何和数学计算的方法求解模型,获得已加工表面形成模型的数值解,不仅能更准确获得已加工表面形貌参数(如粗糙度),还能获得描述残余切削层弹塑性变形的重要参数。此部分内容在论文第二章介绍。已加工表面灰度图像与已加工表面实际纹理轮廓的关系主要受光照模型影响,已有研究中光照模型的计算非常复杂且适用条件苛刻。本文在已有研究的经验之上,建立了适用于已加工表面的专用光照模型,并通过建模和计算分析论证了已加工表面图像灰度与实际已加工表面高度呈线性相关关系,继而实现了基于单幅图像对已加工表面形貌的三维重构,达到基于机器视觉在线获取已加工表面三维形貌的效果,为从已加工表面图像反求刀刃磨损轮廓的研究做了前期准备。这部分内容在第三章介绍。从已加工表面灰度图像获得已加工表面几何轮廓后,根据第二章的修正已加工表面几何模型的求解结果,将已加工表面轮廓对应的刀刃有效作用轮廓进行还原,分析刀具磨损状态。对比其他通过已加工表面图像研究刀具磨损的方法,如对分形分析法、GLN法和GLCM法进行同一系列实验数据的计算分析,对比结果表明,本文所提出的刀刃有效作用轮廓几何还原法比其他方法更直观,更具有鲁棒性,且适用于一般的生产加工条件。这部分内容在论文第四章介绍。第二、三、四章均通过理论分析计算和实验验证完成,本文第五章综合了以上内容对火车轮镟修进行加工现场在线监测,并验证了该在线监测系统的可行性。以上研究表明,本文提出的修正已加工表面形成模型比已有计算模型更符合实际已加工表面的情况。在修正已加工表面形成模型的基础上,结合机器视觉单幅图像三维重构技术,从已加工表面图像对刀刃有效作用轮廓进行还原,可直观识别刀刃轮廓的实际磨损状态,有效实现刀具磨损状态的在线监测。