一种基于机器视觉的数控车床对刀装置及对刀方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于机器视觉的数控车床对刀装置及对刀方法，包括对刀棒、相机和处理器，对刀棒安装于车床的卡盘上，相机固定安装于车床内的舱门上方并位于对刀棒上方，相机的镜头瞄准对刀棒前端，相机的安装角度的视场水平方向与对刀棒轴线重合，相机的信号输出端通过处理器与数控车床的车床数控系统连接。本发明通过相机采集数控车床上安装的车刀的数字图像，数字图像传送至处理器，处理器识别各把车刀刀尖点，并把计算出的刀偏值写入车床数控系统，无需试切或接触测量，快速完成对刀。还能够监测刀具的磨损和破损，实现刀具磨损量的补偿和刀具破损报警，防止意外事故和避免不必要的损失。使用方便、工作效率高，具有推广应用的价值。
【专利说明】一种基于机器视觉的数控车床对刀装置及对刀方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种数控车床加工技术，尤其涉及一种基于机器视觉的数控车床对刀装置及对刀方法。
【背景技术】
[0002]对刀是数控车床加工中较为复杂的工艺准备工作之一，对刀的准确性将直接影响到加工程序的编制及零件的加工精度，同时，对刀效率还直接影响数控车床加工效率。由于刀具类型不同及安装时的随机性，每把刀具的刀位点在机床坐标系中的位置是不同的，如果以对零操作时使用的刀具为基准刀，则其他刀具与基准刀具刀位点之间存在一个相对位置偏差，即所谓刀偏值，对刀操作的一个主要工作就是确定非基准刀相对于基准刀的刀偏值。
[0003]目前，数控车床常用的对刀方法包括:试切法对刀、专用对刀仪对刀等。相比而言试切法对刀不需辅助设备，方法简单，但耗时较长，对操作人员的技术水平和工作情绪依赖较大，对刀精度不高；专用对刀仪对刀及自动对刀可获得更高的对刀效率和精度，但成本太高，仍需一定的停机或占机调整时间，使数控车床快速高效功能的发挥受到了限制，因此，需要一种新的对刀方法诞生。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于机器视觉的数控车床对刀装置及对刀方法。
[0005]本发明通过以下技术方案来实现上述目的:
[0006]本发明所述基于机器视觉的数控车床对刀装置包括对刀棒、相机和处理器，所述对刀棒安装于所述车床的卡盘上，所述相机固定安装于所述车床内的舱门上方并位于所述对刀棒上方，所述相机的镜头瞄准对刀棒前端，相机的安装角度的视场水平方向与对刀棒轴线重合，所述相机的信号输出端通过所述处理器与所述数控车床的车床数控系统连接。
[0007]本发明所述基于机器视觉的数控车床对刀方法包括以下步骤:
[0008](I)数控车床主轴回转轴线识别和相机视场方向校正:相机拍照并读取数字图像，处理器提取视场中对刀棒前端轴段边缘直线特征，计算并记录数控车床主轴回转轴线位置与视场水平方向之间的夹角和对刀棒前端面的位置，处理器根据计算出的夹角校正相机视场水平方向与数控车床主轴回转轴线方向重合，进而在校正后的相机视场中确定机床坐标系的方向、主轴回转轴线位置(XO)和对刀棒前端面的位置(ZO)；
[0009](2)相机测量精度测定:更换基准刀为当前刀具，移动刀具靠近对刀棒端面，刀具进入相机视场后，处理器指令相机拍照，并读取数字图像，同时从数控系统中读取当前机械坐标，记录为(χι，ζι);处理器识别刀具的刀尖点，记录刀位点在相机视场坐标系中的坐标，记录为(xr , Zl/ )，在视场中移动刀具到新位置，使刀具在相机视场坐标系两个方向的位置均有变化，相机拍照并读取数字图像，同时从数控系统中读取当前机械坐标，记录为(X2，Z2)，处理器识别刀具的刀尖点，记录刀尖点在相机视场坐标系中的坐标，记录为(X2,，Z2')，此时即可测定相机在机床坐标系X轴和Z轴上的测量精度分别为:
[0010]X轴测量精度4 = χ\ Χι ,
2(X, -X2)
[0011 ] Z轴测量精度δ7 = Z\ Z',
Z1 -Z2
[0012]处理器记录计算出的基准刀两个方向的刀偏值，安装或更换工件后，针对具体的工件，只需把测量出的工件坐标系原点距离卡盘端面的距离输入处理器，处理器就可在X基的基础上直接计算出基准刀相对于工件坐标系的刀偏值，写入数控系统，供程序调用；
[0013](3)更换其余安装在刀架上的刀具到当前刀位，移动刀具靠近对刀棒端面，刀具进入相机视场后，相机拍照并读取数字图像，同时从数控系统中读取当前刀具号η和当前机械坐标，记录为(Χη，Zn)，处理器识别刀具的刀尖点，记录刀尖点在相机视场坐标系中的坐标，记录为(Xn' ,Zn')，利用相机测量精度标定时记录的基准刀的机械坐标(XI，Zl)和与之对应的刀位点在相机视场中的坐标(XP ,11' )、相机X轴测量精度S X、相机Z轴测量精度S Z，即可计算出当前车刀相对于基准刀两个方向的刀偏值为:
[0014]Nx = 2 δ χ (Xn; -X11 ) - (Xn-Xi)
[0015]Nz= δζ(Ζη' -Z11 ) - (Zn-Z1)
[0016]处理器计算出的当前刀具相对于基准刀两个方向的刀偏值，写入数控系统，供程序调用；同理，完成安装在刀架上其余刀具的刀偏值的测定。
[0017]本发明的有益效果在于:
[0018]本发明是一种基于机器视觉的数控车床对刀装置及对刀方法，与现有技术相比，本发明通过相机采集数控车床上安装的车刀的数字图像，数字图像传送至处理器，处理器识别各把车刀刀尖点，并把计算出的刀偏值写入车床数控系统，无需试切或接触测量，快速完成对刀。还能够监测刀具的磨损和破损，实现刀具磨损量的补偿和刀具破损报警，防止意外事故和避免不必要的损失。使用方便、工作效率高，具有推广应用的价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明相机安装位置示意图；
[0020]图2是本发明的系统结构框图；
[0021 ] 图3是本发明的相机视场示意图；
[0022]图4是本发明确定主轴回转轴线位置、相机视场方向校正示意图；
[0023]图5是本发明标定相机测量精度的结构示意图；
[0024]图6是本发明测量其余刀具相对于基准刀的刀偏值示意图；
[0025]图7是本发明车刀磨损和破损监测的相机安装位置示意图。
[0026]图中:1-相机、2-对刀棒、3-卡盘、4-工件、5-车刀检测相机、A-相机视场坐标系、B-机床坐标系、C-相机视场。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作进一步说明:
[0028]如图1至图3所示:本发明所述基于机器视觉的数控车床对刀装置包括对刀棒2、相机I和处理器，对刀棒2安装于车床的卡盘3上，相机I固定安装于车床内的舱门上方并位于对刀棒2上方，相机I的镜头瞄准对刀棒2前端，相机I的安装角度的视场水平方向与对刀棒2轴线重合，相机I的信号输出端通过处理器与数控车床的车床数控系统连接。
[0029]本发明所述基于机器视觉的数控车床对刀方法如下:
[0030]如图4所示:数控车床主轴回转轴线识别和相机视场方向校正:相机I拍照并读取数字图像，处理器提取视场中对刀棒2前端轴段边缘直线特征，计算并记录数控车床主轴回转轴线位置与视场水平方向之间的夹角和对刀棒2前端面的位置，处理器根据计算出的夹角校正相机视场C水平方向与数控车床主轴回转轴线方向重合，进而在校正后的相机视场C中确定机床坐标系B的方向、主轴回转轴线位置(XO)和对刀棒2前端面的位置(ZO)；
[0031]如图5所示:相机I测量精度测定:更换基准刀为当前刀具，移动刀具靠近对刀棒2端面，刀具进入相机视场C后，处理器指令相机I拍照，并读取数字图像，同时从数控系统中读取当前机械坐标(相机视场坐标系A的坐标)，记录为(XI，Zl);处理器识别刀具的刀尖点，记录刀位点在相机视场坐标系A中的坐标，记录为(XI' , 11' )，在相机视场C中移动刀具到新位置，使刀具在相机视场坐标系A两个方向的位置均有变化，相机I拍照并读取数字图像，同时从数控系统中读取当前机械坐标，记录为(X2，Z2)，处理器识别刀具的刀尖点，记录刀尖点在相机视场坐标系A中的坐标，记录为(X2,，Z2')，此时即可测定相机I在机床坐标系B的X轴和Z轴上的测量精度分别为:
X -X
[0032]X轴测量精度δχ = ~^~
2(X, -X2)
[0033]Z轴测量精度δτ = ,2,
Z1 -Z2
[0034]处理器记录计算出的基准刀两个方向的刀偏值，安装或更换工件4后，针对具体的工件4，只需把测量出的工件4坐标系原点距离卡盘3端面的距离输入处理器，处理器就可在X基的基础上直接计算出基准刀相对于工件4坐标系的刀偏值，写入数控系统，供程序调用；
[0035]如图6所示:更换其余安装在刀架上的刀具到当前刀位，移动刀具靠近对刀棒2端面，刀具进入相机视场C后，相机I拍照并读取数字图像，同时从数控系统中读取当前刀具号η和当前机械坐标，记录为(Χη，Zn)，处理器识别刀具的刀尖点，记录刀尖点在相机视场坐标系A中的坐标，记录为(XY ,Zni )，利用相机测量精度标定时记录的基准刀的机械坐标(XI，Zl)和与之对应的刀位点在相机视场C中的坐标(ΧΓ，Zl')、相机I的X轴测量精度S X、相机I的Z轴测量精度δ Ζ，即可计算出当前车刀相对于基准刀两个方向的刀偏值为:
[0036]Nx = 2 δ χ (Xn; -X1' )-(Xn-X1)
[0037]Nz= δζ(Ζη' -Z1' )-(1-1,)
[0038]处理器计算出的当前刀具相对于基准刀两个方向的刀偏值，写入数控系统，供程序调用；同理，完成安装在刀架上其余刀具的刀偏值的测定。
[0039]实施例一:
[0040]如图7所示:加工过程中，在数控车床上不与工件夹具干涉的开敞区域再安装一个车刀检测相机5，可用于车刀磨损和破损的检测，以及加工过程中更换的刀具的刀偏值测定。车刀检测相机5安装于机舱内的后上方。按照前述方法安装车刀检测相机5并对车刀检测相机5进行尺寸精度标定。
[0041]加工开始前，可用程序控制包括基准刀在内的各把刀具移动进入车刀检测相机5视场，采集各把刀具的初始数字图像，并记录机械坐标等信息；加工过程中，可在适当时候控制移动刀具进入车刀检测相机5视场，采集数字图像并记录机械坐标等信息；用加工过程中采集的刀具数字图像与对应初始图像进行比较，刀尖点位置的变化量即为刀具磨损量，把计算出的磨损量写入数控系统，实现刀具磨损量的补偿；设置磨损量变化阈值后，可判定刀具磨损失效或刀具破损。
[0042]加工过程中更换的刀具相对基准刀的刀偏值的测定也可在车刀检测相机5的视场中完成。更换完刀具后，移动刀具进入车刀检测相机5的视场，采集图像并记录机械坐标，用前述方法与记录的基准刀信息进行比较计算后，可直接得到更换的刀具相对基准刀的刀偏值。
[0043]本发明本通过数字相机采集数控车床上安装的多把车刀的数字图像，采集数字图像的同时，处理器从车床数控系统中读取记录对应的数控车床机械坐标，数字图像传送至处理器，处理器识别各把车刀刀尖点，利用各把车刀刀尖点在相机视场中坐标值和对应的机械坐标值即可计算出各把刀具相对于基准刀的刀偏值，并把计算出的刀偏值写入车床数控系统，无需试切或接触测量，快速完成完成对刀。本发明还能够通过采集同一把刀具在加工过程中不同阶段的数字图像，进行比较计算后，监测刀具的磨损和破损，实现刀具磨损量的补偿和刀具破损报警，防止意外事故和避免不必要的损失。通过使用定长并具有定位结构的对刀棒，还可处理计算出卡盘端面的具体位置，工件安装或更换后，仅需测量出工件原点到卡盘端面的距离，经过计算后即可得到标准刀相对于工件坐标系原点的刀偏值，简化了工件安装或更换后的对刀操作过程。
[0044]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种基于机器视觉的数控车床对刀装置，其特征在于:包括对刀棒、相机和处理器，所述对刀棒安装于所述车床的卡盘上，所述相机固定安装于所述车床内的舱门上方并位于所述对刀棒上方，所述相机的镜头瞄准对刀棒前端，相机的安装角度的视场水平方向与对刀棒轴线重合，所述相机的信号输出端通过所述处理器与所述数控车床的车床数控系统连接。
2.一种基于机器视觉的数控车床对刀方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)数控车床主轴回转轴线识别和相机视场方向校正:相机拍照并读取数字图像，处理器提取视场中对刀棒前端轴段边缘直线特征，计算并记录数控车床主轴回转轴线位置与视场水平方向之间的夹角和对刀棒前端面的位置，处理器根据计算出的夹角校正相机视场水平方向与数控车床主轴回转轴线方向重合，进而在校正后的相机视场中确定机床坐标系的方向、主轴回转轴线位置(XO)和对刀棒前端面的位置(ZO)； (2)相机测量精度测定:更换基准刀为当前刀具，移动刀具靠近对刀棒端面，刀具进入相机视场后，处理器指令相机拍照，并读取数字图像，同时从数控系统中读取当前机械坐标，记录为(X1，Z1);处理器识别刀具的刀尖点，记录刀位点在相机视场坐标系中的坐标，记录为(ΧΓ , Zr )，在视场中移动刀具到新位置，使刀具在相机视场坐标系两个方向的位置均有变化，相机拍照并读取数字图像，同时从数控系统中读取当前机械坐标，记录为(X2，Z2)，处理器识别刀具的刀尖点，记录刀尖点在相机视场坐标系中的坐标，记录为(X2,，Z2')，此时即可测定相机在机床坐标系X轴和Z轴上的测量精度分别为: X轴测量精度5 - Xl,—义2 ,
!(X1 -X2) ζ轴测量精度之=Z'—\
Ζγ — Z 2 处理器记录计算出的基准刀两个方向的刀偏值，安装或更换工件后，针对具体的工件，只需把测量出的工件坐标系原点距离卡盘端面的距离输入处理器，处理器就可在X基的基础上直接计算出基准刀相对于工件坐标系的刀偏值，写入数控系统，供程序调用； (3)更换其余安装在刀架上的刀具到当前刀位，移动刀具靠近对刀棒端面，刀具进入相机视场后，相机拍照并读取数字图像，同时从数控系统中读取当前刀具号η和当前机械坐标，记录为(Χη，Ζη)，处理器识别刀具的刀尖点，记录刀尖点在相机视场坐标系中的坐标，记录为(Xn' ,Zn')，利用相机测量精度标定时记录的基准刀的机械坐标(XI，Zl)和与之对应的刀位点在相机视场中的坐标(XP ,11' )、相机X轴测量精度S X、相机Z轴测量精度SZ，即可计算出当前车刀相对于基准刀两个方向的刀偏值为:
Nx = 2δχ(Χ/ -X/ )-(Xn-X1)
Nz = δζ(ν _V ) _ (Zn-Z1) 处理器计算出的当前刀具相对于基准刀两个方向的刀偏值，写入数控系统，供程序调用；同理，完成安装在刀架上其余刀具的刀偏值的测定。
【文档编号】B23B25/06GK104190963SQ201410321082
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】安宇, 陈为民, 王玮, 栗勋 申请人:昆明学院