CNC视觉定位系统的制作方法

本实用新型涉及机械设备领域，特别涉及一种CNC视觉定位系统。

背景技术：

数控机床加工过程中，产品往治具上装夹时，存在装夹误差，产品位置度不同。有些情况下需要在同一个平面上找到某些特征的相对位置。实现产品位置的高精度定位是一个很大的难题。

另外，在加工过程中，环境恶劣，切削液、油污、铝屑等对视觉系统正常工作造成了很大的影响，让视觉定位系统稳定可靠的工作在数控机床内部也是一个不小的难题。

现有的数控机床产品定位采用机械式探头，对产品的位置度进行探测。该探头可以安装在刀库上，采用无线通信方式和信号接收器通信。机床平台缓慢移动，当产品边缘触碰到探头探针时，探头会发出接触到产品信号，接触力度不同产生的形变量也不同，是一种接触力的测量，间接实现产品位置度的测量。但是这种方式存在着定位精度低、定位时间长，以及加工废品率高等问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种CNC视觉定位系统，包括：控制机构，所述控制机构包括：视觉控制器，光源控制器，电源，IO控制电路，以太网通讯接口；

CCD定位机构，所述CCD定位机构包括：图像采集器，光源；以及

人机界面；

视觉控制器分别与图像采集器、光源控制器及人机界面相连接；光源控制器分别与光源和IO控制电路相连接；

图像采集器采集特征点的图像并输送到视觉控制器，视觉控制器运用图像处理技术，对图像进行处理，并查找特征点的位置信息，计算出实际物理位置坐标通过以太网通讯接口发送至CNC，CNC根据位置坐标进行精确加工。

进一步，还包括：视觉成像防护机构，用以保护图像采集器。

优选地，图像采集器为高分辨率的工业相机。

优选地，人机界面包括显示器、鼠标、键盘。

优选地，视觉成像防护机构为全封闭的结构，包括：防护玻璃和镜头挡板，镜头挡板设置在防护玻璃前面，用以防护防护玻璃。箱式结构的缝隙处采用密封密封处理，以便防水

本实用新型的CNC视觉定位系统的使用方法，包括定位准备，定位准备包括如下步骤：

步骤1，成像调节：将需要定位的特征点移到镜头的正下方，调节参数对焦，使得要定位的特征点的灰度对比度达到最佳；

步骤2，标定：在工件上钻一个小孔，视觉控制器自动获取当前坐标，将小孔移动至镜头下方，调整小孔算法参数，利用小孔自动标定，完成像素到物理坐标的转换；

步骤3，转换矩阵：CCD定位机构每次完成对标定小孔的定位后，自动记录小孔像素坐标及CNC机床当前位置坐标，再通过以太网发送下一个目标点需要移动的位置坐标给机床，机床移动到指定位置后通知视觉控制器，再次定位小孔位置，记录像素坐标，走完9个点的矩阵后对像素坐标和物理坐标进行运算，得到转换矩阵；

步骤4，特征定位设定：将需要查找的特征点移动至镜头下方，设定模板，对模板内的特征选择合适的查找方法，并根据查找到的一些基本特征运算得到需要的位置坐标；

步骤5，设置输出：设定通讯参数，将特征定位的结果经过转换矩阵得到对应的物理位置坐标，并设置数据格式，通过指定端口写入对应位置。

进一步，上述方法还包括：定位加工，包括如下步骤：

步骤1：运行机床加工程式，将工件特征位置移动至镜头下方(固定焦距)；

步骤2：光源控制器通过IO控制电路传送信号打开光源，发出拍照指令；

步骤3：相机完成曝光采图；

步骤4：视觉控制器运用图像处理技术，对采集的图像进行降噪、畸变矫正、二值化、模板查找、阈值分割等算法技术处理；

步骤5：查找到对应的特征位置信息；

步骤6：计算出实际物理位置坐标通过以太网接口发送至机床；

步骤7：重复步骤1-6，对多个特征进行定位输出。

步骤8：定位完成后，关闭光源；

步骤9：机床根据给出的定位坐标进行精确加工。

本实用新型的一种CNC视觉定位系统具有如下优点：

①.高精度：可实现亚像素级精度定位。在配合适当光源和相机情况下，定位精度可达μ级；

②.高速度：对产品拍照一次即可实现精确定位，机械式探头需要对各个边缘进行多次探测再综合计算得到产品实际位置坐标；

③.可测量同一平面上的特征位置：需要测量平面上的某些特征位置时，由于无边缘可以接触，机械式探头就无能为力了。视觉定位系统可以轻松成像，对特征进行定位；

④.通讯：采用以太网接口，通讯稳定、速度快。可直接计算传输浮点坐标给机台。

总之，本实用新型具有结构简单、使用方便，定位精度高、适应性高、生产效率高的优点。

附图说明

图1为本实用新型的一个较佳实施例的CNC视觉定位系统的结构示意图；

图2为本实用新型的CNC视觉定位系统中的视觉成像防护机构的结构剖视图；

图3为本实用新型的CNC视觉定位系统中的视觉成像防护机构的结构示意图；

图4为本实用新型的的CNC视觉定位系统的使用方法的定位准备过程的流程示意图；

图5为本实用新型的的CNC视觉定位系统的使用方法的定位加工过程的流程示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本实用新型的一个较佳实施例，举例证明本实用新型可以实施，可以向本领域中的技术人员完整介绍本实用新型，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，其保护范围并非仅限于文中提到的实施例，本文的附图和说明本质上是举例说明而不是限制本实用新型。在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。

如图1所示，本实用新型的一个较佳实施例提供了一种CNC视觉定位系统，包括：控制机构，所述控制机构包括：视觉控制器，光源控制器，电源，IO控制电路，以太网通讯接口；CCD定位机构，所述CCD定位机构包括：图像采集器，光源；以及人机界面；其中，视觉控制器分别与图像采集器、光源控制器及人机界面相连接；光源控制器分别与光源和IO控制电路相连接；图像采集器采集特征点的图像并输送到视觉控制器，视觉控制器运用图像处理技术，对图像进行处理，并查找特征点的位置信息，计算出实际物理位置坐标通过以太网通讯接口发送至CNC，CNC根据位置坐标进行精确加工。

本实施例中，视觉成像防护机构，用以保护图像采集器。图像采集器为高分辨率的工业相机。 人机界面包括显示器、鼠标、键盘。

如图2和图3所示，视觉成像防护机构为全封闭的箱式结构，内部从上至下依次设置有工业相机1，相机镜头2，光源3和光源4，下面设置有防护玻璃5。本实施例中，采用高透光的防护玻璃，以便获得更好地拍摄效果。镜头挡板6设置在一抽拉机构上，用以保护防护玻璃5。抽拉机构采用气缸提供动力，气缸的活塞7与镜头挡板6联动。箱体上还设置有孔8，电缆导线等从孔8中穿出来。箱式结构的缝隙处采用密封密封处理，以便防水。整个防护机构采用IP67防水等级设计，可防水防雾及加工碎屑。采用对称钢结构，稳定性高。结构件之间采用密封垫及橡胶条密封处理。电源3为同轴LED工业电源，电源4为环形LED工业电源。相机镜头2下方固定有高透光防护玻璃5，实现真空封闭环境。防护玻璃5 下方采用镜头挡板6对玻璃进行二次防护，加工过程中镜头挡板6封闭，碎屑液体等均不会对防护玻璃5形成脏污，影响成像。需要拍照时，镜头挡板6向一侧拉出，透过防护玻璃5，工业相机1可以完成对焦成像。

本实用新型的CNC视觉定位系统的使用方法如下：

1、包括定位准备，定位准备包括如下步骤：

步骤1，成像调节：将需要定位的特征点移到镜头的正下方，调节参数对焦，使得要定位的特征点的灰度对比度达到最佳；

具体地，调节主轴上下位置，对好焦距，调节光源亮度、曝光度等参数。

步骤2，标定：在工件上钻一个小孔，视觉控制器自动获取当前坐标，将小孔移动至镜头下方，调整小孔算法参数，利用小孔自动标定，完成像素到物理坐标的转换；

具体地，用1mm左右的刀具在工件上钻一个小孔，像素到物理坐标的转换，其中包含镜头畸变矫正等。

步骤3，转换矩阵：CCD定位机构每次完成对标定小孔的定位后，自动记录小孔像素坐标及CNC机床当前位置坐标，再通过以太网发送下一个目标点需要移动的位置坐标给机床，机床移动到指定位置后通知视觉控制器，再次定位小孔位置，记录像素坐标，走完9个点的矩阵后对像素坐标和物理坐标进行运算，得到转换矩阵；

具体地，机床移动到指定位置后通知视觉软件，软件再次定位小孔位置，记录像素坐标，走完9个点的矩阵后对像素坐标和物理坐标进行运算，得到变换矩阵。

步骤4，特征定位设定：将需要查找的特征点移动至镜头下方，设定模板，对模板内的特征选择合适的查找方法，并根据查找到的一些基本特征运算得到需要的位置坐标；

比如，对模板内的特征包括点、线、圆弧等选择合适的查找方法，并设置合适的算法参数。

步骤5，设置输出：设定通讯参数，将特征定位的结果经过转换矩阵得到对应的物理位置坐标，并设置数据格式，通过指定端口写入对应位置。

如图4所示，具体包括如下步骤：

S1：焦距调节；

S2：光源、曝光值等调节；

S3：打标定辅助定位孔；

S4：自动标定；

S5：模板设定；

S6：特征查找；

S7：输出设定。

2、还包括：定位加工，包括如下步骤：

步骤1：运行机床加工程式，将工件特征位置移动至镜头下方(固定焦距)；

步骤2：光源控制器通过IO控制电路传送信号打开光源，发出拍照指令；

步骤3：相机完成曝光采图；

步骤4：视觉控制器运用图像处理技术，对采集的图像进行降噪、畸变矫正、二值化、模板查找、阈值分割等算法技术处理；

步骤5：查找到对应的特征位置信息；

步骤6：计算出实际物理位置坐标通过以太网接口发送至机床；

更进一步，还包括步骤7：重复步骤1-6，对多个特征进行定位输出。

步骤8： 定位完成后，关闭光源；

步骤9：机床根据给出的定位坐标进行精确加工。

如图5所示，具体包括如下步骤：

S10：装夹工件；

S11：测量程式运行；

S12：打开镜头挡板；

S13：打开光源；

S14：拍照定位，判断结果：

OK，转S15；NG，停机人工处理；

S15：发送定位坐标；

S16：关闭光源、镜头挡板；

S17：精确加工；

S18：人工下料；

S19：返回S1。

本实用新型的另一个较佳实施例是应用于金属手机壳CNC加工上，在CNC加工中心成功部署200套该视觉定位系统装置，经过设计、试验、调试成功，对手机壳的耳机孔和USB孔实际位置进行定位，根据定位结果对孔内的塑胶部分进行加工，加工后可保证残留的塑胶部分均匀分布。结果表明，该定位装置完全适应数控加工环境，定位后实际综合加工精度可达到0.01mm，加工废品率几乎为0；定位时间比探头方式降低90%，大大提高了生产效率。带来了巨大效益。

本实用新型的一种CNC视觉定位系统具有如下优点：

①.高精度：可实现亚像素级精度定位。在配合适当光源和相机情况下，定位精度可达μ级；

②.高速度：对产品拍照一次即可实现精确定位，机械式探头需要对各个边缘进行多次探测再综合计算得到产品实际位置坐标；

③.可测量同一平面上的特征位置：需要测量平面上的某些特征位置时，由于无边缘可以接触，机械式探头就无能为力了。视觉定位系统可以轻松成像，对特征进行定位；

④.通讯：采用以太网接口，通讯稳定、速度快。可直接计算传输浮点坐标给机台。

总之，本实用新型具有结构简单、使用方便，定位精度高、适应性高、生产效率高的优点。

以上仅是本实用新型的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。