基于视觉的数控机床全闭环系统的加工方法与流程

本发明涉及数控机床控制技术领域，更具体地说，涉及一种基于视觉的数控机床全闭环系统的加工方法。

背景技术：

数控机床分成开环、半闭环和闭环三种控制方式。开环数控机床没有反馈，精度不高；半闭环数控机床用电机上的脉冲编码器做反馈元件，能够控制电机的转速，精度较高；闭环数控机床用光栅尺做位置反馈元件，精度最高。

数控机床用刀具削减毛坯上的材料，以与设计目标吻合，但无论是半闭环和闭环，都没有控制刀具在毛坯上的削减结果，没有把切削过程纳入控制的闭环当中。如果把切削过程也纳入控制闭环，控制加工过程中的每一步骤的加工结果，将可以提高加工精度。

因此，现有技术亟待有很大的进步。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的缺陷，提供一种基于视觉的、实时测量加工件三维形貌的全闭环系统，包括半闭环控制的工作台、构成全闭环的测量单元、分析计算单元、加工用的刀夹和刀具，具体如下：

其中的测量单元呈法兰盘状，用滚动轴承加装在刀夹旁、刀柄上，测量单元不随刀具转动，但随刀具移动，测量单元径向等间距安装有若干对激光发射器和摄像头，摄像头处于外面的大圆环上，激光发射器处于里面的小圆环上，激光发射器和摄像头间的直线距离与测量单元到工件的最常工作位置间的距离大致相等，激光发射器和摄像头的距离、激光发射器在工件表面投影的激光曲线、摄像头和激光曲线的距离，三条边长度近似相等，构成封闭三角形；

激光发射器竖直向下发出“一”字型激光，“一”字型激光随零件表面的起伏而呈现不同的形状，摄像头的光轴向激光线方向偏转；摄像头的光轴向在垂直的竖直方向上并不是竖直向下安装，而是向刀具有一个偏转角度，摄像头的光轴向刀具偏转，偏转角度使得在工件最常工作位置上，激光器发出的激光线穿过摄像头所成像图像的中心，在工件的最上工作位置上形成最上工作位置的激光线的成像、在工件的最下工作位置上形成最下工作位置激光线的成像，激光线的成像在摄像头图像的边缘带以内，并且两个摄像头的视野范围重叠；激光发射器和摄像头一一相间，一个测量单元至少有三对激光发射器和摄像头，以在工件表面构成封闭的激光线形状；激光发射器发出的激光、激光发射器和摄像头的直线距离、激光线到摄像头的距离，三条边构成一个封闭三角形，刀具经过的每一个点都会前后方的摄像头至少测量两次；

所述的分析计算单元与原来的半闭环控制工作台一起构成全闭环系统，分析计算单元根据摄像采集到的激光线位置和形状，按照三角形法则计算工件表面的形貌；由于工件表面形貌变化，投影到工件表面的激光在摄像头中的成像形状、位置会发生变化，激光直线会变激光曲线，工件表面由加工动作前的工件表面变成加工动作后的工件表面，激光的成像位置会由加工动作后的工件表面上激光线的成像变成激光发射器和摄像头间的距离，激光发射器和摄像头的距离与测量单元到工件最常工作位置间的最常位置距离相等，激光发射器和摄像头构成封闭形状，刀具经过的每一个点至少会都被测量两次，在这种全闭环系统中刀具的每个加工动作可以得到相应的加工效果，以及与预期效果的偏差，并可以建立出加工参数和加工效果的对应关系，还可重建出的加工前和加工后的三维形貌。

优选地，实施的刀具朝每个方向运动，至少还有一个摄像头能观察到激光线，能重建工件的表面形貌。

优选地，工件与测量单元间的距离，无论工件处在最大距离位置上还是在最小距离位置上，相邻摄像头的视野都要有重叠，相邻摄像头的视野没有重叠的工作位置是非法的工作位置。

一种基于视觉的数控机床全闭环系统的加工方法，完成一次加工包括扫描工作台、夹具并建模、扫描毛坏并建模、加工、加工结束四个步骤，分别如下：

步骤S1.扫描工作台、夹具并建模

用测量单元对工作台、夹具进行扫描，建立工作台、夹具的三维模型。输入机床参数，例如工作台极限位置、机床的极限速度、机床的形变参数、机床的刀具状况；

步骤S2.扫描毛坏并建模

同扫描工作台、夹具并建模一样，加工时前输入加工目标的三维模型以及表面要求，然后用测量单元对毛坏进行扫描，建立毛坯的三维模型。

步骤S3.加工、动态调整道具轨迹

将毛坯与加工目标对齐，对加工目标的三维模型和毛坯的三维模型求差，根据机床的最大步进、最小步进、机床抖动等参数，自动生成加工动作序列；

分析计算单元驱动机床按预先生成的加工动作序列开始加工。加工过程中，刀具每移动一步，摄像头对测量刀具周围的封闭激光线成像，分析计算单元定位加工后的刀具轨迹，重建工件表面形貌，反馈加工效果，并计算与预期效果的偏差，建立和修正加工参数和加工效果的对应关系，同时根据加工效果修正预先生成的加工动作序列：

步骤S31：分析计算单元驱动机床按预先生成的加工动作序列开始加工；

步骤S32：加工过程中，刀具每移动一步，摄像头对测量刀具周围的封闭激光线成像；

步骤S33：分析计算单元定位加工后的刀具轨迹，重建工件表面形貌；

步骤S34：反馈加工效果，并计算与预期效果的偏差，建立和修正加工参数和加工效果的对应关系；

步骤S35：根据步骤S34的加工效果形成修正加工动作序列，继续加工。

步骤S4.加工结束

加工结束时，根据测量结果，输出加工工件的尺寸、表面要求等参数。

优选地，让激光发射器和摄像头的距离与测量单元到工件表面的距离大致相等；

优选地，工件与测量单元间的距离，无论工件处在最大距离位置上还是在最小距离位置上，相邻摄像头的视野都要有重叠，相邻摄像头的视野没有重叠的工作位置是非法的位置；

优选地，调整激光发射器的焦距为测量单元到工件表面的距离；

优选地，关闭加工机床上的全部灯光，以突出激光在工件表面的亮度。

优选地，关闭加工机床上的切削液，以提高摄像头采集的准确度。

优选地，采用小步幅加工，以避免卷起切削废料，提高摄像头采集激光线的准确度。

优选地，根据卷起的切削废料高于加工前工件，分析计算单元可以识别出卷起的切削废料。

本发明具有的优点有：可以实时测量刀具每次移动后的加工动作效果，重建加工过程中的形貌，将加工的表面质量例如粗糙度等也纳入全闭环的控制系统，能成倍地提高加工精度；由于对每个动作都有反馈，因此能够准确辨识出机床抖动等参数和动态特性，能自动完成补偿，在机床不变的情况下提高机床的加工质量；由于输入了加工目标的三维模型，也扫描了毛坏，在分析计算单元内能自动规划加工动作序列，加工过程中能自动补偿前面加工动作的误差,达到要求的质量后能自动停止，因此能更高自动化程度地完成加工任务。

附图说明

图1是本发明基于视觉的数控机床全闭环系统的结构示意图。

图2是本发明基于视觉的数控机床全闭环系统的测量单元示意图。

图3是基于视觉的数控机床全闭环系统的加工过程中测量示意图。

图4是基于视觉的数控机床全闭环系统的加工过程中激光器、激光、摄像头和刀具位置关系示意图。

图5是基于视觉的数控机床全闭环系统的一次加工过程计算流程示意图。

图中：

1、刀夹

2、刀具

3、激光发射器

4、测量单元

5、摄像头

6、激光发射器和摄像头间的直线距离

7、相邻摄像头的重叠视野

8、摄像头的视野范围

9、竖直向下看到的激光线(激光发射器的观察角度)

10、摄像头看到的激光线(斜向的观察角度)

11、工件的最上工作位置

12、最上工作位置的激光线的成像

13、工件的最下工作位置

14、最下工作位置激光线的成像

15、加工动作前的工件表面上激光线的成像

16、加工动作前的工件表面

17、加工动作后的工件表面

18、加工动作后的工件表面上激光线的成像

19、工件的最常工作位置

20、竖直向下的激光线

21、工件

22、偏转角度

具体实施方式

针对数控铣床，本发明具体实施如下：

如图1-5所示，一种基于视觉的数控机床全闭环系统，基本思想是在加工过程中实时测量零件的三维形貌，以提高加工的精度，具体包括半闭环控制的工作台、构成全闭环的测量单元、分析计算单元、加工用的刀夹和刀具，

其中的测量单元4如附图2，呈法兰盘状，用滚动轴承加装在刀夹1旁、刀柄上，不随刀具2转动，但随刀具2移动，测量单元4径向等间距安装有若干对激光发射器3和摄像头5，摄像头5处于外面的大圆环上，激光发射器3处于里面的小圆环上，为了提高测量的准确性，激光发射器和摄像头间的直线距离6与测量单元4到工件的最常工作位置19间的距离大致相等，激光发射器和摄像头间的直线距离6、激光发射器3在工件21表面投影的激光曲线、摄像头和激光曲线的距离，三条边长度近似相等，构成封闭三角形；

激光发射器3竖直向下发出“一”字型激光，“一”字型激光会随零件表面的起伏而呈现不同的形状，实现观测到的、曲面上的激光曲线10，多个摄像头5在测量单元4的安装面上对圆心呈幅射状安装，摄像头的光轴向激光线方向偏转；摄像头5的光轴向在垂直的竖直方向上并不是竖直向下安装，而是向刀具2方向有偏转角度22，偏转角度22满足以下条件：在工件的最常工作位置19上，激光器发出的激光线9穿过摄像头所成像图像的中心，在工件的最上工作位置11形成最上工作位置的激光线的成像12、在工件的最下工作位置13上形成最下工作位置激光线的成像14，激光发射器3发出的激光线在摄像头5所成图像的边缘带以内，并且相邻两个摄像头的视野范围8应该部分重叠，即为相邻摄像头的重叠视野7，保证每条激光线都能被完整地采集；激光发射器3和摄像头5一一相间，一个测量单元4至少有三对激光发射器3和摄像头4，以在工件表面构成封闭的激光线，刀具2无论向哪个方向运动，至少还有一个摄像头5能观察到激光线，能重建工件的表面形貌；激光发射器3发出的竖直向下的激光线20、激光发射器和摄像头间的直线距离6、摄像头看到的激光线(斜向的观察角度)10到摄像头5的距离三条边构成封闭三角形，刀具经过工件的每一个点都会被前后方的摄像头至少测量两次；

由于工件表面形貌变化，投影到工件表面的激光在摄像头5中的成像形状、位置会发生变化，如图3中的激光在竖直方向的直线，即为竖直向下看到的激光线(激光发射器的观察角度)9在摄像头视角中变成激光曲线，即为摄像头看到的激光线(斜向的观察角度)10，而图4中工件表面由加工动作前的工件表面16变成加工动作后的工件表面17，激光的成像位置会由加工动作前的工件表面上激光线的成像15变成加工动作后的工件表面上激光线的成像19。

所述的分析计算单元如图1所示，与原来的半闭环控制工作台一起构成全闭环系统，分析计算单元根据摄像5采集到的激光线位置和形状，按照三角形法则计算工件表面的形貌。为了提高测量的准确性，让激光发射器和摄像头的距离6与测量单元4到工件最常工作位置19间的距离大致相等。由于激光发射器和摄像头间的直线距离6、激光发射器3在工件21表面投影的激光曲线、摄像头和激光曲线的距离，三条边长度近似相等，构成封闭三角形，因此刀具2经过的每一个点至少会都被测量两次，所以在这种全闭环系统中刀具2的每个加工动作(可以理解为一行G代码)可以得到相应的加工效果，以及与预期效果的偏差，并可以建立出机床参数、加工参数和加工效果的对应关系，动态整定机床参数。这种细化到每个加工动作的全闭环系统，按照实时整定的机床参数，动态调整加工参数，得到更精确的加工效果。

一种基于视觉的数控机床全闭环系统的加工方法，完成一次加工包括扫描工作台、夹具并建模、扫描毛坏并建模、加工、加工结束四个步骤，如图5所示，内容分别如下：

步骤S1.扫描工作台、夹具并建模

用测量单元对工作台、夹具进行扫描，建立工作台、夹具的三维模型。输入机床参数，例如工作台极限位置、机床的极限速度、机床的形变参数、机床的刀具状况；

步骤S2.扫描毛坏并建模

同扫描工作台、夹具并建模一样，加工时前输入加工目标的三维模型以及表面要求，然后用测量单元对毛坏进行扫描，建立毛坯的三维模型；

步骤S3.加工、动态调整道具轨迹

将毛坯与加工目标对齐，对加工目标的三维模型和毛坯的三维模型求差，根据机床的最大步进、最小步进、机床抖动等参数，自动生成加工动作序列；

分析计算单元驱动机床按预先生成的加工动作序列开始加工。加工过程中，刀具每移动一步，摄像头对测量刀具周围的封闭激光线成像，分析计算单元定位加工后的刀具轨迹，重建工件表面形貌，反馈加工效果，并计算与预期效果的偏差，建立和修正加工参数和加工效果的对应关系，同时根据加工效果修正预先生成的加工动作序列：

步骤S31：分析计算单元驱动机床按预先生成的加工动作序列开始加工；

步骤S32：加工过程中，刀具每移动一步，摄像头对测量刀具周围的封闭激光线成像；

步骤S33：分析计算单元定位加工后的刀具轨迹，重建工件表面形貌；

步骤S34：反馈加工效果，并计算与预期效果的偏差，建立和修正加工参数和加工效果的对应关系；

步骤S35：根据步骤S34的加工效果形成修正加工动作序列，继续加工。

步骤S4.加工结束

加工结束时，根据测量结果，输出工件的尺寸、表面要求等参数。

本实施例中，工件21与测量单元4间的距离，无论工件21处在最大距离位置上还是在最小距离位置上，相邻摄像头的视野都要有重叠，相邻摄像头5的视野没有重叠的工作位置是非法的工作位置；调整激光发射器3的焦距为测量单元4到工件21表面的距离；关闭加工机床上的全部灯光，以突出激光在工件表面的亮度；关闭加工机床上的切削液，以提高摄像头5采集的准确度；采用小步幅加工，以避免卷起切削废料，提高摄像头采集激光线的准确度；根据卷起的切削废料高于加工前工件，分析计算单元可以识别出卷起的切削废料。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。