一种基于数控设备测高组件的测高方法与系统与流程

1.本发明涉及数控设备测高组件领域，尤其涉及一种基于数控设备测高组件的测高方法与系统。


背景技术：

2.数控设备可以控制加工执行器对合适的工件(所述工件即本发明中的待测组件)进行加工、测量等处理。测高是数控设备常见的功能，数控设备往往需要获知待加工工件的高度信息才能在合适的位置加工或测量处理，准确的测得待加工工件的高度，有助于实现如准确对刀(对雕、铣设备)、精准对焦(对激光雕刻设备)、良好的第一层黏附(对三维打印设备)等功能，即可以对提高加工精度和/或提高加工的成功率有着重要的帮助。在现有数控设备测高方法中，采用z轴上电机上的编码器或z轴上的光栅尺的方法精度高，但价格昂贵；通过在加工执行器或固定框架上安装接触开关来控制加工执行器对待加工工件进行加工、测量等处理的方法成本低，但加工执行器的加工头容易与待加工工件发生位置干涉，如果要避免干涉则需要配备复杂的机械装置；其他方法包括使用电感或电容接近传感器，但对于平面属性也有要求。因此如何实现低成本又高精度的稳定可靠的测高方法，成为急待解决的问题。


技术实现要素：

3.为了解决在加工执行器或固定框架上安装接触开关来控制加工执行器对待加工工件进行加工、测量等处理的方法成本低，但加工执行器的加工头容易与待加工工件发生位置干涉的问题，本发明提出了一种基于数控设备测高组件的测高方法，所述测高组件包括光电信号采集阵列、光源、透镜以及处理部，其中光源在光电信号采集阵列一侧，光源发出的光照射在待测组件的待测平面上，透镜用于聚焦光源发出的光，所述测高方法主要包括步骤：
4.a1：在待测组件的待测平面上通过预设定位机构驱动测高组件在数控设备坐标轴上移动，得到每次移动对应的预设移动距离；在每一次的移动过程中利用光电信号采集阵列获取若干个待测平面的反射光图样，并通过处理部获取相邻反射光图样之间的距离；
5.a2:通过各预设移动距离与其对应的相邻反射光图样之间的距离利用预设高度值获取模型得到待测组件的目标高度值。
6.进一步地，所述预设高度值获取模型的获取方法包括步骤：
7.b1：在测高组件的标准测高范围内采集标准组件的若干个高度点；
8.b2：在每个高度点上，通过预设定位机构驱动测高组件在数控设备坐标轴上移动任意距离，得到测高组件在每个高度点上的移动距离；
9.b3：当测高组件在每个高度点上移动时，利用光电信号采集阵列获取若干个标准平面的反射光图样，并通过处理部获取各高度点上对应的各个相邻反射光图样之间的距离；
10.b4：根据各高度点上的移动距离，与对应高度点上获取的各个相邻反射光图样之间的距离进行函数拟合得到标准状态下的预设高度值获取模型。
11.进一步地，所述步骤b4中，所述函数拟合包括通过神经网络进行拟合，具体拟合方法为：
12.b41：获取距离训练集，所述距离训练集包括测高组件在预设高度点上的预设移动距离以及对应高度点上相邻反射光图样之间的预设距离；
13.b42：通过距离训练集训练bp神经网络得到预设高度值获取模型。
14.进一步地，所述步骤a2中，利用预设高度值获取模型得到待测组件目标高度值的具体方法为：
15.通过各预设移动距离与其对应的相邻反射光图样之间的距离利用预设高度值获取模型获取各个预设移动距离对应的高度值；
16.获取各个预设移动距离对应高度值的平均值，作为目标高度值并输出。
17.进一步地，所述步骤a1中，还包括：
18.判断相邻反射光图样之间的距离是否在预设范围内，若否，则输出错误信息。
19.进一步地，所述步骤b3中，通过处理部获取各高度点上对应的各个相邻反射光图样之间的距离的具体方法为：
20.通过处理部利用数字图像关联法获取各高度点上对应的各个相邻反射光图样之间的距离。
21.本发明还提出了一种基于数控设备测高组件的测高系统，所述测高组件包括光电信号采集阵列、光源、透镜以及处理部，其中光源在光电信号采集阵列一侧，光源发出的光照射在待测组件的待测平面上，透镜用于聚焦光源发出的光，所述测高系统主要包括：
22.距离获取模块，用于在待测组件的待测平面上通过预设定位机构驱动测高组件在数控设备坐标轴上移动，得到每次移动对应的预设移动距离；在每一次的移动过程中利用光电信号采集阵列获取若干个待测平面的反射光图样，并通过处理部获取相邻反射光图样之间的距离；
23.目标高度值模块，用于通过各预设移动距离与其对应的相邻反射光图样之间的距离利用预设高度值获取模型得到待测组件的目标高度值。
24.进一步地，所述预设高度值获取模型的获取方法包括：
25.高度点获取模块，用于在测高组件的标准测高范围内采集标准组件的若干个高度点；
26.运动模块，用于在每个高度点上，通过预设定位机构驱动测高组件在数控设备坐标轴上移动任意距离，得到测高组件在每个高度点上的移动距离；
27.图样距离模块：用于当测高组件在每个高度点上移动时，利用光电信号采集阵列获取若干个标准平面的反射光图样，并通过处理部获取各高度点上对应的各个相邻反射光图样之间的距离；
28.计算模块，用于根据各高度点上的移动距离，与对应高度点上获取的各个相邻反射光图样之间的距离进行函数拟合得到标准状态下的预设高度值获取模型。
29.进一步地，所述计算模块中，所述函数拟合包括通过神经网络进行拟合，具体拟合方法为：获取距离训练集，所述距离训练集包括测高组件在预设高度点上的预设移动距离
以及对应高度点上相邻反射光图样之间的预设距离；通过距离训练集训练bp神经网络得到预设高度值获取模型。
30.进一步地，所述目标高度值模块中，利用预设高度值获取模型得到待测组件目标高度值的具体方法为：通过各预设移动距离与其对应的相邻反射光图样之间的距离利用预设高度值获取模型获取各个预设移动距离对应的高度值；获取各个预设移动距离对应高度值的平均值，作为目标高度值并输出。
31.与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
32.(1)本发明，通过在不同的高度点上利用预设定位机构驱动测高组件在数控设备坐标轴上移动任意距离，在移动过程中，通过处理部获取各高度点上对应的各个相邻反射光图样之间的距离，并通过各高度点上的移动距离与对应高度点上获取的各个相邻反射光图样之间的距离构建预设高度值获取模型，通过预设高度值获取模型可重复获取同类别待测组件的高度值，解决了现有技术中成本高、精度低这些问题的同时极大的提升了测量的效率；
33.(2)本发明，通过构建的预设高度值获取模型，解决了在加工执行器或固定框架上安装接触开关来控制加工执行器对待加工工件进行加工、测量时，加工执行器的加工头容易与待加工工件发生位置干涉的问题，提升了测量精度的同时降低了成本。
附图说明
34.图1为一种基于数控设备测高组件的测高方法与系统的方法步骤图；
35.图2为一种基于数控设备测高组件的测高方法与系统的测高组件模块图；
36.图3为一种基于数控设备测高组件的测高方法与系统的系统模块图。
37.图中：
38.10、处理部；20、光电信号采集阵列；30、光源；40、透镜；50、待测平面。
具体实施方式
39.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
40.实施例一
41.为了提升工件测量精度、降低测量的成本并提高测量的效率，本发明在采集的各个高度点上通过预设定位机构驱动测高组件在数控设备坐标轴上移动任意距离，在移动过程中，通过处理部获取各高度点上对应的各个相邻反射光图样之间的距离，并通过各高度点上的移动距离与对应高度点上获取的各个相邻反射光图样之间的距离构建预设高度值获取模型，通过预设高度值获取模型得到待测组件的高度值，解决了在加工执行器或固定框架上安装接触开关来控制加工执行器对待加工工件进行加工、测量时加工执行器的加工头容易与待加工工件发生位置干涉的问题，如图1及图2所示，本发明提出了一种基于数控设备测高组件的测高方法，所述测高组件包括光电信号采集阵列、光源、透镜以及处理部，其中光源在光电信号采集阵列一侧，光源发出的光照射在待测组件的待测平面上，透镜用于聚焦光源发出的光，所述测高方法主要包括步骤：
42.a1：在待测组件的待测平面上通过预设定位机构驱动测高组件在数控设备坐标轴
上移动，得到每次移动对应的预设移动距离；在每一次的移动过程中利用光电信号采集阵列获取若干个待测平面的反射光图样，并通过处理部获取相邻反射光图样之间的距离；
43.需要说明的是，在测量时，所述步骤a1中，预设定位机构可驱动测高组件在数控设备坐标轴上移动一次或者多次。
44.所述步骤a1中，还包括：
45.判断相邻反射光图样之间的距离是否在预设范围内，若否，则输出错误信息。
46.本实施例中，相邻反射光图样之间的距离应当在预设范围内，若并非在预设范围内，则可能是预设定位机构出现故障、系统出现故障或待测组件的高度不在[h0‑
h
n
]的标准测高范围内，则输出错误信息并结束。
[0047]
a2:通过各预设移动距离与其对应的相邻反射光图样之间的距离利用预设高度值获取模型得到待测组件的目标高度值。
[0048]
所述步骤a2中，利用预设高度值获取模型得到待测组件目标高度值的具体方法为：
[0049]
通过各预设移动距离与其对应的相邻反射光图样之间的距离利用预设高度值获取模型获取各个预设移动距离对应的高度值；
[0050]
获取各个预设移动距离对应高度值的平均值，作为目标高度值并输出。
[0051]
本实施例中，在a1至a2步骤的测量方法中，在每一次的移动过程中利用光电信号采集阵列可只获取两个待测平面的反射光图样，在预设高度值获取模型中输入各个(y
i
,l
i
)即可以得到对应的高度值，其中i表示第几次的预设移动距离，y
i
表示第i次移动过程中两个反射光图样之间的距离；l
i
表示在对应移动过程中的预设移动距离。
[0052]
需要说明的是，可利用高度值的获取模型重复获取同类别待测组件的高度值。
[0053]
所述预设高度值获取模型的获取方法包括步骤：
[0054]
b1：在测高组件的标准测高范围内采集标准组件的若干个高度点；
[0055]
本实施例中，在标准测高范围[h0‑
h
n
]内采集标准组件的n个高度点{h0，h1，h2，...h
n
}(n>1，n是正整数)，所述高度点可以是等间隔采样，也可以是随机间隔采样的。
[0056]
b2：在每个高度点上，通过预设定位机构驱动测高组件在数控设备坐标轴上移动任意距离，得到测高组件在每个高度点上的移动距离；
[0057]
具体的说，在每个高度点上，由预设定位机构驱动测高组件在数控设备坐标轴x和/或y方向移动距离{l0，l1，l2...l
m
}(m>＝0,m是正整数)，l0表示在第一个高度点上移动的距离，l1表示在第二个高度点上移动的距离，以此类推。
[0058]
b3：当测高组件在每个高度点上移动时，利用光电信号采集阵列获取若干个标准平面的反射光图样，并通过处理部获取各高度点上对应的各个相邻反射光图样之间的距离；
[0059]
所述步骤b3中，通过处理部获取各高度点上对应的各个相邻反射光图样之间的距离的具体方法为：
[0060]
通过处理部利用数字图像关联法获取各高度点上对应的各个相邻反射光图样之间的距离。
[0061]
所述处理部包括adc(模数转换器)和mcu(或fpga或dsp)等运算单元，处理部可以接收光电信号采集阵列获取的反射光图样的模拟信号，并将模拟信号转换为数字信号进行
处理。
[0062]
需要说明的是，当测高组件在每个高度点上移动时，光电信号采集阵列均记录了一系列反射光的图样，由于高度的不同，但光线聚焦的高度是固定的，因此在不同位置处的反射光图样是不同的，通过数字图像关联(digital image correlation,dic)处理，得到所述系列反射光图样移动的距离{{y
00
,y
10
,y
20
...y
n0
}...{y
0m
，y
1m
,y
2m
...y
nm
}}，其中{y
00
,y
10
,y
20
...y
n0
}表示在第一个高度点上获取的各个相邻反射光图样之间的距离，所述数字图像关联方法可以是全局dic算法(global dic)或局域dic算法(local dic)。
[0063]
b4：根据各高度点上的移动距离，与对应高度点上获取的各个相邻反射光图样之间的距离进行函数拟合得到标准状态下的预设高度值获取模型。
[0064]
需要说明的是，所述函数拟合方法可为最小二乘法、梯度下降法或神经网络模型构建方法。
[0065]
所述步骤b4中，所述函数拟合包括通过神经网络进行拟合，具体拟合方法为：
[0066]
b41：获取距离训练集，所述距离训练集包括测高组件在预设高度点上的预设移动距离以及对应高度点上相邻反射光图样之间的预设距离；
[0067]
b42：通过距离训练集训练bp神经网络得到预设高度值获取模型。
[0068]
实施例二
[0069]
为了更好的对本发明的发明思路进行理解，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行阐述，如图3所示，一种基于数控设备测高组件的测高系统，所述测高组件包括光电信号采集阵列、光源、透镜以及处理部，其中光源在光电信号采集阵列一侧，光源发出的光照射在待测组件的待测平面上，透镜用于聚焦光源发出的光，所述测高系统主要包括：
[0070]
距离获取模块，用于在待测组件的待测平面上通过预设定位机构驱动测高组件在数控设备坐标轴上移动，得到每次移动对应的预设移动距离；在每一次的移动过程中利用光电信号采集阵列获取若干个待测平面的反射光图样，并通过处理部获取相邻反射光图样之间的距离；
[0071]
目标高度值模块，用于通过各预设移动距离与其对应的相邻反射光图样之间的距离利用预设高度值获取模型得到待测组件的目标高度值。
[0072]
本发明，通过构建的预设高度值获取模型，解决了在加工执行器或固定框架上安装接触开关来控制加工执行器对待加工工件进行加工、测量时，加工执行器的加工头容易与待加工工件发生位置干涉的问题，提升了测量精度的同时降低了成本。
[0073]
所述目标高度值模块中，利用预设高度值获取模型得到待测组件目标高度值的具体方法为：通过各预设移动距离与其对应的相邻反射光图样之间的距离利用预设高度值获取模型获取各个预设移动距离对应的高度值；获取各个预设移动距离对应高度值的平均值，作为目标高度值并输出。
[0074]
所述预设高度值获取模型的获取方法包括：
[0075]
高度点获取模块，用于在测高组件的标准测高范围内采集标准组件的若干个高度点；
[0076]
运动模块，用于在每个高度点上，通过预设定位机构驱动测高组件在数控设备坐标轴上移动任意距离，得到测高组件在每个高度点上的移动距离；
[0077]
图样距离模块：用于当测高组件在每个高度点上移动时，利用光电信号采集阵列
获取若干个标准平面的反射光图样，并通过处理部获取各高度点上对应的各个相邻反射光图样之间的距离；
[0078]
计算模块，用于根据各高度点上的移动距离，与对应高度点上获取的各个相邻反射光图样之间的距离进行函数拟合得到标准状态下的预设高度值获取模型。
[0079]
所述计算模块中，所述函数拟合包括通过神经网络进行拟合，具体拟合方法为：获取距离训练集，所述距离训练集包括测高组件在预设高度点上的预设移动距离以及对应高度点上相邻反射光图样之间的预设距离；通过距离训练集训练bp神经网络得到预设高度值获取模型。
[0080]
本发明，通过在不同的高度点上利用预设定位机构驱动测高组件在数控设备坐标轴上移动任意距离，在移动过程中，通过处理部获取各高度点上对应的各个相邻反射光图样之间的距离，并通过各高度点上的移动距离与对应高度点上获取的各个相邻反射光图样之间的距离构建预设高度值获取模型，通过预设高度值获取模型可重复获取同类别待测组件的高度值，解决了现有技术中成本高、精度低这些问题的同时极大的提升了测量的效率。
[0081]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0082]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0083]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0084]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。