一種基于機器視覺的數(shù)控車床對刀裝置及對刀方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于機器視覺的數(shù)控車床對刀裝置及對刀方法，包括對刀棒、相機和處理器，對刀棒安裝于車床的卡盤上，相機固定安裝于車床內(nèi)的艙門上方并位于對刀棒上方，相機的鏡頭瞄準對刀棒前端，相機的安裝角度的視場水平方向與對刀棒軸線重合，相機的信號輸出端通過處理器與數(shù)控車床的車床數(shù)控系統(tǒng)連接。本發(fā)明通過相機采集數(shù)控車床上安裝的車刀的數(shù)字圖像，數(shù)字圖像傳送至處理器，處理器識別各把車刀刀尖點，并把計算出的刀偏值寫入車床數(shù)控系統(tǒng)，無需試切或接觸測量，快速完成對刀。還能夠監(jiān)測刀具的磨損和破損，實現(xiàn)刀具磨損量的補償和刀具破損報警，防止意外事故和避免不必要的損失。使用方便、工作效率高，具有推廣應(yīng)用的價值。
【專利說明】一種基于機器視覺的數(shù)控車床對刀裝置及對刀方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)控車床加工技術(shù)，尤其涉及一種基于機器視覺的數(shù)控車床對刀裝置及對刀方法。

【背景技術(shù)】
[0002]對刀是數(shù)控車床加工中較為復(fù)雜的工藝準備工作之一，對刀的準確性將直接影響到加工程序的編制及零件的加工精度，同時，對刀效率還直接影響數(shù)控車床加工效率。由于刀具類型不同及安裝時的隨機性，每把刀具的刀位點在機床坐標系中的位置是不同的，如果以對零操作時使用的刀具為基準刀，則其他刀具與基準刀具刀位點之間存在一個相對位置偏差，即所謂刀偏值，對刀操作的一個主要工作就是確定非基準刀相對于基準刀的刀偏值。
[0003]目前，數(shù)控車床常用的對刀方法包括:試切法對刀、專用對刀儀對刀等。相比而言試切法對刀不需輔助設(shè)備，方法簡單，但耗時較長，對操作人員的技術(shù)水平和工作情緒依賴較大，對刀精度不高；專用對刀儀對刀及自動對刀可獲得更高的對刀效率和精度，但成本太高，仍需一定的停機或占機調(diào)整時間，使數(shù)控車床快速高效功能的發(fā)揮受到了限制，因此，需要一種新的對刀方法誕生。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種基于機器視覺的數(shù)控車床對刀裝置及對刀方法。
[0005]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的:
[0006]本發(fā)明所述基于機器視覺的數(shù)控車床對刀裝置包括對刀棒、相機和處理器，所述對刀棒安裝于所述車床的卡盤上，所述相機固定安裝于所述車床內(nèi)的艙門上方并位于所述對刀棒上方，所述相機的鏡頭瞄準對刀棒前端，相機的安裝角度的視場水平方向與對刀棒軸線重合，所述相機的信號輸出端通過所述處理器與所述數(shù)控車床的車床數(shù)控系統(tǒng)連接。
[0007]本發(fā)明所述基于機器視覺的數(shù)控車床對刀方法包括以下步驟:
[0008](I)數(shù)控車床主軸回轉(zhuǎn)軸線識別和相機視場方向校正:相機拍照并讀取數(shù)字圖像，處理器提取視場中對刀棒前端軸段邊緣直線特征，計算并記錄數(shù)控車床主軸回轉(zhuǎn)軸線位置與視場水平方向之間的夾角和對刀棒前端面的位置，處理器根據(jù)計算出的夾角校正相機視場水平方向與數(shù)控車床主軸回轉(zhuǎn)軸線方向重合，進而在校正后的相機視場中確定機床坐標系的方向、主軸回轉(zhuǎn)軸線位置(XO)和對刀棒前端面的位置(ZO)；
[0009](2)相機測量精度測定:更換基準刀為當前刀具，移動刀具靠近對刀棒端面，刀具進入相機視場后，處理器指令相機拍照，并讀取數(shù)字圖像，同時從數(shù)控系統(tǒng)中讀取當前機械坐標，記錄為(χι，ζι);處理器識別刀具的刀尖點，記錄刀位點在相機視場坐標系中的坐標，記錄為(xr , Zl/ )，在視場中移動刀具到新位置，使刀具在相機視場坐標系兩個方向的位置均有變化，相機拍照并讀取數(shù)字圖像，同時從數(shù)控系統(tǒng)中讀取當前機械坐標，記錄為(X2，Z2)，處理器識別刀具的刀尖點，記錄刀尖點在相機視場坐標系中的坐標，記錄為(X2,，Z2')，此時即可測定相機在機床坐標系X軸和Z軸上的測量精度分別為:
[0010]X軸測量精度4 = χ\ Χι ,

2(X, -X2)
[0011 ] Z軸測量精度δ7 = Z\ Z',

Z1 -Z2
[0012]處理器記錄計算出的基準刀兩個方向的刀偏值，安裝或更換工件后，針對具體的工件，只需把測量出的工件坐標系原點距離卡盤端面的距離輸入處理器，處理器就可在X基的基礎(chǔ)上直接計算出基準刀相對于工件坐標系的刀偏值，寫入數(shù)控系統(tǒng)，供程序調(diào)用；
[0013](3)更換其余安裝在刀架上的刀具到當前刀位，移動刀具靠近對刀棒端面，刀具進入相機視場后，相機拍照并讀取數(shù)字圖像，同時從數(shù)控系統(tǒng)中讀取當前刀具號η和當前機械坐標，記錄為(Χη，Zn)，處理器識別刀具的刀尖點，記錄刀尖點在相機視場坐標系中的坐標，記錄為(Xn' ,Zn')，利用相機測量精度標定時記錄的基準刀的機械坐標(XI，Zl)和與之對應(yīng)的刀位點在相機視場中的坐標(XP ,11' )、相機X軸測量精度S X、相機Z軸測量精度S Z，即可計算出當前車刀相對于基準刀兩個方向的刀偏值為:
[0014]Nx = 2 δ χ (Xn; -X11 ) - (Xn-Xi)
[0015]Nz= δζ(Ζη' -Z11 ) - (Zn-Z1)
[0016]處理器計算出的當前刀具相對于基準刀兩個方向的刀偏值，寫入數(shù)控系統(tǒng)，供程序調(diào)用；同理，完成安裝在刀架上其余刀具的刀偏值的測定。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:
[0018]本發(fā)明是一種基于機器視覺的數(shù)控車床對刀裝置及對刀方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過相機采集數(shù)控車床上安裝的車刀的數(shù)字圖像，數(shù)字圖像傳送至處理器，處理器識別各把車刀刀尖點，并把計算出的刀偏值寫入車床數(shù)控系統(tǒng)，無需試切或接觸測量，快速完成對刀。還能夠監(jiān)測刀具的磨損和破損，實現(xiàn)刀具磨損量的補償和刀具破損報警，防止意外事故和避免不必要的損失。使用方便、工作效率高，具有推廣應(yīng)用的價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明相機安裝位置示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0021 ] 圖3是本發(fā)明的相機視場示意圖；
[0022]圖4是本發(fā)明確定主軸回轉(zhuǎn)軸線位置、相機視場方向校正示意圖；
[0023]圖5是本發(fā)明標定相機測量精度的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖6是本發(fā)明測量其余刀具相對于基準刀的刀偏值示意圖；
[0025]圖7是本發(fā)明車刀磨損和破損監(jiān)測的相機安裝位置示意圖。
[0026]圖中:1-相機、2-對刀棒、3-卡盤、4-工件、5-車刀檢測相機、A-相機視場坐標系、B-機床坐標系、C-相機視場。

【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明:
[0028]如圖1至圖3所示:本發(fā)明所述基于機器視覺的數(shù)控車床對刀裝置包括對刀棒2、相機I和處理器，對刀棒2安裝于車床的卡盤3上，相機I固定安裝于車床內(nèi)的艙門上方并位于對刀棒2上方，相機I的鏡頭瞄準對刀棒2前端，相機I的安裝角度的視場水平方向與對刀棒2軸線重合，相機I的信號輸出端通過處理器與數(shù)控車床的車床數(shù)控系統(tǒng)連接。
[0029]本發(fā)明所述基于機器視覺的數(shù)控車床對刀方法如下:
[0030]如圖4所示:數(shù)控車床主軸回轉(zhuǎn)軸線識別和相機視場方向校正:相機I拍照并讀取數(shù)字圖像，處理器提取視場中對刀棒2前端軸段邊緣直線特征，計算并記錄數(shù)控車床主軸回轉(zhuǎn)軸線位置與視場水平方向之間的夾角和對刀棒2前端面的位置，處理器根據(jù)計算出的夾角校正相機視場C水平方向與數(shù)控車床主軸回轉(zhuǎn)軸線方向重合，進而在校正后的相機視場C中確定機床坐標系B的方向、主軸回轉(zhuǎn)軸線位置(XO)和對刀棒2前端面的位置(ZO)；
[0031]如圖5所示:相機I測量精度測定:更換基準刀為當前刀具，移動刀具靠近對刀棒2端面，刀具進入相機視場C后，處理器指令相機I拍照，并讀取數(shù)字圖像，同時從數(shù)控系統(tǒng)中讀取當前機械坐標(相機視場坐標系A(chǔ)的坐標)，記錄為(XI，Zl);處理器識別刀具的刀尖點，記錄刀位點在相機視場坐標系A(chǔ)中的坐標，記錄為(XI' , 11' )，在相機視場C中移動刀具到新位置，使刀具在相機視場坐標系A(chǔ)兩個方向的位置均有變化，相機I拍照并讀取數(shù)字圖像，同時從數(shù)控系統(tǒng)中讀取當前機械坐標，記錄為(X2，Z2)，處理器識別刀具的刀尖點，記錄刀尖點在相機視場坐標系A(chǔ)中的坐標，記錄為(X2,，Z2')，此時即可測定相機I在機床坐標系B的X軸和Z軸上的測量精度分別為:

X -X
[0032]X軸測量精度δχ = ~^~

2(X, -X2)
[0033]Z軸測量精度δτ = ,2,

Z1 -Z2
[0034]處理器記錄計算出的基準刀兩個方向的刀偏值，安裝或更換工件4后，針對具體的工件4，只需把測量出的工件4坐標系原點距離卡盤3端面的距離輸入處理器，處理器就可在X基的基礎(chǔ)上直接計算出基準刀相對于工件4坐標系的刀偏值，寫入數(shù)控系統(tǒng)，供程序調(diào)用；
[0035]如圖6所示:更換其余安裝在刀架上的刀具到當前刀位，移動刀具靠近對刀棒2端面，刀具進入相機視場C后，相機I拍照并讀取數(shù)字圖像，同時從數(shù)控系統(tǒng)中讀取當前刀具號η和當前機械坐標，記錄為(Χη，Zn)，處理器識別刀具的刀尖點，記錄刀尖點在相機視場坐標系A(chǔ)中的坐標，記錄為(XY ,Zni )，利用相機測量精度標定時記錄的基準刀的機械坐標(XI，Zl)和與之對應(yīng)的刀位點在相機視場C中的坐標(ΧΓ，Zl')、相機I的X軸測量精度S X、相機I的Z軸測量精度δ Ζ，即可計算出當前車刀相對于基準刀兩個方向的刀偏值為:
[0036]Nx = 2 δ χ (Xn; -X1' )-(Xn-X1)
[0037]Nz= δζ(Ζη' -Z1' )-(1-1,)
[0038]處理器計算出的當前刀具相對于基準刀兩個方向的刀偏值，寫入數(shù)控系統(tǒng)，供程序調(diào)用；同理，完成安裝在刀架上其余刀具的刀偏值的測定。
[0039]實施例一:
[0040]如圖7所示:加工過程中，在數(shù)控車床上不與工件夾具干涉的開敞區(qū)域再安裝一個車刀檢測相機5，可用于車刀磨損和破損的檢測，以及加工過程中更換的刀具的刀偏值測定。車刀檢測相機5安裝于機艙內(nèi)的后上方。按照前述方法安裝車刀檢測相機5并對車刀檢測相機5進行尺寸精度標定。
[0041]加工開始前，可用程序控制包括基準刀在內(nèi)的各把刀具移動進入車刀檢測相機5視場，采集各把刀具的初始數(shù)字圖像，并記錄機械坐標等信息；加工過程中，可在適當時候控制移動刀具進入車刀檢測相機5視場，采集數(shù)字圖像并記錄機械坐標等信息；用加工過程中采集的刀具數(shù)字圖像與對應(yīng)初始圖像進行比較，刀尖點位置的變化量即為刀具磨損量，把計算出的磨損量寫入數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)刀具磨損量的補償；設(shè)置磨損量變化閾值后，可判定刀具磨損失效或刀具破損。
[0042]加工過程中更換的刀具相對基準刀的刀偏值的測定也可在車刀檢測相機5的視場中完成。更換完刀具后，移動刀具進入車刀檢測相機5的視場，采集圖像并記錄機械坐標，用前述方法與記錄的基準刀信息進行比較計算后，可直接得到更換的刀具相對基準刀的刀偏值。
[0043]本發(fā)明本通過數(shù)字相機采集數(shù)控車床上安裝的多把車刀的數(shù)字圖像，采集數(shù)字圖像的同時，處理器從車床數(shù)控系統(tǒng)中讀取記錄對應(yīng)的數(shù)控車床機械坐標，數(shù)字圖像傳送至處理器，處理器識別各把車刀刀尖點，利用各把車刀刀尖點在相機視場中坐標值和對應(yīng)的機械坐標值即可計算出各把刀具相對于基準刀的刀偏值，并把計算出的刀偏值寫入車床數(shù)控系統(tǒng)，無需試切或接觸測量，快速完成完成對刀。本發(fā)明還能夠通過采集同一把刀具在加工過程中不同階段的數(shù)字圖像，進行比較計算后，監(jiān)測刀具的磨損和破損，實現(xiàn)刀具磨損量的補償和刀具破損報警，防止意外事故和避免不必要的損失。通過使用定長并具有定位結(jié)構(gòu)的對刀棒，還可處理計算出卡盤端面的具體位置，工件安裝或更換后，僅需測量出工件原點到卡盤端面的距離，經(jīng)過計算后即可得到標準刀相對于工件坐標系原點的刀偏值，簡化了工件安裝或更換后的對刀操作過程。
[0044]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種基于機器視覺的數(shù)控車床對刀裝置，其特征在于:包括對刀棒、相機和處理器，所述對刀棒安裝于所述車床的卡盤上，所述相機固定安裝于所述車床內(nèi)的艙門上方并位于所述對刀棒上方，所述相機的鏡頭瞄準對刀棒前端，相機的安裝角度的視場水平方向與對刀棒軸線重合，所述相機的信號輸出端通過所述處理器與所述數(shù)控車床的車床數(shù)控系統(tǒng)連接。
2.一種基于機器視覺的數(shù)控車床對刀方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)數(shù)控車床主軸回轉(zhuǎn)軸線識別和相機視場方向校正:相機拍照并讀取數(shù)字圖像，處理器提取視場中對刀棒前端軸段邊緣直線特征，計算并記錄數(shù)控車床主軸回轉(zhuǎn)軸線位置與視場水平方向之間的夾角和對刀棒前端面的位置，處理器根據(jù)計算出的夾角校正相機視場水平方向與數(shù)控車床主軸回轉(zhuǎn)軸線方向重合，進而在校正后的相機視場中確定機床坐標系的方向、主軸回轉(zhuǎn)軸線位置(XO)和對刀棒前端面的位置(ZO)； (2)相機測量精度測定:更換基準刀為當前刀具，移動刀具靠近對刀棒端面，刀具進入相機視場后，處理器指令相機拍照，并讀取數(shù)字圖像，同時從數(shù)控系統(tǒng)中讀取當前機械坐標，記錄為(X1，Z1);處理器識別刀具的刀尖點，記錄刀位點在相機視場坐標系中的坐標，記錄為(ΧΓ , Zr )，在視場中移動刀具到新位置，使刀具在相機視場坐標系兩個方向的位置均有變化，相機拍照并讀取數(shù)字圖像，同時從數(shù)控系統(tǒng)中讀取當前機械坐標，記錄為(X2，Z2)，處理器識別刀具的刀尖點，記錄刀尖點在相機視場坐標系中的坐標，記錄為(X2,，Z2')，此時即可測定相機在機床坐標系X軸和Z軸上的測量精度分別為: X軸測量精度5 - Xl,—義2 ,
!(X1 -X2) ζ軸測量精度之=Z'—\

Ζγ — Z 2 處理器記錄計算出的基準刀兩個方向的刀偏值，安裝或更換工件后，針對具體的工件，只需把測量出的工件坐標系原點距離卡盤端面的距離輸入處理器，處理器就可在X基的基礎(chǔ)上直接計算出基準刀相對于工件坐標系的刀偏值，寫入數(shù)控系統(tǒng)，供程序調(diào)用； (3)更換其余安裝在刀架上的刀具到當前刀位，移動刀具靠近對刀棒端面，刀具進入相機視場后，相機拍照并讀取數(shù)字圖像，同時從數(shù)控系統(tǒng)中讀取當前刀具號η和當前機械坐標，記錄為(Χη，Ζη)，處理器識別刀具的刀尖點，記錄刀尖點在相機視場坐標系中的坐標，記錄為(Xn' ,Zn')，利用相機測量精度標定時記錄的基準刀的機械坐標(XI，Zl)和與之對應(yīng)的刀位點在相機視場中的坐標(XP ,11' )、相機X軸測量精度S X、相機Z軸測量精度SZ，即可計算出當前車刀相對于基準刀兩個方向的刀偏值為:
Nx = 2δχ(Χ/ -X/ )-(Xn-X1)
Nz = δζ(ν _V ) _ (Zn-Z1) 處理器計算出的當前刀具相對于基準刀兩個方向的刀偏值，寫入數(shù)控系統(tǒng)，供程序調(diào)用；同理，完成安裝在刀架上其余刀具的刀偏值的測定。
【文檔編號】B23B25/06GK104190963SQ201410321082
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】安宇, 陳為民, 王瑋, 栗勛 申請人:昆明學(xué)院