一種基於數控工具機的視覺定位系統及方法與流程
2023-09-23 20:19:35 2
本發明涉及數控工具機領域，尤其涉及一種基於數控工具機的視覺定位系統及方法。
背景技術：
數控工具機是一種裝有程序控制系統的自動化工具機，其數控裝置經運算處理後，由數控裝置發出各種控制信號，控制工具機的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。在上述加工的過程中，工具機需要對待加工零件的位置進行定位，之後將工具機的機頭移動到定位的位置，從而對待加工零件進行精確地加工。
在現有技術中，工具機對待加工零件的定位方法主要為機械式的定位，通過設置導軌等機械部件，引導和限制機頭的運動軌跡，從而將機頭引導運動到待加工零件的位置，進行加工，現有技術具有以下缺陷：通過機械部件進行定位，其定位精度依賴於機械部件的準確性，調試過程較為繁瑣，同時，隨著機械部件的磨損及老化，會進一步地影響定位的精度。
因此，現有技術還有待發展。
技術實現要素：
鑑於上述現有技術的不足之處，本發明的目的在於提供一種基於數控工具機的視覺定位系統及方法，旨在解決現有技術中數控工具機對待加工零件的位置採取機械式定位，調試步驟複雜，定位精度不足，對生產造成不便的問題。
為了達到上述目的，本發明採取了以下技術方案：
一種基於數控工具機的視覺定位系統，其中，包括用於對待加工零件進行定位的光學定位機構，以及用於對產品進行加工的機頭組件，所述機頭組件設置在所述光學定位機構的後方並與光學定位機構連接；所述光學定位機構具體包括可開合的保護盒，及設置在所述保護盒內部的光學定位設備。
所述的基於數控工具機的視覺定位系統，其中，所述保護盒具體包括：
保護盒本體，所述保護盒本體為中空的圓筒形結構，所述保護盒本體的頂端設置有頂面，底端為中空的結構，所述光學定位設備設置在所述頂面的內壁上；
用於保護光學定位設備的保護盒蓋，所述保護盒蓋設置在所述保護盒本體的底面上；
用於驅動所述保護盒蓋開閉的驅動機構，所述驅動機構設置在所述保護盒本體的外壁上。
所述的基於數控工具機的視覺定位系統，其中，所述驅動機構具體包括：
用於輸出動力的馬達；
用於傳遞馬達動力的傳動軸，所述傳動軸垂直於所述保護盒蓋並與保護盒蓋固定連接；
所述馬達與所述傳動軸之間設置有齒輪組，當所述馬達輸出旋轉扭力時，通過所述齒輪組的傳動，所述傳動軸繞其軸心旋轉。
所述的基於數控工具機的視覺定位系統，其中，所述齒輪組具體包括：
第一齒輪，所述第一齒輪環繞設置在所述傳動軸上；
第二齒輪，所述第二齒輪環繞設置在所述馬達的動力輸出軸上；
所述馬達的動力輸出軸與傳動軸垂直，所述第一齒輪與所述第二齒輪互相咬合。
所述的基於數控工具機的視覺定位系統，其中，所述保護盒蓋的內壁上設置有斜面部，所述保護盒本體底部的邊緣設置有與所述斜面部相適配的傾斜部。
所述的基於數控工具機的視覺定位系統，其中，所述機頭組件具體包括：
用於輸出動力的機頭；
用於對產品進行切削加工的刀具，所述刀具設置在所述機頭的主軸上；
用於調節所述機頭組件位置的調節機構，所述調節機構與所述光學定位機構信號連接。
一種如上一項所述的基於數控工具機的視覺定位方法，具體包括以下步驟：
a：通過光學定位設備對標準待加工零件拍攝後進行圖像處理，獲得模板圖片；
b：從模板圖片中提取標準待加工零件的特徵信息；
c：通過光學定位設備對待加工零件拍攝，獲得實際圖片；
d：將實際圖片與所述特徵信息進行匹配，從實際圖片中獲取待加工零件的位置信息；
e：將所述位置信息發送給調節機構。
所述的基於數控工具機的視覺定位方法，其中，所述步驟a具體包括以下步驟：
a1：校準光學定位設備後拍攝標準待加工零件獲取模板照片；
a2：對模板照片濾波去噪處理後進行灰度變換，完成對圖像的預處理，得到清晰的模板照片；
a3：在清晰的模板照片框選出標準待加工零件所在的區域，對所述區所述的基於數控工具機的視覺定位方法，其中，所述步驟b具體包括以下步驟：
b1：從模板圖片中提取標準待加工零件的旋轉角度信息；
b2：從模板圖片中提取標準待加工零件的縮放範圍信息；
b3：從模板圖片中提取標準待加工零件的灰度範圍信息；
b4：從模板圖片中提取標準待加工零件的對比度範圍信息。
綜上所述，本發明提供的一種基於數控工具機的視覺定位系統及方法，定位系統包括用於對待加工零件進行定位的光學定位機構，以及用於對產品進行加工的機頭組件，機頭組件設置在光學定位機構的後方並與之信號連接；光學定位機構具體包括可開合的保護盒，及設置在保護盒內部的光學定位設備。定位方法的步驟包括：a：通過光學定位設備對標準待加工零件拍攝後進行圖像處理，獲得模板圖片；b：從模板圖片中提取標準待加工零件的特徵信息；c：通過光學定位設備對待加工零件拍攝，獲得實際圖片；d：將實際圖片與特徵信息進行匹配，從實際圖片中獲取待加工零件的位置信息；e：將所述位置信息發送給調節機構。實現通過視覺定位將零件位置信息發給機頭進行加工。
附圖說明
圖1為本發明所述基於數控工具機的視覺定位系統的立體圖。
圖2為本發明所述基於數控工具機的視覺定位系統的光學定位機構立體圖。
圖3為本發明所述基於數控工具機的視覺定位系統的機頭組件加工零件時的工作狀態示意圖。
圖4為本發明所述基於數控工具機的視覺定位方法的流程圖。
圖5為本發明所述基於數控工具機的視覺定位方法步驟s1的流程圖。
圖6為本發明所述基於數控工具機的視覺定位方法步驟s120的流程圖。
圖7為本發明所述基於數控工具機的視覺定位方法步驟s2的流程圖。
具體實施方式
本發明提供一種基於數控工具機的視覺定位系統及方法，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖並舉實施例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
請同時參考圖1至圖3，圖1為本發明所述基於數控工具機的視覺定位系統的立體圖。圖2為本發明所述基於數控工具機的視覺定位系統的光學定位機構立體圖。圖3為本發明所述基於數控工具機的視覺定位系統的機頭組件加工零件時的工作狀態示意圖。
如圖1至圖3所示，所述基於數控工具機的視覺定位系統包括用於對待加工零件進行定位的光學定位機構10，以及用於對產品進行加工的機頭組件20，所述機頭組件20設置在所述光學定位機構10的後方並與之連接；所述光學定位機構10具體包括可開合的保護盒100，及設置在所述保護盒內部的光學定位設備111。
具體工作時，所述光學定位機構10首先運動到待加工零件的上方，對待加工零件進行光學定位，具體方法為通過光學定位設備111對待加工零件進行拍攝後通過視覺處理方法得到待加工零件的位置信息，之後光學定位機構10將所獲取的位置信息發送給機頭組件20，機頭組件20根據所獲取的位置信息運動到待加工零件的上方對待加工零件進行加工。
更進一步地，所述光學定位設備111為ccd相機。
進一步地，所述保護盒100具體包括：
保護盒本體110，所述保護盒本體110為中空的圓筒形結構，所述保護盒本體110的頂端設置有頂面，底端為中空的結構，所述光學定位設備111設置在所述頂面的內壁上；
用於保護光學定位設備111的保護盒蓋120，所述保護盒蓋120設置在所述保護盒本體110的底面上；
用於驅動所述保護盒蓋120開閉的驅動機構130，所述驅動機構130設置在所述保護盒本體110的外壁上。
具體工作時，光學定位設備111設置在保護盒本體110的內部，當光學定位機構10運動到待加工零件的上方，光學定位設備111需要對待加工零件進行拍攝時，驅動機構130驅動保護盒蓋120打開，光學定位設備111完成拍攝後，驅動機構130驅動保護盒蓋120關閉；在數控工具機對待加工零件進行加工時，切削的廢渣及冷卻液等物質會產生飛濺，因此，在保護盒本體110的底部設置保護盒蓋120，在光學定位設備111不工作時，通過保護盒蓋120將光學定位設備111封閉在保護盒100內，從而保護光學定位設備111不受切削加工的損壞。
進一步地，所述驅動機構130具體包括：
用於輸出動力的馬達131；
用於傳遞馬達動力的傳動軸132，所述傳動軸132垂直於所述保護盒蓋120並與保護盒蓋120固定連接；
所述馬達131與所述傳動軸132之間設置有齒輪組（圖中未標出），當所述馬達131輸出旋轉扭力時，通過所述齒輪組的傳動，所述傳動軸132繞其軸心旋轉。
具體工作時，所述傳動軸132平行於所述保護盒本體110的軸線，當馬達131通過齒輪組驅動傳動軸132旋轉時，傳動軸132驅動保護盒蓋120繞所述傳動軸132旋轉，從而完成保護盒蓋120的開啟，當需要關閉保護盒蓋120時，馬達131逆向旋轉，從而以相同的原理驅動保護盒蓋120回復到關閉的狀態。該種側向旋轉的開蓋方式，所佔用的空間較小，不會在開合的過程中佔用更大空間，從而可以精簡設備體積，同時，側向旋轉的開蓋方式相較於翻蓋等方式，能夠有效地防止數控工具機加工過程中產生的廢屑及潤滑液飛濺到保護盒蓋120的內側，從而汙染了光學定位設備111，影響光學定位的精度。
更進一步地，所述齒輪組具體包括：
第一齒輪，所述第一齒輪環繞設置在所述傳動軸132上；
第二齒輪，所述第二齒輪環繞設置在所述馬達131的動力輸出軸上；
所述馬達131的動力輸出軸與傳動軸132垂直，所述第一齒輪與所述第二齒輪互相咬合。
具體工作時，由於第一齒輪與第二齒輪互相咬合，因此當馬達131輸出動力驅動第二齒輪旋轉時，所述第二齒輪驅動與之咬合的第一齒輪旋轉，從而驅動力傳動軸132的轉動從而實現了保護盒蓋120的開閉；所述第一齒輪與第二齒輪的咬合方式，使得馬達131輸出的動力由軸線平行於地面的旋轉轉換為軸線垂直於地面的旋轉，完成了扭力傳遞方向的轉換；實驗結果表明，該種方式動力傳遞方式簡單，使用壽命更長，在數控工具機自動化加工零件的過程中，每個零件的加工都需要進行一次光學定位設備111的拍攝定位，這也就意味著每個零件的加工都需要進行一次保護盒蓋120的開閉，因此，簡單、高效、使用壽命更長的傳動方式是自動化高效長時間加工的一個根本保證。
進一步地，所述保護盒蓋120的內壁上設置有斜面部，所述保護盒本體110底部的邊緣設置有與所述斜面部相適配的傾斜部。
在具體工作時，雖然保護盒蓋120側向旋轉的開蓋方式能夠在一定程度上防止切削廢屑及潤滑液的飛濺，但仍然可能有部分的潤滑液飛濺到保護盒蓋120的內壁上，潤滑液受熱蒸發後凝結在光學定位設備111的鏡頭表面，就會影響光學定位設備111的定位精度，因此，在保護盒蓋120的內壁上設置斜面部，使得飛濺到保護盒蓋120內壁上的液體或碎屑可以順著斜面部掉落下來，同時，在保護盒蓋120關閉的過程中，所述傾斜部與所述斜面部發生摩擦，通過這種方式也可以擠出殘留在保護盒蓋120內壁上的液體及殘渣。
進一步地，所述機頭組件20具體包括：
用於輸出動力的機頭21；
用於對產品進行切削加工的刀具22，所述刀具22設置在所述機頭21的主軸上；
用於調節所述機頭組件位置的調節機構（圖中未標出），所述調節機構與所述光學定位機構10信號連接。
更進一步地，所述調節機構具體包括：
用於驅動機頭組件20橫向運動的x軸導軌，所述x軸導軌與機頭組件20連接；
用於驅動機頭組件20縱向運動的y軸導軌，所述y軸導軌包含有兩條，分別記為第一y軸導軌與第二y軸導軌，所述y軸導軌設置在所述x軸導軌的上方，所述y軸導軌的一側與x軸導軌連接，另一側與數控工具機頂部的內壁連接，具體地，所述x軸導軌的一端與所述第一y軸導軌連接，x軸導軌的另一端與所述第二y軸導軌連接；
所述x軸導軌可沿第一y軸導軌與第二y軸導軌來回滑動，第一y軸導軌及第二y軸導可沿x軸來回滑動。
上述運動方式使得調節機構可驅動機頭組件20運動到xy空間平面內的任意一點，從而驅動機頭組件20的精確加工。
具體工作時，調節機構與所述光學定位機構10信號連接，光學定位機構10獲取待加工零件的位置信息後，將所述位置信息發送給所述調節機構，所述調節機構在收到位置信息後，驅動x軸及y軸的相對運動，將機頭組件20運送到位置信息所定位的位置，之後機頭輸出動力，驅動刀具按照預設的程序對所定位的待加工零件進行切割加工。
本發明還提供一種如上任意一項所述的基於數控工具機的視覺定位方法，如圖4至圖7所示，圖4為本發明所述基於數控工具機的視覺定位方法的流程圖。圖5為本發明所述基於數控工具機的視覺定位方法步驟s1的流程圖。圖6為本發明所述基於數控工具機的視覺定位方法步驟s120的流程圖。圖7為本發明所述基於數控工具機的視覺定位方法步驟s2的流程圖。
具體包括以下步驟：
s1：通過光學定位設備對標準待加工零件拍攝後進行圖像處理，獲得模板圖片；
s2：從模板圖片中提取標準待加工零件的特徵信息；
s3：通過光學定位設備對待加工零件拍攝，獲得實際圖片；
s4：將實際圖片與所述特徵信息進行匹配，從實際圖片中獲取待加工零件的位置信息；
s5：將所述位置信息發送給調節機構。
具體工作時，為了方便後續加工過程中對待加工零件位置的視覺定位，要先進行模板圖片的預設，首先需要挑選一個標準待加工零件，製作成為模板圖片後提取標準待加工零件的特徵，如上述步驟s1所述，通過光學定位設備，即ccd相機對標準待加工零件拍攝後進行圖像處理，獲得模板圖片，所述模板圖片是經過濾波去噪提升清晰度之後，經過框選和裁剪，只剩標準待加工零件輪廓內圖案的待加工零件的圖片；步驟s2對所得到的模板圖片進行特徵信息的提取，所述特徵信息是模板圖片的一些圖片信息參數範圍；完成步驟s1及步驟s2後，即可完成模板圖片的預設，接下來就可以開始進行加工生產，如步驟s3所述，將待加工的零件放置在工具機上，通過光學定位設備，即ccd相機對待加工的零件進行拍攝，得到本次加工的實際圖片，之後執行步驟s4，將實際圖片中的各項圖片信息參數與步驟s2中所取得的特徵信息進行比對，從而定位到待加工零件在實際圖片中的位置，獲取到待加工零件的位置信息；執行步驟s5將所獲取的位置信息發送給調節機構，所述調節機構收到位置信息後，控制機頭組件運動到位置信息所定位的位置，之後機頭輸出動力，驅動刀具按照預設的程序對所定位的待加工零件進行切割加工。
通過上述步驟，使用基於數控工具機的視覺定位方法對待加工零件進行定位，之後將定位信息發送給機頭組件，從而實現了對待加工零件位置的高精度定位，克服了傳統機械式定位精度不足的缺陷，提高了數控工具機對零件的加工精度。
進一步地，所述步驟s1具體包括以下步驟：
s110：校準光學定位設備後拍攝標準待加工零件獲取模板照片；
s120：對模板照片濾波去噪處理後進行灰度變換，完成對圖像的預處理，得到清晰的模板照片；
s130：在清晰的模板照片框選出標準待加工零件所在的區域，對所述區域進行數學形態學處理後獲得模板圖片。
具體工作時，在獲取標準待加工零件的模板圖片時，首先執行步驟s110，通過光學定位設備即ccd相機對標準待加工零件進行拍攝從而獲得一張模板照片，所述模板照片裡即包含有標準待加工零件，也包含有所述標準待加工零件所在的工具機加工平臺作為模板照片的背景；之後執行步驟s120，通過濾波去噪及灰度變換的處理，使得模板照片變得更為清晰，提高後續步驟的精確度；之後執行步驟s130，在模板照片中框選出標準待加工零件所在的區域，對該區域進行數學形態學處理，所述數學形態學處理的具體方法為：框選出標準待加工零件的輪廓，剪裁剩餘部分；從而得到了一張模板圖片。
更進一步地，所述步驟s120具體包括以下步驟：
s121：對模板照片進行中值濾波處理；
s122：對模板照片進行高斯去噪處理；
s123：對模板照片進行灰度值拉伸處理；
s124：輸出處理結果，得到清晰的模板照片。
具體工作時，步驟s121中所述的中值濾波法是一種非線性平滑技術，它將每一像素點的灰度值設置為該點某鄰域窗口內的所有像素點灰度值的中值；中值濾波對脈衝噪聲有良好的濾除作用，特別是在濾除噪聲的同時，能夠保護信號的邊緣，使之不被模糊。這些優良特性是線性濾波方法所不具有的。此外，中值濾波的算法比較簡單，也易於用硬體實現。步驟s122中所述的高斯去噪也是對圖片進行去噪濾的常用方法，結合中值濾波法使用，能夠進一步地率波去噪，提升模板照片的清晰度。步驟s123中所述的灰度值拉伸又叫對比度拉伸，它是最基本的一種灰度變換，使用的是最簡單的分段線性變換函數，它的主要思想是提高圖像處理時灰度級的動態範圍。通過上述步驟能夠提高模板圖片的清晰度，為後續提取準確的特徵信息打下基礎。
進一步地，所述步驟s2具體包括以下步驟：
s210：從模板圖片中提取標準待加工零件的旋轉角度信息；
s220：從模板圖片中提取標準待加工零件的縮放範圍信息；
s230：從模板圖片中提取標準待加工零件的灰度範圍信息；
s240：從模板圖片中提取標準待加工零件的對比度範圍信息。
具體工作時，步驟s210主要是獲得模板圖片在模板照片中的旋轉角度信息，具體工作時，由於待加工零件在工具機加工板上放置的位置大致相同，因此首先獲取模板圖片的旋轉角度信息，有利於縮小進一步定位的範圍，減少定位所需時間；步驟s220主要是獲得模板圖片的縮放範圍信息；在光學定位設備具體拍攝時，由於拍攝角度及拍攝距離的原因，同樣尺寸的待加工零件，在不同的拍攝中可能會在實際圖片中呈現不一樣的大小，因此，在s220中對模板圖片進行等比例縮放，在實際圖片與模板圖片進行特徵信息比對時，無論實際照片中待加工零件所拍攝出的大小為多少，都落在了所述模板圖片集合所包括的範圍內，從而使得待加工零件輪廓的識別不受到圖片拍攝大小的影響。步驟s230主要是獲得模板圖片的灰度範圍信息；s240主要是從模板圖片中提取標準待加工零件的對比度範圍信息，通過條件查找，由於零件與圖片背景之間存在對比度的差值，因此確定標準待加工零件的對比度範圍，有利於後續在圖片中查找待加工零件的位置。
具體工作時，本發明所提供的一種基於數控工具機的視覺定位系統及方法主要分為準備步驟，視覺定位步驟及加工步驟三個步驟：
準備步驟，準備步驟包括硬體部分的準備以及軟體部分的準備，硬體部分，調試好光學定位設備，確保調節機構運行正常，即可完成硬體部分的準備步驟；軟體部分需要進行模板圖片的預設，首先需要挑選一個標準待加工零件，通過光學定位設備，即ccd相機對標準待加工零件拍攝後進行圖像處理，獲得模板圖片，所述模板圖片是經過濾波去噪提升清晰度之後，經過框選和裁剪，只剩標準待加工零件輪廓內圖案的待加工零件的圖片；對所得到的模板圖片進行特徵信息的提取，所述特徵信息具體包括：坐標信息、縮放範圍信息、灰度範圍信息以及對模板圖片進行等比例縮放，得到多張縮放比例由小到大的模板圖片組成的模板圖片集合；即可完成模板圖片的預設。
視覺定位步驟，開始工作時，將待加工零件放置在工具機上，所述光學定位機構首先運動到待加工零件的上方，驅動機構驅動保護盒蓋打開，光學定位設備對待加工零件進行拍攝並獲取實際圖片，之後驅動機構驅動保護盒蓋關閉；將提取實際圖片的各項圖片信息與模板圖片所提取的特徵信息進行比對，綜合坐標信息、縮放範圍信息、灰度範圍信息以及對模板圖片集合的檢索一一比對，定位待加工零件在實際圖片中的位置並獲取位置信息，從而完成對待加工零件的視覺定位。
加工步驟，光將所獲取的位置信息發送給機頭組件，機頭組件根據所獲取的位置信息運動到待加工零件的上方對待加工零件進行加工，完成了待加工零件的加工步驟。
綜上所述，本發明提供的一種基於數控工具機的視覺定位系統及方法，定位系統包括用於對待加工零件進行定位的光學定位機構，以及用於對產品進行加工的機頭組件，機頭組件設置在光學定位機構的後方並與之信號連接；光學定位機構具體包括可開合的保護盒，及設置在保護盒內部的光學定位設備。定位方法的步驟包括：a：通過光學定位設備對標準待加工零件拍攝後進行圖像處理，獲得模板圖片；b：從模板圖片中提取標準待加工零件的特徵信息；c：通過光學定位設備對待加工零件拍攝，獲得實際圖片；d：將實際圖片與特徵信息進行匹配，從實際圖片中獲取待加工零件的位置信息；e：將所述位置信息發送給調節機構。實現通過視覺定位將零件位置信息發給機頭進行加工。
可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本發明的技術方案及本發明構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。