CN104570940A - Cnc加工调机***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种CNC加工调机***，应用于计算装置。CNC加工设备运行加工程序生产N件产品，CCD拍摄每件产品的加工路径的二维图像。该***确定每件产品对应的二维图像中的轮廓点、组成该件产品的加工路径的一组点云。每组点云中的一个点对应该加工程序中的一个路径点。该***选择一组点云作为基准点云，将该基准点云拟合成一个几何图形，计算其它N-1组点云中的每个点到该几何图形的偏差值，并计算每个路径点的N-1个偏差值的平均值，根据所有路径点的平均偏差值生成一个平均轮廓。之后，该***计算该平均轮廓与该产品的加工路径的理论轮廓上的对应路径点之间的坐标差值，将每个路径点的坐标差值反馈给CNC加工设备。本发明提供一种CNC加工调机方法。

Description

CNC加工调机***及方法
技术领域
本发明涉及一种计算机辅助控制***及方法，尤其是一种应用于电脑数字控制（computer numerical control,CNC）加工设备的影像量测***及方法。
背景技术
在CNC加工设备加工高精度产品之前，需要对CNC加工设备执行检查、预热、调机等步骤。其中，调机的步骤最繁琐，目前使用的方法是利用CNC加工设备加工指定的调机片或产品，然后再检测加工的调机片或产品的尺寸是否符合要求，如果尺寸偏差值太大，则对CNC加工设备的相关参数进行调整后，再生产指定的调机片或产品后再送检，直到加工的调机片或产品的尺寸稳定。这种调机方法耗时较长且涉及认为操作、容易造成误差。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种***及方法，可以避免认为操作导致的误差，自动、智能地对CNC加工设备执行调机，保证CNC加工设备的加工精度。
一种CNC加工调机***，应用于连接CNC加工设备的计算装置。CNC加工设备运行加工程序生产的预设数量的N件产品，CCD拍摄每件产品的加工路径的二维图像。该***确定每件产品的加工路径的二维图像中的轮廓点、组成该件产品的加工路径的一组点云。每组点云中的一个点对应该加工程序中的一个路径点。该***选择一组点云作为基准点云，将该基准点云拟合成一个几何图形，计算其它N-1组点云中的每个点到该几何图形的偏差值，并计算每个路径点的N-1个偏差值的平均值，根据所有路径点的平均偏差值生成该产品的加工路径点的平均轮廓。之后，该***计算该平均轮廓与该产品的加工路径的理论轮廓上的对应路径点之间的坐标差值，将每个路径点的坐标差值反馈给CNC加工设备。
一种CNC加工调机方法，应用于连接CNC加工设备的计算装置。该方法包括步骤：(A)对CNC加工设备运行加工程序生产的预设数量N件产品中的每件产品的加工路径的二维图像进行二值化处理，确定二维图像中的轮廓点坐标，每件产品的加工路径的二维图像中的所有轮廓点组成该件产品的加工路径的一组点云，每组点云中的一个点对应该加工程序中的一个路径点；(B)选择一组点云作为基准点云，将该基准点云拟合成一个几何图形；(C)计算其它N-1组点云中的每个点到该几何图形的最小距离，以该最小距离为对应的路径点的偏差值；(D)计算每个路径点的N-1个偏差值的平均值，根据所有路径点的偏差值的平均值生成该产品的加工路径点的平均轮廓；及(E)计算该产品的加工路径的平均轮廓与该产品的加工路径的理论轮廓上的对应路径点之间的坐标差值，将每个路径点的坐标差值反馈给CNC加工设备。
相较于现有技术，本发明提供的CNC加工调机***，可以自动、智能地对CNC加工设备执行调机，保证CNC加工设备的加工精度。
附图说明
图1是本发明CNC加工调机***较佳实施例的应用环境图。
图2是本发明CNC加工调机方法较佳实施例的流程图。
图3是计算加工路径的其它点云中的点与标准点云拟合得到的曲线之间的偏差值、根据加工路径的每个路径点的平均偏差值生成加工路径的平均轮廓的示意图。
图4是计算加工路径的平均轮廓与理论轮廓上的对应路径点之间的坐标差值的示意图。
主要元件符号说明
计算装置 1
CNC加工调机*** 10
图像处理模块 11
图形拟合模块 12
偏差计算模块 13
轮廓生成模块 14
坐标补偿模块 15
存储器 20
处理器 30
显示设备 40
CNC加工设备 2
夹持治具 21
物料 22
加工程序 23
CCD 24
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
参阅图1所示，是本发明CNC加工调机***10较佳实施例的应用环境图。在本实施例中，该CNC加工调机***10应用于计算装置1，该计算装置1连接CNC加工设备2。在其他实施例中，计算装置1也可以整合在CNC加工设备2之内。计算装置1还包括存储器20、处理器30及显示设备40。CNC加工设备2包括夹持治具21、物料22、加工程序23、电荷耦合元件（Charge Couple Device，CCD）24，以及其它图中未示出的部件，例如加工刀具、光栅尺、工作平台，等等。
夹持治具21用于固定放置于工作平台上的物料22。CNC加工设备2运行加工程序23对物料22进行加工（例如切削）、生产产品。
CCD24安装在CNC加工设备的主轴（即机台Z轴）上。安装时保证CCD24的成像平面的轴线与CNC加工设备2的加工平面垂直，垂直度需要满足一定精度要求（例如小于0.1mm）。CCD24的成像平面可以理解为与工作平台平行的一个平面，CNC加工设备2的加工平面可以理解为与工作平台垂直的一个平面。
在本实施例中，CNC加工设备2运行加工程序23加工预设数量（例如5件）的产品。CNC加工调机***10在CNC加工设备2加工每件产品的过程中，利用CCD采集该件产品的加工路径的二维图像，对该件产品的加工路径的每张二维图像进行二值化处理，确定每张二维图像中的轮廓点坐标。每件产品的所有二维图像中的轮廓点组成该产品的加工路径的一组点云，每组点云中的一个点对应该产品的加工路径上的一个路径点。
进一步地，该CNC加工调机***10选择一组点云作为基准点云，将该基准点云拟合成一个几何图形，计算其它组点云中的每个点（即每个路径点）到该几何图形的最小距离、以该最小距离为该路径点的偏差值，根据每个路径点的平均偏差值生成该产品的加工路径点的平均轮廓。
之后，该CNC加工调机***10根据加工程序23中的路径点的理论坐标生成该产品的加工路径点的理论轮廓，计算平均轮廓与理论轮廓上的对应路径点之间的坐标差值，将每个路径点的坐标差值反馈给CNC加工设备2。后续CNC加工设备2运行CNC加工程序23进行产品加工时，根据每个路径点的坐标差值对加工路径进行相应补偿，实现高精度加工。
参阅图1所示，该CNC加工调机***10包括图像处理模块11、图形拟合模块12、偏差计算模块13、轮廓生成模块14及坐标补偿模块15。模块11-15包括计算机程序化指令，这些计算机程序化指令存储在存储器20。处理器30执行这些计算机程序化指令，提供CNC加工调机***10的上述功能。模块11-15的具体功能请参阅下文关于图3的介绍。
参阅图2所示，是本发明CNC加工调机方法较佳实施例的流程图。
步骤S10，CNC加工设备运行加工程序23加工预设数量的N件（例如N=5）产品，在加工每件产品的过程中，利用CCD24采集该产品的加工路径的二维图像。加工程序23包括加工路径上的所有路径点的理论坐标。CNC加工设备运行加工程序23驱动加工设备（例如刀具）沿加工路径上的路径点对物料22进行加工（例如切削），每到达一个路径点时，CCD24拍摄一张包括该路径点的二维图像，直到刀具走到最后一个路径点、完成一件产品的加工。
步骤S20，图像处理模块11对每件产品的加工路径的二维图像进行二值化处理，确定二维图像中的轮廓点坐标。在每件产品的加工过程中，CCD24拍摄得到的该件产品的加工路径的二维图像包括多张，每张可能只包括加工路径上的部分（一个或多个）路径点。该多张图片中的所有轮廓点组成该件产品的加工路径的一组点云。每件产品对应一组点云，每组点云中的一个点对应加工程序23中的一个路径点。故该产品加工路径上的每个路径点在每组点云中有一个对应的点。例如，CNC加工设备运行加工程序23生产了5件产品，每件产品对应一组点云、一共得到5组点云，则加工程序23中的每个路径点在该5组点云中分别有一个对应的点。
灰度值越大，像素点的颜色越深。当像素点灰度值大于预设值（例如155）时，该像素点在图像中呈黑色。否则，该像素点在图像中呈白色。根据图像中像素值的变化(白到黑或黑到白)可以确定图像中的轮廓点。
步骤S30，图形拟合模块12选择一组点云作为基准点云，将该基准点云拟合成一个几何图形（例如曲线）。例如，图形拟合模块12选择CNC加工设备2生产的第一件产品对应的点云作为基准点云，拟合得到一条曲线（例如图3所示的曲线L1）。
在本实施例中，图形拟合模块12利用最小二乘法迭代拟合曲线，找出曲线相对于基准点云中所有点的最佳位置：基准点云中的所有点到曲线的距离的平方和的平均值最小(拟牛顿解非线形方程式)，如下：
f ( X ) = Σ n = 1 n ( ( X 2 - X 1 ) 2 + ( Y 2 - Y 1 ) 2 + ( Z 2 - Z 1 ) 2 ) 2 n Min
步骤S40，偏差计算模块13计算其它N-1组点云中的每个点到该几何图形的最小距离，以该最小距离为对应的路径点的偏差值。例如，假设加工路径上的路径点A对应第2组点云中的点A1、第3组点云中的点B1、第4组点云中的点C1及第5组点云中的点D1，则偏差计算模块13分别计算点A1、B1、C1、D1到该几何图形的最小距离d1、d2、d3、d4。最小距离d1、d2、d3、d4均为路径点A的偏差值。
步骤S50，轮廓生成模块14计算每个路径点的N-1个偏差值的平均值，根据所有路径点的平均值生成该产品的加工路径点的平均轮廓。如上文所述，路径点A有4个偏差值d1、d2、d3、d4，则轮廓生成模块14计算得到路径点A的平均偏差值=（d1+d2+d3+d4）/4。点云中的每个点的坐标包括X、Y、Z坐标值(CNC加工设备2的X、Y、Z会测量每张图片的X、Y、Z坐标值，因而每个点的X、Y、Z坐标值可以通过该点所取自的图片得到)，故每个路径点的平均偏差值也包括X、Y、Z坐标值。轮廓生成模块14根据每个路径点的平均偏差值的X、Y、Z坐标值可以确定一个点，根据所有路径点的平均偏差值的X、Y、Z坐标值确定的所有点生成该产品的加工路径点的平均轮廓（例如图3所示的曲线La）。该平均轮廓代表CNC加工设备2加工误差的平均状况。
步骤S60，轮廓生成模块14根据加工程序中的路径点的理论坐标生成该产品的加工路径的理论轮廓。如前所述，加工程序23包括加工路径上的所有路径点的理论坐标，根据所有路径点的理论坐标可以生成该产品的加工路径的理论轮廓。之后，轮廓生成模块14将该产品的加工路径的理论轮廓与平均轮廓进行对齐。
步骤S70，坐标补偿模块15计算该产品的加工路径的平均轮廓与理论轮廓上的对应路径点之间的坐标差值，将每个路径点的坐标差值反馈给CNC加工设备2。如图4所示，图形R1代表该产品的加工路径的理论轮廓，图形Ra代表该产品的加工路径的平均轮廓。理论轮廓R1上的路径点P1、P2、P3分别对应平均轮廓上的点P1’、P2’、P3’，则点P1、P2、P3分别计算P1与P1’、P2与P2’、P3与P3’的X、Y、Z坐标值之差，并反馈给CNC加工设备2。后续CNC加工设备2运行CNC加工程序23进行产品加工时，根据每个路径点的坐标差值对加工路径进行相应补偿，实现高精度加工。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种CNC加工调机方法，应用于连接CNC加工设备的计算装置，其特征在于，该方法包括：
图像处理步骤：对CNC加工设备运行加工程序生产的预设数量N件产品中的每件产品的加工路径的二维图像进行二值化处理，确定二维图像中的轮廓点坐标，每件产品的加工路径的二维图像中的所有轮廓点组成该件产品的加工路径的一组点云，每组点云中的一个点对应该加工程序中的一个路径点；
图形拟合步骤：选择一组点云作为基准点云，将该基准点云拟合成一个几何图形；
偏差计算步骤：计算其它N-1组点云中的每个点到该几何图形的最小距离，以该最小距离为对应的路径点的偏差值；
轮廓生成步骤：计算每个路径点的N-1个偏差值的平均值，根据所有路径点的偏差值的平均值生成该产品的加工路径点的平均轮廓；及
坐标补偿步骤：计算该产品的加工路径的平均轮廓与该产品的加工路径的理论轮廓上的对应路径点之间的坐标差值，将每个路径点的坐标差值反馈给CNC加工设备。
2.如权利要求1所述的CNC加工调机方法，其特征在于，所述每件产品的加工路径的二维图像利用安装在CNC加工设备主轴上的CCD拍摄得到的。
3.如权利要求2所述的CNC加工调机方法，其特征在于，所述CCD在CNC加工设备运行加工程序驱动加工设备沿加工路径上的路径点对物料进行加工、每到达一个路径点时，拍摄一张包括该路径点的二维图像。
4.如权利要求1所述的CNC加工调机方法，其特征在于，该产品的加工路径的理论轮廓是根据该加工程序中的路径点的理论坐标生成的。
5.一种CNC加工调机***，应用于连接CNC加工设备的计算装置，其特征在于，该***包括：
图像处理模块，用于对CNC加工设备运行加工程序生产的预设数量N件产品中的每件产品的加工路径的二维图像进行二值化处理，确定二维图像中的轮廓点坐标，每件产品的加工路径的二维图像中的所有轮廓点组成该件产品的加工路径的一组点云，每组点云中的一个点对应该加工程序中的一个路径点；
图形拟合模块，用于选择一组点云作为基准点云，将该基准点云拟合成一个几何图形；
偏差计算模块，用于计算其它N-1组点云中的每个点到该几何图形的最小距离，以该最小距离为对应的路径点的偏差值；
轮廓生成模块，用于计算每个路径点的N-1个偏差值的平均值，根据所有路径点的偏差值的平均值生成该产品的加工路径点的平均轮廓；及
坐标补偿模块，用于计算该产品的加工路径的平均轮廓与该产品的加工路径的理论轮廓上的对应路径点之间的坐标差值，将每个路径点的坐标差值反馈给CNC加工设备。
6.如权利要求5所述的CNC加工调机***，其特征在于，所述每件产品的加工路径的二维图像利用安装在CNC加工设备主轴上的CCD拍摄得到的。
7.如权利要求6所述的CNC加工调机***，其特征在于，所述CCD在CNC加工设备运行加工程序驱动加工设备沿加工路径上的路径点对物料进行加工、每到达一个路径点时，拍摄一张包括该路径点的二维图像。
8.如权利要求5所述的CNC加工调机***，其特征在于，该产品的加工路径的理论轮廓是根据该加工程序中的路径点的理论坐标生成的。
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