CN106735869B - 用于数控加工设备的激光视觉非接触式定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于数控加工设备的激光视觉非接触式定位方法，由于主要包括：通过多轴数控加工设备的移动机构和CCD摄像机的捕获功能以及图像采集功能获得视场范围内待加工工件的图像信号，并通过数控加工设备操作软件直接获取工件定位点在机器坐标系中的坐标值，为后续数控加工提供待加工工件的位置信息；从而实现定位精度高，定位速度快的优点。
Description
技术领域
本发明涉及多轴数控加工定位技术领域，具体地，涉及用于数控加工设备的激光视觉非接触式定位方法。
背景技术
数控加工技术已经越来越广泛的应用于各个行业，其基本点是利用数字化控制技术控制各种精密的移动机构，来带动刀具或激光等能量束来对待加工材料进行数控加工。在数控加工过程中重要的一点是要对待加工工件进行位置确定，本质是让数控设备确定待加工工件在数控加工设备加工范围内的准确位置和状态，以保证加工安全可靠的进行以及加工的精度。如：用激光三维刻蚀加工设备进行曲面图形刻蚀加工前，需首先对工件进行定位，以便加工设备确定工件的准确位置，确定刻蚀图形的起始位置方向等。对于待加工工件的定位，有很多的技术和方法，但是对于一些比较容易污染或损坏的工件，必须采取特殊的方法进行非接触式的定位。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出用于数控加工设备的激光视觉非接触式定位方法，以实现的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：用于数控加工设备的激光视觉非接触式定位方法，主要包括：
步骤1：通过多轴数控加工设备的移动机构将CCD摄像机移至待加工工件定位点上方，使定位标志位于CCD摄像机视场范围之内，调整X、Y轴移动机构，确定该定位点在数控加工设备机器坐标系中的X、Y轴坐标；
步骤2：利用CCD摄像机的获取定位点的图像，通过图像采集卡将获取的图像信号转化为数字信号，传递给计算机；
步骤3：通过计算机软件模块，调节激光刻蚀加工距离偏离值即DST值，调整CCD摄像机与定位点在Z轴方向的距离，最终确定该定位点在在数控加工设备的机器坐标系中的Z轴坐标；
步骤4：在数控加工设备的操作软件中直接获取该定位点在机器坐标系中的X，Y，Z坐标值。
进一步地，所述数控加工设备的移动机构具体为三维激光刻蚀设备的移动控制机构。
进一步地，所述多轴数控加工设备为五轴数控加工设备。
进一步地，步骤3中所述DST值为接近于0的数值，DST值接近0时，定位点的偏离量也接近于0，CCD摄像机视场范围内的图像也最清晰。
本发明各实施例的用于数控加工设备的激光视觉非接触式定位方法，由于主要包括：通过多轴数控加工设备的移动机构和CCD摄像机的捕获功能以及图像采集功能获得视场范围内待加工工件的图像信号，并利用数控加工设备操作软件获取待加工工件表面定位点在机器坐标系中的坐标值，为后续数控加工提供工件的位置信息；从而实现定位精度高，定位速度快的优点。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为CCD采集图像可视窗口及DST值计算示意图；
图2为DST值与激光刻蚀加工距离偏离值的关系；
图3a为多层FSS中振子图形层间相对位置示意图；
图3b为完成激光刻蚀加工的双层FSS；
图4为为采用激光视觉定位***精确定位以及双面激光刻蚀+化学腐蚀复合加工的电推进栅极组件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
具体地，用于数控加工设备的激光视觉非接触式定位方法，其基本点是利用可见激光束和视频捕获装置、配合精密的数控加工设备移动机构，在软件配合下进行工件特征点或定位点的非接触式测量定位，以便于后续的数控加工。
通过多轴数控加工设备的移动机构和CCD摄像机的捕获功能以及图像采集功能获得视场范围内待加工工件的图像信号，并利用计算机的软件功能获取工件定位点及特征点在机器坐标系中的坐标值，为后续数控加工提供工件的位置信息。
由多轴数控加工设备的X、Y两轴移动机构来确定定位点在机器坐标系中的X、Y轴坐标，通过CCD相机采集指示激光在待加工工件定位点表面的图像信号，调节CCD摄像机与工件表面定位点的Z轴距离使DST接近0（例如±0.02、±0.05、±0.07等），最终确定定位点在机器坐标系中的Z轴坐标；在CCD捕获工件表面指示激光时通过实时放大采集图像（放大倍数10×），并在操作软件模块的视频窗口中设置了用于计算当前DST值的十字标记。当红、蓝、绿三个十字标记完全重合时表示该位置为已设置的激光刻蚀加工距离，此时DST值接近0，如图1所示；最后在数控加工设备操作软件界面中直接读取该定位点在数控加工设备机器坐标系中的X，Y，Z坐标。
采用激光视觉定位***进行数控加工的非接触测量定位方法，主要包括下列步骤：
（1） 首先通过数控加工设备的移动控制机构将CCD摄像机及移至待加工工件定位点上方，使定位标志位于视场范围之内，调整X、Y轴移动机构，确定该定位点在数控加工设备的机器坐标系中的X、Y轴坐标；
（2） 利用CCD摄像机的捕获功能获取指示激光在待加工工件定位点表面的图像，并通过图像采集卡将获取的图像信号转化为数字信号，同时传递给计算机；
（3）在激光视觉非接触式定位***软件模块中，通过调节DST值，调整CCD摄像机与定位点在Z轴方向的距离，最终确定该定位点在数控加工设备的机器坐标系中的Z轴坐标（如图2所示，当DST值接近0时，定位点处激光刻蚀加工距离的偏离量也接近于0，此时视场范围内的图像也最清晰）；
（4） 在数控加工设备操作软件中直接获取该定位点在数据加工设备的机器坐标系中的X，Y，Z坐标值。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
（1）与之前的手动定位***相比，采用激光视觉定位***的精度更高、速度更快；
（2）激光视觉定位***由光学照明、光学成像以及图像采集等部分组成，结合图像处理及识别技术，配合视觉定位软件，实现了图像自动采集，自动定位的目的；
（3）该发明属于非接触式的测量定位方法，尤其适用于一些比较容易污染或损坏的工件，具有科学和工业实用的潜力；
（4）利用视觉定位***的精确定位功能，可进行多层FSS加工，完成各单屏FSS之间的有效级联。
实施例1：
多层FSS加工（图3a多层FSS振子图形层间相对位置示意图；图3b为完成定位及刻蚀加工的双层FSS）：在Al/PI薄膜表面进行FSS频率选择表面加工前，通过激光视觉定位***定位及预留定位销/孔的方法，确定每层Al/PI薄膜在机器坐标系中的位置，确保由多层Al/PI薄膜加工的多层FSS振子图形层间相对位置准确，以达到各单层FSS的有效级联，形成如图3a和图3b所示的混合频率选择表面（多层FSS）。通过测试，多层FSS振子图形整体定位精度及层间相对位置精度误差在50μm范围之内。
实施例2
在电推进栅极组件表面栅孔的双面激光刻蚀+化学腐蚀复合制造过程中，也采用了激光视觉定位***：通过栅极组件内外表面的若干定位点，结合激光视觉定位***，依次完成了栅极组件内外表面在激光刻蚀加工设备的机器坐标系中的定位和栅极组件内外表面光刻胶掩模的激光刻蚀加工，最后通过化学腐蚀制作出如图4所示的栅极组件表面栅孔阵列。通过测试，栅极表面栅孔整体定位精度优于50μm，同时各个栅孔孔壁陡直、光滑，上下面栅孔位置无错位，栅孔中心线均垂直于栅极平面。本发明创新点为：
1. 该发明属于非接触式的测量定位方法。将光学照明、成像，图像采集、处理，激光视觉定位软件等技术相结合，实现图像的自动采集，自动定位功能；
2. 采用可视放大技术，通过软件界面DST值的调节精确确定数控加工焦距和待加工工件表面定位点或特征点在机器坐标系中的位置。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.用于数控加工设备的激光视觉非接触式定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过多轴数控加工设备的移动机构将CCD摄像机移至待加工工件定位点上方，使定位标志位于CCD摄像机视场范围之内，调整X、Y轴移动机构，确定该定位点在数控加工设备机器坐标系中的X、Y轴坐标；
步骤2：利用CCD摄像机的获取定位点的图像，通过图像采集卡将获取的图像信号转化为数字信号，传递给计算机；
步骤3：通过计算机软件模块，调节激光刻蚀加工距离偏离值即DST值，调整CCD摄像机与定位点在Z轴方向的距离，最终确定该定位点在在数控加工设备的机器坐标系中的Z轴坐标；
步骤4：在数控加工设备的操作软件中直接获取该定位点在机器坐标系中的X，Y，Z坐标值。
2.根据权利要求1所述的用于数控加工设备的激光视觉非接触式定位方法，其特征在于，所述数控加工设备的移动机构具体为三维激光刻蚀设备的移动控制机构。
3.根据权利要求2所述的用于数控加工设备的激光视觉非接触式定位方法，其特征在于，所述多轴数控加工设备为五轴数控加工设备。
4.根据权利要求3所述的用于数控加工设备的激光视觉非接触式定位方法，其特征在于，步骤3中所述DST值为接近于0的数值，DST值接近0时，定位点的偏离量也接近于0，CCD摄像机视场范围内的图像也最清晰。
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