阅读说明：本技术 一种机器视觉辅助曲面加工装置及方法 (Machine vision auxiliary curved surface machining device and method ) 是由 刘源泂 宋建 袁文新 刘钊 曾镛 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种机器视觉辅助曲面加工装置及方法。所述装置包视觉传感装置、视觉装置调节机构、卧式铣床、工件输送机构、计算机,所述视觉传感装置,包括两个红色线状激光器、面阵相机、镜头、滤镜；面阵相机采集工件上的图像,并传入计算机,该计算机发出指令,命令输送机构运送工件,控制铣刀完成曲面切削加工。实现在切削过程中,通过近似拟合曲面进而自动调节铣刀的高度,完成曲面的加工。本发明所述的方法是一种高效率的曲面加工方法,首次采用线激光组合式视觉传感系统为基准的整体的曲面加工方法,该方法响应速度快,能准确识别工件曲面高度变化,合理的控制刀具的切削深度,能高效地完成曲面加工。(The invention discloses a machine vision auxiliary curved surface machining device and method. The device comprises a vision sensing device, a vision device adjusting mechanism, a horizontal milling machine, a workpiece conveying mechanism and a computer, wherein the vision sensing device comprises two red linear lasers, an area array camera, a lens and a filter; the area array camera collects images on the workpiece and transmits the images into the computer, and the computer sends out an instruction to command the conveying mechanism to convey the workpiece and control the milling cutter to finish curved surface cutting. The height of the milling cutter is automatically adjusted by approximately fitting the curved surface in the cutting process, and the curved surface is machined. The method is a high-efficiency curved surface processing method, adopts the line laser combined vision sensing system as a reference integral curved surface processing method for the first time, has high response speed, can accurately identify the height change of the curved surface of a workpiece, reasonably controls the cutting depth of a cutter, and can efficiently finish the curved surface processing.)

一种机器视觉辅助曲面加工装置及方法

技术领域

本发明涉及机械自动化加工技术领域，具体地说是一种机器视觉辅助曲面加工装置，本发明还涉及与该加工装置相关的机器视觉辅助曲面加工方法。

背景技术

近年来，随着工业自动化的发展，机器视觉技术的出现，使得机械加工的方法也趋向于多样化。在此之前复杂的曲面加工都是采用多轴数控加工中心进行加工，数控加工中心不仅可以满足加工精度、而且可以缩短加工时间、高效快速的完成各类曲面加工。而对于一些精度要求不够、体积较大的曲面工件若采用数控加工中心可能导致加工价格昂贵。因此，对于一些精度要求不够、体积较大的曲面工件均是由人工操作数控铣床完成曲面加工。人工操作铣床加工曲面工件的过程中要不断的调整铣刀的高度，以便满足加工要求，同时又要不断的观察工件表面的加工情况，防止加工过量、切削不足，加工完成后还需要进行打磨。此类加工方法不仅浪费了大量的人力，而且还不能完全满足加工要求。因此利用机器视觉辅助曲面加工，将是一个高效的加工方法。

发明内容

本发明的目的是为了提高现有人工加工大型曲面技术的效率，提供一种基于机器视觉辅助曲面加工的方法，准确的来说是一种辅助曲面加工的系统，该系统能够满足普通曲面工件的粗加工，显著提高曲面加工的效率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种机器视觉辅助曲面加工装置，包括视觉检测装置、卧式铣床、工件输送机构、工件夹具；

所述视觉检测装置包括滤镜、镜头、左边线激光器、左边线激光调节板、线激光安装座、面阵相机、面阵相机安装板、右边线激光调节板、右边线激光器、视觉检测装置调节板、视觉检测装置箱体、视觉检测装置固定架；所述面阵相机安装于视觉检测装置箱体内的面阵相机安装板上，并可调节上下位置，所述左边线激光器和右边线激光器分别置于视觉检测装置箱体内的左边线激光调节板和右边线激光调节板上并可调节角度，所述左边线激光器和右边线激光器等距对称分布于面阵相机安装板左右两边，所述滤镜玻璃安装于视觉检测装置箱体的下端；视觉检测装置固定架后端安装于卧式铣床上，视觉检测装置固定架前端连有可调节位置的视觉检测装置调节板，所述视觉检测装置箱体安装于视觉检测装置调节板上；

进一步地，所述左边线激光器、右边线激光器发射的线激光光谱与滤镜的带通一致。

进一步地，所述视觉检测装置调节板上设有调节槽，并可以根据视觉检测装置工作的高度要求沿着其上的槽孔进行位置调节；

进一步地，所述视觉检测装置位于铣刀的正上方，曲面工件上的激光线始终在面阵相机的视野范围内；

进一步地，所述左边线激光调节板和右边线激光调节板分别安装于面阵相机安装板两边的线激光安装座上，左边线激光调节板和右边线激光调节板相对于竖直方向的调节角度为30°～60°；

进一步地，所述卧式铣床安装有电流传感器，当刀具接触到工件时电流传感器被触发，则控制系统能够获知刀具此时位置信息。

一种机器视觉辅助曲面加工方法，基于上面所述的加工装置实现曲面加工，包括以下步骤：

步骤1：视觉检测装置的相关参数标定：面阵相机视场角为α，左边线激光器和右边线激光器轴线与竖直方向夹角为β；调节两侧线激光的入射角β使两侧的激光线在工件上重合为一条直线，且交线于面阵相机获取图片的正中心线重合，X_n为激光线分离时左右激光线之间距离的像素个数，X_j为左侧激光线到图像中心线的像素个数，X_k为右侧激光线到获取的图像中心线的像素个数，且满足Xn＝X_j+X_k，单位像素的物理距离为X_r(pixel/mm)；

步骤2：加工设备初始化及调节：根据工作要求调节工件，使工件位于铣刀下方，调节铣刀初始位置使其距离曲面工件最外侧轮廓线为L(mm)，调节视觉传感装置使其位于铣刀的正上方一段距离，使左右线状激光器产生的线激光照射于工件表面上，且位于面阵相机视野的中间，且两条激光线的重合线与铣刀最下方的切削点重合交于一条直线；

步骤3：设定工件的理论切削深度为H_e(mm)，工件在X方向的进给步长为S(mm)；定义刀具在竖直方向的切削深度为H_a(mm)，刀具在当前切削点处的切削角为θ，tan(θ)＝(X_k-X_j)/((X_k+X_j)*tan(β))；当工件由右端向左端切削，且铣刀未达到最低点(切削点斜率为0)时，铣刀沿Y方向向下以一定速率ν(mm/s)向下进行切削运动，面阵相机则以一定的帧速率采集图像；当铣刀距离曲面的高度发生变化的同时，左边激光线、右边激光线在曲面上的距离也发生变化，由于此时刀具的最下端切点未接触到工件，所以称此时激光线的分离为反向分离，当刀具的正下方接触到工件时，则称此时的激光线分离为正向分离；

步骤4：当铣刀接触到曲面工件时，电流传感器受到激励，将信号反馈给控制系统，系统记录当前的时间节点t₁(s)，面阵相机拍下此时的图像M₁；

步骤5：刀具继续向下移动，当图像传感器检测到曲面上的激光线重合时，面阵相机拍下此时的图像M₂，将信息反馈给视觉检测系统，系统记录当前的时间节点t₂(s)，则可以计算出刀具接触到工件时到激光线在曲面重合时这段时间铣刀在竖直方向的运动距离H_b，H_b＝ν*(t₂-t₁)，此后刀具在竖直方向的切削距离为记为H_s，刀具以一定的速度竖直向下切削，直至满足H_e＝(H_s+H_b)*cos(θ)时停止切削下移，随后工件向X负半轴方向移动一个步长s(mm)，与此同时铣刀继续沿竖直方向向下切削，待完成一个步长的移动后，然后执行步骤6；

步骤6：计算工件当前切削点的斜率tan(θ)和切削深度H，tan(θ)＝(X_K-X_j)/((X_k+X_j)tan(β))，H＝(H_s+H_b)*cos(θ)；若tan(θ)不为0，且H小于H_e，即未到达切削深度，执行步骤7；若tan(θ)不为0，且H等于H_e，即到达切削深度，则执行步骤8；若tan(θ)不为0，且H大于H_e，即切削过度，则执行步骤9；tan(θ)为0，即到达最低点，则执行步骤10；

步骤7：铣刀沿竖直方向向下继续进行切削，直至满足H＝H_e＝(H_s+H_b)*cos(θ)，然后执行步骤6；

步骤8：工件向X负半轴方向移动一个步长s(mm)，与此同时铣刀沿竖直方向向下进行切削，待一个步长移动完成后然后执行步骤6；

步骤9：铣刀沿竖直方向向上进行移动，直至满足H＝H_e＝(H_s+H_b)*cos(θ)，然后执行步骤6；

步骤10：当铣刀到达曲面工件的最低端(切削点的斜率为0)时，面阵相机获取此时曲面上的激光线信息，计算当前点竖直方向的切削深度H，若H小于H_e则铣刀继续沿竖直方向向下切削直至H等于H_e，H_e为当前点工件设定的切削深度；若H等于H_e，则执行步骤11；

步骤11：铣刀在竖直方向以一定速率向上切削，与此同时工件向X负半轴方向移动一个步长s(mm)，待一个步长移动完成后然后执行步骤12；

步骤12：计算工件当前切削点的斜率tan(θ)和切削深度H，以及电流传感器的信息，tan(θ)＝(X_K-X_j)/((X_k+X_j)tan(β))，H＝(H_s+H_b)*cos(θ)；若H小于H_e，且刀具与工件有接触使电流传感器有激励，即铣刀未达到设定切削深度，则执行步骤13；若H等于H_e且刀具与工件有接触使电流传感器有激励，即铣刀达到设定切削深度，即则执行步骤14；若H大于H_e且刀具与工件有接触使电流传感器有激励，即铣刀切削过度，即则执行步骤15；若刀具与工件无接触使电流传感器无激励，即此时切削完成，则执行步骤16；

步骤13：铣刀沿竖直方向向下切削，直至满足H＝H_e＝(H_s+H_b)*cos(θ)，然后执行步骤12；

步骤14：工件向X负半轴方向移动一个步长s(mm)，与此同时铣刀沿竖直方向向上进行切削，待一个步长移动完成后然后执行步骤12；

步骤15：铣刀沿竖直方向向上移动，直至满足H＝H_e＝(H_s+H_b)*cos(θ)，然后执行步骤12；

步骤16：铣刀回归初始位，完成本次目标工件的加工。

进一步地，在机器视觉辅助曲面加工的过程中，铣刀只进行竖直方向的进给运动，工件的水平进给运动则由工件输送机构负责完成，根据实际工作要求，工件输送机构始终保证工件以一定的速度和步长完成工件的进给。

进一步地，所述步骤2中L的取值为20mm～25mm。

采用上述方案后，由于采用了机器视觉辅助曲面加工方法，本发明方法只需对铣刀切削或退刀时曲面工件表面的线状激光进行图像采集并获得其距离，即可运用前面所述公式计算此时刀具的切削深度(H_C)，便于实时检测跟踪铣刀切削轨迹；此种跟踪加工方法，克服了现有人工加工的局限性，该方法能够时刻进行铣刀的控制与检测，加工精度远高于人工，高效的完成曲面加工。

附图说明

图1为本发明中一种机器视觉辅助曲面加工装置的工作示意图；

图2为本发明中一种机器视觉辅助曲面加工装置的三维结构图；

图3为本发明中一种机器视觉辅助曲面加工装置中视觉检测装置部分的局部结构示意图；

图4为本发明涉及的刀具初始切削过程简图；

图5为本发明涉及的刀具沿斜率下移切削深度计算简图；

图6为本发明涉及的刀具位于最低端时切削过程简图；

图7为本发明涉及的刀具沿斜率上移切削深度计算简图；

图8为本发明实例1中加工曲面零件的外形图；

图9为图8中加工曲面零件的正视图；

图中附图标记如下：

1-曲面工件；2-铣刀；3-滤镜、4-镜头、5-左边线激光器、6-左边线激光调节板、7-线激光安装座、8-面阵相机、9-面阵相机安装板、10-右边线激光调节板、11-视觉检测装置调节板、12-视觉检测装置箱体、13-视觉检测装置固定架；、14-工件输送台；15-工件夹具；16-卧式铣床；17-工件输送机构；18-右边线激光器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。以下描述仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2及图3所示，本发明一种机器视觉辅助曲面加工装置，包括视觉检测装置17、卧式铣床16、工件输送机构14、工件夹具15；所述视觉检测装置包括滤镜3、镜头4、左边线激光器5、左边线激光调节板6、线激光安装座7、面阵相机8、面阵相机安装板9、右边线激光调节板10、右边线激光器18、视觉检测装置调节板11、视觉检测装置箱体12、视觉检测装置固定架13；所述面阵相机8安装于视觉检测装置箱体12内的面阵相机安装板9上，并可调节上下位置，所述左边线激光器5和右边线激光器18分别置于视觉检测装置箱体12内的左边线激光调节板6和右边线激光调节板10上并可调节角度，所述左边线激光器5和右边线激光器18等距对称分布于面阵相机安装板9左右两边，所述滤镜玻璃3安装于视觉检测装置箱体12的下端；视觉检测装置固定架13后端安装于卧式铣床16上，视觉检测装置固定架13前端连有可调节位置的视觉检测装置调节板11，所述视觉检测装置箱体12安装于视觉检测装置调节板11上；

在使用过程中，左边线激光器5、右边线激光器18发射的线激光光谱与滤镜3的带通一致。所述视觉检测装置17位于铣刀2的正上方，曲面工件上的激光线始终在面阵相机的视野范围内；

所述视觉检测装置调节板11上设有调节槽，并可以根据视觉检测装置工作的高度要求沿着其上的槽孔进行位置调节；本申请技术方案中涉及的视觉检测装置调节板11、左边线激光调节板6、右边线激光调节板10、面阵相机安装板9均可以调节位置或者角度，这些调节装置在均为现有技术，此处不再详述。

所述左边线激光调节板6和右边线激光调节板10分别安装于面阵相机安装板9两边的线激光安装座7上，左边线激光调节板6和右边线激光调节板10相对于竖直方向的调节角度为30°～60°；

所述卧式铣床安装有电流传感器，当刀具接触到工件时电流传感器被触发，则控制系统能够获知刀具此时位置信息。

下面，根据本发明所述的技术方案，对部分说明书附图进行解释说明：

图4为刀具初始切削过程简图；如图4所示，S为工件运动的步长，p1位置为刀具初始位置，距离曲面工件轮廓上方一定距离，距离切削轮廓边缘距离为L，随后刀具以一定速率由位置p1运动到位置p2，位置p2为刀具接触到曲面工件的位置，再随后刀具以一定速率由位置p2切削到位置3，位置p3为竖直方向的最终切削位置，并计算出位置p3处刀具切削点的斜率，再随后刀具继续以一定速率向下运动，与此同时工件以一定速率向x轴负半轴方向运动一个步长，由于工件和刀具的复合运动，因此刀具由位置p3到达位置p4，复合运动的运动方向与当前切削点的切线方向一致，故此后文中以当前点的切线方向指代复合运动的最终方向；再随后刀具在竖直Y方向上以一定速率由位置p4移动到位置p5，位置p5为竖直方向满足切削深度的最终位置，然后重复位置p3到位置p5的变化，直至加工到最低端位置；

图5为刀具沿斜率下移切削深度计算简图；如图5所示，JB与EB为入射激光线，角JBO和角EBO为激光入射角β，O点为刀具的中心点；H点是刀具最下方与曲面工件接触的点，OH为刀具接触到曲面工件时到刀具最下方开始切削工件时这段时间刀具在竖直方向的移动距离，记为H_b，对应的OM为刀具接触到曲面工件时到刀具最下方开始切削工件时这段时间刀具的最大切削深度即实际切削深度；HB为刀具在竖直方向的切削深度，记为H_s，HK为HB对应的最大切削深度即实际切削深度；QP为刀具到达切削深度线处，当前切削点对应的切线；过刀具的最下方的切削点B做刀具的水平切线，入射激光线交此切线于B点，交工件轮廓线于J与E点，过点J做JA垂直AC于A，过点E做EC垂直AC于C，过点J做JD垂直于EC交EC于点D；角θ为当前切削点的切削角，X_j、X_k为图像中对应的线段AB、BC在图像中的像素长度，X_r为单位像素在AB方向上的物理距离，ν为刀具的下降速率；

则可得：

AB＝X_j*X_r ①

BC＝ X_K*X_r ②

OH＝ν*(t₂-t₁) ③

由①②③式可得：

HB≈(AJ+EC)/2＝(X_j+X_K)*X_r/(2*tan(β))

工件当前切削点的斜率：tan(θ)＝DE/JD＝(X_K-X_j)/((X_k+X_j)*tan(β))

工件竖直切削深度：H_a＝H_b+H_s

工件最大切削深度：H_e＝OM+HK＝(H_b+H_s)*cos(θ)

图6为刀具位于最低端时(切削角为0)切削过程简图；如图6所示，位置p-1为刀具在最低点右边的最低切削点位置，位置p-2为刀具在竖直方向的实际切削位置，位置p-3为刀具在最低点左边的最低切削点位置；具体的运动过程为，当刀具运动到位置p-1后沿着当前切削点的斜率方向向下移动到达位置p-2，并记刀具在位置p-1处的切削角为θ₁，斜率为k1；刀具到达位置p-2后将沿着切削角θ₂由位置p-2运动到位置p-3，记θ₂＝(180°—θ₁)，斜率为-k1；

图7为刀具右侧切削深度计算简图；如图7所示，刀具在上移的过程中相关参数的变化与刀具在下移的过程中相关参数的计算一样，不同点在于刀具的运动方向沿着斜率的方向向上移动，其中S1、S2、S3表示刀具所处的不同切削点位置。

下面，根据本发明所述的技术方案，提供下列实施例内容：

实施例1

如图8、图9所示，加工所示零件，该零件为一个曲面零件，曲面半径为3800mm，弦长为4800mm，工件的厚度为150mm，采用本专利所述机器视觉辅助实现曲面加工的方法，结合图1-图9所述的装置及方法示意图，陈述以下步骤：

步骤1：视觉检测装置的相关参数进行标定：面阵相机视场角为α，左右线状激光器轴线与竖直方向夹角为β；调节两侧线激光的入射角β使两侧的激光线重合，且交线始终位于面阵相机获取图片的正中央。X_n为激光线分离时左右激光线之间距离的像素个数，X_j为左侧激光线到获取的图像正中间的像素个数，X_k为右侧激光线到获取的图像正中间的像素个数，且满足X_n＝X_j+X_k，图像分辨率为X_r(pixel/mm)；

步骤2：加工设备初始化及调节：根据工作要求调节工件，使工件位于铣刀下方，调节铣刀初始位置使其距离曲面工件最外侧轮廓线L(mm)(L的取值为20mm-25mm)，调节视觉传感装置使其位于铣刀的正上方一段距离，使左右线状激光器产生的线激光照射于工件表面上，且位于面阵相机视野的中间，且两条激光线的重合线与铣刀最下方的切削点重合交于一条直线；

步骤3：设定工件的切削深度为H_e为20mm，工件在X方向的进给步长S为2mm；定义刀具在竖直方向的切削深度为H_s(mm)，刀具在当前切削点处的斜率为tan(θ)，tan(θ)＝(X_k-X_j)/((X_k+X_j)*tan(β))；当工件由右端向左端切削，且铣刀未达到最低点时，铣刀沿Y方向向下以一定速率ν(mm/s)向下进行切削运动，此处ν＝5mm/s，面阵相机则以一定的帧速率采集图像；当铣刀距离曲面的高度发生变化的同时，左边激光线、右边激光线在曲面上的距离也发生变化，由于此时刀具的最下端切点未接触到工件，所以称此时激光线的分离为反向分离，当刀具的正下方接触到工件时，则称此时的激光线分离为正向分离；

步骤4：当铣刀接触到曲面工件时，电流传感器受到激励，将信号反馈给视觉检测系统，系统记录当前的时间节点t₁(s)，面阵相机拍下此时的图像M₁；

步骤5：刀具继续向下移动，当图像传感器检测到曲面上的激光线重合时，面阵相机拍下此时的图像M₂，将信息反馈给视觉检测系统，系统记录当前的时间节点t₂(s)，则可以计算出刀具接触到工件时到激光线在曲面重合时这段时间铣刀在竖直方向的运动距离H_b，H_b＝ν*(t₂-t₁)，此后刀具在竖直方向的切削距离为记为H_s，刀具以一定的速度竖直向下切削，直至满足H_e＝(H_s+H_b)*cos(θ)时停止切削下移，随后工件向X负半轴方向移动一个步长s(mm)，与此同时铣刀继续沿竖直方向向下切削，待完成一个步长的移动后，然后执行步骤6；

步骤6：计算工件当前切削点的斜率tan(θ)和切削深度H，tan(θ)＝(X_K-X_j)/((X_k+X_j)tan(β))，H＝(H_s+H_b)*cos(θ)；若tan(θ)不为0，且H小于H_e，即未到达切削深度，执行步骤7；若tan(θ)不为0，且H等于H_e，即到达切削深度，则执行步骤8；若tan(θ)不为0，且H大于H_e，即切削过度，则执行步骤9；tan(θ)为0，即到达最低点，则执行步骤10；

步骤7：铣刀沿竖直方向向下继续进行切削，直至满足H＝H_e＝(H_s+H_b)*cos(θ)，然后执行步骤6；

步骤8：工件向X负半轴方向移动一个步长s(mm)，与此同时铣刀沿竖直方向向下进行切削，待一个步长移动完成后然后执行步骤6；

步骤9：铣刀沿竖直方向向上进行移动，直至满足H＝H_e＝(H_s+H_b)*cos(θ)，然后执行步骤6；

步骤10：当铣刀到达曲面工件的最低端(切削点的斜率为0)时，面阵相机获取此时曲面上的激光线信息，计算当前点竖直方向的切削深度H，若H小于H_e则铣刀继续沿竖直方向向下切削直至H等于H_e，H_e为当前点工件设定的切削深度；若H等于H_e，则执行步骤11；

步骤11：铣刀在竖直方向以一定速率向上切削，与此同时工件向X负半轴方向移动一个步长s(mm)，待一个步长移动完成后然后执行步骤12；

步骤12：计算工件当前切削点的斜率tan(θ)和切削深度H，以及电流传感器的信息，tan(θ)＝(X_K-X_j)/((X_k+X_j)tan(β))，H＝(H_s+H_b)*cos(θ)；若H小于H_e，且电流传感器有激励(刀具与工件有接触)，即铣刀未达到设定切削深度，则执行步骤13；若H等于H_e且电流传感器有激励(刀具与工件有接触)，即铣刀达到设定切削深度，即则执行步骤14；若H大于H_e且电流传感器有激励(刀具与工件有接触)，即铣刀切削过度，即则执行步骤15；若电流传感器无激励(刀具与工件无接触)，即此时切削完成，则执行步骤16；

步骤13：铣刀沿竖直方向向下切削，直至满足H＝H_e＝H_s*cos(θ)+H_b*cos(θ)然后执行步骤12；

步骤14：工件向X负半轴方向移动一个步长s(mm)，与此同时铣刀沿竖直方向向上进行切削，待一个步长移动完成后然后执行步骤12；

步骤15：铣刀沿竖直方向向上移动，直至满足H＝H_e＝H_s*cos(θ)+H_b*cos(θ)然后执行步骤12；

步骤16：铣刀回归初始位，完成本次目标工件的加工。

上述步骤可以通过计算机完成，图像处理算法和计算机软件不是本专利保护的重点，本申请技术方案的重点上面所述的硬件装置及与硬件及原理过程相关的方法。

以上仅以部分实施例对本发明进行说明，并不构成对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则内做出的任何修改、改进及等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。