CN104246634A - 用于将工具机的工具定位在视觉系统的视觉范围内的方法及其相关工具机 - Google Patents

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Abstract

一种用于将设置在数值控制工具机的转轴(2)上的工具(3)定位在视觉系统(7)的视觉范围(20)内的方法，以便测量工具(3)，该方法包括：沿轴(Z)移动正在旋转的转轴(35)，使其从参考位置(Z0)朝向在视觉范围中所定义的目标位置(Zobj)；以及撷取该视觉范围的影像。当撷取的影像(IM1)显示工具的特定部位(13)(例如其尖端)已进入视觉范围时(36)，控制转轴停止其沿轴的运动。当止动被控制时(37)，撷取转轴的瞬时位置(Z1)(38)并测量工具的尖端与目标位置间的距离(POS)(39)。根据瞬时位置与距离计算出最后位置(Z2)(40)，并使转轴移至该最后位置(42)。可考虑初步步骤(31)及/或细定位阶段(44、45、46、42)，其中，转轴及工具在初步步骤中为朝向视觉系统以一定量位移。一种包括控制单元(4、10)之工具机，以执行前述之定位方法。

Description

用于将工具机的工具定位在视觉系统的视觉范围内的方法及其相关工具机
技术领域
本发明涉及一种用于将组装在数值控制工具机的转轴(2)上的工具定位在视觉系统的视觉范围内，以便测量该工具的方法。
本发明也涉及一种执行这种方法的工具机。
尤其地，本发明有利地但不局限地在自动测量由视觉系统执行的工具之前，应用于设置工具的阶段。说明书将清晰地、并不失普遍性地对其作出详述。
背景技术
传统的数值控制工具机包括具有转轴的机械结构及电子控制单元，其中转轴承载工具，以加工物体并使其旋转，电子控制单元则可精确地控制转轴沿三个或更多位移轴的运动以及工具的旋转速度。
工具机的工具需要被测量(亦包括其正在旋转时)，以判断工具装于转轴上后的有效尺寸，或判断其经过一段工作时间后的磨损。为此，工具机装设有一自动测量系统，其可测量工具的尺寸，以及当其正在旋转时。
已知的自动测量系统包括与光接收器配合的雷射源，在雷射源发出的激光束被物体遮挡时，光接收器可侦测到。工具尺寸的侦测，例如针对标称长度与工具长度间的差异，是由先将转轴移动至参考位置，然后将转轴沿着横截于激光束的方向朝向激光束移动来取得，其中激光束是站在距离参考位置的已知距离。当工具的尖端遮挡住激光束，更具体地说，当尖端遮挡住激光束横截面的特定量时，控制单元记录转轴相对于参考位置的新位置。根据已知距离与所记录之新位置间的差异，便可估测工具的尺寸。
基于遮挡激光束的侦测系统，其缺点在于侦测的精确性，该精确性随着工具尖端相较于激光束横截面的直径之尺寸及其形状的不同，而有非常大的变化。此外，此类的侦测系统有可能将出现在工具尖端上的任何污泥(例如油滴)误判为工具的一部份，而造成测量错误。
另已知的自动侦测系统包括视觉系统，即光源以及电荷耦合组件(CCD)照相机，其中光源提供未聚焦光束，CCD照相机则撷取位于光源与照相机之间的物体之阴影轮廓的影像。此视觉系统可克服基于激光束的侦测系统的缺点，其视觉精确度平均，且可辨识工具尖端的污泥。当正在转动的工具(绕其自身的轴转动)被放置于视觉范围内时，便可执行侦测。为便确保工具正确地定位，转轴可逐步前进，其中在每一个步骤，可由撷取的影像来实时确认尖端的位置。
然而，视觉系统的影像撷取时间相当长。实际上，撷取时间受限于相机的更新速率，这迫使工具的移动须选择非常慢的速度，否则视觉系统无法精确地为工具构图。如此严重限制工具测量所需的最短时间。再者，当需要以高精确度将工具定位在视觉范围内的特定区域时，因提升精确度而需要进一步降低速度，或是需要反复执行细定位的处理，甚至需要更长的运行时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能将数值控制工具机的工具快速定位在视觉系统的观测范围内的方法，此方法可克服先前技术所述的缺点，且容易实施并且便宜。
本发明的目的亦在于提供一种可执行前述之定位方法的工具机。
根据本发明，提供一种用于将组装于数值控制工具机的转轴上的工具定位在视觉系统的视觉范围内的方法，以便测量工具，以及一种数值控制工具机，该方法与工具机具有如申请专利范围所记载的特征。
附图说明
现在将通过实施例并参考附图描述本发明的非限制性的实施方案，在附图中：
图1示出依据本发明的实施例的数值控制工具机的示意图，该数值控制工具机执行用于将工具定位在转轴上的方法。
图2-5示出图1的工具机的转轴于本发明的定位方法中的四个步骤之示意图。
图6示出图5的局部放大图，其中依据本发明另一较佳实施例中设有另一定位阶段。
图7示出依据本发明之定位方法的流程图。
具体实施方式
参考图1，组件符号1为表示整体的数值控制工具机。数值控制工具机1包括转轴2及第一电子控制单元4。转轴2上设置有工具3，第一电子控制单元4则实现工具机1的数值控制，以控制转轴2的旋转速度及沿至少一个位移轴的运动。第一电子控制单元4典型地藉由致动器(图未示)控制转轴2沿着三个直角(笛卡耳(Cartesian))轴X,Y和Z的运动。
转轴2通常透过部份程序中的机械码指令开始沿着位移轴运动，且可由外部单元透过第一电子控制单元4的特定输入端5(一般称“跳跃输入”)控制此运动停止。第一电子控制单元4亦用来记录转轴2沿着位移轴的位置，例如当输入端5接收到控制讯号时。此外，第一电子控制单元4包括通讯接口6，例如以太网络(Ethernet network)的通讯端口。
工具机1设有视觉系统7，当工具机1维持转轴2绕其旋转轴2a旋转的同时，视觉系统7可测量工具3的尺寸。具体地，视觉系统7包括光源8及影像传感器，其中影像传感器典型地为照相机9。照相机9以一定距离位于光源8的前方。当工具3透过转轴2沿位移轴的运动而位于光源8与照相机9之间时，照相机9便可撷取工具3阴影轮廓的影像。光源8可产生未聚焦的光束，照相机9例如为数字电荷耦合组件(CCD)照相机。
照相机9具有视觉范围20，此视觉范围20定义出工具3的测量区域。要进行测量时，将工具3置放于照相机9的视觉范围20内，撷取视觉范围20的影像，再根据撷取的影像计算工具3的尺寸。
根据一实施例，视觉系统7包括第二电子控制单元10，第二电子控制单元10与第一电子控制单元4连接，以传输控制讯号至第一电子控制单元4，并与第一电子控制单元4交换数据。依图1所示的示意图，第二电子控制单元10硬件上整合于承载光源8与照相机9的框架中，然本发明不限于此，第二电子控制单元10亦可为分开的单元。具体地，控制单元10包括输出端11及通讯端口12，其中输出端11可与第一电子控制单元4的输入端5连接，通讯端口12则可与第一电子控制单元4的通讯接口6连接。电子控制单元4、10可被程序化以执行将工具3定位于视觉系统7的视觉范围20中的方法，更具体地说，实现如以下配合图2至5所述的方法。
图2示出转轴2位于初始位置或零点位置，而此时组装于转轴2上的工具3完全位于照相机9的视觉范围20之外(照相机9并未示出于图2至5中)。视觉范围20包括例如第一侧边及第二侧边，其中第一侧边介于约0.3至0.5毫米(mm)，第二侧边则介于约0.2至0.4mm。图中所示的工具3可定义出纵向的工具轴3a。转轴2钳紧工具3，使工具轴3a大体上与旋转轴2a相重迭。在将工具机3定位于视觉范围20内并随后进行测量工具机3的过程中，转轴2均持续地绕着旋转轴2a旋转。
根据一实施例，就工具3的特定部位，特别是尖端13，于视觉范围20中定义出目标位置。因视觉范围20的中央部份通常能保证最佳效果，故如图所示的目标位置为垂直高度Zobj、并沿着Z轴方向位于视觉范围20的中心。
图7示出根据本发明的定位方法的步骤流程图，其中亦包括额外可选择的细定位阶段。流程图中的每个步骤以方块表示，每一个步骤的描述可参考以下说明。
当定位的步骤开始(即图7的方块30)，于初步步骤(方块31)中，在转轴2维持旋转的同时，第一电子控制单元4控制转轴2沿Z轴从零点位置朝向视觉系统7进行初步位移。初步位移的大小是取决于工具3沿着Z轴方向的尺寸L，其目的在于将工具3的尖端13置放于视觉范围20内。工具3的尺寸L是预先估测好的，例如透过校准程序，并将其储存于工具机1的第一电子控制单元4。所述的估测可由操作员手动执行，并储存于第一电子控制单元4的适当表格中。此初步步骤结束时，转轴2在垂直位移轴Z上位于参考位置Z0，而此时工具3的特定部位，特别是工具3的尖端13，可能位于视觉范围20内，或是尖端13通过视觉范围20之后位于视觉范围20的下方(参考图中所示的布置)，或是当工具3的尺寸L被高估时，尖端13亦可位于视觉范围20的上方(如第3图所示)。在对应转轴2的参考位置Z0，透过视觉系统7撷取视觉范围20的初步影像IM0(方块32)，并执行判断步骤(方块33及34)，以确认上述三种情形之中何者实际发生。更具体地说，可判断工具3的特定部位(即尖端13)是否位于视觉范围20内，而若尖端13位于视觉范围20的上方或下方，则产生否定结果(即方块33的输出N)。
假设转轴2位于参考位置Z0时为对应图3所示的情形，亦即工具3完全位于视觉范围20外，更具体地说，位于视觉范围20之上方(此情形由第二电子控制单元10透过撷取初步影像IM0来证实并侦测(即方块34的输出Y)。第一电子控制单元4可将转轴2持续旋转，并控制转轴2持续地沿Z轴从参考位置Z0进行第一运动(方块35)，使工具3的尖端13以第一方向朝向目标位置Zobj移动。在转轴2进行第一运动的过程中，视觉系统7撷取视觉范围20的影像。在图3所示的范例中，转轴2持续进行的第一运动是垂直向下的运动。
一旦视觉系统7根据撷取影像侦测到工具3的尖端13已进入视觉范围20(即方块36的输出Y)，则停止转轴2沿着Z轴的第一运动，此情况显示于图4。更具体地来说，第二电子控制单元10钻研自照相机9一张张撷取的影像，以找出撷取影像IM1，撷取影像IM1中可看见至少部份工具3(更具体地，工具3的尖端13)的阴影轮廓。换句话说，视觉系统7为采用所谓的工具3『外侧/内侧』的方法(“outside/inside”approach)运行。
当第二电子控制单元10侦测到撷取影像IM1(转轴以图4所示的箭头持续沿Z轴前进)时，第二电子控制单元10于输出端11提供停止控制(方块37)，藉由传送控制讯号至输入端5，命令第一电子控制单元4停止转轴2的运动，尤其停止转轴2的前进运动。一旦接收到停止控制，第一电子控制单元4开始进行转轴2的前进止动程序(方块38)，且记录转轴2的对应的瞬时位置Z1。具体地，所记录的瞬时位置Z1为第一电子控制单元4命令转轴2沿Z轴停止运动时，正在旋转的转轴2所在的位置，即如前所述，第一电子控制单元4开始进行止动程序时的位置。
在这个阶段，第二电子控制单元10根据撷取影像IM1测量介于尖端13的位置与目标位置Zobj之间的第一距离POS(方块39)。第一电子控制单元4透过通讯接口6与通讯端口12的连接，要求第二电子控制单元10并从第二电子控制单元10取得第一距离POS的数值，并计算出转轴2的第一最终位置Z2(方块40)，其中第一最终位置Z2为等于转轴2的瞬时位置Z1加上第一距离POS。假如尖端13并未越过目标位置Zobj(如图4所示)，第一距离POS为正值。若尖端13越过目标位置Zobj，第一距离POS则为负值。
当转轴2沿着Z轴的前进运动确实停止后(方块41的输出Y)，工具3的尖端13可能位于视觉范围20内或已经通过并超越视觉范围20，而第一电子控制单元4可控制转轴2沿Z轴的移动，使转轴2直接达到第一最终位置Z2(方块42及图5)。如图5所示，由于转轴2相对于瞬时位置Z1的位移量(即是尖端13的位移量)为第一距离POS，因此尖端13大体上移动至目标位置Zobj。
当转轴2确实沿Z轴停止时，尖端13的真实位置可能并非撷取影像IM1所显示的位置(参考图4)，可考虑的两个理由如下：
第一，因视觉系统7以及电子控制单元4、10电路的特性所产生的延迟，影像IM1的撷取时间与瞬时位置Z1的记录时间(即对应转轴2的止动程序之开始)之间存有消逝的期间△T1，且此期间△T1相较于尖端13经视觉范围20的移动时间是可变化、且不可忽略的。
第二，从第一电子控制单元4命令转轴2停止前进的时间点到转轴2真正停止的时间点之间，转轴2为经过期间△T2沿着Z轴进行减速，其受某种变化性影响。
有鉴于上述考虑的理由，根据本发明较佳的实施例，除了上述主要的定位步骤以外，所述的方法还包括『细定位』(“fine positioning”)的可选择阶段(判断方块43的输出Y表示需要细定位)。依据细定位的阶段，当正在旋转的转轴2在Z轴上的位置固定于第一最终位置Z2(如图5所示)时，视觉系统7撷取视觉范围20的第一附加影像IM2(方块44)。具体地，基于第一附加影像IM2，第一电子控制单元4透过通讯接口6与通讯端口12的连接，向第二电子控制单元10要求并从第二电子控制单元10取得沿Z轴上介于工具3的尖端13与目标位置Zobj间的第二距离POS2(方块45)。第一电子控制单元4将第一最终位置Z2与第二距离POS2相加，以得到转轴2的第二最终位置(方块46)，且第一电子控制单元4控制转轴2沿Z轴移动，从而使转轴2直接到达第二最终位置(如同主要定位阶段的方块42)。于是，期间△T1、△T2所造成的最终定位误差可被校正。
值得一提，第二距离POS2显示于图6中，其中图6是图5的局部放大图，尤其图6示出视觉范围20的第一附加影像IM2之中心区域。由于额外的细定位阶段与第一定位阶段为实质上相同(参考图4与图5)，因此不需要额外的图式显示透过额外的细定位步骤所得到的第二最终位置。
如上所述，由于工具3沿Z轴的尺寸L可能被低估，因此当转轴2沿Z轴的初步位移结束并位于第2图的参考位置Z0时，工具3的特定部位，尤其是尖端13，可能位于视觉范围20的下方(此为参考图的配置)(方块34的输出N)。藉由第二电子控制单元10撷取初步影像IM0并确认工具3中不同于尖端13的其它部位处于视觉范围20中(方块33、34)，便可侦测此情形的发生(图中未示)。在此实施例中，根据本发明所提供的定位方法，第一电子控制单元4在维持转轴2旋转的同时，亦控制转轴2从参考位置Z0沿Z轴进行连续的第一运动，使工具3的尖端13朝向目标位置Zobj的方向移动。因此，本实施例采用『内侧/外侧』的方法，转轴2的第一运动沿着相对于第一方向相反的第二方向进行，即往图的上方。图7的方块47表示移动的方向是相反的。并且在此实施例中，一旦视觉系统7根据撷取影像侦测到工具3的尖端13已进入视觉范围20(方块36)，则停止转轴2沿着Z轴的第一运动(方块35)，而后续的步骤与前述『外侧/内侧』方法的步骤相同。
于上述的初步阶段中，当转轴2沿Z轴的初步位移结束并位于图2中的参考位置Z0时，若侦测到工具3的尖端13位于视觉范围20内(即因工具3沿Z轴方向的尺寸L被正确地估计)(方块33的输出Y)，则转轴2的第一运动之控制步骤、在运动过程中取得视觉范围20的影像之步骤及其后续步骤及控制是非必要的，而仅需执行上述『细定位』的一个周期(方块44、45、46及42)。
假如转轴2沿Z轴的位移速度过快，因尖端13已经超出视觉范围20，则可能发生包含工具3的尖端13之撷取影像IM1未被侦测。因此，图7的方块48表示第一电子控制单元4控制安全程序，以停止定位周期，并随后使主轴2回到参考位置Z0，以便重新进行定位周期。
当根据本发明至此所述的方法进行工具3的定位，可透过视觉系统7执行确认工具3的尺寸及/或形状的周期，周期本身是已知的，在此不讨论。图7的方块49表示定位步骤的结束。
基于上述，当工具3沿不同位移轴(例如X轴或Y轴)运动并进入视觉范围20，本发明的定位方法亦可适用。此时，其目标位置由沿X轴或Y轴的水平位置表示。
此外，本发明的定位方法可用于在视觉系统7的视觉范围20中对具有不规则形状且/或尺寸大致上大于视觉范围20的旋转工具定位，其旋转轴超出于视觉范围20。在这些实施例中，定位方法的目的在于移动转轴2，以带动工具的特定部位(通常其边缘点)至对应到视觉范围20中的目标位置。
由于步骤中仅需要处理少数的工具影像，上述定位工具的方法的主要优点在于高速定位。同时，本发明因可根据处于静态的工具之尖端与视觉范围的目标位置间的位移量(其由处理的影像直接计算出)校正转轴的最终位置，使定位方法具有高精确度。当执行额外的细定位步骤，则以上所言更加真实。此外，工具机的工具尺寸可不必事先知道。
本发明不限于上述实施例，亦可由不同变化实施，例如电子控制单元4、10可被整合为单一单元或是互相交换运算。举例来说，视觉系统7的第二电子控制单元10可向第一电子控制单元4要求并取得关于转轴2的位置数据(Z0、Z1、Z2)，并加以处理距离POS、POS2的数值。

Claims (10)

1.一种用于将设置在数值控制工具机的转轴上的工具定位在视觉系统的视觉范围内的方法，以便测量该工具，该方法包括：定义该工具(3)的特定部位(13)在该视觉范围(20)内的目标位置(Zobj)；控制(35)该转轴(2)沿至少一个位移轴(Z)从参考位置(Z0)移动，并以一种方式移动该工具(3)的该特定部位(13)至该目标位置(Zobj)的第一运动，同时该视觉系统(7)撷取该视觉范围(20)的影像；当该视觉系统(7)根据撷取影像(IM1)，侦测到该工具(3)的该特定部位进入该视觉范围(20)内时，控制(37)该转轴(2)停止沿该位移轴(Z)的该第一运动；当该转轴(2)被控制停止时，撷取该转轴(2)的瞬时位置(Z1)；根据该撷取影像(IM1)，沿该位移轴(Z)上测量(39)该工具(3)的该特定部位(13)与该目标位置(Zobj)间的第一距离(POS)，其中该工具(3)的该特定部位(13)可见于该撷取影像(IM1)中；将该转轴(2)的该瞬时位置(Z1)与该第一距离(POS)相加，以计算(40)该转轴(2)的第一最终位置(Z2)；以及将该转轴(2)沿该位移轴(Z)移动至该第一最终位置(Z2)。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：当该转轴在该第一最终位置(Z2)处于静态时，透过该视觉系统撷取(44)该视觉范围(20)的第一附加影像(IM2)；根据该第一附加影像(IM2)，沿该位移轴(Z)测量(45)该工具(3)的该特定部位(13)与该目标位置(Zobj)间的第二距离(POS2)；将该第一最终位置与该第二距离(POS2)相加，以计算(46)到该转轴(2)的第二最终位置；以及将该转轴(2)沿该位移(Z)轴移动(42)至该第二最终位置。
3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括初步阶段，其包括以下步骤：沿该位移轴(Z)估计该工具(3)的尺寸；驱动该转轴(2)沿该位移轴(Z)朝向该视觉系统(7)作初步位移(31)，该初步位移的大小根据所估计的该工具(3)的尺寸而定；当该转轴(2)完成该初步位移后处于静态时，透过该视觉系统(7)撷取(32)位于该参考位置(Z0)的该视觉范围(20)的初步影像(IM0)；根据该初步影像(IM0)判断(33)该工具(3)的该特定部位(13)是否位于该视觉范围(20)内；以及仅当判断为否时，执行控制该转轴(2)的该第一运动(35)的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其中若基于该初步影像(IM0)而作出的该判断步骤(33,34)显示该工具(3)为完全位于该视觉范围(20)之外时，则进行沿第一方向控制该转轴(2)的该第一运动(35)的步骤。
5.如权利要求3所述的方法，其中若基于该初步影像(IM0)而作出的该判断步骤(33,34)显示该工具(3)不同于该特定部位(13)的部位位于该视觉范围(20)内时，则进行沿第二方向(47)控制该转轴(2)的该第一运动(35)的步骤。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中该工具机(1)包括第一电子控制单元(4)，以及该视觉系统(7)包括与该第一电子控制单元(4)连接的第二电子控制单元(10)，该第一电子控制单元(4)控制该转轴(2)沿该位移轴(Z)的运动及停止，该第一电子控制单元(4)记录该瞬时位置(Z1)，该第二电子控制单元(10)测量该第一距离(POS)。
7.如权利要求6所述的方法，其中该第一电子控制单元(4)计算出该第一最终位置(Z2)。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中该视觉系统(7)包括光源(8)及位于该光源(8)前方且距离一定距离的影像传感器(9)，当该工具(3)位于该光源(8)与该影像传感器(9)之间时，该影像传感器(9)可撷取该工具(3)的阴影轮廓之影像。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中当该转轴(2)沿至少一个位移轴(Z)移动的同时，该转轴持续绕该旋转轴(2a)转动。
10.一种数值控制工具机，包括：转轴(2)，该转轴(2)上设有工具(3)；第一电子控制单元(4)，用于控制该转轴(2)的旋转速度以及该转轴沿至少一个位移轴(z)的移动，并且记录该转轴(2)沿该位移轴(Z)的位置，以及视觉系统(7)，用于测量该旋转工具(3)；该工具机的特征在于：该视觉系统(7)包括与该第一电子控制单元(4)连接的第二电子控制单元(10)，以及该两个控制单元(4,10)可执行权利要求1至9中任一项所述的方法。
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