CN104551865A - 影像量测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种影像量测系统，用于控制CNC加工设备主轴上安装的CNC检测单元对待测产品进行影像量测。该CNC检测单元包括保护盒、打光系统、镜头及电荷耦合元件CCD。该影像量测系统控制CNC检测单元撷取待测产品的量测部位的图片，对图片进行处理，从处理后的图片中确定量测部位的测量点，根据所述测量点及用户选择的元素类型拟合几何元素，再根据拟合的几何元素创建工件坐标系。之后，该影像量测系统计算所述测量点在该工件坐标系中的坐标与其在CNC加工程序中的理论坐标之差值，将该差值反馈给CNC加工设备进行坐标补偿。本发明还提供一种影像量测方法。

Description

影像量测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种计算机辅助控制系统及方法，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系统及方法。
背景技术
由于受加工使用的来料、加工环境等因素影响，CNC加工设备加工出来的产品容易出现加工精度不高、精度变化很大等情况。目前，为了保证CNC加工设备的加工精度，一般是通过CNC加工设备加工产品毛坯，得到加工产品，再通过检测加工产品的尺寸来修正CNC加工程序。这种方法耗费大量的人力物力，且耗时较长。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种系统及方法，可以在CNC加工设备加工产品前得到加工产品的CNC加工程序的修正值，提供给CNC加工程序，实现CNC加工设备的高精度、快速检测。
一种影像量测系统，用于控制CNC加工设备主轴上安装的CNC检测单元对待测产品进行影像量测。该CNC检测单元包括保护盒、打光系统、镜头及电荷耦合元件CCD。该系统包括：保护盒控制模块，用于驱动CNC加工设备移动到待测产品的量测部位，驱动保护盒的开关马达开启保护盒的盖子；打光控制模块，用于驱动打光系统的灯光控制卡打开表面光源和同轴光源，以对待测产品的量测部位进行照明；第一量测控制模块，用于控制CNC加工设备沿Z轴上下移动，在移动过程中控制CCD撷取多张待测产品的量测部位的图片，并记录CNC加工设备的X、Y、Z光学尺测量得到的每张图片的X、Y、Z坐标；图片处理模块，用于对所述多张图片进行二值化处理，根据二值化处理后的所有图片的像素灰度值生成折线图，确定折线图中的峰值所对应的第一图片，以该第一图片的X、Y、Z坐标所对应的位置为镜头的对焦位置；第二量测控制模块，用于控制CNC加工设备移动到该第一图片的X、Y、Z坐标所对应的位置，并控制CCD撷取一张待测产品的量测部位的第二图片；量测取点模块，用于根据量测部位的测量线与二值化处理后的该第二图片中黑色部分与白色部分的交界线的交点从该第二图片中确定测量点；元素拟合模块，用于根据用户选择的元素类型及所述测量点拟合一个几何元素；及坐标补偿模块，用于根据该几何元素建立工件坐标系，确定所述测量点在该工件坐标系中的坐标，计算所述测量点在该工件坐标系中的坐标与其在CNC加工程序中的理论坐标之差值，将该差值反馈给CNC加工设备进行坐标补偿。
一种影像量测方法，用于控制CNC加工设备主轴上安装的CNC检测单元对待测产品进行影像量测。该CNC检测单元包括保护盒、打光系统、镜头及电荷耦合元件CCD。该方法包括：(A)驱动CNC加工设备移动到待测产品的量测部位，驱动保护盒的开关马达开启保护盒的盖子；(B)驱动打光系统的灯光控制卡打开表面光源和同轴光源，以对待测产品的量测部位进行照明；(C)控制CNC加工设备沿Z轴上下移动，在移动过程中控制CCD撷取多张待测产品的量测部位的图片，并记录CNC加工设备的X、Y、Z光学尺测量得到的每张图片的X、Y、Z坐标；(D)对所述多张图片进行二值化处理，根据二值化处理后的所有图片的像素灰度值生成折线图，确定折线图中的峰值所对应的第一图片，以该第一图片的X、Y、Z坐标所对应的位置为镜头的对焦位置；(E)控制CNC加工设备移动到该第一图片的X、Y、Z坐标所对应的位置，并控制CCD撷取一张待测产品的量测部位的第二图片；(F)根据量测部位的测量线与二值化处理后的该第二图片中黑色部分与白色部分的交界线的交点从该第二图片中确定测量点；(G)根据用户选择的元素类型及所述测量点拟合一个几何元素；及(H)根据该几何元素建立工件坐标系，确定所述测量点在该工件坐标系中的坐标，计算所述测量点在该工件坐标系中的坐标与其在CNC加工程序中的理论坐标之差值，将该差值反馈给CNC加工设备进行坐标补偿。
相较于现有技术，本发明提供的影像量测系统及方法，可以在CNC加工设备加工产品前得到加工产品的CNC加工程序的修正值，提供给CNC加工设备的CNC加工程序，实现CNC加工设备的高精度、快速检测。
附图说明
图1是本发明影像量测系统较佳实施例的应用环境图。
图2是图1中CNC检测单元的示意图。
图3是本发明影像量测方法较佳实施例的流程图。
图4是根据二值化处理后的图片的像素灰度值生成折线图的示意图。
图5根据待测产品的量测部位的测量线从该量测部位的二值化图片中取测量点的示意图。
图6是根据图5中的测量点拟合线的示意图。
图7是根据图6中拟合的线建立工件坐标系的示意图。
主要元件符号说明
计算装置 1
影像量测系统 10
保护盒控制模块 11
打光控制模块 12
第一量测控制模块 13
图片处理模块 14
第二量测控制模块 15
量测取点模块 16
元素拟合模块 17
坐标补偿模块 18
存储器 20
处理器 30
显示设备 40
CNC加工设备 2
CNC加工主轴 21
装夹治具 22
CNC检测单元 23
保护盒 231
打光系统 232
镜头 233
CCD 234
加工程序 24
工作平台 25
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，是本发明影像量测系统10较佳实施例的应用环境图。在本实施例中，该影像量测系统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CNC加工主轴21（即CNC加工设备2机台的Z轴）、装夹治具22、CNC检测单元23及加工程序24。
CNC检测单元23包括保护盒231、打光系统232、镜头233及电荷耦合元件（Charge Couple Device，CCD）234。在本实施例中，如图2所示，CNC检测单元23通过装夹治具22固定在CNC加工主轴21上。安装时保证CCD234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）。CCD234的成像平面可以理解为与图2中的工作平台25平行的一个平面，CNC加工设备2的加工平面可以理解为与图2中的工作平台25垂直的一个平面。工作平台25用于放置待测产品。
在本实施例中，如图2所示，镜头233位于CCD234正前方。镜头233为一组大景深镜头。打光系统232安装于镜头233底部（图中未示出），其包括灯光控制卡、表面光源和同轴光源（图中未示出）。表面光源和同轴光源可以为LED光源组。
CNC检测单元23处于闲置状态时，保护盒231将打光系统232、镜头233及CCD234完全封闭起来。CNC检测单元23开始检测时，通过驱动安装于保护盒231底部的开关马达235开启保护盒231的盖子。
需要说明的是，CNC加工设备2还包括图1及图2中未示出或未标示的其他部件，例如刀具，X轴线性马达，Y轴线性马达，Z轴线性马达，X轴光学尺，Y轴光学尺，Z轴光学尺，等等。
在本实施例中，影像量测系统10控制CNC检测单元23撷取待测产品（例如产品毛坯）的量测部位的图片，对图片进行处理，从处理后的图片中读取量测部位的测量点，根据所述测量点及用户选择的元素类型拟合几何元素，再根据拟合的几何元素创建工件坐标系。之后，影像量测系统10计算所述测量点在该工件坐标系中的坐标与其在CNC加工程序24中的理论坐标之差值，将该差值反馈给CNC加工设备2。
参阅图1所示，影像量测系统10包括保护盒控制模块11、打光控制模块12、第一量测控制模块13、图片处理模块14、第二量测控制模块15、量测取点模块16、元素拟合模块17及坐标补偿模块18。模块11-18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，提供影像量测系统10的上述功能。模块11-18的具体功能请参阅下文关于图3的介绍。
参阅图3所示，是本发明影像量测方法较佳实施例的流程图。
步骤S10，保护盒控制模块11驱动CNC加工设备2移动到待测产品的量测部位，驱动保护盒231底部的开关马达235，开启保护盒231的盖子。保护盒231的盖子开启后，原先被保护盒231封闭起来的打光系统232、镜头233及CCD234暴露出来。
步骤S20，打光控制模块12驱动打光系统232的灯光控制卡打开表面光源和同轴光源，以对待测产品的量测部位进行照明。
步骤S30，第一量测控制模块13控制CNC加工设备2沿Z轴上下移动，在移动过程中控制CCD234撷取多张待测产品的量测部位的图片，并记录X、Y、Z光学尺测量得到的每张图片的X、Y、Z坐标。例如，待测产品放置在工作平台25之上，第一量测控制模块13控制CNC加工设备2在待测产品的指定量测部位上方及下方5mm以内的范围内移动。在CNC加工设备2移动的过程中，CCD234每隔预设时间（例如1s）拍摄一张量测部位的图片，并将该图片及该图片的X、Y、Z坐标存储至存储器20中。
步骤S40，图片处理模块14对所述多张图片进行二值化处理，根据所有图片的像素灰度值生成折线图，确定折线图中的峰值所对应的图片（记该图片为第一图片），以该第一图片的X、Y、Z坐标所对应的位置为镜头233的对焦位置。
在CNC加工设备2上、下移动的过程中，镜头233与待测产品的量测部位之间的距离发生变化，导致CCD234捕获的图片的对焦点的灰度值发生变化。
如图4所示的折线图，X轴代表灰度值，每张图片的所有对焦点的灰度值对应一条折线，每张图片的每个对焦点对应折线上的一个点，Y轴代表每张图片在CNC加工设备2的Z轴上的位置（即Z光学尺测量得到的每张图片的Z坐标）。
步骤S50，第二量测控制模块15控制CNC加工设备2移动到该第一图片的坐标所对应的位置，并控制CCD234撷取一张待测产品的量测部位的第二图片。图片处理模块14对该第二图片进行二值化处理。
步骤S60，量测取点模块16根据该第二图片的像素灰度值和量测部位的测量线从该第二图片中读取一个或多个测量点。该第二图片被二值化处理后，量测取点模块16根据该第二图片中像素值的变化(白到黑或黑到白)确定该第二图片中的轮廓部分。
二值化处理后，每张图片的每个像素点的灰度值在0～255之间，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，该像素点在图片中呈黑色。否则，该像素点在图片中呈白色。如图5所示，带箭头的射线代表测量线，每条测量线与图中黑色部分与白色部分的交界线的交点确定一个测量点。例如图5中每条射线的黑色端点或白色端点代表确定的测量点。
步骤S70，元素拟合模块17根据用户选择的元素类型及所述测量点拟合一个几何元素。元素类型包括线、圆、面等。根据元素类型的不同，拟合所需要的测量点的数目可能也不同。例如，若要拟合线，则至少要取2个测量点，测量点取得越多，拟合结果越精确。拟合所采用的数学方法可以为最小二乘法。如图6所示，是根据图5中的测量点拟合得到的线。
步骤S80，坐标补偿模块18根据该几何元素建立工件坐标系，确定所述测量点在该工件坐标系中的坐标，计算所述测量点在该工件坐标系中的坐标与其在CNC加工程序24中的理论坐标之差值，将该差值反馈给CNC加工设备2。例如，根据图6中拟合得到的线可以确定工件坐标系的X轴、Y轴（如图7所示）。每个测量点（如图7的点P）在CNC加工程序24中有一个理论坐标。工件坐标系确定后，坐标补偿模块18确定每个测量点在该工件坐标系中的实际坐标，然后计算每个测量点的实际坐标与理论坐标的差值，将该差值反馈给CNC加工设备2进行坐标补偿。每个测量点对应CNC加工路径上的一个路径点，后续CNC加工设备2运行CNC加工程序24进行产品加工时，根据每个测量点的实际坐标与理论坐标的差值对CNC加工路径进行相应补偿，实现高精度加工。
在其他实施例中，该方法还可以包括以下步骤：在影像量测完成后，保护盒控制模块11驱动保护盒231底部的开关马达235关闭保护盒231的盖子，打光控制模块12驱动打光系统232的灯光控制卡关闭表面光源和同轴光源。
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)

1.一种影像量测方法，应用于连接CNC加工设备的计算装置，其特征在于，该CNC加工设备的主轴上安装有CNC检测单元，该CNC检测单元包括保护盒、打光系统、镜头及电荷耦合元件CCD，该方法包括：
保护盒控制步骤：驱动CNC加工设备移动到待测产品的量测部位，驱动保护盒的开关马达开启保护盒的盖子；
打光控制步骤：驱动打光系统的灯光控制卡打开表面光源和同轴光源，以对待测产品的量测部位进行照明；
第一量测控制步骤：控制CNC加工设备沿Z轴上下移动，在移动过程中控制CCD撷取多张待测产品的量测部位的图片，并记录CNC加工设备的X、Y、Z光学尺测量得到的每张图片的X、Y、Z坐标；
图片处理步骤：对所述多张图片进行二值化处理，根据二值化处理后的所有图片的像素灰度值生成折线图，确定折线图中的峰值所对应的第一图片，以该第一图片的X、Y、Z坐标所对应的位置为镜头的对焦位置；
第二量测控制步骤：控制CNC加工设备移动到该第一图片的X、Y、Z坐标所对应的位置，并控制CCD撷取一张待测产品的量测部位的第二图片；
量测取点步骤：根据量测部位的测量线与二值化处理后的该第二图片中黑色部分与白色部分的交界线的交点从该第二图片中确定测量点；
元素拟合步骤：根据用户选择的元素类型及所述测量点拟合一个几何元素；及
坐标补偿步骤：根据该几何元素建立工件坐标系，确定所述测量点在该工件坐标系中的坐标，计算所述测量点在该工件坐标系中的坐标与其在CNC加工程序中的理论坐标之差值，将该差值反馈给CNC加工设备进行坐标补偿。
2.如权利要求1所述的影像量测方法，其特征在于，所述CCD的成像平面的轴线与CNC加工设备的加工平面垂直。
3.如权利要求1所述的影像量测方法，其特征在于，所述元素类型包括线、面、圆。
4.如权利要求1所述的影像量测方法，其特征在于，该方法在坐标补偿步骤之后还包括以下步骤：
驱动保护盒的开关马达关闭保护盒的盖子；及
驱动打光系统的灯光控制卡关闭表面光源和同轴光源。
5.一种影像量测系统，应用于连接CNC加工设备的计算装置，其特征在于，该CNC加工设备的主轴上安装有CNC检测单元，该CNC检测单元包括保护盒、打光系统、镜头及电荷耦合元件CCD，该系统包括：
保护盒控制模块，用于驱动CNC加工设备移动到待测产品的量测部位，驱动保护盒的开关马达开启保护盒的盖子；
打光控制模块，用于驱动打光系统的灯光控制卡打开表面光源和同轴光源，以对待测产品的量测部位进行照明；
第一量测控制模块，用于控制CNC加工设备沿Z轴上下移动，在移动过程中控制CCD撷取多张待测产品的量测部位的图片，并记录CNC加工设备的X、Y、Z光学尺测量得到的每张图片的X、Y、Z坐标；
图片处理模块，用于对所述多张图片进行二值化处理，根据二值化处理后的所有图片的像素灰度值生成折线图，确定折线图中的峰值所对应的第一图片，以该第一图片的X、Y、Z坐标所对应的位置为镜头的对焦位置；
第二量测控制模块，用于控制CNC加工设备移动到该第一图片的X、Y、Z坐标所对应的位置，并控制CCD撷取一张待测产品的量测部位的第二图片；
量测取点模块，用于根据量测部位的测量线与二值化处理后的该第二图片中黑色部分与白色部分的交界线的交点从该第二图片中确定测量点；
元素拟合模块，用于根据用户选择的元素类型及所述测量点拟合一个几何元素；及
坐标补偿模块，用于根据该几何元素建立工件坐标系，确定所述测量点在该工件坐标系中的坐标，计算所述测量点在该工件坐标系中的坐标与其在CNC加工程序中的理论坐标之差值，将该差值反馈给CNC加工设备进行坐标补偿。
6.如权利要求5所述的影像量测系统，其特征在于，所述CCD的成像平面的轴线与CNC加工设备的加工平面垂直。
7.如权利要求5所述的影像量测系统，其特征在于，所述元素类型包括线、面、圆。
8.如权利要求5所述的影像量测系统，其特征在于：
保护盒控制模块还用于，在坐标补偿模块将测量点的坐标差值反馈给CNC加工设备后，驱动保护盒的开关马达关闭保护盒的盖子；及
所述灯光控制模块还用于，在坐标补偿模块将测量点的坐标差值反馈给CNC加工设备后，驱动打光系统的灯光控制卡关闭表面光源和同轴光源。
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