CN105436532A - 数控车床自动对刀装置及对刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控车床对刀装置，具体地说，涉及一种数控车床自动对刀装置及对刀方法。包括四方刀架、用于驱动四方刀架旋转的旋转电机、用于锁定四方刀架位置的锁紧电机、摄像头和对刀分析系统；所述四方刀架上安装有若干个刀具；所述摄像头与对刀分析系统相连接，并将采集的图像信息传送给对刀分析系统。本发明结构简单、使用方便，实施起来较为简便，对刀精度及速度不受人为因素的影响，对刀精度高，同时，对一些特殊的刀具都能实现精准对刀。

Description

数控车床自动对刀装置及对刀方法

技术领域

本发明涉及数控车床对刀装置，具体地说，涉及一种数控车床自动对刀装置及对刀方法。

背景技术

数控车床精准对刀是实现高精度数控加工的必要条件。现有技术中，数控车削对刀主要以手动试切对刀、采用接触式传感器自动对刀和机外对刀为主。手动试切法对刀的方式需要对每一把刀具都要试切外圆和端面以实现各把刀具的精确对刀。该方法实施起来较为繁琐，对刀精度及速度受操作者水平影响较大。同时，对一些特殊的刀具无法实现精准对刀，如：螺纹车刀无法通过试切端面的方法实现Z坐标精确对刀。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种操作简单、使用方便，且精度高的数控车床自动对刀装置及对刀方法，以解决上述的技术问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种数控机床自动对刀装置，其特征在于：包括四方刀架、用于驱动四方刀架旋转的旋转电机、用于锁定四方刀架位置的锁紧电机、摄像头和对刀分析系统；所述四方刀架上安装有若干个刀具；所述摄像头固定在数控车床上，且四方刀架处于自动对刀位置时，各刀具的刀尖部位都能进入摄像头的拍摄区域，同时，摄像头正对数控车床X向、Z向水平面拍摄；所述摄像头与对刀分析系统相连接，并将采集的图像信息传送给对刀分析系统。

进一步地说，所述四方刀架上安装的刀具包括：一号刀具、二号刀具、三号刀具和四号刀具；其中，一号刀具为90°外圆车刀；二号刀具为槽刀；三号刀具为45°外圆车刀；四号刀具为螺纹车刀。

所述数控机床自动对刀装置的对刀方法，包括以下步骤：

1.准备工作：利用卡盘将工件装夹在主轴上，同时将各刀具安装在四方刀架相应位置并紧固；通过垫片调整各刀具的刀尖与主轴的轴线等高；

2.以一号刀具为基准刀具，并通过试切外圆对一号刀具的X坐标，通过试切右端面对一号刀具的Z坐标；

3.摄像头在安装时，一般不能保证像素坐标系与机床坐标系保持平行，因此，应首先确定所采集图像像素坐标系与机床坐标夹角及像素距离与实际距离的转换系数K，其标定方法如下：

一号刀具通过试切法对刀后，将一号刀具移动到摄像头下方，摄像头拍照，并经过对刀分析系统的图像处理，获得一号刀具的刀尖A的像素点坐标A1(PXA1，PYA1)；然后，控制一号刀具沿X轴或Z轴坐标移动一个固定距离D，并保证移动固定距离D之后刀尖A仍然位于摄像头拍摄视域内；以沿Z轴正向移动一个固定距离D为例，移动完成后，摄像头拍照并经过对刀分析系统图像处理，获得刀尖A此时的像素点坐标A2(PXA2，PYA2)；则像素距离和实际距离转化系数K表达为：

$K=\frac{D}{\sqrt{{(PM1-PM2)}^2+{(PYA1-PYA2)}^2}}$

像素坐标PX与Z方向夹角α表达为：

$\mathrm{\α}=arccos\frac{PM2-PM1}{\sqrt{{(PM1-PM2)}^2+{(PYA1-PYA2)}^2}}$

4.完成像素坐标与机床坐标角度校准及距离系数校准之后，保持一号刀具处于工作位置不变，进行二号刀具、三号刀具、四号刀具的对刀；具体方法如下：

4A.移动四方刀架至自动对刀位置P点，该位置能保证四方刀架实现换刀后各刀具的刀尖都能位于摄像头的拍摄区域内；此时，一号刀具已采用试切法完成了对刀，在P点，一号刀具的坐标为已知量(X1,Z1)；通过摄像头拍照，对刀分系统通过图像处理提取出一号刀具刀尖A像素点坐标(PXA，PYA)；

4B.保持四方刀架的位置不变，换二号刀具为工作位置；换刀后，摄像头拍照，对刀分系统通过图像处理，提取出二号刀具的刀尖B的像素点坐标(PXB，PYB)；

4C.保持四方刀架的位置不变，换三号刀具为工作位置；换刀后，摄像头拍照，对刀分系统通过图像处理，提取出三号刀具的刀尖C的像素点坐标(PXC，PYC)；

4D.保持四方刀架的位置不变，换四号刀具为工作位置；换刀后，摄像头拍照，对刀分系统通过图像处理，提取出四号刀具的刀尖D的像素点坐标(PXD，PYD)；

4E.完成四个刀具的刀尖像素采集后，对刀分析系统自动分析，分别计算出二号刀具、三号刀具、四号刀具的刀尖在对刀点P点处的工件坐标(X2,Z2)、(X3,Z3)、(X4,Z4)；计算方法如下：

4E1.一号刀具的刀尖A的像素点坐标A(PXA，PYA)和二号刀具的刀尖B像素点坐标B(PXB，PYB)之间的连线与像素坐标轴PX的夹角为β1，

$\mathrm{\β}1=arccos\frac{|PXB-PXA|}{\sqrt{{(PXB-PXA)}^2+{(PYB-PYA)}^2}}$

则B点所对应的实际工件Z坐标为：

$Z2=Z1\±K*\sqrt{{(PXB-PXA)}^2+{(PYB-PYA)}^2}*\cos (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}1)$

B点对应的实际工件X坐标为：

$X2=X1\±K*\sqrt{{(PXB-PXA)}^2+{(PYB-PFA)}^2}*\sin (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}1);$

4E2.一号刀具的刀尖A的像素点坐标A(PXA，PYA)和三号刀具的刀尖C像素点坐标C(PXC，PYC)之间的连线与像素坐标轴PX的夹角为β2，

$\mathrm{\β}2=arccos\frac{|PXC-PXA|}{\sqrt{{(PXC-PXA)}^2+{(PYC-PYA)}^2}}$

则C点所对应的实际工件Z坐标为：

$Z3=Z1\±K*\sqrt{{(PXC-PXA)}^2+{(PYC-PYA)}^2}*cos(\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}2)$

C点所对应的实际工件X坐标为：

$X3=X1\±K*\sqrt{{(PXC-PXA)}^3+{(PYC-PYA)}^2}*sin(\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}2);$

4E3.一号刀具的刀尖A的像素点坐标A(PXA，PYA)和四号刀具的刀尖D像素点坐标D(PXD，PYD)之间的连线与像素坐标轴PX的夹角为β3，

$\mathrm{\β}3=\arccos \frac{|PXD-PXA|}{\sqrt{{(PXD-PXA)}^2+{(PYD-PYA)}^2}}$

则D点所对应的实际工件Z坐标为：

$Z4=Z1\±K*\sqrt{{(PXD-PXA)}^2+{(PYD-PYA)}^2}*\cos (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}3)$

D点所对应的实际工件X坐标为：

$X4=X1\±K*\sqrt{{(PXD-PXA)}^2+{(PYD-PYA)}^2}*\cos (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}3).$

有益效果：与现有技术相比，本发明结构简单、使用方便，实施起来较为简便，对刀精度及速度不受人为因素的影响，对刀精度高，同时，对一些特殊的刀具都能实现精准对刀。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明中标定坐标角度及距离系数的示意图；

图3为本发明中提取一号刀具刀尖像素坐标的示意图；

图4为本发明中提取二号刀具刀尖像素坐标的示意图；

图5为本发明中提取三号刀具刀尖像素坐标的示意图；

图6为本发明中提取四号刀具刀尖像素坐标的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

参照图1，本实施例所述的数控机床自动对刀装置，包括四方刀架1、用于驱动四方刀架1旋转的旋转电机16、用于锁定四方刀架1位置的锁紧电机15、摄像头2和对刀分析系统3；所述四方刀架1上安装有四个刀具，包括：一号刀具11、二号刀具12、三号刀具13和四号刀具14；其中，一号刀具11为90°外圆车刀；二号刀具12为槽刀；三号刀具13为45°外圆车刀；四号刀具14为螺纹车刀。

所述摄像头2固定在数控车床上，且四方刀架1处于自动对刀位置时，各刀具的刀尖部位都能进入摄像头2的拍摄区域，同时，摄像头2正对数控车床X向、Z向水平面拍摄；所述摄像头2与对刀分析系统3相连接，并将采集的图像信息传送给对刀分析系统3。

所述数控机床自动对刀装置的对刀方法，包括以下步骤：

1.准备工作：如图1所示，利用卡盘4将工件5装夹在主轴上，同时将各刀具安装在四方刀架1相应位置并紧固；通过垫片调整各刀具的刀尖与主轴的轴线等高；

2.以一号刀具11为基准刀具，并通过试切外圆对一号刀具11的X坐标，通过试切右端面对一号刀具的Z坐标；

3.摄像头2在安装时，一般不能保证像素坐标系与机床坐标系保持平行，因此，应首先确定所采集图像像素坐标系与机床坐标夹角及像素距离与实际距离的转换系数K，其标定方法如下：

一号刀具11通过试切法对刀后，将一号刀具11移动到摄像头2下方，摄像头2拍照，并经过对刀分析系统3的图像处理，获得一号刀具11的刀尖A的像素点坐标A1(PXA1，PYA1)；然后，控制一号刀具11沿X轴或Z轴坐标移动一个固定距离D，并保证移动固定距离D之后刀尖A仍然位于摄像头拍摄视域内；以沿Z轴正向移动一个固定距离D为例，移动完成后，摄像头2拍照并经过对刀分析系统3图像处理，获得刀尖A此时的像素点坐标A2(PXA2，PYA2)，如图2所示，虚线框为摄像头2拍摄区域，PX、PY为像素坐标，X、Z为机床坐标；则像素距离和实际距离转化系数K表达为：

$K=\frac{D}{\sqrt{{(PXA1-PXA2)}^2+{(PYA1-PYA2)}^2}}$

像素坐标PX与Z方向夹角α表达为：

$\mathrm{\α}=arccos\frac{PXA2-PXA1}{\sqrt{{(PXA1-PXA2)}^2+{(PYA1-PYA2)}^2}}$

4.完成像素坐标与机床坐标角度校准及距离系数校准之后，保持一号刀具11处于工作位置不变，进行二号刀具12、三号刀具13、四号刀具14的对刀；具体方法如下：

4A.移动四方刀架1至自动对刀位置P点，该位置能保证四方刀架1实现换刀后各刀具的刀尖都能位于摄像头2的拍摄区域内；此时，一号刀具11已采用试切法完成了对刀，在P点，一号刀具11的坐标为已知量(X1,Z1)；通过摄像头2拍照，对刀分系统3通过图像处理提取出一号刀具11的刀尖A像素点坐标(PXA，PYA)，如图3所示，虚线框为摄像头2拍摄区域；

4B.保持四方刀架1的位置不变，换二号刀具12为工作位置；换刀后，摄像头2拍照，对刀分系统3通过图像处理，提取出二号刀具12的刀尖B的像素点坐标(PXB，PYB)，如图4所示，虚线框为摄像头2拍摄区域；

4C.保持四方刀架1的位置不变，换三号刀具13为工作位置；换刀后，摄像头2拍照，对刀分系统3通过图像处理，提取出三号刀具13的刀尖C的像素点坐标(PXC，PYC)，如图5所示，虚线框为摄像头2拍摄区域；

4D.保持四方刀架1的位置不变，换四号刀具14为工作位置；换刀后，摄像头2拍照，对刀分系统3通过图像处理，提取出四号刀具14的刀尖D的像素点坐标(PXD，PYD)，如图6所示，虚线框为摄像头2拍摄区域；

4E.完成四个刀具的刀尖像素采集后，对刀分析系统3自动分析，分别计算出二号刀具12、三号刀具13、四号刀具14的刀尖在对刀点P点处的工件坐标(X2,Z2)、(X3,Z3)、(X4,Z4)；计算方法如下：

4E1.一号刀具11的刀尖A的像素点坐标A(PXA，PYA)和二号刀具12的刀尖B像素点坐标B(PXB，PYB)之间的连线与像素坐标轴PX的夹角为β1，

$\mathrm{\β}1=arccos\frac{|PXB-PXA|}{\sqrt{{(PXB-PXA)}^2+{(PYB-PYA)}^2}}$

则B点所对应的实际工件Z坐标为：

$Z2=Z1\±K*\sqrt{{(PXB-PXA)}^2+{(PYB-PYA)}^2}*\cos (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}1)$

B点对应的实际工件X坐标为：

$X2=X1\±K*\sqrt{{(PXB-PXA)}^2+{(PYB-PFA)}^2}*\sin (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}1);$

4E2.一号刀具11的刀尖A的像素点坐标A(PXA，PYA)和三号刀具13的刀尖C像素点坐标C(PXC，PYC)之间的连线与像素坐标轴PX的夹角为β2，

$\mathrm{\β}2=arccos\frac{|PXC-PXA|}{\sqrt{{(PXC-PXA)}^2+{(PYC-PYA)}^2}}$

则C点所对应的实际工件Z坐标为：

$Z3=Z1\±K*\sqrt{{(PXC-PXA)}^2+{(PYC-PYA)}^2}*cos(\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}2)$

C点所对应的实际工件X坐标为：

$X3=X1\±K*\sqrt{{(PXC-PXA)}^3+{(PYC-PYA)}^2}*sin(\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}2);$

4E3.一号刀具11的刀尖A的像素点坐标A(PXA，PYA)和四号刀具14的刀尖D像素点坐标D(PXD，PYD)之间的连线与像素坐标轴PX的夹角为β3，

$\mathrm{\β}3=\arccos \frac{|PXD-PXA|}{\sqrt{{(PXD-PXA)}^2+{(PYD-PYA)}^2}}$

则D点所对应的实际工件Z坐标为：

$Z4=Z1\±K*\sqrt{{(PXD-PXA)}^2+{(PYD-PYA)}^2}*\cos (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}3)$

D点所对应的实际工件X坐标为：

$X4=X1\±K*\sqrt{{(PXD-PXA)}^2+{(PYD-PYA)}^2}*\cos (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}3).$

其中，±的确定与刀尖B、C、D相对于A点的位置有关。

以上的实施例仅以90°外圆车刀、为槽刀、为45°外圆车刀和螺纹车刀为例对本发明所述的数控机床自动对刀装置及对刀方法进行说明，本领域技术人员应当知道，数控机床所用刀具包括但并不局限于上述的四种刀具。本发明所述的数控机床自动对刀装置适用于数控机床使用的所有种类的刀具的对刀操作。

Claims (3)

1.一种数控机床自动对刀装置，其特征在于：包括四方刀架、用于驱动四方刀架旋转的旋转电机、用于锁定四方刀架位置的锁紧电机、摄像头和对刀分析系统；所述四方刀架上安装有若干个刀具；所述摄像头固定在数控车床上，且四方刀架处于自动对刀位置时，各刀具的刀尖部位都能进入摄像头的拍摄区域，同时，摄像头正对数控车床X向、Z向水平面拍摄；所述摄像头与对刀分析系统相连接，并将采集的图像信息传送给对刀分析系统。

2.根据权利要求1所述的数控机床自动对刀装置，其特征在于：所述四方刀架上安装的刀具包括：一号刀具、二号刀具、三号刀具和四号刀具；其中，一号刀具为90°外圆车刀；二号刀具为槽刀；三号刀具为45°外圆车刀；四号刀具为螺纹车刀。

3.如权利要求2所述数控机床自动对刀装置的对刀方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)准备工作：利用卡盘将工件装夹在主轴上，同时将各刀具安装在四方刀架相应位置并紧固；通过垫片调整各刀具的刀尖与主轴的轴线等高；

(2)以一号刀具为基准刀具，并通过试切外圆对一号刀具的X坐标，通过试切右端面对一号刀具的Z坐标；

(3)摄像头在安装时，一般不能保证像素坐标系与机床坐标系保持平行，因此，应首先确定所采集图像像素坐标系与机床坐标夹角及像素距离与实际距离的转换系数K，其标定方法如下：

一号刀具通过试切法对刀后，将一号刀具移动到摄像头下方，摄像头拍照，并经过对刀分析系统的图像处理，获得一号刀具的刀尖A的像素点坐标A1(PXA1，PYA1)；然后，控制一号刀具沿X轴或Z轴坐标移动一个固定距离D，并保证移动固定距离D之后刀尖A仍然位于摄像头拍摄视域内；以沿Z轴正向移动一个固定距离D为例，移动完成后，摄像头拍照并经过对刀分析系统图像处理，获得刀尖A此时的像素点坐标A2(PXA2，PYA2)；则像素距离和实际距离转化系数K表达为：

$K=\frac{D}{\sqrt{{(PXA1-PXA2)}^2+{(PYA1-PYA2)}^2}}$

像素坐标PX与Z方向夹角α表达为：

$\mathrm{\α}=\arccos \frac{PXA2-PXA1}{\sqrt{{(PXA1-PXA2)}^2+{(PYA1-PYA2)}^2}}$

(4)完成像素坐标与机床坐标角度校准及距离系数校准之后，保持一号刀具处于工作位置不变，进行二号刀具、三号刀具、四号刀具的对刀；具体方法如下：

(4A)移动四方刀架至自动对刀位置P点，该位置能保证四方刀架实现换刀后各刀具的刀尖都能位于摄像头的拍摄区域内；此时，一号刀具已采用试切法完成了对刀，在P点，一号刀具的坐标为已知量(X1,Z1)；通过摄像头拍照，对刀分系统通过图像处理提取出一号刀具刀尖A像素点坐标(PXA，PYA)；

(4B)保持四方刀架的位置不变，换二号刀具为工作位置；换刀后，摄像头拍照，对刀分系统通过图像处理，提取出二号刀具的刀尖B的像素点坐标(PXB，PYB)；

(4C)保持四方刀架的位置不变，换三号刀具为工作位置；换刀后，摄像头拍照，对刀分系统通过图像处理，提取出三号刀具的刀尖C的像素点坐标(PXC，PYC)；

(4D)保持四方刀架的位置不变，换四号刀具为工作位置；换刀后，摄像头拍照，对刀分系统通过图像处理，提取出四号刀具的刀尖D的像素点坐标(PXD，PYD)；

(4E)完成四个刀具的刀尖像素采集后，对刀分析系统自动分析，分别计算出二号刀具、三号刀具、四号刀具的刀尖在对刀点P点处的工件坐标(X2,Z2)、(X3,Z3)、(X4,Z4)；计算方法如下：

(4E1)一号刀具的刀尖A的像素点坐标A(PXA，PYA)和二号刀具的刀尖B像素点坐标B(PXB，PYB)之间的连线与像素坐标轴PX的夹角为β1，

$\mathrm{\β}1=\arccos \frac{\left|PXB-PXA\right|}{\sqrt{{(PXB-PXA)}^2+{(PYB-PYA)}^2}}$

则B点所对应的实际工件Z坐标为：

$Z2=Z1\±K*\sqrt{{(PXB-PXA)}^2+{(PYB-PYA)}^2}*\cos (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}1)$

B点对应的实际工件X坐标为：

$X2=X1\±K*\sqrt{{(PXB-PXA)}^2+{(PYB-PYA)}^2}*\sin (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}1);$

(4E2)一号刀具的刀尖A的像素点坐标A(PXA，PYA)和三号刀具的刀尖C像素点坐标C(PXC，PYC)之间的连线与像素坐标轴PX的夹角为β2，

$\mathrm{\β}2=\arccos \frac{\left|PXC-PXA\right|}{\sqrt{{(PXC-PXA)}^2+{(PYC-PYA)}^2}}$

则C点所对应的实际工件Z坐标为：

$Z3=Z1\±K*\sqrt{{(PXC-PXA)}^2+{(PYC-PYA)}^2}*\cos (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}2)$

C点所对应的实际工件X坐标为：

$X3=X1\±K*\sqrt{{(PXC-PXA)}^2+{(PYC-PYA)}^2}*\sin (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}2);$

(4E3)一号刀具的刀尖A的像素点坐标A(PXA，PYA)和四号刀具的刀尖D像素点坐标D(PXD，PYD)之间的连线与像素坐标轴PX的夹角为β3，

$\mathrm{\β}3=\arccos \frac{\left|PXD-PXA\right|}{\sqrt{{(PXD-PXA)}^2+{(PYD-PYA)}^2}}$

则D点所对应的实际工件Z坐标为：

$Z4=Z1\±K*\sqrt{{(PXD-PXA)}^2+{(PYD-PYA)}^2}*\cos (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}3)$

D点所对应的实际工件X坐标为：

$X4=X1\±K*\sqrt{{(PXD-PXA)}^2+{(PYD-PYA)}^2}*\sin (\mathrm{\α}\±\mathrm{\β}3).$