CN105643092A - 一种复合加工中采用 ccd 重拾工件坐标方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种复合加工中采用CCD重拾工件坐标方法。采用的系统包括切割头、CCD摄像头、控制模块和CCD测量分析模块，其中控制模块完成控制切割头运动，使切割头上的CCD摄像头粗定位到预待拍摄的圆孔上方，CCD摄像头实行对工件上圆孔进行拍照，CCD测量分析模块通过黑白分析原理拾取工件上圆孔轮廓物象，根据圆轮廓测量出其圆心在CCD图像中的坐标值，并将此坐标值传送给控制模块。另外控制模块通过接受CCD测量分析模块传回来的图像坐标，自动计算出工件原点在机床坐标系中的坐标，并修正当前的加工工件坐标系。本发明能够消除二次装夹的位置偏差。

Description

一种复合加工中采用 CCD 重拾工件坐标方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种复合加工中采用CCD重拾工件坐标方法。

背景技术

数冲冲床在加工零件时加工精度高，加工质量稳定，批量生产中效率高，而且能加工多种复杂的孔型和进行各种成型加工，加工的产品多样化、低成本，较强的加工能力。但数冲冲床在加工零件时受模具的限制，当零件上有较复杂的轮廓或没有合适的模具时，数冲冲床就不能够满足生产了，另外数冲冲床加工大零件的外形复杂轮廓也相对困难，加工外轮廓出现连续冲切痕迹。

激光切割具有切割速度快、精度高、效率高等优点，能完成各种复杂结构的加工，不受图形的限制，比较节省材料。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较好的切割质量，切割表面光洁美观。但当零件上有较多的圆孔需要加工时，激光切割效率下降，运行成本增高，而且激光切割无法进行成型加工。

当要加工的零件圆孔数量多、轮廓复杂、异型图案、具有成型样式时，采用单一的机器明显无法满足加工要求。这就需要对数冲加工和激光切割加工这两道工序综合起来进行复合加工了，但是复合加工中会存在工件二次装夹后的位置偏差，造成两道工序的轨迹偏离理想的精度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种复合加工中采用CCD重拾工件坐标方法，能够消除二次装夹的位置偏差。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种复合加工中采用CCD重拾工件坐标方法，该方法采用的系统包括切割头、CCD摄像头、控制模块和CCD测量分析模块，具体方法步骤如下：

步骤S1：将数冲加工后的工件坐标系记为原工件坐标系，并将所述工件装夹在激光切割机床上，则确定原工件坐标系在机床坐标系上的位置；

步骤S2：在所述工件上选择两个不在同一直线上、待测量的圆孔即第一圆孔和第二圆孔，则得到两个圆孔的圆心在当前工件坐标系上的坐标，分别设为(d、c)和(b、a)，以及得到两个圆孔的圆心在机床坐标系上的坐标分别设为(X1,Y1)和(X2,Y2)；

步骤S3：将CCD摄像头安装于激光切割机床的切割头上，控制模块控制切割头运动，使其上的CCD摄像头粗定位到预先选择待测量的第一圆孔上方；

步骤S4：控制模块向CCD测量分析模块发出测量指令，CCD测量分析模块收到测量指令后给CCD摄像头一个触发信号，CCD摄像头对第一圆孔进行拍照，并将第一圆孔的照片输出给CCD测量分析模块；

步骤S5：CCD测量分析模块根据接收到第一圆孔的照片，获取第一圆孔的圆心图像坐标值记为(J1,K1)，并将此坐标值传送给控制模块存储；同时控制模块还存储拍照时切割头的坐标值记为(X11,Y11)；

步骤S6：控制模块再次控制切割头运动，使CCD摄像头粗定位到预先选择待测量的第二圆孔上方；

步骤S7：重复步骤S4～S5，控制模块得到第二圆孔的圆心图像坐标值记为(J2,K2)，以及此时切割头的坐标值记为(X12,Y12)；

步骤S8：控制模块根据接收到所述第一圆孔和第二圆孔圆心图像坐标值，计算当前工件坐标系的旋转偏差值和工件原点在机床坐标系上的坐标，具体过程如下：

步骤S81：根据公式(1)计算当前工件坐标系的旋转偏差值β：

β＝arctan(∣Y2-Y1∣/∣X2-X1∣)-arctan(∣a-c∣/∣b-d∣)(1)

根据公式(2)计算第一圆孔和第二圆孔的圆心在机床坐标系上的坐标值：

$\left\{\begin{array}{c}X1=X11+\mathrm{Lx}+J1*M\\ Y1=Y11+\mathrm{Ly}+K1*M\\ X2=X12+\mathrm{Lx}+J2*M\\ Y2=Y12+\mathrm{Ly}+K2*M\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，Lx和Ly分别为CCD摄像头相对于切割头在X轴和Y轴的偏置量，为已知量；M为CCD摄像头的像素当量值，为已知量；

将公式(2)带入公式(1)即可得到当前工件坐标系的旋转偏差值；

步骤S82：根据步骤S81得到的第一圆孔在在机床坐标系上的坐标(X1,Y1)，根据公式(3)计算工件原点在机床坐标系上的坐标(X,Y)：

步骤S9：控制模块控制切割头将机床的加工原点定位到所述工件原点坐标上(X、Y)上，并根据所述旋转偏差值β得到当前工作坐标系在机床坐标系上的位置，修正当前工件坐标系，使其与原工件坐标系重合。

所述步骤S5中，CCD测量分析模块通过黑白分析原理拾取工件上圆孔轮廓物象，根据圆轮廓测量出其圆心在CCD图像中的坐标值。

所述步骤S5中，若控制模块在设定时间内接收不到圆心图像坐标值，则默认CCD摄像头拍摄不到圆孔，并发出报警提示。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明中对工件进行复合加工时，工件由两道加工工序即数冲加工和激光切割加工组成，通过在激光切割加工前使用CCD重拾工件坐标功能，即在工件上选择两个圆孔，通过两个圆孔在当前工件坐标系和机床坐标系上的坐标，得到工件原点坐标和当前工件坐标系的旋转偏差值，并调整激光的激光原点和修正当前工件坐标系，使当前工件坐标系与原坐标系完全重合，从而消除了由于二次装夹所产生的位置偏差，保证了工件在两道加工工艺轮廓间的精度，同时也发挥出两道工序的加工优势，提高工件的加工质量。

附图说明

图1为本发明重拾工件坐标方法采用系统的原理组成图。

图2为本发明重拾工件坐标方法的步骤流程图。

图3为本发明为拍照测量两个圆孔的示意图。

图4为本发明工件坐标的原理示意图。

图5为本发明两个坐标系重合后的工件示意图。

图6为本发明激光切割加工后的工件示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图1所示，本发明提供的一种复合加工中采用CCD重拾工件坐标方法，该方法待加工的工件由数冲加工和激光切割加工复合加工而成，数冲加工后的半成品板材转到激光切割加工时，可以重拾数冲加工后的工件坐标系，即可以自动修正工件坐标系完成两道工序的工件坐标系重合。

采用的系统包括切割头、CCD摄像头、控制模块和CCD测量分析模块，其中控制模块完成控制切割头运动，使切割头上的CCD摄像头粗定位到预待拍摄的圆孔上方，CCD摄像头实行对工件上圆孔进行拍照，CCD测量分析模块通过黑白分析原理拾取工件上圆孔轮廓物象，根据圆轮廓测量出其圆心在CCD图像中的坐标值，并将此坐标值传送给控制模块。另外控制模块通过接受CCD测量分析模块传回来的图像坐标，自动计算出工件坐标系相对于机床坐标系的坐标，并修正当前的加工工件坐标系。

如附图2所示，该方法具体步骤如下：

步骤S1：将数冲加工后的半成品工件坐标系记为原工件坐标系，并将工件装夹在激光切割机床上，则确定原工件坐标系在机床坐标系上的位置。

步骤S2：在所述工件上选择两个待测量的圆孔即第一圆孔和第二圆孔，则得到两个圆孔的圆心在当前工件坐标系上的坐标，且两个圆孔的圆心在机床坐标系上也分别对应一个坐标。

本步骤中，由于数冲加工后的半成品工件上分布有很多各圆孔孔，因此任意选择两个不在同一直线上的圆孔。

步骤S3：将CCD摄像头安装于激光切割机床的切割头上，控制模块控制切割头运动，使其上的CCD摄像头粗定位到预先选择待测量的第一圆孔上方。

步骤S4：控制模块向CCD测量分析模块发出测量指令，CCD测量分析模块收到测量指令后给CCD摄像头一个触发信号，CCD摄像头对工件上第一圆孔进行拍照，并将第一圆孔的照片输出给CCD测量分析模块。

本步骤中，需使所要测量拍摄的第一圆孔完整地出现在CCD摄像头的拍摄视野范围内，再执行拍照动作。

步骤S5：CCD测量分析模块根据接收到第一圆孔的照片，获取第一圆孔的圆心图像坐标值，并将此坐标值传送给控制模块存储，同时控制模块还存储拍照时切割头的坐标。

本步骤中，CCD测量分析模块通过黑白分析原理拾取工件上圆孔轮廓物象，根据圆轮廓测量出其圆心在CCD图像中的坐标值。

若控制模块在设定时间内接收不到圆心图像坐标值，则默认CCD摄像头拍摄不到圆孔，并发出报警提示。

步骤S6：控制模块再次控制切割头运动，使CCD摄像头粗定位到预先选择待测量的第二圆孔上方。

步骤S7：重复步骤S4～S5，控制模块得到第二圆孔的圆心图像坐标值和此时切割头的坐标值。

步骤S8：控制模块在收到两个圆孔的圆心图像坐标值后，利用三角函数关系和几何关系，计算出半成品工件二次装夹后当前工件坐标系的旋转偏差值和工件原点在机床坐标系上的坐标。

本步骤中，利用三角函数关系计算出两个圆孔的圆心连线与机床坐标系X轴的夹角，此夹角值与理论上夹角的差值即为工件二次装夹后工件坐标系的旋转偏差值。

步骤S9：控制模块再控制切割头定位到计算出来的工件原点坐标上，以此作为激光加工的加工原点，并且根据旋转偏差值得到当前工件坐标系在机床坐标系上的位置，修正当前工件坐标系，从而消除装夹偏差实现当前工件坐标系与原工件坐标系重合。

上述中，要实现CCD重拾工件坐标功能，需顺利完成两个圆孔的拍摄测量，成功测量出两个圆孔的圆心图像坐标值，若其中的一个圆孔拍摄测量失败，则需重新进行拍摄测量。

下面通过实施来具体阐述上述重拾过程：

工件上的圆孔皆为数冲加工得到，数冲加工的工件原点位于工件的左下角。在进行激光切割时，将半成品工件装夹在激光切割机床的工作台上，数冲加工时的工件原点与激光切割机的加工原点应保持同一方向。

选择半成品工件上待测量的两个圆孔，即可得到这两个圆孔的圆心在当前工件坐标系上的坐标值，事先矫正CCD摄像头的像素当量值和图像原点的偏移值，此值自动存于控制模块中用以计算工件原点在机床坐标系上的坐标。

控制切割头使CCD摄像头粗定位到预先选择待测量的第一圆孔上方，控制模块向CCD测量分析模块发出测量指令，CCD测量分析模块收到指令后给CCD摄像头一个触发信号，CCD摄像头对工件进行拍照，之后CCD测量分析模块可获取第一圆孔的圆心在图像上的坐标值，再将此坐标值传送给控制模块。

控制模块再控制切割头运动，使CCD摄像头粗定位到第二圆孔上方，重复拍照测量动作，如图3所示。CCD测量分析模块获取第二圆孔的圆心图像坐标值，控制模块在收到两个圆孔的圆心在图像上的坐标值后，利用三角函数关系和几何关系按以下公式进行计算。

如图4所示，工件坐标系的旋转偏差值β的计算公式为：

β＝arctan(∣Y2-Y1∣/∣X2-X1∣)-arctan(∣a-c∣/∣b-d∣)

其中：(d,c)和(b,a)分别为第一圆孔和第二圆孔的圆心在当前工件坐标系的坐标值，为已知量。

(X1,Y1)和(X2,Y2)分别为第一圆孔和第二圆孔的圆心在机床坐标系的坐标值。

上述中，圆心在机床坐标系的坐标值＝切割头当前的坐标+CCD摄像头相对于切割头的偏置量+圆心图像坐标对应的距离，即具体公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}X1=X11+\mathrm{Lx}+J1*M\\ Y1=Y11+\mathrm{Ly}+K1*M\\ X2=X12+\mathrm{Lx}+J2*M\\ Y2=Y12+\mathrm{Ly}+K2*M\end{array}\right.$

其中，(X11,Y11)、(X12,Y12)分别为拍摄第一圆孔和第二圆孔时切割头的坐标值。

Lx和Ly分别为CCD摄像头相对于切割头在机床坐标系X轴和Y轴的偏置量，通过测量得出。

(J1,K1)和(J2,K2)分别为拍摄第一圆孔和第二圆孔时CCD测量分析模块分析出来圆心图像坐标值。

M为CCD摄像头的像素当量值，通过测量得出。

上述中，由于CCD摄像头的安装位置相对于切割头存在一定的偏置量，所以CCD测量分析模块的图像原点相对于切割头也存在一定的偏置量，需对CCD摄像头的图像原点偏置量Lx、Ly进行测量，像素当量值M由安装位置的高度和相机本身像素决定，也必须对其测定以确保图像坐标的精度。

工件原点在机床坐标系上的坐标(X、Y)计算公式为：

控制模块按照上述旋转偏差值β得到当前工件坐标系在机床坐标系上的位置，以及工件原点在机床坐标系上的坐标(X、Y)，再控制切割头定位到计算出来的坐标(X、Y)上，以此作为激光加工的加工原点，并且修正当前工件坐标系的旋转角度，从而消除装夹偏差实现当前工件坐标系和原工件坐标系重合，如图5所示，为定位当前修正工件坐标系的示意图。

如图6为复合加工后的工件图样，通过采用CCD摄像头重拾工件坐标能使两道工序的工件坐标系重合，消除了二次装夹的位置偏差，保证了工件的加工精度，发挥出数冲冲床和激光切割加工的优势。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种复合加工中采用CCD重拾工件坐标方法，其特征在于：该方法采用的系统包括切割头、CCD摄像头、控制模块和CCD测量分析模块，具体方法步骤如下：

步骤S1：将数冲加工后的工件坐标系记为原工件坐标系，并将所述工件装夹在激光切割机床上，则确定原工件坐标系在机床坐标系上的位置；

步骤S2：在所述工件上选择两个不在同一直线上、待测量的圆孔即第一圆孔和第二圆孔，则得到两个圆孔的圆心在当前工件坐标系上的坐标，分别设为(d、c)和(b、a)，以及得到两个圆孔的圆心在机床坐标系上的坐标分别设为(X1,Y1)和(X2,Y2)；

步骤S3：将CCD摄像头安装于激光切割机床的切割头上，控制模块控制切割头运动，使其上的CCD摄像头粗定位到预先选择待测量的第一圆孔上方；

步骤S4：控制模块向CCD测量分析模块发出测量指令，CCD测量分析模块收到测量指令后给CCD摄像头一个触发信号，CCD摄像头对第一圆孔进行拍照，并将第一圆孔的照片输出给CCD测量分析模块；

步骤S5：CCD测量分析模块根据接收到第一圆孔的照片，获取第一圆孔的圆心图像坐标值记为(J1,K1)，并将此坐标值传送给控制模块存储；同时控制模块还存储拍照时切割头的坐标值记为(X11,Y11)；

步骤S6：控制模块再次控制切割头运动，使CCD摄像头粗定位到预先选择待测量的第二圆孔上方；

步骤S7：重复步骤S4～S5，控制模块得到第二圆孔的圆心图像坐标值记为(J2,K2)，以及此时切割头的坐标值记为(X12,Y12)；

步骤S8：控制模块根据接收到所述第一圆孔和第二圆孔圆心图像坐标值，计算当前工件坐标系的旋转偏差值和工件原点在机床坐标系上的坐标，具体过程如下：

步骤S81：根据公式(1)计算当前工件坐标系的旋转偏差值β：

β＝arctan(∣Y2-Y1∣/∣X2-X1∣)-arctan(∣a-c∣/∣b-d∣)(1)

根据公式(2)计算第一圆孔和第二圆孔的圆心在机床坐标系上的坐标值：

其中，Lx和Ly分别为CCD摄像头相对于切割头在X轴和Y轴的偏置量，为已知量；M为CCD摄像头的像素当量值，为已知量；

将公式(2)带入公式(1)即可得到当前工件坐标系的旋转偏差值；

步骤S82：根据步骤S81得到的第一圆孔在在机床坐标系上的坐标(X1,Y1)，根据公式(3)计算工件原点在机床坐标系上的坐标(X,Y)：

步骤S9：控制模块控制切割头将机床的加工原点定位到所述工件原点坐标上(X、Y)上，并根据所述旋转偏差值β得到当前工作坐标系在机床坐标系上的位置，修正当前工件坐标系，使其与原工件坐标系重合。

2.根据权利要求1所述的复合加工中采用CCD重拾工件坐标方法，其特征在于：所述步骤S5中，CCD测量分析模块通过黑白分析原理拾取工件上圆孔轮廓物象，根据圆轮廓测量出其圆心在CCD图像中的坐标值。

3.根据权利要求1所述的复合加工中采用CCD重拾工件坐标方法，其特征在于：所述步骤S5中，若控制模块在设定时间内接收不到圆心图像坐标值，则默认CCD摄像头拍摄不到圆孔，并发出报警提示。