CN110421353A - 基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床及监控方法 - Google Patents

基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床及监控方法 Download PDF

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Abstract

基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床及监控方法，涉及激光加热辅助加工技术领域，为解决现有技术中在激光加热辅助加工过程中不能实现切削参数和激光参数自适应调节的问题，包括：车床模块、铣床模块、机械手模块和机器视觉模块；本发明将机械手安装在龙门式的导轨上，极大的节省了机械加工过程中的空间，使得结构更加的紧凑；本发明将激光器安装在机械臂上提高了激光器在加热辅助加工过程中的自由度；本发明将车床与铣床采用刚性连接的模式使得各自的功能相结合，使得机械加工的效率大大的提高；本发明将相机采集所得数据实时传输与机床和激光器，使得加工过程中实现切削参数和激光参数的自适应。

Description

基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床及监控方法
技术领域
本发明涉及激光加热辅助加工技术领域，具体为一种基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床。
背景技术
激光加热辅助铣削技术是将一束高能激光束照射在材料去除区域，短时间内提高工件材料的局部温度，改变了材料的切削性能，之后采用刀具进行加工。通过对材料加热，提高材料的塑性，使屈服强度降低到断裂强度以下，降低切削力，减小刀具磨损，降低切削振颤，从而达到提高加工效率，降低成本，提升加工表面质量的目的。
在激光加热辅助加工过程当中，激光光束照射到材料去除区域时，因为激光器参数或电压不稳等各种原因，导致被照射区域里的激光光斑形成各式各样的形状，使得激光加热辅助加工当中材料的受热不均，导致被加热材料被加热后性能变得不符合加工要求。有些特殊的材料在加工过程中，对其有着特殊的需要，例如形成连续的切屑。因此，在辅助加工过程中需要对加工状态进行合理监控。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中在激光加热辅助加工过程中不能实现切削参数和激光参数自适应调节的问题，提供一种基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床。
本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：
基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床，包括：车床模块101、铣床模块102、机械手模块103和机器视觉模块104；
所述铣床模块102包括纵向导轨1、铣床底座2、圆底座3、圆底座导轨4、主轴箱滑块5和铣床主轴箱6；所述铣床底座2设置在纵向导轨1上，铣床底座2与纵向导轨1滑动连接；所述圆底座3设置在铣床底座2滑动方向的侧面上，所述圆底座3上设有伸缩部，所述伸缩部嵌入铣床底座2内，并与铣床底座2转动连接；所述圆底座导轨4与圆底座3刚性固接；所述主轴箱滑块5与滑动导轨4滑动连接；所述铣床主轴箱6与主轴箱滑块5固定连接；
所述机械手模块103包括横梁底座7、横梁8、横梁滑块9、机械手底座10、机械手11、夹具12和激光器13；所述横梁8与横梁底座7固定连接，所述横梁滑块9设置在横梁8上，并与横梁8滑动连接，所述横梁滑块9与机械手底座10固定连接，所述机械手底座10与机械手11转动连接；所述机械手11末端设有夹具12；所述夹具12上设有激光器13；
所述机器视觉模块104包括固定板14、固定块15、螺杆16、移动块17、联轴器18、电动机19、相机20和镜头21；所述固定板14与固定块15刚性固接；所述螺杆16贯穿移动块17并与移动块17螺纹连接，所述螺杆16的一端与固定块14转动连接，螺杆16的另一端通过联轴器18与电动机19连接；所述电动机19与固定板14固定连接，所述相机20固定设置在移动块17上，所述镜头21与相机20转动连接；
所述车床模块101与所述铣床模块102固定连接，所述固定板14与机械手底座10刚性固接。
进一步的，所述横梁滑块9的滑动范围小于横梁8的长度且大于加工工件的最大长度。
进一步的，所述机械手模块103为龙门式结构。
进一步的，所述横梁8为两个竖直方形立柱和一个水平方形立柱组成。
基于机器视觉激光加热辅助车铣监控方法，包括以下步骤：
步骤一：获取加工过程图像；
步骤二：利用图像处理方法对图像进行分割；
步骤三：对分割后的图像目标区域进行校正；
步骤四：提取出目标区域所包含的几何特征；
步骤五：将提取后的特征转化成数字信号，并发送给激光器和机床，激光器和机床接收到信号后调整自身参数：
步骤六：再次获取加工过程图像，并执行步骤二至步骤五，若提取后的特征达到要求，则保持激光器和机床当前参数不变，若未达到要求，则调整激光器和机床的自身参数。
进一步的，所述图像处理方法包括：图像灰度化、图像滤波、图像线性变化、图像二值化和图像形态学处理。
进一步的，所述加工过程图像包含激光加热辅助加工过程中激光光斑的形状和大小，还包含加工过程中切屑的形成状态。
进一步的，所述目标区域所包含的几何特征包括：圆度、矩形度、面积和周长。
本发明的有益效果是：
1、本发明将机械手安装在龙门式的导轨上，极大的节省了机械加工过程中的空间，使得结构更加的紧凑；
2、本发明将激光器安装在机械臂上提高了激光器在加热辅助加工过程中的自由度；
3、本发明将相机和镜头安装在机械手底座上并固定，使得整个加工过程得到了全面的监控，并保证了相机只处于同一水平线上移动，并且能够随着加工位置的改变及时的跟踪加工位置；
4、本发明将车床与铣床采用刚性连接的模式使得各自的功能相结合，使得机械加工的效率大大的提高；
5、本发明将相机采集所得数据实时传输与机床和激光器，使得加工过程中实现切削参数和激光参数的自适应；
6、本发明整个机床在加工过程中，加工环境处于封闭式空间内，可对一些较为特殊的材料进行加工。
附图说明
图1为本发明实施例基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床的整体结构示意图；
图2为本发明实施例铣床模块部件结构示意图；
图3为本发明实施例机械手模块部件结构示意图；
图4为本发明实施例机器视觉模块机构结构示意图；
图5为本发明实施例监控方法流程图；
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床，包括：车床模块101、铣床模块102、机械手模块103和机器视觉模块104；
所述铣床模块102包括纵向导轨1、铣床底座2、圆底座3、圆底座导轨4、主轴箱滑块5和铣床主轴箱6；所述铣床底座2设置在纵向导轨1上，铣床底座2与纵向导轨1滑动连接；所述圆底座3设置在铣床底座2滑动方向的侧面上，所述圆底座3上设有伸缩部，所述伸缩部嵌入铣床底座2内，并与铣床底座2转动连接；所述圆底座导轨4与圆底座3刚性固接；所述主轴箱滑块5与滑动导轨4滑动连接；所述铣床主轴箱6与主轴箱滑块5固定连接；
所述机械手模块103包括横梁底座7、横梁8、横梁滑块9、机械手底座10、机械手11、夹具12和激光器13；所述横梁8与横梁底座7固定连接，所述横梁滑块9设置在横梁8上，并与横梁8滑动连接，所述横梁滑块9与机械手底座10固定连接，所述机械手底座10与机械手11转动连接；所述机械手11末端设有夹具12；所述夹具12上设有激光器13；
所述机器视觉模块104包括固定板14、固定块15、螺杆16、移动块17、联轴器18、电动机19、相机20和镜头21；所述固定板14与固定块15刚性固接；所述螺杆16贯穿移动块17并与移动块17螺纹连接，所述螺杆16的一端与固定块14转动连接，螺杆16的另一端通过联轴器18与电动机19连接；所述电动机19与固定板14固定连接，所述相机20固定设置在移动块17上，所述镜头21与相机20转动连接；
所述车床模块101与所述铣床模块102固定连接，所述固定板14与机械手底座10刚性固接。
如图1所示，本装置包括车床模块、铣床模块和机械手模块；所述车床模块用于对工件材料进行车削加工；所述铣床模块用于对工件材料进行铣削加工；所述机械手模块用于追踪加工位置、夹持激光头完成激光入射到工件表面、根据加工工艺需求时刻改变激光的入射位置和角度、监控激光光斑的形状和大小、监控加工过程中切屑形成的状态；
所述车床模块与所述铣床模块刚性连接，所述铣床模块包括一个纵向导轨、铣床底座、可转位圆底座、滑动导轨、铣床主轴箱；所述铣床底座竖直安放在纵向导轨上，并与纵向导轨滑动连接；所述可转位圆底座安装在铣床底座正中心，并与铣床底座转动连接；所述滑动导轨与可转位圆底座滑动连接；所述铣床主轴箱与滑动导轨刚性连接；
所述机械手模块包括机床底板、横梁、横梁底座、滑块、机械手底座、电动机、机械臂、夹持手、激光器、CCD工业相机、镜头；所述横梁与横梁底座刚性连接，并且横梁中心面与加工工件轴心线处于同一平面；所述横梁底座与机床底板刚性连接；所述横梁与滑块滑动连接，滑块的滑动范围小于整个横梁的长度；所述滑块与机械手底座刚性连接，机械手底座安装于滑块正对操作工人一方；所述机械手底座上安装了机械臂和电动机；所述机械臂上安装有夹持器；所述夹持器上夹持了一个激光器；所述相机和镜头刚性固接在机械手底座上，镜头正对加工工件。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的作进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述横梁滑块9的滑动范围小于横梁8的长度且大于加工工件的最大长度。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的作进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述机械手模块103为龙门式结构。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的作进一步说明，本实施方式与具体实施方式一的区别是所述横梁8为两个竖直方形立柱和一个水平方形立柱组成。
具体实施方式五：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于机器视觉激光加热辅助车铣监控方法，包括以下步骤：
步骤一：获取加工过程图像；
步骤二：利用图像处理方法对图像进行分割；
步骤三：对分割后的图像目标区域进行校正；
步骤四：提取出目标区域所包含的几何特征；
步骤五：将提取后的特征转化成数字信号，并发送给激光器和机床，激光器和机床接收到信号后调整自身参数：
步骤六：再次获取加工过程图像，并执行步骤二至步骤五，若提取后的特征达到要求，则保持激光器和机床当前参数不变，若未达到要求，则调整激光器和机床的自身参数。
获取加工过程图像；所述图像为刚性固接在机械手底座上的相机所采集；所述图像为激光加热辅助切削过程中激光光斑照射到加工工件上所显示的光斑大小和形状的图像，并且在加工过程中拍摄到切屑状态连续或不连续的图像；
图像特征提取为将激光光斑的面积大小和形状特征以数字信号的形式提取，并且在机械加工过程中定性的判断出切屑的状态；
将获取的信号传输给激光器；所述激光器接收到从图像中提取到的信号后，调整激光器的参数；所述相机采集一帧新的图像，对新采集的图像进行算法处理后，重新提取出激光光斑的特征，并将此特征转化成数字信号再次传输给激光器使激光器再次调整自身的输出参数，直到激光光斑的特征达到要求为止，以此过程实现激光器的自适应调节。
实施例：
背景：工件是一种难加工的材料，如果不加激光照射的话，很容易造成刀具的磨损，所以要加激光照射提升工件的局部温度让工件变得相对软化，容易加工。
过程：首先，机械手夹持着激光器，通过机械手在空间中的运动，将激光从任意位置和角度发射到机床所夹持的工件上，当激光照射到金属的工件上的时候，由于激光的功率比较大，所以工件上被激光照射的位置局部会有温升。虽然会有温升，但是这个温度调整必须是可控制才行，激光照射到工件上的光斑的面积和几何形状正好反应了光斑中心的局部温度，所以要通过机器视觉技术对激光光斑进行检测。
1.对相机采集到的图像(此时的图像里带有工件，工件上有激光器发射上去的光斑)进行相关的算法处理，提取出光斑的几何形状以及面积，根据面积计算出此时的光斑中心温度。
2.将这个面积或者温度信息传送给激光器，激光器设置有温度阈值，当被照射的局部温度低于那个阈值的时候，激光器就增加输出功率使得被照射的光斑中心温度继续升高，当传送过来的温度信息超过那个阈值的时候，激光器就开始降低自身的功率，使光斑中心温度降低。
3.对相机采集到的图像(此时的图像里既有光斑又有机械加工过程中的切屑)进行相关处理，提取出切屑的长度(用来判断是否属于连续切屑)。
4.当切屑的长度小于设定的阈值的时候(阈值是在开发的时候设定)就发送信号给机床，让机床改变自身的切削参数，如果切屑的长度超过设定阈值的时候，则判定为连续切屑，此时就不发送信号给机床，机床保持现有切削参数进行加工，直到检测到的切屑长度又小于设定阈值的时候，再次发送消息给机床。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的作进一步说明，本实施方式与具体实施方式五的区别是所述图像处理方法包括：图像灰度化、图像滤波、图像线性变化、图像二值化和图像形态学处理。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式五所述的作进一步说明，本实施方式与具体实施方式五的区别是所述加工过程图像包含激光加热辅助加工过程中激光光斑的形状和大小，还包含加工过程中切屑的形成状态。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式五所述的作进一步说明，本实施方式与具体实施方式五的区别是所述目标区域所包含的几何特征包括：圆度、矩形度、面积和周长。
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床，其特征在于包括：车床模块(101)、铣床模块(102)、机械手模块(103)和机器视觉模块(104)；
所述铣床模块(102)包括纵向导轨(1)、铣床底座(2)、圆底座(3)、圆底座导轨(4)、主轴箱滑块(5)和铣床主轴箱(6)；所述铣床底座(2)设置在纵向导轨(1)上，铣床底座(2)与纵向导轨(1)滑动连接；所述圆底座(3)设置在铣床底座(2)滑动方向的侧面上，所述圆底座(3)上设有伸缩部，所述伸缩部嵌入铣床底座(2)内，并与铣床底座(2)转动连接；所述圆底座导轨(4)与圆底座(3)刚性固接；所述主轴箱滑块(5)与滑动导轨(4)滑动连接；所述铣床主轴箱(6)与主轴箱滑块(5)固定连接；
所述机械手模块(103)包括横梁底座(7)、横梁(8)、横梁滑块(9)、机械手底座(10)、机械手(11)、夹具(12)和激光器(13)；所述横梁(8)与横梁底座(7)固定连接，所述横梁滑块(9)设置在横梁(8)上，并与横梁(8)滑动连接，所述横梁滑块(9)与机械手底座(10)固定连接，所述机械手底座(10)与机械手(11)转动连接；所述机械手(11)末端设有夹具(12)；所述夹具(12)上设有激光器(13)；
所述机器视觉模块(104)包括固定板(14)、固定块(15)、螺杆(16)、移动块(17)、联轴器(18)、电动机(19)、相机(20)和镜头(21)；所述固定板(14)与固定块(15)刚性固接；所述螺杆(16)贯穿移动块(17)并与移动块(17)螺纹连接，所述螺杆(16)的一端与固定块(14)转动连接，螺杆(16)的另一端通过联轴器(18)与电动机(19)连接；所述电动机(19)与固定板(14)固定连接，所述相机(20)固定设置在移动块(17)上，所述镜头(21)与相机(20)转动连接；
所述车床模块(101)与所述铣床模块(102)固定连接，所述固定板(14)与机械手底座(10)刚性固接。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床，其特征在于：所述横梁滑块(9)的滑动范围小于横梁8的长度且大于加工工件的最大长度。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床，其特征在于：所述机械手模块(103)为龙门式结构。
4.根据权利要求1所述的基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床，其特征在于：所述横梁(8)为两个竖直方形立柱和一个水平方形立柱组成。
5.基于机器视觉激光加热辅助车铣监控方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：获取加工过程图像；
步骤二：利用图像处理方法对图像进行分割；
步骤三：对分割后的图像目标区域进行校正；
步骤四：提取出目标区域所包含的几何特征；
步骤五：将提取后的特征转化成数字信号，并发送给激光器和机床，激光器和机床接收到信号后调整自身参数：
步骤六：再次获取加工过程图像，并执行步骤二至步骤五，若提取后的特征达到要求，则保持激光器和机床当前参数不变，若未达到要求，则调整激光器和机床的自身参数。
6.根据权利要求5所述的基于机器视觉激光加热辅助车铣监控方法，其特征在于：所述图像处理方法包括：图像灰度化、图像滤波、图像线性变化、图像二值化和图像形态学处理。
7.根据权利要求5所述的基于机器视觉激光加热辅助车铣监控方法，其特征在于：所述加工过程图像包含激光加热辅助加工过程中激光光斑的形状和大小，还包含加工过程中切屑的形成状态。
8.根据权利要求5所述的基于机器视觉激光加热辅助车铣监控方法，其特征在于：所述目标区域所包含的几何特征包括：圆度、矩形度、面积和周长。
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