CN110825026B - 一种三维图像定位的数控车床及三维图像构建输出方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维图像定位的数控车床及三维图像构建输出方法，包括车床，三维成像输入装置，三维成像输出装置、运动控制系统、图像显示模块组成的三维图像定位的数控车床；本发明利用三维成像输入装置对待成像对象三维成像，确定空间坐标，采用图像显示模块对三维图像进行在线处理，代加工工件由三维成像输出装置确定空间坐标，运动控制系统将空间坐标比对，控制车床到加工工件的转换。本发明采用三维成像输入装置，可以完成对复杂的构件进行自动测量，从而可简化制图过程，减小制图不准确性，缩短辅助时间，提高加工效率；保证工件的尺寸精度及批量工件的尺寸一致性；提高了加工精度及精度保持性，增强了数控机床的智能化程度。

Description

一种三维图像定位的数控车床及三维图像构建输出方法
技术领域
本发明涉及三维扫描、机床加工技术领域，尤其是涉及一种三维图像定位的数控车床及三维图像构建输出方法。
背景技术
数控车床是目前使用较为广泛的机床之一。它主要用于轴类零件或盘类零件的内外圆柱面、任意锥角的内外圆锥面、复杂回转内外曲面和圆柱、圆锥螺纹等切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔及镗孔等。
数控机床是按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工。使用者需要把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数以及辅助功能，按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把这程序单中的内容记录在控制介质上，然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。但是现实中某些加工部件形状不能通过简单测量获得，曲面结构，细节纹理复杂，使用计算机三维制图工具制作三维图像，制作时间长，细节不清晰，制作困难，费时费力。
所以说目前亟须需要开发一种基于三维图像定位的数控车床及三维图像构建输出方法，用以克服以上问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种三维图像定位的数控车床及三维图像构建输出方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三维图像定位的数控车床，包括车床、三维成像输入装置、三维成像输出装置、运动控制系统；
所述三维成像输入装置包括三维摄像机和成像平台，所述成像平台根据所述三维摄像机发出的运动指令进行旋转；
所述三维成像输出装置包括三维图像激光定位机和圆环形磁力轴承，所述圆环形磁力轴承为两个，分别活动连接与所述车床的支撑固定台上，所述三维图像激光定位机呈圆弧形固定在两个所述圆环形磁力轴承之间；
所述运动控制系统接收所述三维成像输入装置的成像信息，确定空间距离并将处理后信息发送至三维成像输出装置，通过三维成像输出装置的扫描与定位与三维成像输入装置的成像信息进行比对，比对后由运动控制系统控制所述车床的切割刀运动。
本发明采用三维成像输入装置，可以完成对复杂的构件进行自动测量，通过三维成像技术，可以在加工前对批量加工的复杂工件进行三维拍照成像，建立空间坐标，自动完成工件坐标系的设定，从而可简化制图过程，减小制图不准确性，缩短辅助时间，提高加工效率；在加工中和加工后通过三维成像输出装置和运动控制系统可自动对工件尺寸进行在线测量，并能根据测量结果自动生成误差补偿数据反馈到数控系统，以保证工件的尺寸精度及批量工件的尺寸一致性；进一步的避免了将工件移至测量机测量所带来的二次误差，从而可提高加工精度及精度保持性，通过一次切削即可获得合格产品，大大增强数控机床的智能化程度。
进一步的，所述三维图像激光定位机包括三维摄像头、激光定位距离探测器以及圆弧形支架，所述三维摄像头与所述激光定位距离探测器间隔布置在所述圆弧形支架上，所述三维摄像头与所述激光定位距离探测器之间设有用于清扫车床上的待加工工件上切割削的出风口。
激光定位距离探测器可以保证空间坐标定位的准确性，通过图像成像与激光定位距离探测器辅助，能够保证在车床切削过程中的准确性，出风口的设置可以保证设备的运行准确，防止车床切削过程的切割削影响三维摄像头的成像和激光测量，并且可以清理切斜面，保证切削运行正常。
进一步的，所述三维摄像机包括
呈弧形排列的五个摄像头，用于同时拍摄目待成像对象；
图像处理模块，用于根据所述五个摄像头模组拍摄的图像信息进行参数标定和参数矫正，并根据标定的参数及校正后的标定的参数构建三维图像；
图像处理控制模块，用于触发所述图像处理模块开始进行图像处理。
五个摄像头通过辅助成像，能够更精确的保证三维摄像成像的准确性，成像快速方便，减少了三维制图的繁琐和现有双相机三维成像技术的不精确性。
进一步的，本发明还包括图像显示模块，与所述图像处理控制模块的输出端连接，用于接收并显示经过所述图像处理模块处理的三维图像，所述图像显示模块与所述运动控制系统集成在同一电路板上，用于将三维图像的可视化调整和输出。
图像显示模块能够查看三维成像结果，并且可以在线对三维图像进行可视化调整，缩小或放大，也可以用以三维摄像机扫描成像相似物品，并进行在线调整改变，方便在现有设计上做出新的调整和变化。
进一步的，所述三维摄像机的摄像头到所述成像平台中心点距离与所述三维图像激光定位机到车床支撑固定台中心点的距离相同。
便于三维坐标的建立，可以进一步的保证三维图像坐标的准确性。
三维图像构建输出方法，基于上述一种三维图像定位的数控车床，将待成像对象放置于所述成像平台上，所述成像平台根据所述所述三维摄像机发出的运动指令进行旋转；
利用所述三维摄像机的摄像头，分别获取左侧双摄像头所拍摄的第二、第三图像和右侧双摄像头模组所拍摄的第四、第五图像；
分别根据所述第二、第三图像和第四、第五图像与中间摄像头拍摄的第一图像比较，对左侧双摄像头和右侧双摄像头各自的内参和外参进行标定；
根据所述标定后的内参和外参进行立体标定，以确定左侧双摄像头与右侧双摄像头之间相对的平移向量和旋转矩阵；
根据第二图像、第三图像、第四图像、第五图像标定后的内参和外参、平移向量和旋转矩阵，对左侧摄像头模组和右侧摄像头模组各自标定后的内参和外参进行立体校正；
根据标定的内参和外参及立体校正后的内参和外参对左侧双摄像头和右侧双摄像头拍摄的图像构建目待成像对象的三维图像；
进一步的，所述分别根据第二、第三图像和第四、第五图像对左侧双摄像头和右侧双摄像头各自的内参和外参进行标定，包括：根据第二、第三图像标定左侧双摄像头的第二、第三内参数矩阵，第二、第三旋转矩阵，第二、第三平移向量和第二、第三畸变参数，根据第四、第五图像标定右侧双摄像头的第四、第五内参数矩阵，第四、第五旋转矩阵，第四、第五平移向量和第四、第五畸变参数。
进一步的，根据所述标定后的内参和外参进行立体标定，以确定左侧双摄像头与右侧双摄像头之间相对的平移向量和旋转矩阵，包括：根据第二、第三、第四、第五平移向量，第二、第三、第四、第五旋转矩阵和第二、第三、第四、第五旋转矩阵进行立体标定，以确定左侧双摄像头与右侧双摄像头之间相对的平移向量和旋转矩阵。
进一步的，根据第二、第三图像，第四、第五图像、标定后的内参和外参、平移向量和旋转矩阵，对左侧双摄像头和右侧双摄像头各自标定后的内参和外参进行立体校正，包括：利用第二、第三畸变参数，第二、第三内参数矩阵对第二、第三内参数矩阵中的焦距进行校正，利用第四、第五畸变参数、第四、第五内参数矩阵对第四、第五内参数矩阵中的焦距进行校正，以保证左侧、右侧双摄像头的物、像放大率一致；利用第二、第三图像的边界点、平移向量、旋转矩阵、第二、第三内参数矩阵和第二、第三内参数矩阵中校正后的焦距对第二、第三内参数矩阵中主摄像机的第一图像与第二、第三图像交点坐标进行校正，利用第四、第五图像的边界点、平移向量、旋转矩阵、第四、第五内参数矩阵和第四、第五内参数矩阵中校正后的焦距对第四、第五内参数矩阵中主摄像机的第一图像与第四、第五图像交点坐标进行校正；根据平移向量和旋转矩阵对第二、第三平移向量，第四、第五平移向量，第二、第三旋转矩阵和第四、第五旋转矩阵进行校正。
进一步的，将待加工工件定位装夹在机床的支撑固定台中，
转动机床的支撑固定台的运动轴，利用所述三维成像输出装置对待加工工件进行测量，获取待加工工件定位点在机床坐标系的空间坐标；
将构建的三维图像与所述待加工工件进行空间坐标比对，根据所述待加工工件的空间坐标比对后的最大值，进行输出的缩放；
通过比对，计算构建的三维图像与实际工件坐标的变换矩阵，将变换矩阵应用于运动控制系统，控制机床切割刀到加工工件的转换。
本发明具有以下优点：
(1)本发明能够通过三维摄像机直接获得三维图像，减少了三维制图的繁琐性，和不准确性。
(2)本发明能够通过三维摄像机获得类似物品的三维图像，并可以进行可视化的调整和缩放，能够用于在线对三维图像进行更改。
(3)本发明通过多相机进行拍摄角度校准，自行标定，建立精确地空间坐标，获得立体效果更佳的三维图像。
(4)本发明通过三维图像激光定位机，对待加工工件进行拍摄定位，确定空间坐标，通过立体比对，利用比对信息，通过运动控制系统使用数控车床一次成型。
(5)本发明实现了制图自动化，节省人力资源、制图费用，可以实现某一物品批量化生产，并且个体间基本无差异，是一种经济性和实用性非常强的数控车床，具备很高的市场推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明立体结构示意图；
图2为本发明三维图像激光定位机结构示意图；
图中：1为车床；2为三维成像输入装置；21为三维摄像机；22成像平台；3为三维成像输出装置；31三维图像激光定位机；32圆环形磁力轴承；311为三维摄像头；312为激光定位距离探测器；313为圆弧形支架；314为出风口；4为运动控制系统；5为图像显示模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，一种三维图像定位的数控车床及三维图像构建输出方法。
其中三维图像定位的数控车床，包括车床1，三维成像输入装置2，三维成像输出装置3、运动控制系统4、图像显示模块5；
三维成像输入装置2包括三维摄像机21和成像平台22，成像平台22根据三维摄像机21发出的运动指令进行旋转；三维摄像机21根据拍摄角度以及拍摄角度校准需求，发出运动指令使成像平台22依据指令旋转，对所拍摄部件进行360度拍摄，建立精准的三维图像。
三维摄像机21包括呈弧形排列的五个摄像头，用于同时拍摄目待成像对象；图像处理模块，用于根据所述五个摄像头模组拍摄的图像信息进行参数标定和参数矫正，并根据标定的参数及校正后的标定的参数构建三维图像；图像处理控制模块，用于触发所述图像处理模块开始进行图像处理。
三维成像输出装置3包括三维图像激光定位机31和圆环形磁力轴承32，圆环形磁力轴承32为两个，分别活动连接与车床1的支撑固定台上，三维图像激光定位机31呈圆弧形固定在两个圆环形磁力轴承32之间；圆环形磁力轴承32可以通过旋转，带动三维图像激光定位机31对设置在车床1的支撑固定台上的待加工工件进行扫描定位，建立待加工工件的空间坐标。
三维图像激光定位机31包括三维摄像头311、激光定位距离探测器312以及圆弧形支架313，所述三维摄像头311与激光定位距离探测器312间隔布置在所述圆弧形支架313上，三维摄像头311与激光定位距离探测器(312)之间设有用于清扫车床1上的待加工工件上切割削的出风口314。
出风口314的设置可以保证设备的运行准确，防止车床切削过程的切割削影响三维摄像头的成像和激光测量，并且可以清理切斜面，保证切削运行正常。
三维摄像机21到成像平台22中心点距离与三维图像激光定位机31到车床1支撑固定台中心点的距离相同。便于三维坐标的建立，可以进一步的保证三维图像坐标的准确性。
运动控制系统4接收三维成像输入装置2的成像信息，确定空间距离并将处理后信息发送至三维成像输出装置3；通过三维成像输出装置3的扫描与定位与三维成像输入装置2的成像信息进行比对，比对后由运动控制系统4控制车床1的切割刀运动。将待加工工件一次性加工为拍摄的三维图像形状。
图像显示模块5与图像处理控制模块的输出端连接，用于接收并显示经过图像处理模块处理的三维图像，图像显示模块5与运动控制系统4集成在同一电路板上，用于将三维图像的可视化调整和输出。
图像显示模块5能够查看三维成像结果，并且可以在线对三维图像进行可视化调整，缩小或放大，也可以用以三维摄像机扫描成像相似物品，并进行在线调整改变，方便在现有设计上做出新的调整和变化。
三维图像构建输出方法，基于上述三维图像定位的数控车床，
将待成像对象放置于成像平台22上，成像平台22根据三维摄像机21发出的运动指令进行旋转；
利用所述三维摄像机21的摄像头，分别获取左侧双摄像头所拍摄的第二、第三图像和右侧双摄像头模组所拍摄的第四、第五图像；
分别根据所述第二、第三图像和第四、第五图像与中间摄像头拍摄的第一图像比较，对左侧双摄像头和右侧双摄像头各自的内参和外参进行标定；
根据所述标定后的内参和外参进行立体标定，以确定左侧双摄像头与右侧双摄像头之间相对的平移向量和旋转矩阵；
根据第二图像、第三图像、第四图像、第五图像标定后的内参和外参、平移向量和旋转矩阵，对左侧摄像头模组和右侧摄像头模组各自标定后的内参和外参进行立体校正；
根据标定的内参和外参及立体校正后的内参和外参对左侧双摄像头和右侧双摄像头拍摄的图像构建目待成像对象的三维图像；
将待加工工件定位装夹在机床1的支撑固定台中，
转动机床1的支撑固定台的运动轴，利用三维成像输出装置3对待加工工件进行测量，获取待加工工件定位点在机床坐标系的空间坐标；
将构建的三维图像与待加工工件进行空间坐标比对，根据待加工工件的空间坐标比对后的最大值，进行输出的缩放；
通过图像显示模块5的可视化调整，可以在线对三维图像进行可视化调整，缩小或放大，也可以用以三维摄像机扫描成像相似物品，并进行在线调整改变，方便在现有设计上做出新的调整和变化。
通过比对，计算构建的三维图像与实际工件坐标的变换矩阵，将变换矩阵应用于运动控制系统4，运动控制系统4控制机床1切割刀到加工工件的转换。
其中对三维摄像机的图像的校准具体的是：
利用所述三维摄像机21的摄像头，分别获取左侧双摄像头所拍摄的第二、第三图像和右侧双摄像头模组所拍摄的第四、第五图像；
分别根据所述第二、第三图像和第四、第五图像与中间摄像头拍摄的第一图像比较，对左侧双摄像头和右侧双摄像头各自的内参和外参进行标定；
根据所述标定后的内参和外参进行立体标定，以确定左侧双摄像头与右侧双摄像头之间相对的平移向量和旋转矩阵；
根据第二图像、第三图像、第四图像、第五图像标定后的内参和外参、平移向量和旋转矩阵，对左侧摄像头模组和右侧摄像头模组各自标定后的内参和外参进行立体校正；
根据标定的内参和外参及立体校正后的内参和外参对左侧双摄像头和右侧双摄像头拍摄的图像构建目待成像对象的三维图像；
根据第二、第三图像和第四、第五图像对左侧双摄像头和右侧双摄像头各自的内参和外参进行标定，包括：根据第二、第三图像标定左侧双摄像头的第二、第三内参数矩阵，第二、第三旋转矩阵，第二、第三平移向量和第二、第三畸变参数，根据第四、第五图像标定右侧双摄像头的第四、第五内参数矩阵，第四、第五旋转矩阵，第四、第五平移向量和第四、第五畸变参数。
根据标定后的内参和外参进行立体标定，以确定左侧双摄像头与右侧双摄像头之间相对的平移向量和旋转矩阵，包括：根据第二、第三、第四、第五平移向量，第二、第三、第四、第五旋转矩阵和第二、第三、第四、第五旋转矩阵进行立体标定，以确定左侧双摄像头与右侧双摄像头之间相对的平移向量和旋转矩阵。
根据第二、第三图像，第四、第五图像、标定后的内参和外参、平移向量和旋转矩阵，对左侧双摄像头和右侧双摄像头各自标定后的内参和外参进行立体校正，包括：利用第二、第三畸变参数，第二、第三内参数矩阵对第二、第三内参数矩阵中的焦距进行校正，利用第四、第五畸变参数、第四、第五内参数矩阵对第四、第五内参数矩阵中的焦距进行校正，以保证左侧、右侧双摄像头的物、像放大率一致；利用第二、第三图像的边界点、平移向量、旋转矩阵、第二、第三内参数矩阵和第二、第三内参数矩阵中校正后的焦距对第二、第三内参数矩阵中主摄像机的第一图像与第二、第三图像交点坐标进行校正，利用第四、第五图像的边界点、平移向量、旋转矩阵、第四、第五内参数矩阵和第四、第五内参数矩阵中校正后的焦距对第四、第五内参数矩阵中主摄像机的第一图像与第四、第五图像交点坐标进行校正；根据平移向量和旋转矩阵对第二、第三平移向量，第四、第五平移向量，第二、第三旋转矩阵和第四、第五旋转矩阵进行校正。
进一步的，将待加工工件定位装夹在机床的支撑固定台中，
转动机床的支撑固定台的运动轴，利用三维成像输出装置对待加工工件进行测量，获取待加工工件定位点在机床坐标系的空间坐标；
将构建的三维图像与待加工工件进行空间坐标比对，根据待加工工件的空间坐标比对后的最大值，进行输出的缩放；
通过比对，计算构建的三维图像与实际工件坐标的变换矩阵，将变换矩阵应用于运动控制系统，控制机床切割刀到加工工件的转换。
本发明技术方案，通过对标定的内参数和外参数进行校正，进而利用标定的参数及校正后的标定参数进行三维成像，构建出三维图像进行显示，解决了三维图像深度信息不准确导致图像效果差的问题，能够获得高质量的三维图像。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种三维图像定位的数控车床，其特征在于，包括
车床(1)；
三维成像输入装置(2)，所述三维成像输入装置(2)包括三维摄像机(21)和成像平台(22)，所述成像平台(22)根据所述三维摄像机(21)发出的运动指令进行旋转；
三维成像输出装置(3)，所述三维成像输出装置(3)包括三维图像激光定位机(31)和圆环形磁力轴承(32)，所述三维图像激光定位机(31)包括三维摄像头(311)、激光定位距离探测器(312)以及圆弧形支架(313)，所述三维摄像头(311)与所述激光定位距离探测器(312)间隔布置在所述圆弧形支架上，所述三维摄像头(311)与所述激光定位距离探测器(312)之间设有用于清扫车床(1)上的待加工工件上切割削的出风口(314)；所述圆环形磁力轴承(32)为两个，分别活动连接与所述车床(1)的支撑固定台上，所述三维图像激光定位机(31)呈圆弧形固定在两个所述圆环形磁力轴承(32)之间；
运动控制系统(4)，所述运动控制系统(4)接收所述三维成像输入装置(2)的成像信息，确定空间距离并将处理后信息发送至三维成像输出装置(3)；通过三维成像输出装置(3)的扫描与定位与三维成像输入装置(2)的成像信息进行比对，比对后由运动控制系统(4)控制所述车床(1)的切割刀运动。
2.根据权利要求1所述的一种三维图像定位的数控车床，其特征在于，所述三维摄像机(21)包括
呈弧形排列的五个摄像头，用于同时拍摄待成像对象；
图像处理模块，用于根据所述五个摄像头拍摄的图像信息进行参数标定和参数矫正，并根据标定的参数及校正后的标定的参数构建三维图像；
图像处理控制模块，用于触发所述图像处理模块开始进行图像处理。
3.根据权利要求2所述的一种三维图像定位的数控车床，其特征在于，还包括图像显示模块(5)，所述图像显示模块(5)与所述图像处理控制模块的输出端连接，用于接收并显示经过所述图像处理模块处理的三维图像，所述图像显示模块与所述运动控制系统(4)集成在同一电路板上，用于将三维图像的可视化调整和输出。
4.根据权利要求3所述的一种三维图像定位的数控车床，其特征在于，所述三维摄像机的摄像头到所述成像平台中心点距离与所述三维图像激光定位机(31)到车床(1)支撑固定台中心点的距离相同。
5.三维图像构建输出方法，基于权利要求1至4任一项所述一种三维图像定位的数控车床，其特征在于，
将待成像对象放置于所述成像平台(22)上，所述成像平台(22)根据所述三维摄像机(21)发出的运动指令进行旋转；
利用所述三维摄像机(21)的摄像头，分别获取左侧双摄像头所拍摄的第二、第三图像和右侧双摄像头模组所拍摄的第四、第五图像；
分别根据所述第二、第三图像和第四、第五图像与中间摄像头拍摄的第一图像比较，对左侧双摄像头和右侧双摄像头各自的内参和外参进行标定；
根据所述标定后的内参和外参进行立体标定，以确定左侧双摄像头与右侧双摄像头之间相对的平移向量和旋转矩阵；
根据第二图像、第三图像、第四图像、第五图像标定后的内参和外参、平移向量和旋转矩阵，对左侧摄像头模组和右侧摄像头模组各自标定后的内参和外参进行立体校正；
根据标定的内参和外参及立体校正后的内参和外参对左侧双摄像头和右侧双摄像头拍摄的图像构建目待成像对象的三维图像；
将待加工工件定位装夹在机床(1)的支撑固定台中，
转动机床(1)的支撑固定台的运动轴，利用所述三维成像输出装置(3)对所述待加工工件进行测量，获取所述待加工工件定位点在机床坐标系的空间坐标；
将构建的三维图像与所述待加工工件进行空间坐标比对，根据所述待加工工件的空间坐标比对后的最大值，进行输出的缩放；
通过比对，计算构建的三维图像与实际工件坐标的变换矩阵，将变换矩阵应用于运动控制系统(4)，控制机床(1)切割刀到加工工件的转换。
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