CN111338290A - 一种基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，包括：采集机床X轴、Y轴、Z轴移动数字图像以及A轴转动数字图像；通过比机床各轴对初始位置的数字图像和机床热平衡后各轴的数字图像，计算机床各轴的偏移量；根据所述偏移量获取机床各轴补偿热漂移数据；根据所述补偿热漂移数据对机床各轴的数据进行反馈补偿；根据补偿后的参数对工件进行加工；工件加工结束后对其进行外观轮廓的检测，随后进行加工精度的检测，以达到误差范围内为合格品。该方法操作方便、测量效率高，具有较高的应用价值，利用该方法可实现五轴数控机床的热误差、定位精度和重复精度的测量，并且可与数控系统更新补偿数据，使用方便。

Description

一种基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，尤其涉及一种基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法。

背景技术

五轴数控机床X、Y、Z、A或B、C等，由于增加两个旋转轴(或摆转轴)，五轴数控机床能够加工更复杂的曲面零件，能够适应现代高精加工的需求，工件的表面质量以及加工效率得到了极大的提高。五轴数控机床能够减少工件的装夹次数，减少因装夹问题引入的安装误差等，从而缩短加工时间。然而，五轴数控机床却因装配精度、安装误差，长时间的加工过程中磨损不断提高导致的缺陷，使机机床的加工误差直接导致工件加工精度的降低。因此，为了提高和稳定五轴数控机床的加工精度和工件表面质量作为目标，保证产品的合格率，重复精度的补偿研究不断发展。

目前国内，对于机床旋转轴误差检测方向已经作了大量的研究，但是旋转轴误差测量还没有直接、统一的方法，常用的检测方法主要采用的测量设备包括球杆仪、激光跟踪仪、R-test、正12面或24面多棱镜以及自准直仪等，具有一定的局限性。对于三平动轴的误差测量主要采用激光干涉仪、位移传感器以及热误差检测综合测量。其中，球杆仪价格便宜，使用广泛，但其测量时需要安装、调试，测量的效率较低，对于操作人员相关技术要求高。激光跟踪仪，其测量方便快捷，但价格较为昂贵。R-test装置为接触式测量，对于测试条件要求较高，其测量效率有限。正12面或24面多棱镜以及自准直仪，需特殊工装，其测试过程复杂。激光干涉仪测量快捷方便，但对于机床环境有较高的测量条件要求。位移传感器作为非接触式测量，其装置价格适中，对主轴测量较为方便，但其测量其它平动轴较为复杂。平动轴的定位精度以及重复精度的测量，需和旋转轴分开测量，综合测量耗费时间长。

综上所述，这些测量方式测量效率不高，实验成本高。接触式与非接触式测量方式，都需对操作人员进行培训或操作人员本身具备该方面的操作经验，对于测量的结果依赖操作人员的熟练度，测量精度有限。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，该方法具有降低测试时间，提高测量精度和补偿能力，数据互通等优点。

一种基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，包括如下步骤：

步骤1：采集机床平动轴和转动轴初始位置的数字图像；

步骤2：采集机床热平衡后平动轴和转动轴的热平衡数字图像；

步骤3：通过对比所述初始位置的数字图像和热平衡数字图像，计算机床平动轴和转动轴的偏移量；

步骤4：根据所述偏移量获取机床平动轴和转动轴的补偿热漂移数据；

步骤5：根据所述补偿热漂移数据对机床平动轴和转动轴的数据进行反馈补偿；

步骤6：根据补偿后的参数对工件进行加工；

步骤7：工件加工结束后对其进行外观轮廓的检测，随后进行加工精度的检测，以达到误差范围内为合格品。

进一步地，如上所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，所述采集机床平动轴和转动轴初始位置的数字图像包括以下步骤：

(1)相机精度标定：过Halcon标定板完成图像采集设备内外参数的标定；

(2)加工区域标定：基于Halcon算子的标定，首先在不同角度对标定板拍照，在加工区域画网格，采用提取网格角点确定坐标，机器坐标与图像坐标一一对应；

(3)初始图像采集：通过图像采集设备标定和回归机床原点操作，根据机床各轴初始位置拍照采集数字图像；

(4)图像处理：将图像采集设备采集的数字图像导入计算机，基于Halcon软件处理数据得到所述初始数据。

进一步地，如上所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，所述步骤2包括：

(1)：数据采集设备采集机床热平衡后平动轴和转动轴的初始位置图像信息，以及采集加工过程中机床的平动轴和转动轴的运动数字图像位置信息；

(2)以所述初始位置图像信息作为校正标准，将所述运动数字图像位置信息基于Halcon软件图像处理和数据分析，得到所述机床热平衡后平动轴和转动轴的热平衡数字图像。

进一步地，如上所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，所述步骤4包括：利用所述初始位置的数字图像和热平衡数字图像计算机床平动轴和转动轴的误差数据、并根据所述误差数据、得到所述补偿热漂移数据；

所述误差数据为所述初始位置的数字图像和热平衡数字图像之间的误差；

所述补偿热漂移数据为对误差数据取加权均方误差，得到补偿热漂移数据。

进一步地，如上所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，在步骤6之后，还包括以下步骤:

步骤8：对加工误差范围进行分级处理，根据产品处于A等级的数量将数据传输至计算机后对A级产品生产数目进行修改，以使超过误差的零件和相适应零件也能进行配合装配。

进一步地，如上所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，数据采集设备采集的数字图像信息通过无线传输芯片，传输至计算机进行各项处理。

进一步地，如上所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，数据采集设备对加工区域拍照，采集10～15张图像导入数据处理软件进行计算。

进一步地，如上所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，在机床启动过后进行2小时～3小时的热车，以达到机床热平衡状态。

进一步地，如上所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，所述步骤6还包括：根据根据补偿后的参数和限位数据一同添加于数控程序中对工件进行加工。

有益效果：

本发明提供的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法,利用图像采集设备直接采集五轴数控机床数字平动轴和转动轴(或摆转轴)的数字图像的，数字图像通过无线采集模块传输至计算机中进行数据处理，可识别五轴数控机床定位精度和重复精度，通过采集运行一段时间后的五轴数控机床平动轴和转动轴(或摆转轴)的数字图像，将其与初始图像进行对比，基于Halcon软件计算数据偏差，即可获得平动轴热漂移误差和旋转轴(或摆转轴)运动误差，在工件加工过程中，补偿数据和限位数据实时更新，并与数控系统数据进行交换，无需进行测量设备更换，提高了加工精度，工件表面加工质量，缩短了测量时间，且测量数据具有较高的精度。且该方法操作方便、测量效率高，具有较高的应用价值，利用该方法可实现五轴数控机床的热误差、定位精度和重复精度的测量，并且可与数控系统更新补偿数据，使用方便。

附图说明

图1为本发明检测预处理流程图；

图2为本发明加工过程控制流程图；

图3为本发明产品分级流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

本发明提供的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，该方法用到的设备包括：高分辨率CMOS相机、数据传输模块、计算机、限位模块和补偿模块，四台CMOS相机通过相机安装架保固定，且该四台CMOS相机离工作台有一定高度，两两相隔90°布置，相机瞄准加工区域，加工过程采集数字图像，通过数据传输模块将数据传输至计算机，Halcon软件处理数据后与限位模块以及补偿模块进行数据交换，将更新数据通过数据传输模块传输至机床数控系统；另外还有一台CMOS相机，该相机瞄准加工区域，加工结束后利用该相机采集工件数字图像，通过Halcon软件处理数据与模板库比对后进行误差判断，并对其进行产品分级。

为获得清晰准确的数字图像，在加工区域和相机之间的光源采用相机自带高亮度Hi-R照明光源，对整体视野照射明亮均匀的光，且相机具备自动对焦功能。为获得清晰准确的数字图像，相机通过使用高性能HP-Quad透镜拍摄明亮且清晰的图像。为消除拍摄图像存在的光晕问题，相机安装能够去除光晕的附件。

本发明提供的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，该方法采用高分辨率多目视觉系统，通过相机精度标定，采集机床各轴的位置信息。根据采样周期，平动轴每移动一定的距离，视觉系统采集数据，通过比对初始位置和采集后的数字图像计算平动轴偏移量，取其偏移量的平均值；转动轴每转动一定的角度，视觉系统采集数据，通过比对初始位置和采集后的数字图像计算转动轴转动偏移量，取其偏移量的平均值；将平动轴与转动轴的偏移补偿输入数控系统。

实施例：

本发明实施例采用双转台五轴数控机床，即X、Y、Z三平动轴之外，工作台和主轴可旋转。所述平动轴即只在X、Y、Z方向移动实现直线插补，或多轴联动实现圆弧插补；所述转动轴，主轴旋转带动刀具，实现铣削，或工作台旋转，实现车削，或多轴联动实现复杂切削运动。因本实施例采用双转台五轴数控机床，工作台的旋转运动，一般五轴数控机床都有相应的反馈提供旋转补偿，故暂不采集工作台的转动数据。总而言之，采集最关键的X、Y、Z平动轴工作数据和A轴转动工作数据作为本申请检测方法的数据来源。

本发明实施例提供的一种基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集机床平动轴和转动轴初始位置的数字图像；

步骤2：采集机床热平衡后平动轴和转动轴的热平衡数字图像；

步骤3：通过对比所述初始位置的数字图像和热平衡数字图像，计算机床平动轴和转动轴的偏移量；

步骤4：根据所述偏移量获取机床平动轴和转动轴的补偿热漂移数据；

步骤5：根据所述补偿热漂移数据对机床平动轴和转动轴的数据进行反馈补偿；

步骤6：根据补偿后的参数对工件进行加工；

步骤7：工件加工结束后对其进行外观轮廓的检测，随后进行加工精度的检测，以达到误差范围内为合格品。

其中，所述采集机床平动轴和转动轴初始位置的数字图像包括以下步骤：

(1)相机精度标定：过Halcon标定板完成图像采集设备内外参数的标定；

(2)加工区域标定：基于Halcon算子的标定，首先在不同角度对标定板拍照，在加工区域画网格，采用提取网格角点确定坐标，机器坐标与图像坐标一一对应；

(3)初始图像采集：通过图像采集设备标定和回归机床原点操作，根据机床各轴初始位置拍照采集数字图像；

(4)图像处理：将图像采集设备采集的数字图像导入计算机，基于Halcon软件处理数据得到所述初始数据。

所述步骤2包括：

(1)：数据采集设备采集机床热平衡后平动轴和转动轴的初始位置图像信息，以及采集加工过程中机床的平动轴和转动轴的运动数字图像位置信息；

(2)以所述初始位置图像信息作为校正标准，将所述运动数字图像位置信息基于Halcon软件图像处理和数据分析，得到所述机床热平衡后平动轴和转动轴的热平衡数字图像。

具体地，在各种误差源中，机床误差占总比重的45％～65％，其中机床热误差占总比重的25％～35％，机床热平衡指的是机床启动后，达到一个温度动态平衡，其中温升对机床各部件的影响达到平衡值，以此数据作为后续加工的基准，继而加工过程中各轴运动数据的误差较之于不采用热平衡数据作为基准的情况更准确，否则每次测量都需要校准、分离热误差，故需要采集两类数据，进而也可作为得到各轴热误差测量方法。

所述步骤4包括：利用所述初始位置的数字图像和热平衡数字图像计算机床平动轴和转动轴的误差数据、限位数据，并根据所述误差数据、限位数据得到所述补偿热漂移数据；

所述误差数据为所述初始位置的数字图像和热平衡数字图像之间的误差；

所述补偿热漂移数据为对误差数据取加权均方误差，得到补偿热漂移数据。

具体地，将各轴移动至测试指定位置，相机采集数字图像并传输至计算机，该图像作为初始位置的数字图像，记为图像0，移动各轴远离测试指定位置，启动五轴数控机床并连续运行一段时间，停机并将机床各轴移动至测试指定位置，记录此时的图像，记为图像1，对比图像0和图像1，根据步骤2，计算各轴热偏移量，即获得各轴该段时间内产生的热伸长量；再移动各轴使其远离测试指定位置，连续运行机床，每隔一段时间，重复上述步骤，通过对比不同时刻采集到的图像m与初始图像0中各轴的偏移量，可实现不同时刻各轴热伸长的测量，对数据取加权均方误差，作为补偿热漂移数据。

本实施例在步骤6之后，还包括以下步骤:

步骤8：对加工误差范围进行分级处理，根据产品处于A等级的数量将数据传输至计算机后对A级产品生产数目进行修改，以使超过误差的零件和相适应零件也能进行配合装配。

具体地，由于生产线中不仅只生产一种零件，而是多种零件配合装配生产成品，对其中零件进行分级，是为了满足超过误差的零件和相适应零件也能进行配合装配(不影响总装的情况下，且满足产品要求)，降低废品率，提高生产率，降低成本。

本实施例所述数据采集设备采集的数字图像信息通过无线传输芯片，传输至计算机进行各项处理。数据采集设备对加工区域拍照，采集10～15张图像导入数据处理软件进行计算。在机床启动过后进行2小时～3小时的热车，以达到机床热平衡状态。

此外，对于步骤(6)，由于如果进行如盲孔加工时，补偿热漂移的数据为误差数据，但在实际加工中，除热误差数据之外，还存在加工实际与加工程序理论数据之间的误差(此时热漂移数据已加入补偿中)，这样的误差在本发明中称为限位数据，该数据应用在如盲孔类的需采用间接数据获取实际加工数据，和热误差数据一同记录后进行补偿数据计算，将不同的补偿数据添加数控程序后以达到尽可能接近理论加工的数值。因此，计算补偿热漂移数据中，限位数据不参与，而在加工中，需要限位数据和热漂移数据一同添加与数控程序中，以满足生产需要。

下面对本发明提供的检测方法作进一步的阐述，如图1、图2、图3所示，该包括检测预处理流程、加工过程控制流程、以及产品分级流程三个部分。

其中，所述检测预处理流程如图1所示，包括：

(1)相机精度标定：基于Halcon软件标定功能自带标定板具有标定点易于提取、标定精度高等特点，通过Halcon标定板完成相机内外参数的标定；

(2)加工区域标定：基于Halcon算子的标定，首先在不同角度对标定板拍照，在加工区域画网格，采用提取网格角点确定坐标，机器坐标与图像坐标一一对应；

(3)初始图像采集：通过相机标定和回归机床原点操作，根据机床各轴初始位置拍照采集数字图像；

(4)图像处理：将相机采集的数字图像导入计算机，基于Halcon软件处理数据，并导入模板库。

所述加工过程控制流程如图2所示，包括以下步骤：

(5)检测启动：将机床按照预定程序进行加工测试；

(6)数字图像采集：通过相机采集各轴热平衡后的数字图像位置信息，以及采集加工过程各轴运动数字图像位置信息；

具体地，在各种误差源中，机床误差占总比重的45％-65％，其中机床热误差占总比重的25％-35％，机床热平衡指的是机床启动后，达到一个温度动态平衡，其中温升对机床各部件的影响达到平衡值，以此数据作为后续加工的基准，继而加工过程中各轴运动数据的误差较之于不采用热平衡数据作为基准的情况更准确，否则每次测量都需要校准、分离热误差，故需要采集两类数据。进而也可作为得到各轴热误差测量方法。

(7)图像畸变处理和数据处理：将采集数字图像数据传输至计算机后，基于Halcon软件图像处理和数据分析，与模板库数据进行对比；

(8)补偿计算：采集后的数据与模板库数据进行对比后，进行误差计算、限位计算和补偿计算；

(9)导入反馈数据：根据计算机计算后的补偿数据导入机床数控系统；

(10)加工匹配：根据导入的数据对工件进行匹配加工。

所述产品分级流程如图3所示，包括以下步骤：

(11)加工精度检测：产品加工结束后对其进行外观轮廓的检测，随后进行加工精度的检测，以达到误差范围内为合格品；

(12)产品分类：对加工误差范围进行分级处理，根据i个产品处于A等级的情况将数据传输至计算机后对A级产品生产数目进行修改。

以上检测方法中，相机在加工过程中对加工区域拍照，采集10～15张图像导入数据处理软件进行计算。

以上检测方法中，在机床启动过后进行2小时～3小时的热车，以达到机床热平衡状态。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集机床平动轴和转动轴初始位置的数字图像；

步骤2：采集机床热平衡后平动轴和转动轴的热平衡数字图像；

步骤3：通过对比所述初始位置的数字图像和热平衡数字图像，计算机床平动轴和转动轴的偏移量；

步骤4：根据所述偏移量获取机床平动轴和转动轴的补偿热漂移数据；

步骤5：根据所述补偿热漂移数据对机床平动轴和转动轴的数据进行反馈补偿；

步骤6：根据补偿后的参数对工件进行加工；

步骤7：工件加工结束后对其进行外观轮廓的检测，随后进行加工精度的检测，以达到误差范围内为合格品。

2.根据权利要求1所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，其特征在于，所述采集机床平动轴和转动轴初始位置的数字图像包括以下步骤：

(1)相机精度标定：过Halcon标定板完成图像采集设备内外参数的标定；

(2)加工区域标定：基于Halcon算子的标定，首先在不同角度对标定板拍照，在加工区域画网格，采用提取网格角点确定坐标，机器坐标与图像坐标一一对应；

(3)初始图像采集：通过图像采集设备标定和回归机床原点操作，根据机床各轴初始位置拍照采集数字图像；

(4)图像处理：将图像采集设备采集的数字图像导入计算机，基于Halcon软件处理数据得到所述初始数据。

3.根据权利要求2所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，其特征在于，所述步骤2包括：

(1)：数据采集设备采集机床热平衡后平动轴和转动轴的初始位置图像信息，以及采集加工过程中机床的平动轴和转动轴的运动数字图像位置信息；

(2)以所述初始位置图像信息作为校正标准，将所述运动数字图像位置信息基于Halcon软件图像处理和数据分析，得到所述机床热平衡后平动轴和转动轴的热平衡数字图像。

4.根据权利要求1所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，其特征在于，所述步骤4包括：利用所述初始位置的数字图像和热平衡数字图像计算机床平动轴和转动轴的误差数据，并根据所述误差数据得到所述补偿热漂移数据；

所述误差数据为所述初始位置的数字图像和热平衡数字图像之间的误差；

所述补偿热漂移数据为对误差数据取加权均方误差，得到补偿热漂移数据。

5.根据权利要求1所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，其特征在于，在步骤6之后，还包括以下步骤:

步骤8：对加工误差范围进行分级处理，根据产品处于A等级的数量将数据传输至计算机后对A级产品生产数目进行修改，以使超过误差的零件和相适应零件也能进行配合装配。

6.根据权利要求1所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，其特征在于，数据采集设备采集的数字图像信息通过无线传输芯片，传输至计算机进行各项处理。

7.根据权利要求1所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，其特征在于，数据采集设备对加工区域拍照，采集10～15张图像导入数据处理软件进行计算。

8.根据权利要求1所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，其特征在于，在机床启动过后进行2小时～3小时的热车，以达到机床热平衡状态。

9.根据权利要求4所述的基于多目视觉的五轴数控机床多功能检测方法，其特征在于，所述步骤6还包括：根据根据补偿后的参数和限位数据一同添加于数控程序中对工件进行加工；

所述限位数据指所述加工过程间接测量所获取的数据与程序理论数据之间的误差。

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