CN114161197B

CN114161197B - 一种偏心工件自动校正方法、系统、设备及存储介质

Info

Publication number: CN114161197B
Application number: CN202111585365.1A
Authority: CN
Inventors: 倪林; 王宁; 谭毅成; 韩永强
Original assignee: Hefei Shangde Applied Materials Co ltd; University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: Hefei Shangde Applied Materials Co ltd; University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2023-09-15
Anticipated expiration: 2041-12-22
Also published as: CN114161197A

Abstract

本发明公开了一种偏心工件自动校正方法、系统、设备及存储介质，通过视觉系统对工件运动估计，计算出工件中心孔轴心的运动矢量，进而通过对运动矢量的处理，首先判断是否是同轴旋转，如果是非同轴旋转，计算出非同轴旋转的偏移量，即工件中心孔轴心点运动轨迹圆的半径，再根据这个偏移量，通过后续的步进电机实现夹具的全自动化调整。上述方案可以实现偏心工件全自动化调整，减轻人力成本，可实现一人多机生产，大大提高生产效率。

Description

一种偏心工件自动校正方法、系统、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及偏心工件校正技术领域，尤其涉及一种偏心工件自动校正方法、系统、设备及存储介质。

背景技术

在带有中心微孔(小于20微米)圆柱形零件等应用材料的微细精密加工领域，工件的切削加工一般是通过旋转主轴夹持的待加工工件后，再用刀具对工件进行切削加工，切削加工后的工件圆柱形加工面是否和工件中心孔轴心同轴，取决于加工过程中，工件待加工圆柱形零件的中心孔轴心是否与主旋转轴轴心重合(即是否同轴)。如果不重合，表示工件旋转为非同轴运动，需要调整工件夹持位置。由于是微细加工，这一调整过程非常费时费力，显著影响工件加工过程的生产效率。

如图1所示，左侧为圆柱形工件的截面图，右侧为加工部位截面图。右侧中，小圆表示的待加工工件小孔轴心线，通过调整工件夹持位置，使得待加工工件小孔轴心和工件夹持旋转轴心的两个圆心重合。

目前，非同轴旋转的夹具调整过程，一般采用人工的方法完成，由人眼判断是否同轴旋转，以及旋转的偏移量大小，需要脑力和体力劳动的较大投入，一方面操作者较易疲劳，另一方面，是否同轴旋转没有客观准则，都需要主观判断，因此，也无法有效控制精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种偏心工件自动校正方法、系统、设备及存储介质，可以实现偏心工件全自动化调整，减轻人力成本，可实现一人多机生产，大大提高生产效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种偏心工件自动校正方法，包括：

采用视觉处理的方法，对工件加工过程的视频图像进行运动估计，获得工件中心孔轴心的运动矢量，通过对运动矢量的处理，判断工件中心孔轴心是否与主旋转轴轴心重合，即是否同轴旋转；若为非同轴旋转，则估计非同轴旋转的偏移量，以及偏移量调整过程中主旋转轴的调整点位置和调整方向；

通过电机利用估计出的偏移量、以及主旋转轴的调整点位置和调整方向对夹具进行自动化调整。

一种偏心工件自动校正系统，基于前述方法实现，该系统包括：

计算模块，用于采用视觉处理的方法，对工件加工过程的视频图像进行运动估计，获得工件中心孔轴心的运动矢量，通过对运动矢量的处理，判断工件中心孔轴心是否与主旋转轴轴心重合，即是否同轴旋转；若为非同轴旋转，则估计非同轴旋转的偏移量，以及偏移量调整过程中主旋转轴的调整点位置和调整方向；

电机，用于利用估计结果对夹具进行自动化调整。

一种处理设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；

其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现前述的方法。

一种可读存储介质，存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现前述的方法。

由上述本发明提供的技术方案可以看出：1)将人从高度紧张的脑力劳动和高强度的视觉疲劳中解放出来，减少实际操作中的劳动力，节省人力成本，大大提高生产效率。2)用计算机检测的方法，能够比较客观地判断工件是否准确对中，减少人为操作中的主观误判。3)减少人工调整夹具中的不确定性和不稳定性，可实现引入电机调整的精确性，并可望实现一步到位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的非同轴旋转时的调整原理图；

图2为本发明实施例提供的一种偏心工件自动校正方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的运动矢量估计的原理图；

图4为本发明实施例提供的工件轴心点旋转轨迹圆的直径示意图；

图5为本发明实施例提供的夹具旋转起止位置固定情况下，工件的不同安装位置产生的不同轴心点轨迹圆示意图；

图6为本发明实施例提供的夹具的拟调整点和方向的示意图；

图7为本发明实施例提供的轴心调整过程示意图；

图8为本发明实施例提供的切削加工过程框图；

图9为本发明实施例提供的一种偏心工件自动校正系统的流程图；

图10为本发明实施例提供的一种处理设备的示意图。

具体实施方式

下面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，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

下面对本发明所提供的一种偏心工件自动校正方法、系统、设备及存储介质进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例一

如图1所示，一种偏心工件自动校正方法，主要包括如下步骤：

步骤1、采用视觉处理的方法，对工件加工过程的视频图像进行运动估计，获得工件中心孔轴心的运动矢量，通过对运动矢量的处理，判断工件中心孔轴心是否与主旋转轴轴心重合，即是否同轴旋转；若为非同轴旋转，则估计非同轴旋转的偏移量，以及偏移量调整过程中主旋转轴的调整点位置和调整方向。

本步骤可以通过两种方式实现：

使用机器视觉处理的方法，判断工件是否同轴运动；若为非同轴运动，则使用数字图像处理的方法，估计每一步调整时非同轴旋转的偏移量，以及估计偏移量调整过程中主旋转轴的调整点位置和调整方向；

或者，使用数字图像处理的方法，判断工件是否同轴运动，若为非同轴运动，则根据数字图像处理结果确定非同轴旋转的偏移量，并估计偏移量调整过程中主旋转轴的调整点位置和调整方向。

用户可根据实际情况选择任一方式执行，两种方式都需要采集工件加工过程的视频图像，通过视频图像进行相关的判断与调整量的计算。

两种方式都需要通过运动估计算法估计不同视频帧的工件中心孔轴心的运动矢量。如图3所示，为运动矢量估计的原理图，其中，i、j表示任意两个视频帧图像的帧序号，水平和垂直方向的运动矢量为(Δx，Δy)，V为运动矢量幅值，单位为像素(pixel)(通过视频的已知分辨率可换算出以μm为单位的运动矢量)。

方式一、

1)使用机器视觉处理的方法，判断工件是否同轴运动。

a)估计任意两个视频帧图像的工件中心孔轴心的运动矢量(Δx_ij，Δy_ij)；其中，i、j表示任意两个视频帧图像的帧序号。

b)提取最大运动矢量max_(i，j)(Δx_ij，Δy_ij)，令(Δx_m，Δy_m)＝max_(i，j)(Δx_ij，Δy_ij)。

c)判断是否满足：Δx_m<ΔT且Δy_m<ΔT；其中，Δx、Δy为两个方向(水平和垂直)的运动位移，ΔT为设定的运动位移最小阈值。

d)若满足，则表示工件中心孔轴心与主旋转轴轴心重合，工件旋转为同轴运动；若不满足，则表示工件中心孔轴心与主旋转轴轴心不重合，工件旋转为非同轴运动。

示例性的，可以设置i＝0为固定的初始视频帧图像，j对应任意视频帧图像；一般情况下，ΔT是大于0的微小值，理想情况下，ΔT为0。

2)若为非同轴运动，则使用数字图像处理的方法，估计每一步调整时非同轴旋转的偏移量。

如图4所示，为视频不同帧中，通过运动估计算法得到的工件中心孔轴心的运动矢量幅值V_i，i＝1，2，3,……,N，N为用于运动估计的视频最大帧数，当i的数值足够大时，可以近似认为，轨迹圆的直径就落在v_i当中，即轨迹圆的直径d＝max_(i)(V_i)，半径r＝d/2。基于这一原理，可以通过下述方式快速计算轨迹圆的半径：

a)通过运动估计算法计算不同视频帧的运动矢量幅值，并按照大到小的顺序，排列至列表L中。

b)每次执行运动估计算法得到的运动矢量幅值均与列表L中最大运动矢量幅值进行比较，如果大于等于列表L中最大运动矢量幅值则更新至列表L中；如果连续多次执行运动估计算法计算得到的运动矢量幅值均小于列表L中最大运动矢量幅值，则停止运动估计算法。

c)将列表L中最大运动矢量幅值作为非同轴旋转的轨迹圆直径d，并计算出半径r＝d/2。

而非同轴旋转的偏移量，即为工件中心孔轴心点旋转轨迹圆的半径，因此，直接将非同轴旋转的轨迹圆半径r作为非同轴旋转的偏移量r。

3)旋转工件的调整点和调整方向。

为了保证有效的旋转工件夹具调整，要求旋转工件旋转的起始和终止位置必须是固定的，这样只允许不同次的工件在夹具上的安装位置可变化。

本发明实施例中，以旋转工件夹具的主旋转轴为中心，将夹具外周的360度划分为多个象限(如3个象限，每个象限为120度范围)，不同的调整点对应不同的象限；通过工件中心孔旋转轨迹的起始点以及后续连续多帧的运动矢量方向，确定初始运动轨迹的圆弧类型，并以此确定调整点位置和调整方向。

如图5所示，为夹具旋转起止位置固定情况下，工件的不同安装位置产生的不同轴心点轨迹圆，图5中箭头为夹具拟调整方向的示例。如图6所示，为夹具的拟调整点和方向的示例，数字1标记的箭头表示运动轨迹的放大映射轨迹(即工件中心孔的运动轨迹)，数字2标记的箭头表示产品中心运转方向(即工件中心孔的旋转方向)，数字3标记的箭头表示轴心中心运转方向(即夹具轴心中心旋转方向)。

方式二、

1)使用数字图像处理的方法，判断工件是否同轴运动。

令工件中心孔轴心点的旋转轨迹圆的半径为r，判断是否满足：r≤r_T；其中，r_T为设定的阈值；

若满足，则表示工件中心孔轴心与主旋转轴轴心重合，工件旋转为同轴运动；若不满足，则表示工件中心孔轴心与主旋转轴轴心不重合，工件旋转为非同轴运动。

此方式下旋转轨迹圆半径r的计算方式与前述方式一中的计算方式相同，故不做赘述。

2)若为非同轴运动，则根据数字图像处理结果确定非同轴旋转的偏移量。

如之前所述，非同轴旋转的偏移量，即为工件中心孔轴心点旋转轨迹圆的半径，因此，直接提取前一阶段计算出的旋转轨迹圆的半径r作为非同轴旋转的偏移量r。

3)估计偏移量调整过程中主旋转轴的调整点位置和调整方向。

此阶段的估计方式与前述方式一相同，故不做赘述。

步骤2、通过电机利用估计出的偏移量、以及主旋转轴的调整点位置和调整方向对夹具进行自动化调整。

本发明实施例中，电机可以是步进或者伺服电机，前述步骤1是通过视频图像估计出偏移量，因而偏移量的单位为像素(pixel)，需要将像素结合视频图像的已知分辨率换算为实际的距离(以μm为单位)，将该距离(或需进一步换算为调整螺丝的旋转周数)以及主旋转轴的调整点位置和调整方向输入到调整夹具的电机，从而对完成夹具的全自动化调整。

图7展示了轴心调整过程；左侧为调整前图像，图中可见两个轴心(孔1轴心与主旋转轴轴心)并未重合；中间为调整时的图像，将孔1调整到进给方向，再调整至两个轴心重合；右侧为调整后的图像，图中可见两个轴心重合。

图8展示了基于上述方案执行切削加工过程框图。

本发明实施例上述方案，主要获得如下有益效果：

1)将人从高度紧张的脑力劳动和高强度的视觉疲劳中解放出来，减少实际操作中的劳动力，节省人力成本，大大提高生产效率。

2)用计算机检测的方法，能够比较客观地判断工件是否准确对中，减少人为操作中的主观误判。

3)轨迹圆半径计算具有较高的计算效率，包括直径排序，以及只需要实现半圆轨迹的运动估计，即判断是否同轴运动，只需让夹具旋转半周即可，大大提高判断速度。

4)减少人工调整夹具中的不确定性和不稳定性，可实现引入步进电机调整的精确性，并可望实现一步到位。

实施例二

本发明还提供一种偏心工件自动校正系统，其主要基于前述实施例提供的方法实现，如图9所示，该系统主要包括：

电机，用于利用估计结果对夹具进行自动化调整。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

实施例三

本发明还提供一种处理设备，如图10所示，其主要包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现前述实施例提供的方法。

进一步的，所述处理设备还包括至少一个输入设备与至少一个输出设备；在所述处理设备中，处理器、存储器、输入设备、输出设备之间通过总线连接。

本发明实施例中，所述存储器、输入设备与输出设备的具体类型不做限定；例如：

输入设备可以为触摸屏、图像采集设备、物理按键或者鼠标等；

输出设备可以为显示终端；

存储器可以为随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可为非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。

实施例四

本发明还提供一种可读存储介质，存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时实现前述实施例提供的方法。

本发明实施例中可读存储介质作为计算机可读存储介质，可以设置于前述处理设备中，例如，作为处理设备中的存储器。此外，所述可读存储介质也可以是U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种偏心工件自动校正方法，其特征在于，包括：

通过电机利用估计出的偏移量、以及主旋转轴的调整点位置和调整方向对夹具进行自动化调整；

其中，所述采用视觉处理的方法，对工件加工过程的视频图像进行运动估计，获得工件中心孔轴心的运动矢量，通过对运动矢量的处理，判断工件中心孔轴心是否与主旋转轴轴心重合，即是否同轴旋转；若为非同轴旋转，则估计非同轴旋转的偏移量，以及偏移量调整过程中主旋转轴的调整点位置和调整方向包括：

使用机器视觉处理的方法，结合工件中心孔轴心的运动矢量，判断工件是否同轴运动；若为非同轴运动，则使用数字图像处理的方法，估计每一步调整时非同轴旋转的偏移量，以及估计偏移量调整过程中主旋转轴的调整点位置和调整方向；

或者，使用数字图像处理的方法，结合工件中心孔轴心的运动矢量，判断工件是否同轴运动，若为非同轴运动，则根据数字图像处理结果确定非同轴旋转的偏移量，并估计偏移量调整过程中主旋转轴的调整点位置和调整方向。

2.根据权利要求1所述的一种偏心工件自动校正方法，其特征在于，所述使用机器视觉处理的方法，结合工件中心孔轴心的运动矢量，判断工件是否同轴运动包括：

采集工件加工过程的视频图像，估计任意两个视频帧图像的工件中心孔轴心的运动矢量(Δx_ij，Δy_ij)；其中，i、j表示任意两个视频帧图像的帧序号；

提取最大运动矢量max_(i，j)(Δx_ij，Δy_ij)，令(Δx_m，Δy_m)＝max_(i，j)(Δx_ij，Δy_ij)；

判断是否满足：Δx_m<ΔT且Δy_m<ΔT；其中，Δx、Δy为两个方向的运动位移，ΔT为设定的运动位移最小阈值；

3.根据权利要求1或2所述的一种偏心工件自动校正方法，其特征在于，所述若为非同轴运动，则使用数字图像处理的方法，估计每一步调整时非同轴旋转的偏移量包括：

通过运动估计算法计算不同视频帧的工件中心孔轴心的运动矢量幅值，并按照大到小的顺序，排列至列表L中；

每次执行运动估计算法得到的运动矢量幅值均与列表L中最大运动矢量幅值进行比较，如果大于等于列表L中最大运动矢量幅值则更新至列表L中；如果连续多次执行运动估计算法计算得到的运动矢量幅值均小于列表L中最大运动矢量幅值，则停止运动估计算法；

将列表L中最大运动矢量幅值作为非同轴旋转的轨迹圆直径d，并计算出半径r＝d/2，将非同轴旋转的轨迹圆半径r作为非同轴旋转的偏移量r。

4.根据权利要求1所述的一种偏心工件自动校正方法，其特征在于，所述使用数字图像处理的方法，结合工件中心孔轴心的运动矢量，判断工件是否同轴运动包括：

采集工件加工过程的视频图像，通过运动估计算法计算不同视频帧的工件中心孔轴心运动矢量幅值，并按照大到小的顺序，排列至列表L中；

将列表L中最大运动矢量幅值作为非同轴旋转的轨迹圆直径d，并计算出半径r＝d/2；判断是否满足：r≤r_T；其中，r_T为设定的阈值；

5.根据权利要求4所述的一种偏心工件自动校正方法，其特征在于，若为非同轴运动，则直接提取判断过程中计算出的非同轴旋转的轨迹圆半径r作为非同轴旋转的偏移量r。

6.根据权利要求1或1所述的一种偏心工件自动校正方法，其特征在于，估计偏移量调整过程中主旋转轴的调整点位置和调整方向的方式包括：

以旋转工件夹具的主旋转轴为中心，将夹具外周的360度划分为多个象限，不同的调整点对应不同的象限；通过工件中心孔旋转轨迹的起始点以及后续连续多帧的运动矢量方向，确定初始运动轨迹的圆弧类型，并以此确定调整点位置和调整方向。

7.一种偏心工件自动校正系统，其特征在于，基于权利要求1～6任一项所述的方法实现，该系统包括：

电机，用于利用估计结果对夹具进行自动化调整。

8.一种处理设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；

其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1～6任一项所述的方法。

9.一种可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，当计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～6任一项所述的方法。