TW201525633A - Cnc加工調機系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種CNC加工調機系統。CNC加工設備運行加工程式生產N件產品，CCD拍攝每件產品的加工路徑的二維圖像。該系統確定二維圖像中的輪廓點、組成每件產品的加工路徑的一組點雲。每組點雲中的一個點對應加工程式中的一個路徑點。該系統選擇一組點雲作為基準點雲擬合成一個幾何圖形，計算其他N-1組點雲中的每個點到幾何圖形的偏差值，並計算每個路徑點的N-1個偏差值的平均值，根據所有路徑點的平均偏差值生成平均輪廓。之後，該系統計算該平均輪廓與該產品的加工路徑的理論輪廓上的對應路徑點之間的座標差值，將該座標差值回饋給CNC加工設備。

Description

CNC加工調機系統及方法
本發明涉及一種電腦輔助控制系統及方法，尤其是一種應用於電腦數位控制（computer numerical control, CNC）加工設備的影像量測系統及方法。
在CNC加工設備加工高精度產品之前，需要對CNC加工設備執行檢查、預熱、調機等步驟。其中，調機的步驟最繁瑣，目前使用的方法是利用CNC加工設備加工指定的調機片或產品，然後再檢測加工的調機片或產品的尺寸是否符合要求，如果尺寸偏差值太大，則對CNC加工設備的相關參數進行調整後，再生產指定的調機片或產品後再送檢，直到加工的調機片或產品的尺寸穩定。這種調機方法耗時較長且涉及認為操作、容易造成誤差。
鑒於以上內容，有必要提供一種系統及方法，可以避免認為操作導致的誤差，自動、智慧地對CNC加工設備執行調機，保證CNC加工設備的加工精度。
一種CNC加工調機系統，應用於連接CNC加工設備的計算裝置。CNC加工設備運行加工程式生產的預設數量的N件產品，CCD拍攝每件產品的加工路徑的二維圖像。該系統確定每件產品的加工路徑的二維圖像中的輪廓點、組成該件產品的加工路徑的一組點雲。每組點雲中的一個點對應該加工程式中的一個路徑點。該系統選擇一組點雲作為基準點雲，將該基準點雲擬合成一個幾何圖形，計算其他N-1組點雲中的每個點到該幾何圖形的偏差值，並計算每個路徑點的N-1個偏差值的平均值，根據所有路徑點的平均偏差值生成該產品的加工路徑點的平均輪廓。之後，該系統計算該平均輪廓與該產品的加工路徑的理論輪廓上的對應路徑點之間的座標差值，將每個路徑點的座標差值回饋給CNC加工設備。
一種CNC加工調機方法，應用於連接CNC加工設備的計算裝置。該方法包括步驟：(A)對CNC加工設備運行加工程式生產的預設數量N件產品中的每件產品的加工路徑的二維圖像進行二值化處理，確定二維圖像中的輪廓點座標，每件產品的加工路徑的二維圖像中的所有輪廓點組成該件產品的加工路徑的一組點雲，每組點雲中的一個點對應該加工程式中的一個路徑點；(B)選擇一組點雲作為基準點雲，將該基準點雲擬合成一個幾何圖形；(C)計算其他N-1組點雲中的每個點到該幾何圖形的最小距離，以該最小距離為對應的路徑點的偏差值；(D)計算每個路徑點的N-1個偏差值的平均值，根據所有路徑點的偏差值的平均值生成該產品的加工路徑點的平均輪廓；及(E)計算該產品的加工路徑的平均輪廓與該產品的加工路徑的理論輪廓上的對應路徑點之間的座標差值，將每個路徑點的座標差值回饋給CNC加工設備。
相較於現有技術，本發明提供的CNC加工調機系統，可以自動、智慧地對CNC加工設備執行調機，保證CNC加工設備的加工精度。
圖1是本發明CNC加工調機系統較佳實施例的應用環境圖。
圖2是本發明CNC加工調機方法較佳實施例的流程圖。
圖3是計算加工路徑的其他點雲中的點與標準點雲擬合得到的曲線之間的偏差值、根據加工路徑的每個路徑點的平均偏差值生成加工路徑的平均輪廓的示意圖。
圖4是計算加工路徑的平均輪廓與理論輪廓上的對應路徑點之間的座標差值的示意圖。
參閱圖1所示，是本發明CNC加工調機系統10較佳實施例的應用環境圖。在本實施例中，該CNC加工調機系統10應用於計算裝置1，該計算裝置1連接CNC加工設備2。在其他實施例中，計算裝置1也可以整合在CNC加工設備2之內。計算裝置1還包括儲存器20、處理器30及顯示設備40。CNC加工設備2包括夾持治具21、物料22、加工程式23、電荷耦合元件（Charge Couple Device，CCD）24，以及其他圖中未示出的部件，例如加工刀具、光柵尺、工作平臺，等等。
夾持治具21用於固定放置於工作平臺上的物料22。CNC加工設備2運行加工程式23對物料22進行加工（例如切削）、生產產品。
CCD 24安裝在CNC加工設備的主軸（即機台Z軸）上。安裝時保證CCD 24的成像平面的軸線與CNC加工設備2的加工平面垂直，垂直度需要滿足一定精度要求（例如小於0.1 mm）。CCD 24的成像平面可以理解為與工作平臺平行的一個平面，CNC加工設備2的加工平面可以理解為與工作平臺垂直的一個平面。
在本實施例中，CNC加工設備2運行加工程式23加工預設數量（例如5件）的產品。CNC加工調機系統10在CNC加工設備2加工每件產品的過程中，利用CCD採集該件產品的加工路徑的二維圖像，對該件產品的加工路徑的每張二維圖像進行二值化處理，確定每張二維圖像中的輪廓點座標。每件產品的所有二維圖像中的輪廓點組成該產品的加工路徑的一組點雲，每組點雲中的一個點對應該產品的加工路徑上的一個路徑點。
進一步地，該CNC加工調機系統10選擇一組點雲作為基準點雲，將該基準點雲擬合成一個幾何圖形，計算其他組點雲中的每個點（即每個路徑點）到該幾何圖形的最小距離、以該最小距離為該路徑點的偏差值，根據每個路徑點的平均偏差值生成該產品的加工路徑點的平均輪廓。
之後，該CNC加工調機系統10根據加工程式23中的路徑點的理論座標生成該產品的加工路徑點的理論輪廓，計算平均輪廓與理論輪廓上的對應路徑點之間的座標差值，將每個路徑點的座標差值回饋給CNC加工設備2。後續CNC加工設備2運行CNC加工程式23進行產品加工時，根據每個路徑點的座標差值對加工路徑進行相應補償，實現高精度加工。
參閱圖1所示，該CNC加工調機系統10包括圖像處理模組11、圖形擬合模組12、偏差計算模組13、輪廓生成模組14及座標補償模組15。模組11-15包括電腦程式化指令，這些電腦程式化指令儲存在儲存器20。處理器30執行這些電腦程式化指令，提供CNC加工調機系統10的上述功能。模組11-15的具體功能請參閱下文關於圖3的介紹。
參閱圖2所示，是本發明CNC加工調機方法較佳實施例的流程圖。
步驟S10，CNC加工設備運行加工程式23加工預設數量的N件（例如N=5）產品，在加工每件產品的過程中，利用CCD 24採集該產品的加工路徑的二維圖像。加工程式23包括加工路徑上的所有路徑點的理論座標。CNC加工設備運行加工程式23驅動加工設備（例如刀具）沿加工路徑上的路徑點對物料22進行加工（例如切削），每到達一個路徑點時，CCD 24拍攝一張包括該路徑點的二維圖像，直到刀具走到最後一個路徑點、完成一件產品的加工。
步驟S20，圖像處理模組11對每件產品的加工路徑的二維圖像進行二值化處理，確定二維圖像中的輪廓點座標。在每件產品的加工過程中，CCD 24拍攝得到的該件產品的加工路徑的二維圖像包括多張，每張可能只包括加工路徑上的部分（一個或多個）路徑點。該多張圖片中的所有輪廓點組成該件產品的加工路徑的一組點雲。每件產品對應一組點雲，每組點雲中的一個點對應加工程式23中的一個路徑點。故該產品加工路徑上的每個路徑點在每組點雲中有一個對應的點。例如，CNC加工設備運行加工程式23生產了5件產品，每件產品對應一組點雲、一共得到5組點雲，則加工程式23中的每個路徑點在該5組點雲中分別有一個對應的點。
灰度值越大，圖元點的顏色越深。當圖元點灰度值大於預設值（例如155）時，該圖元點在圖像中呈黑色。否則，該圖元點在圖像中呈白色。根據圖像中圖元值的變化(白到黑或黑到白)可以確定圖像中的輪廓點。
步驟S30，圖形擬合模組12選擇一組點雲作為基準點雲，將該基準點雲擬合成一個幾何圖形（例如曲線）。例如，圖形擬合模組12選擇CNC加工設備2生產的第一件產品對應的點雲作為基準點雲，擬合得到一條曲線（例如圖3所示的曲線L1）。
在本實施例中，圖形擬合模組12利用最小二乘法迭代擬合曲線，找出曲線相對於基準點雲中所有點的最佳位置：基準點雲中的所有點到曲線的距離的平方和的平均值最小(擬牛頓解非線形方程式)，如下：
步驟S40，偏差計算模組13計算其他N-1組點雲中的每個點到該幾何圖形的最小距離，以該最小距離為對應的路徑點的偏差值。例如，假設加工路徑上的路徑點A對應第2組點雲中的點A1、第3組點雲中的點B1、第4組點雲中的點C1及第5組點雲中的點D1，則偏差計算模組13分別計算點A1、B1、C1、D1到該幾何圖形的最小距離d1、d2、d3、d4。最小距離d1、d2、d3、d4均為路徑點A的偏差值。
步驟S50，輪廓生成模組14計算每個路徑點的N-1個偏差值的平均值，根據所有路徑點的平均值生成該產品的加工路徑點的平均輪廓。如上文所述，路徑點A有4個偏差值d1、d2、d3、d4，則輪廓生成模組14計算得到路徑點A的平均偏差值=（d1+d2+d3+d4）/4。點雲中的每個點的座標包括X、Y、Z座標值(CNC加工設備2的X、Y、Z會測量每張圖片的X、Y、Z座標值，因而每個點的X、Y、Z座標值可以透過該點所取自的圖片得到)，故每個路徑點的平均偏差值也包括X、Y、Z座標值。輪廓生成模組14根據每個路徑點的平均偏差值的X、Y、Z座標值可以確定一個點，根據所有路徑點的平均偏差值的X、Y、Z座標值確定的所有點生成該產品的加工路徑點的平均輪廓（例如圖3所示的曲線La）。該平均輪廓代表CNC加工設備2加工誤差的平均狀況。
步驟S60，輪廓生成模組14根據加工程式中的路徑點的理論座標生成該產品的加工路徑的理論輪廓。如前所述，加工程式23包括加工路徑上的所有路徑點的理論座標，根據所有路徑點的理論座標可以生成該產品的加工路徑的理論輪廓。之後，輪廓生成模組14將該產品的加工路徑的理論輪廓與平均輪廓進行對齊。
步驟S70，座標補償模組15計算該產品的加工路徑的平均輪廓與理論輪廓上的對應路徑點之間的座標差值，將每個路徑點的座標差值回饋給CNC加工設備2。如圖4所示，圖形R1代表該產品的加工路徑的理論輪廓，圖形Ra代表該產品的加工路徑的平均輪廓。理論輪廓R1上的路徑點P1、P2、P3分別對應平均輪廓上的點P1’、P2’、P3’，則點P1、P2、P3分別計算P1與P1’、P2與P2’、P3與P3’ 的X、Y、Z座標值之差，並回饋給CNC加工設備2。後續CNC加工設備2運行CNC加工程式23進行產品加工時，根據每個路徑點的座標差值對加工路徑進行相應補償，實現高精度加工。
最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
1‧‧‧計算裝置
10‧‧‧CNC加工調機系統
11‧‧‧圖像處理模組
12‧‧‧圖形擬合模組
13‧‧‧偏差計算模組
14‧‧‧輪廓生成模組
15‧‧‧座標補償模組
20‧‧‧儲存器
30‧‧‧處理器
40‧‧‧顯示設備
2CNC‧‧‧加工設備
21‧‧‧夾持治具
22‧‧‧物料
23‧‧‧加工程式
24‧‧‧CCD
無
1‧‧‧計算裝置
10‧‧‧CNC加工調機系統
11‧‧‧圖像處理模組
12‧‧‧圖形擬合模組
13‧‧‧偏差計算模組
14‧‧‧輪廓生成模組
15‧‧‧座標補償模組
20‧‧‧儲存器
30‧‧‧處理器
40‧‧‧顯示設備
2‧‧‧CNC加工設備
21‧‧‧夾持治具
22‧‧‧物料
23‧‧‧加工程式
24‧‧‧CCD

Claims (8)

  1. 一種CNC加工調機方法，應用於連接CNC加工設備的計算裝置，該方法包括：
    圖像處理步驟：對CNC加工設備運行加工程式生產的預設數量N件產品中的每件產品的加工路徑的二維圖像進行二值化處理，確定二維圖像中的輪廓點座標，每件產品的加工路徑的二維圖像中的所有輪廓點組成該件產品的加工路徑的一組點雲，每組點雲中的一個點對應該加工程式中的一個路徑點；
    圖形擬合步驟：選擇一組點雲作為基準點雲，將該基準點雲擬合成一個幾何圖形；
    偏差計算步驟：計算其他N-1組點雲中的每個點到該幾何圖形的最小距離，以該最小距離為對應的路徑點的偏差值；
    輪廓生成步驟：計算每個路徑點的N-1個偏差值的平均值，根據所有路徑點的偏差值的平均值生成該產品的加工路徑點的平均輪廓；及
    座標補償步驟：計算該產品的加工路徑的平均輪廓與該產品的加工路徑的理論輪廓上的對應路徑點之間的座標差值，將每個路徑點的座標差值回饋給CNC加工設備。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的CNC加工調機方法，其中，所述每件產品的加工路徑的二維圖像利用安裝在CNC加工設備主軸上的CCD拍攝得到的。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的CNC加工調機方法，其中，所述CCD在CNC加工設備運行加工程式驅動加工設備沿加工路徑上的路徑點對物料進行加工、每到達一個路徑點時，拍攝一張包括該路徑點的二維圖像。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的CNC加工調機方法，其中，該產品的加工路徑的理論輪廓是根據該加工程式中的路徑點的理論座標生成的。
  5. 一種CNC加工調機系統，應用於連接CNC加工設備的計算裝置，該系統包括：
    圖像處理模組，用於對CNC加工設備運行加工程式生產的預設數量N件產品中的每件產品的加工路徑的二維圖像進行二值化處理，確定二維圖像中的輪廓點座標，每件產品的加工路徑的二維圖像中的所有輪廓點組成該件產品的加工路徑的一組點雲，每組點雲中的一個點對應該加工程式中的一個路徑點；
    圖形擬合模組，用於選擇一組點雲作為基準點雲，將該基準點雲擬合成一個幾何圖形；
    偏差計算模組，用於計算其他N-1組點雲中的每個點到該幾何圖形的最小距離，以該最小距離為對應的路徑點的偏差值；
    輪廓生成模組，用於計算每個路徑點的N-1個偏差值的平均值，根據所有路徑點的偏差值的平均值生成該產品的加工路徑點的平均輪廓；及
    座標補償模組，用於計算該產品的加工路徑的平均輪廓與該產品的加工路徑的理論輪廓上的對應路徑點之間的座標差值，將每個路徑點的座標差值回饋給CNC加工設備。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的CNC加工調機系統，其中，所述每件產品的加工路徑的二維圖像利用安裝在CNC加工設備主軸上的CCD拍攝得到的。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的CNC加工調機系統，其中，所述 CCD在CNC加工設備運行加工程式驅動加工設備沿加工路徑上的路徑點對物料進行加工、每到達一個路徑點時，拍攝一張包括該路徑點的二維圖像。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的CNC加工調機系統，其中，該產品的加工路徑的理論輪廓是根據該加工程式中的路徑點的理論座標生成的。
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