TWI605904B - 估算安裝於工具機之旋轉心軸上的刀具之旋轉速率的方法 - Google Patents

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Description

估算安裝於工具機之旋轉心軸上的刀具之旋轉速率的方法
本發明關於估算安裝於工具機之旋轉心軸上的刀具之旋轉速率的方法。
尤其，本發明可以有利的但非排外的應用於自動測量刀具的過程，其係藉由投影的視覺系統來執行，而以下說明書將明確參考之卻不失一般性。
如一般所知，數值控制工具機包括具有心軸的機械結構以承載刀具來車削物體並使刀具旋轉，以及包括電子控制單元以精確控制心軸沿著三或更多個移動軸的位移和刀具旋轉速率。
工具機的刀具必須加以測量，也當繞著其軸快速旋轉時，以判斷一旦它安裝於心軸上之後的有效尺度，或者判斷其幾個工作小時後的磨耗。為此目的，工具機乃裝配了自動測量系統，其能夠在刀具繞著其自己的軸旋 轉的同時來測量刀具的幾何特徵(包括其尺度)。
自動測量系統是已知的，其包括投影視覺系統，該系統包括未聚焦光源和置於光源前面而在特定距離的二維影像感測器(舉例來說是CCD感測器)。當使用時，要測量的刀具必須在它繞著其自己的軸旋轉的同時而置於光源和影像感測器之間，並且在影像感測器的視野裡，而放置的方式使得影像感測器可以獲取刀具陰影的影像。刀具的幾何特徵乃基於視覺系統所獲取的影像而測量。
為了進行想要的測量，視覺系統必須獲取正繞著旋轉軸線旋轉之刀具在不同角度位置的影像，該位置是彼此隔開特定的角度步距。要測量之刀具的旋轉期間經常遠短於影像感測器的訊框獲取期間。因此，為了得到具有想要的角度步距之旋轉刀具影像，視覺系統根據獲取期間來獲取影像，如此則刀具在二接續的獲取之間進行了特定整數個完全迴轉加上部分的迴轉而等於想要的角度步距。
為了真正得到在想要之角度位置的影像，刀具的旋轉速率必須是高精確的已知。事實上，有可能示範公稱或已知速率和真實速率之間即使有萬分之一的差異便可以導致獲取大的誤差，亦即得到影像的角度位置乃遠離於想要的角度位置。
迄今，基本上已知二種方法來解決真實速率值與公稱速率值之間的可能偏差。第一已知方法在於進行多次獲取，這相較於最小數目的獲取來說是大大的冗贅。 這第一方法通常是不可行的，因為相較於執行測量週期所允許的需要太多執行時間。第二已知方法在於使用速率或位置感測器，其舉例來說安排在心軸上，而以此方式可以得到總是更新和可靠的速率即時資料。這第二方法於許多情況下並不受到歡迎，因為它被視為太侵入性。
本發明的目的是提供精確判斷安裝於工具機之旋轉心軸上的刀具之旋轉速率的方法，此種方法係無前述的不便，而可同時、容易和便宜的實施。
根據本發明，根據所附申請專利範圍所請求的，提供的是估算安裝於工具機之旋轉心軸上的刀具之旋轉速率的方法、獲取安裝於工具機之旋轉心軸上的刀具之影像的方法以及工具機。
1‧‧‧(數值控制)工具機
2‧‧‧心軸
2a‧‧‧(旋轉)軸線
3‧‧‧刀具
4‧‧‧第一電子控制單元
5‧‧‧輸入
6‧‧‧通訊介面
7‧‧‧視覺系統
7a‧‧‧支撐框架
8‧‧‧光源
9‧‧‧影像感測器
10‧‧‧第二電子控制單元
11‧‧‧輸出
12‧‧‧通訊埠
13‧‧‧縱向平面
β‧‧‧角度步距
VC‧‧‧預先選擇的速率值
VCc‧‧‧特定預先選擇的速率值
VE‧‧‧真實(旋轉)速率值
VN、VNj‧‧‧公稱速率值
VS、VSj‧‧‧估算速率值
VS1‧‧‧第一估算速率值
VS2‧‧‧第二估算速率值
ICN‧‧‧第一間隔
ICS‧‧‧第二間隔
TA‧‧‧影像獲取期間
TR‧‧‧旋轉期間
A、B‧‧‧矩陣
C‧‧‧差異矩陣
N‧‧‧常模
TM‧‧‧時間節奏
本發明現在參考所附圖式來描述，該圖式係以非限制性的範例而提出，其中：圖1顯示包括視覺系統的數值控制工具機，其實施估算安裝於工具機之心軸上的刀具之旋轉速率的方法，該方法係由本發明所提供；以及圖2是圖1刀具之極為示意的放大截面圖，其顯示根據時間節奏而想要獲取刀具影像的角度位置範例，該時間 節奏乃計算為藉由本發明方法所估算之旋轉速率的函數。
如圖1所示，數值控制(numerical control，NC)工具機1包括上面安裝了刀具3的心軸2以及體現工具機1的數值控制之第一電子控制單元4。第一電子控制單元4能夠控制心軸2的旋轉速率，以及能夠經由專屬的致動器(其本身是已知的，因此並未示範)而控制心軸2沿著至少一位移軸(典型沿著三個直角座標軸X、Y、Z)的移動。
心軸2沿著位移軸的開始和停止移動經常是由第一控制單元4所控制。然而，心軸2沿著位移軸的停止移動也可以根據替代性程序而由外部單元透過第一控制單元4的特定輸入5(一般稱為「跳過輸入」(skip input))來控制。第一控制單元4也設定成記錄心軸2沿著位移軸的位置，舉例來說記錄成在輸入5之訊號的函數。第一控制單元4進一步包括通訊介面6，舉例來說是乙太網路埠。
工具機1乃配置了視覺系統7，其適於在工具機1保持心軸2繞著其自己的旋轉軸線2a旋轉的同時來測量刀具3的幾何特徵(例如尺度)。更特定而言，視覺系統7包括光源8和影像感測器9，後者係置於光源8前面而在特定的距離。當刀具3藉由心軸2沿著位移軸移動而置於光源8和影像感測器9之間時，影像感測器9乃適於獲取刀具3的影像，更特定而言是刀具3的陰影之影像。 光源8和影像感測器9則安裝於分享的支撐框架7a上。光源8產生未聚焦的光束，並且影像感測器9舉例來說包括CCD數位感測器。
影像感測器9的視野定義了用於刀具3的測量區域。事實上，刀具3的測量是將旋轉刀具3置於影像感測器9的視野中、獲取視野的影像、以及舉例而言從獲取的影像來計算刀具3的尺度。
根據本發明，視覺系統7包括第二電子控制單元10，其連接到第一控制單元4以發送控制到第一控制單元4和與之交換資料。更特定而言，第二控制單元10包括可連接到第一控制單元4之輸入5的輸出11和可連接到第一控制單元4之通訊介面6的通訊埠12。於圖1，雖然第二控制單元10乃顯示成實體整合於支撐框架7a裡，但是替代而言，它可以與支撐框架7a實體區分開來。
第一和第二控制單元4和10乃加以程式化以便實施估算安裝於旋轉心軸上的刀具之旋轉速率的方法，該方法是由本發明所提供並且描述如下。
定義出旋轉速率之預先選擇的值之間隔或預先選擇的速率值VC，其係實質集中在心軸2之旋轉速率的公稱值上或公稱速率值VN上。對於每個預先選擇的速率值VC，判斷個別影像獲取期間TA，致使它等於心軸2之一旋轉期間TR的倍數而計算用於該預先選擇的速率值VC，並且它相容於視覺系統7，亦即相容於影像感測器9 的最大影像率(或「訊框率」(frame rate))。公稱速率值VN是可於第一控制單元4中選擇的速率。為了簡單起見，集中在公稱速率值VN上之預先選擇的速率值VC之間隔有時於下文簡稱為數值的第一間隔ICN。假設為每分鐘10000轉的公稱值，則第一間隔ICN舉例來說包括在每分鐘9900轉和每分鐘10100轉之間以每分鐘1轉為步距的所有速率值。
在第一控制單元4的控制下，心軸2在公稱速率值VN下旋轉並且定位於視覺系統7的視野中。於此種旋轉期間，藉由視覺系統7，得到刀具3之影像的代表對，而在每個代表對裡，該影像在時間上彼此隔開了影像獲取期間TA，其對應於某一預先選擇的速率值VC。從所有預先選擇的速率值VC選擇基於相似度規則而彼此最相似之影像的代表對所對應之預先選擇的速率值，而把要相關於公稱速率值VN的估算速率值VS判斷成為該預先選擇的速率值。也就是說，對於影像的每個代表對，計算相似度指標的個別值，其陳述了二影像之間的相似度，並且估算的速率值VS是由該預先選擇的速率值所代表，而基於相似度規則所彼此最相似之影像的代表對則對應於該預先選擇的速率值。
相似度規則舉例來說包括以下處理。對於影像之每個代表對的每個影像，定義實數的個別矩陣A、B，每個實數係代表影像之個別像素的亮度。對於影像的每個代表對，得到差異矩陣C來做為二矩陣A和B相對於 影像之代表對的二影像之逐個元素的差異，並且計算出差異矩陣C之常模N的值。估算的速率值VS是由該預先選擇的速率值所代表，其係從所有預先選擇的速率值VC中選擇，而對應於給出常模N的最小值之影像的代表對。相似度指標則由常模N所代表。
影像獲取期間TA的計算、差異矩陣C的計算、常模N的計算以及估算速率值VS的估算舉例來說是由第二控制單元10所執行。
根據本發明的進一步特徵，第一和第二控制單元4和10乃設定成實施獲取安裝於旋轉心軸上的刀具之影像的方法，該方法係基於估算刀具之旋轉速率的方法，其方式如下所述。
心軸2在公稱速率值VN下旋轉，並且判斷心軸2的真實旋轉速率值VE。刀具3的影像係經由視覺系統7在時間節奏TM下獲取，該時間節奏乃計算為真實速率值VE的函數，致使刀具3在二個接續獲取之間進行整數個完全迴轉加上部分的迴轉而等於想要的角度步距β。如此，則獲取的影像顯示刀具3在正繞著軸線2a旋轉時而於不同的角度位置，該位置彼此隔開了角度步距β。以此種方式獲取的影像舉例來說然後可以用於測量刀具3的幾何特徵。
舉例而言，圖2是垂直於刀具3的軸線2a之極為示意的截面圖，而參考數字13指出一些平面，其屬於軸線2a所定義的一束平面，而彼此在角度上隔開了角 度步距β(根據圖2是45°，此要視為非限制性的範例)。因此，獲取的影像必定顯示刀具3是在縱向平面13所定義的角度位置。也就是說，縱向平面13定義了用於獲取刀具3之影像的訊框平面。
根據本發明，獲取刀具3之影像的方法包括校正階段，亦即校正旋轉速率值的初步階段，以便藉由前述估算旋轉速率的方法來提供第一估算速率值VS1，其係相關於公稱速率值VN。真實速率值VE乃判斷成第一估算速率值VS1的函數。
舉例來說，真實速率值VE與第一估算速率值VS1一致，或者根據本發明的較佳實施例，與第二估算速率值VS2一致，該第二估算速率值的獲得是將估算旋轉速率的方法應用到預先選擇的速率值VC之第二間隔，其係實質集中在第一估算速率值VS1上，下文則稱為數值的第二間隔ICS，而非數值的第一間隔ICN。換言之，應用前述估算方法，其被修改的方式致使公稱速率值VN乃取代為第一估算速率值VS1，並且數值的第一間隔ICN乃取代為數值的第二間隔ICS。
典型而言，數值的第二間隔ICS係窄於數值的第一間隔ICN，並且有利而言，第一間隔ICS之預先選擇的速率值VC彼此隔開的量可以少於第二間隔ICN之預先選擇的速率值VC彼此隔開的量。根據實施例的範例，雖然前述第一間隔ICN包括約200個預先選擇的速率值VC而以每分鐘1轉彼此隔開，不過第二間隔ICS具有約 40個預先選擇的速率值而以每分鐘0.5轉彼此隔開。
校正旋轉速率值的階段能夠大大修正第一控制單元4指定給心軸2的公稱速率值VN與刀具3所真正旋轉的速率之間的誤差。於本發明的較佳實施例，判斷真實速率值VE的階段是在獲取不同角度位置的刀具影像之階段開始時進行，其將估算旋轉速率的方法應用到數值的第二間隔ICS，而能夠修正在短時間之可能的速率變化。
有利而言，根據本發明某一個可能的選項，可以得到第二估算速率值VS2而不用分析第二間隔ICS之所有預先選擇的速率值VC，以便減少計算時間。更特定而言，包括了判斷影像獲取期間TA、得到影像的個別代表對、處理相似度規則的程序，乃進行於多群之至少三個預先選擇的速率值VC，其彼此相鄰並且包括二個末端值。當發現了包括特定預先選擇的速率值VCc之特定群時該程序便停止，VCc亦即異於該群的二末端值而為群裡彼此最相似之影像的代表對所對應之預先選擇的速率值VC。特定預先選擇的速率值VCc可以是該群的中央值，並且於任何情況下不是該群的最低和最高之預先選擇的速率值VC，其定義了想要的第二估算速率值VS2。更特定而言，當發現一群三個速率值VC時，每次對成群的三個速率值VC所進行之第二間隔ICS的分析便停止，致使此種三個值的中央值之特徵是常模N的最小值。
舉例來說，假設第二間隔ICS包括2n+1個速率值，第二間隔ICS的速率值乃配置了假定是自然數陣列 之所有值的指標：[-n，...，-2，-1，0，1，2，...，n]其中指標i=0識別出等於第一估算速率值VS1的中央速率值，並且該分析開始自中央值(i=0)，則第一群之預先選擇的速率值是由指標[-1，0，1]所識別。常模N乃計算於指標i=[-1，0，1]所識別之影像的三個代表對：如果關於指標i=0之常模N的值低於其他二指標(對應於該群的末端值)之常模N的值，則指標i=0之常模N的值是最小的，並且中央速率值是想要的第二估算速率值VS2。否則繼續分析指標i=[-2，-1，0]所識別的第二群之預先選擇的速率值。如果對於第二群之預先選擇的速率值來說，常模N的最小值並不對應於中央值(指標i=-1)，則繼續分析指標i=[0，1，2]所識別的第三群之預先選擇的速率值，如此繼續下去，而於最糟情況，便要分析第二間隔ICS的所有值。
有利而言，校正旋轉速率值的階段乃進行於多個公稱速率值VNj以便得到對應的多個估算速率值VSj。藉由將每個公稱速率值VNj相關於上述估算方法所得到的對應估算速率值VSj，則填出多對之公稱和估算速率值VNj、VSj的一張表，該表可以記錄於第二控制單元10的內部資料儲存器。此種表乃用於在判斷真實速率值VE的階段期間使用公稱速率值VN做為輸入而得到第一估算速 率值VS1。
對於到目前為止藉由簡單、非限制性範例所描述和示範的可能會有所變化，舉例來說，關於得到刀具3之影像的代表對之操作。為了反制由於可能顯示無或極小百分比的刀具3之影像所導致的可能問題，於心軸2的旋轉期間，藉由視覺系統7來獲取多組刀具3之影像的試驗對，更特定而言是對應於某一預先選擇的速率值VC之每個影像獲取期間TA有一組試驗對。在每組裡，不同的試驗對乃時間上彼此隔開了部分的相關影像獲取期間TA，並且每個試驗對的影像乃時間上彼此隔開了該影像獲取期間TA。然後可靠度指標可以指定給每個試驗對，其舉例來說是取決於真正可見於影像之相關試驗對的刀具3之百分比的指標。根據本發明這不同的實施例，刀具3之影像的每個代表對乃得自一組的試驗對，舉例來說方式如下：基於該可靠度指標來選擇某一試驗對，或者定義所謂的累積影像之代表對，其中每個累積影像可以計算為一組試驗對之影像的函數(舉例來說為加權平均)，而每個試驗對出一影像，較佳而言還考慮到相關的可靠度指標。
根據本發明之估算安裝於旋轉心軸上的刀具之旋轉速率的方法之主要優點是透過相當快速過程並且不須要修改工具機或添加補充裝置，就得到具有極低誤差率的速率值。此種優點是特別有用於獲取安裝於旋轉心軸上的刀具之影像的方法，於此期間獲取了在不同角度位置而彼此隔開了特定角度步距的刀具影像以便測量刀具的幾何 特徵。
1‧‧‧工具機
2‧‧‧心軸
2a‧‧‧旋轉軸線
3‧‧‧刀具
4‧‧‧第一電子控制單元
5‧‧‧輸入
6‧‧‧通訊介面
7‧‧‧視覺系統
7a‧‧‧支撐框架
8‧‧‧光源
9‧‧‧影像感測器
10‧‧‧第二電子控制單元
11‧‧‧輸出
12‧‧‧通訊埠

Claims (13)

  1. 一種估算安裝於工具機之旋轉心軸上的刀具之旋轉速率的方法，其使用視覺系統(7)來獲取該刀具(3)在旋轉時的影像；該方法的特徵在於它包括以下步驟：定義實質集中在該心軸(2)之旋轉速率的公稱速率值(VN)上的旋轉速率之預先選擇的速率值(VC)之第一間隔(ICN)；對於該預先選擇的速率值(VC)之每一者，判斷個別影像獲取期間(TA)，致使它等於該心軸(2)之一旋轉期間(TR)的倍數，而計算用於該預先選擇的速率值(VC)並且相容於該視覺系統(7)；以該公稱速率值(VN)來旋轉該心軸(2)，並且將該刀具(3)定位於該視覺系統(7)的視野中；藉由該視覺系統(7)，得到該刀具(3)之影像的代表對，而在每個代表對裡，該影像在時間上彼此隔開了該影像獲取期間(TA)而對應於該預先選擇的速率值(VC)當中一者；以及從所有該預先選擇的速率值(VC)選擇基於相似度規則而彼此最相似的該影像代表對所對應之預先選擇的速率值，而把要相關於該公稱速率值(VN)之估算的速率值(VS)判斷成該預先選擇的速率值。
  2. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中該相似度規則包括以下處理步驟：對於每個影像代表對的每個影像，定義實數的個別矩 陣(A、B)，而該實數的每一者係代表該影像之個別像素的亮度；對於影像的每個代表對，得到做為該二矩陣(A、B)相對於該影像代表對的該二影像之差異的差異矩陣(C)；計算該差異矩陣(C)之常模(N)的個別值；以及選擇該常模(N)的最小值所對應之預先選擇的速率值(VC)而做為估算的速率值(VS)。
  3. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中藉由該視覺系統(7)而得到該刀具(3)的影像之代表對的步驟包括：藉由該視覺系統(7)而獲取該刀具(3)之影像的多組試驗對，而於該組中的每一組：‧該試驗對之每一者的該影像在時間上彼此隔開了該影像獲取期間(TA)而對應於該相關預先選擇的速率值(VC)當中一者，並且‧該試驗對在時間上彼此隔開了部分的該相同影像獲取期間(TA)；以及從該組的試驗對當中一者得到該刀具(3)之該影像代表對的每一者。
  4. 根據申請專利範圍第3項的方法，其中將可靠度指標指定給每個試驗對，而該可靠度指標取決於該刀具(3)於該試驗對的每個影像中之真正可見的百分比。
  5. 根據申請專利範圍第4項的方法，其中該刀具(3)之該影像代表對的每一者是基於該可靠度指標而從一組該試驗對選出一者而得到。
  6. 根據申請專利範圍第3項的方法，其中該刀具(3)之該影像代表對的每一者是藉由定義累積影像的代表對而得到，該累積影像係計算為一組該試驗對之該影像的函數，而該累積影像的每一者有每個試驗對當中的一影像。
  7. 一種獲取安裝於工具機之旋轉心軸上的刀具之影像的方法；該方法包括以下步驟：以公稱速率值(VN)來旋轉該心軸(2)；判斷該心軸(2)之旋轉速率的真實速率值(VE)；以及藉由視覺系統(7)，獲取該刀具(3)在時間節奏(TM)的影像，該時間節奏(TM)乃計算為該真實速率值(VE)的函數，致使該刀具(3)在二個接續獲取之間進行一或更多個完全迴轉加上部分迴轉而等於想要的角度步距(β)，其進行方式使得該獲取的影像顯示該刀具(3)在不同的角度位置，該位置係彼此隔開了該角度步距(β)；該方法的特徵在於它包括校正階段，其中以根據申請專利範圍第1到6項中任一項的方法而得到要相關於該公稱速率值(VN)的第一估算速率值(VS1)，並且特徵在於將該真實速率值(VE)判斷成該第一估算速率值(VS1)的函數。
  8. 根據申請專利範圍第7項的方法，其中該真實速率值(VE)與該第一估算速率值(VS1)一致。
  9. 根據申請專利範圍第7項的方法，其中該真實速率值(VE)與第二估算速率值(VS2)一致，該第二估算速率值(VS2)是以修改過之申請專利範圍第1項的方法所得到 ，其修改的方式致使該公稱速率值(VN)乃取代為該第一估算速率值(VS1)，並且預先選擇的速率值之該第一間隔(ICN)乃取代為預先選擇的速率值之第二間隔(ICS)而實質集中在該第一估算速率值(VS1)上。
  10. 根據申請專利範圍第9項的方法，其中預先選擇的速率值之該第二間隔(ICS)係窄於預先選擇的速率值之該第一間隔(ICN)。
  11. 根據申請專利範圍第9項的方法，其中該第二估算速率值(VS2)是以修改過之申請專利範圍第1項的方法所得到，其修改的方式致使包括判斷該影像獲取期間(TA)、獲取該影像代表對、處理該相似度規則的程序是：進行於多群之至少三個預先選擇的速率值(VC)，其彼此相鄰並且包括二末端值，以及當該群中的特定群被發現包括特定預先選擇的速率值時則停止，該特定預先選擇的速率值乃異於該特定群的該二末端值，而為該特定群裡彼此最相似之影像的代表對所對應，該特定預先選擇的速率值定義該第二估算速率值(VS2)。
  12. 一種工具機，其包括上面安裝了刀具(3)的心軸(2)、適於控制該心軸(2)之旋轉速率的第一電子控制單元(4)、在該刀具(3)正在旋轉時獲取該刀具(3)之影像的視覺系統(7)；該工具機(1)的特徵在於該視覺系統(7)包括連接而與該第一電子控制單元(4)通訊的第二電子控制單元(10) ，以及該第一電子控制單元(4)和第二電子控制單元(10)係建構成實施根據申請專利範圍第1到6項中任一項的估算刀具之旋轉速率的方法。
  13. 根據申請專利範圍第12項的工具機，其中該第一電子控制單元(4)和第二電子控制單元(10)係建構成實施根據申請專利範圍第7項的獲取刀具之影像的方法。
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