TWI762182B - 自動加工方法及自動加工系統 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種自動加工方法及自動加工系統，自動加工方法包含下列步驟：將工件移動至加工台上，通過第一相機拍攝第一影像，對第一影像進行粗定位程序，產生工件的定位位置及掃描路徑。通過第二相機沿著掃描路徑拍攝工件以取得第二影像，執行建模程序以建立工件的三維模型。執行加工路徑規劃程序，比對三維模型與工件的原始模型，依據比對差異產生工件的加工路徑，藉由加工裝置沿著加工路徑對工件進行加工。

Description

自動加工方法及自動加工系統

本發明是關於一種自動加工方法及自動加工系統，特別是關於一種利用三維影像模型的建立及比對，自動產生工件的加工路徑，使加工裝置能對工件進行自動加工的方法及系統。

在大型工件加工的工具機或機台上，為了設定工件加工的程序，需要有經驗的工程師沿著加工步驟一步步設定機台加工參數，在加工前的準備作業往往需要與實際加工相同的時間，再加上後續修整及細部加工程序，整個工時無法縮減，也無法提升實際產出的產品的產能。此外，若是公司缺乏有設定經驗的員工，設定時間將大幅增加，或者在無人可進行設定程序時，加工製程將可能完全停擺，造成產能上的嚴重缺口。

另一方面，大型工件的尺寸變異量大，相對的在加工步驟的變化量也較大，一般加工機台的自動調整或修正程式，在尺寸差異量超過機台容忍範圍的情況下，原本工具機台的設定程式將無法自動修正，勢必得通過上述人工設定的方式來規劃加工程序。不論在操作程序或者加工路徑的規劃，均具有無法改善的問題。

有鑑於此，如何建立一種無須人工進行加工程序設定，使其能自動規劃加工程序，將是相關工具機產業所希望達成之目標。因此，本發明之發明人思索並設計一種自動加工方法及自動加工系統，針對現有技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用。

有鑑於上述習知技術之問題，本發明之目的就是在提供一種自動加工方法及自動加工系統，以解決習知之工件加工時無法自動設定加工路徑之問題。

根據本發明之一目的，提出一種自動加工方法，其包含下列步驟：藉由工件移動裝置將工件移動至加工台上；通過第一相機拍攝工件及加工台以取得第一影像，將第一影像儲存於儲存裝置；通過處理器存取儲存裝置，對第一影像進行粗定位程序，產生工件的定位位置及掃描路徑；通過第二相機沿著掃描路徑拍攝工件以取得第二影像，將第二影像儲存於儲存裝置；通過處理器執行建模程序，存取第二影像以建立工件的三維模型；通過處理器執行加工路徑規劃程序，比對三維模型與工件的原始模型，依據比對差異產生工件的加工路徑；以及藉由加工裝置沿著加工路徑對工件進行加工。

較佳地，原始模型可包含立體圖像資料及工件的預設加工位置，預設加工位置包含規格要求及加工方式。

較佳地，比對差異可包含三維模型相對於原始模型的工件形變量、孔位偏移量、工件角度變化量、工件方向變化量、工件旋轉變化量或上述 改變量的組合，加工路徑規劃程序依據比對差異修正加工位置及加工方式，產生加工路徑。

較佳地，第二相機及加工裝置可設置於機械手臂上，機械手臂沿著加工台主軸方向的軌道裝置移動。

較佳地，機械手臂可通過感測裝置監控加工裝置的回饋資料，處理器通過回饋資料對機械手臂進行力量補正。

較佳地，加工裝置可包含切削裝置、鑽孔裝置、研磨裝置或上述裝置的組合，設置於機械手臂上。

較佳地，第二相機的解析度可高於第一相機的解析度。

根據本發明之另一目的，提出一種自動加工系統，其包含加工台、工件移動裝置、第一相機、第二相機、儲存裝置、處理器以及加工裝置。其中，工件移動裝置設置鄰近於加工台，將工件移動至加工台上。第一相機拍攝工件及加工台以取得第一影像，第二相機沿著掃描路徑拍攝工件以取得第二影像。儲存裝置連接第一相機及第二相機，儲存第一影像、第二影像及工件的原始模型。處理器連接儲存裝置，存取儲存裝置以執行以下程序：對第一影像執行粗定位程序，產生工件的定位位置及掃描路徑；對第二影像執行建模程序，建立工件的三維模型；以及執行加工路徑規劃程序，比對三維模型與原始模型，依據比對差異產生工件的一加工路徑。加工裝置沿著加工路徑對工件進行加工。

較佳地，原始模型可包含立體圖像資料及工件的預設加工位置，預設加工位置包含規格要求及加工方式。

較佳地，比對差異可包含三維模型相對於原始模型的工件形變量、孔位偏移量、工件角度變化量、工件方向變化量、工件旋轉變化量或上述 改變量的組合，加工路徑規劃程序依據比對差異修正加工位置及加工方式，產生加工路徑。

較佳地，自動加工系統可進一步包含機械手臂，沿著加工台主軸方向的軌道裝置移動，第二相機及加工裝置設置於機械手臂上。

較佳地，機械手臂可通過感測裝置監控加工裝置的回饋資料，處理器通過回饋資料對機械手臂進行力量補正。

較佳地，加工裝置可包含切削裝置、鑽孔裝置、研磨裝置或上述裝置的組合，設置於機械手臂上。

較佳地，第二相機的解析度可高於第一相機的解析度。

承上所述，依本發明之自動加工方法及自動加工系統，其可具有一或多個下述優點：

(1)此自動加工方法及自動加工系統能建立工件的立體模型，並通過與原始模型的比對差異，自動建立工件加工的加工路徑，無須進行人工設定，有效提升工件加工的生產效率。

(2)此自動加工方法及自動加工系統能夠通過定位程序判斷工件位置並產生掃描路徑，避免加工裝置或相機與工件發生碰撞，影響加工程序而產生製造成本上的浪費。

(3)此自動加工方法及自動加工系統能適用於不同加工程序，通過加工路徑的規劃，進行多種加工類型的規劃，或者不同加工類型上的切換，增加製程上的選擇及多樣性。

11,21:加工台

12,22:工件移動裝置

13,23:第一相機

14,24:第二相機

15:儲存裝置

16:處理器

17:加工裝置

22A:天車

22B:軌道

31,33:機械手臂

32:控制裝置

50:工件

51:第一影像

52:第二影像

53:原始模型

54:三維模型

55:加工路徑

100,200:自動加工系統

S1~S7:步驟

為使本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效更為顯而易見，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下：第1圖係為本發明實施例之自動加工方法之流程圖。

第2圖係為本發明實施例之自動加工系統之方塊圖。

第3圖係為本發明實施例之自動加工系統之示意圖。

為利貴審查委員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

除非另有定義，本文所使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發明所屬技術領域的通常知識者通常理解的含義。將進一步理解的是，諸如在通常使用的字典中定義的那些術語應當被解釋為具有與它們在相關技術和本發明的上下文中的含義一致的含義，並且將不被解釋為理想化的或過度正式的意義，除非本文中明確地如此定義。

請參閱第1圖，其係為本發明實施例之自動加工方法之流程圖。如圖所示，自動加工方法包含以下步驟(S1~S7)：

步驟S1：藉由工件移動裝置將工件移動至加工台上。首先，對於各種大型工具機，例如龍門型加工機或者電腦數值控制(Computer Numerical Control,CNC)工具機，不論是車床、銑床、磨床、鑽床等類型，大型工具機具 有相同的特點在於工件的體積及重量較大，相較於精密加工的工件可由人工搬動，大型工具機需要工件移動裝置來移動欲加工的工件。例如使用天車、吊車或機械手臂等，將工件移動到加工機具的加工台上，以進行後續的加工動作。

步驟S2：通過第一相機拍攝工件及加工台以取得第一影像，將第一影像儲存於儲存裝置。如同前一步驟所述，由於大型加工機的工件體積及重量均較大，難以通過簡單的固定或定位方式來確保工件位於相同位置，因此在每個工件置於加工台上時，須經由第一相機拍攝工件及加工台以取得工件與加工台相對位置的第一影像。這裡所述的第一相機可為一般精度的3D立體攝影機或三維影像擷取裝置，其可設置在加工台外側的固定位置，擷取工件與加工台的一或多個立體影像。這些立體影像可儲存於控制裝置的儲存裝置當中，例如控制器的記憶體、電腦硬碟當中。

步驟S3：通過處理器存取儲存裝置，對第一影像進行粗定位程序，產生工件的定位位置及掃描路徑。控制裝置除了儲存裝置外還包含執行運算的處理單元，例如中央處理器、微處理器等，這些處理器可存取儲存裝置中的資料，執行相關的運算指令來達到各個步驟中的運算。針對工件的第一影像，處理器可執行粗定位程序來進行工件的初步定位，讓後續的加工程序能依據定位位置執行加工動作。粗定位程序可通過分析第一影像中工件外型的特徵與加工台位置的相對關係，界定工件置於加工台的定位位置，外型的特徵包含工件本身造型的特徵，如邊界、孔洞等，在其他實施例中也可在工件的預設位置進行標示，以標示作為定位的基準點。

在本實施例中，由於大型工件大多是通過鑄模或初步處理後產生，每個工件的尺寸與規格都會有明顯的差異量，必須通過粗定位程序來確認 工件位置，避免加工裝置與工件在加工程序中發生碰撞的問題。依據工件的定位位置，處理器可進一步調整第二相機的掃描路徑，由於第二相機屬於高精度的相機，且可與加工裝置同樣安裝於機械手臂上，通過粗定位程序，可避免第二相機在進行掃描建模時，與工件發生碰撞而影響掃描結果。

步驟S4：通過第二相機沿著掃描路徑拍攝工件以取得第二影像，將第二影像儲存於儲存裝置。當完成掃描路徑的規劃或修正後，第二相機可沿著掃描路徑拍攝工件，相較於第一相機是為了取得工件與加工台相對位置關係，第二相機是為了建立工件的三維立體模型，因此，第二相機的經度可高於第一相機，例如選用高解析度的3D立體攝影機或三維影像擷取裝置，對工件進行拍攝來取得工件的第二影像。第二影像可包含多個角度、距離的影像畫面，如前所述，對於大型工件，會依據外型、體積設計拍攝的掃描路徑，通過多個第二影像整合來建立工件的立體模型，對於需要加工的部位，可以較近距離的放大影像，進一步詳細建立工件加工部位的尺寸的狀況，提供後續加工路徑調整的精度，這些第二影像同樣可儲存於控制裝置的儲存裝置當中。

步驟S5：通過處理器執行建模程序，存取第二影像以建立工件的三維模型。控制裝置當中的處理器可存取儲存裝置，執行工件的建模程序，將第二相機拍攝的第二影像結合而形成工件的立體三維模型，三維模型包含工件的各個部位實際在三個軸向上的座標位置，通過三維模型的建立，自動加工系統可以產生每個工件單獨的立體模型，這些立體模型可儲存於儲存裝置當中。

步驟S6：通過處理器執行加工路徑規劃程序，比對三維模型與工件的原始模型，依據比對差異產生工件的加工路徑。在取得工件實際的三維模型後，處理器可存取儲存裝置，執行加工路徑規劃程序，規劃自動加工系統實 際的加工路徑。規劃方式主要是經由比對各個工件的三維模型與系統中儲存的原始模型，通過比對模型間尺寸外型的差異，進而對加工路徑進行調整修正。

這理所述的工件原始模型，是工件加工後欲形成的成品規格，包含成品的立體圖像資料，記載成品在各個位置或部件的尺寸限制，例如長度、寬度、厚度規格及容許的公差。此外，原始模型還包含工件的預設加工位置，由於各個工件可由相同模具製造的方式製成，在基本的外型及需加工的部分有預設的加工需求，例如需去除的接合部或連接部，另外，工件結構上的重要規格，例如孔洞間隔、表面平整度等，也可依工件設計預設的加工位置，進而達到成品所需規格。這些預設加工位置除了標示加工的座標尺寸、規格要求外，還會設定預設的加工方式，例如切銷刀具尺寸、轉速，研磨砂輪型號等，讓加工後的部位能符合成品需求。

至於加工路徑規劃程序，則是將各個工件建立的三維模型與原始模型進行比對，通過比對差異來產生加工路徑。詳細而言，三維模型與原始模型都具有工件的立體座標數據，通過比對可以計算出三維模型相對於原始模型的工件形變量、孔位偏移量、工件角度變化量、工件方向變化量、工件旋轉變化量或上述改變量的組合。在這些比對差異下，可以判斷工件需要進行加工的部位，這些部位可包含預設加工位置及其他加工位置，預設加工位置為原本就需要進行加工的部位，其他加工位置則是在規格上不符要求而需要加工的部位。將這些加工部位及對應的加工方式進行加工排程，規劃最佳的加工路徑。規劃的方式包含考量加工裝置的類型、更換次數、機械手臂的移動限制等，通過電腦規劃最佳加工路徑。

步驟S7：藉由加工裝置沿著加工路徑對工件進行加工。產生加工路徑後，自動加工系統的加工裝置即可沿著加工路徑對工件進行加工，加工裝置依據機台及加工方法有所不同，可包含切削裝置、鑽孔裝置、研磨裝置或上述裝置的組合，也可在上述加工裝置之間進行切換。加工裝置可安裝在機械手臂上，讓機械手臂沿著加工台主軸方向的軌道裝置移動，進而對工件進行加工作業。加工裝置的數量可依加工的需求進行調整，例如在工作台的兩側分別設置移動的軌道，在軌道上設置機械手臂，讓加工裝置能通過兩側的機械手臂對工件進行加工。

在本實施例中，加工裝置可安裝於機械手臂上，而機械手臂上可安裝感測裝置，例如壓力感測器。在實際加工階段，感測裝置可取得加工工件及加工裝置的回饋資料，通過處理器判斷回饋資料是否超出預設標準，例如刀具切削時產生的壓力是否超過預設範圍，當加工時的即時回饋資料超出可接受範圍時，處理器可修正加工步驟，對機械手臂進行力量補正。不論是增加動力來達到切削效果，或者降低動力以避免刀具損壞，都能通過自動調整來避免加工過程中產生問題而無法達到加工標準。

請參閱第2圖，其係為本發明實施例之自動加工系統之方塊圖。其中。如圖所示，自動加工系統100包含加工台11、工件移動裝置12、第一相機13、第二相機14、儲存裝置15、處理器16以及加工裝置17。加工台11可為各種大型工具機的加工區，工件移動裝置12設置鄰近於加工台11，例如設置於加工台11軸向方向移動的天車，藉由夾取或吊掛方式將工件50移動至加工台11上。

加工台11的外圍可設置第一相機13，第一相機13拍攝工件50及加工台11以取得第一影像51，第二相機14可為解析度高於第一相機13的3D立體攝 影機或三維影像擷取裝置，第二相機14與加工裝置17可安裝於機械手臂31上，機械手臂31沿著加工台11主軸方向的軌道裝置移動，因此，第二相機可沿著加工台11主軸方向的掃描路徑拍攝工件50以取得第二影像52。儲存裝置15與處理器16可設置於控制裝置32當中，控制裝置32可為電腦或具備計算功能的控制器，其中包含記憶體、硬碟等儲存裝置15及中央處理器、微處理器等處理器16。控制裝置32連接第一相機13及第二相機14，接收第一相機13拍攝的第一影像51及第二相機14拍攝的第二影像52，儲存於儲存裝置15當中。另外儲存裝置15還存有工件50的原始模型53。原始模型53是工件50加工後形成的成品規格，包含成品的立體圖像資料以及工件50的預設加工位置，預設加工位置為工件在各個位置的規格要求及加工方式。

處理器16連接儲存裝置15，存取儲存裝置15以執行各個自動加工方法的運算指令，進而執行粗定位程序、建模程序以及加工路徑規劃程序。首先，處理器16對第一影像51執行粗定位程序，產生工件50的定位位置及掃描路徑，取得工件50在工作台的各個軸向上的座標位置，並且讓第二相機14可以沿著掃描路徑拍攝第二影像52。接著，處理器16對第二影像52執行建模程序，建立工件50的三維模型54，三維模型54可由複數個第二影像52結合而形成。最後，處理器16執行加工路徑規劃程序，比對三維模型54與原始模型53，依據比對差異產生工件50的一加工路徑55，將加工路徑55傳送到機械手臂31，控置機械手臂31帶動加工裝置17沿著加工路徑55對工件50進行加工。

與前述實施例類似，比對三維模型54與原始模型53時，比對差異可以包含三維模型54相對於原始模型53的工件形變量、孔位偏移量、工件角度變化量、工件方向變化量、工件旋轉變化量或上述改變量的組合。規劃的加工 路則根據上述比對差異修正加工位置及加工方式。加工裝置17依據加工程序的不同則可包含切削裝置、鑽孔裝置、研磨裝置或上述裝置的組合。當這些加工裝置17實際加工時，機械手臂31可通過感測裝置監控該加工裝置17的回饋資料，由處理器16通過回饋資料對機械手臂31進行力量補正。

請參閱第3圖，其係為本發明實施例之自動加工系統之示意圖。如圖所示，自動加工系統200包含加工台21、工件移動裝置22、第一相機23、第二相機24。加工台21為龍門型加工機的加工區，其包含一長型工作平台，工件移動裝置22包含天車22A，沿著工作平台兩側的軌道22B移動，天車22A可將工件50吊掛到加工台21上，加工台21可設置位置座標的標示。設置鄰近於加工台21，例如設置於加工台21軸向方向移動的天車，藉由夾取或吊掛方式將工件50移動至加工台21上。第一相機23可分別安裝於天車22A的兩個梁上，當天車22A移到預設位置後，由第一相機23對工件50及加工台21上的標示拍攝第一影像，進而對工件50進行定位。第一相機23安裝的位置不以本實施例為限，在其他實施例中，第一相機23也可安裝在加工台21前後兩端的固定位置。

天車22A的橫樑上則可安裝兩個機械手臂33，兩個機械手臂33可間隔一個預設距離，或者機械手臂33可調整相互間的距離，這理的相互距離可依據工件50的大小改變。機械手臂33上安裝第二相機24，通過第一影像分析後，機械手臂33可帶動第二相機24沿著掃描路徑拍攝工件50的第二影像，通過將第二影像整合來建立工件50的三維模型。

自動加工系統200的控制裝置可設置於天車22A上或者設置於加工台21上，控制裝置分析三維模型與原始模型的差異後，依據比對差異產生加工路徑，加工路徑包含加工位置、加工順序及加工方式，依據加工路徑的設定， 機械手臂33可以帶動加工裝置對工件50進行加工。在其他實施例中，加工裝置可由機械手臂33選取對應的切削裝置、鑽孔裝置或研磨裝置來進行加工，或者在上述裝置中切換來完成不同類型的加工。

本揭露的自動加工系統的設置及自動加工方法的操作，讓操作者無須沿著工件50逐步設定加工程序，尤其對於大型工件來說，習知的設定程序往往需要4個小時以上的時間，且每個工件都須重新設定一次，通過本揭露的自動加工方法，將可將加工路徑的規劃時間降到20分鐘內，大幅提升加工的工作效率。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

S1~S7:步驟

Claims (14)

1. 一種自動加工方法，其包含下列步驟：藉由一工件移動裝置將一工件移動至一加工台上；通過一第一相機拍攝該工件及該加工台以取得一第一影像，將該第一影像儲存於一儲存裝置；通過一處理器存取該儲存裝置，對該第一影像進行一粗定位程序，產生該工件的一定位位置及一掃描路徑；通過一第二相機沿著該掃描路徑拍攝該工件以取得一第二影像，將該第二影像儲存於該儲存裝置；通過該處理器執行一建模程序，存取該第二影像以建立該工件的一三維模型；通過該處理器執行一加工路徑規劃程序，比對該三維模型與該工件的一原始模型，依據一比對差異產生該工件的一加工路徑；以及藉由一加工裝置沿著該加工路徑對該工件進行加工。
2. 如請求項1所述之自動加工方法，其中該原始模型包含一立體圖像資料及該工件的一預設加工位置，該預設加工位置包含一規格要求及一加工方式。
3. 如請求項2所述之自動加工方法，其中該比對差異包含該三維模型相對於該原始模型的一工件形變量、一孔位偏移量、一工件角度變化量、一工件方向變化量、一工件旋轉變化量或上述改變量的組合，該加工路徑規劃程序依據該比對差異修正該加工位置及該加工方式，產生該加工路徑。
4. 如請求項1所述之自動加工方法，其中該第二相機及該加工裝置設置於一機械手臂上，該機械手臂沿著該加工台主軸方向的軌道裝置移動。
5. 如請求項4所述之自動加工方法，其中該機械手臂通過一感測裝置監控該加工裝置的一回饋資料，該處理器通過該回饋資料對該機械手臂進行力量補正。
6. 如請求項4所述之自動加工方法，其中該加工裝置包含一切削裝置、一鑽孔裝置、一研磨裝置或上述裝置的組合，設置於該機械手臂上。
7. 如請求項1所述之自動加工方法，其中該第二相機的解析度高於該第一相機的解析度。
8. 一種自動加工系統，其包含：一加工台；一工件移動裝置，設置鄰近於該加工台，將一工件移動至該加工台上；一第一相機，拍攝該工件及該加工台以取得一第一影像；一第二相機，沿著一掃描路徑拍攝該工件以取得一第二影像；一儲存裝置，連接該第一相機及該第二相機，儲存該第一影像、該第二影像及該工件的一原始模型；一處理器，連接該儲存裝置，存取該儲存裝置以執行以下程序：對該第一影像執行一粗定位程序，產生該工件的一定位位 置及該掃描路徑；對該第二影像執行一建模程序，建立該工件的一三維模型；以及執行一加工路徑規劃程序，比對該三維模型與該原始模型，依據一比對差異產生該工件的一加工路徑；以及一加工裝置，沿著該加工路徑對該工件進行加工。
9. 如請求項8所述之自動加工系統，其中該原始模型包含一立體圖像資料及該工件的一預設加工位置，該預設加工位置包含一規格要求及一加工方式。
10. 如請求項9所述之自動加工系統，其中該比對差異包含該三維模型相對於該原始模型的一工件形變量、一孔位偏移量、一工件角度變化量、一工件方向變化量、一工件旋轉變化量或上述改變量的組合，該加工路徑規劃程序依據該比對差異修正該加工位置及該加工方式，產生該加工路徑。
11. 如請求項8所述之自動加工系統，進一步包含一機械手臂，沿著該加工台主軸方向的軌道裝置移動，該第二相機及該加工裝置設置於該機械手臂上。
12. 如請求項11所述之自動加工系統，其中該機械手臂通過一感測裝置監控該加工裝置的一回饋資料，該處理器通過該回饋資料對該機械手臂進行力量補正。
13. 如請求項11所述之自動加工系統，其中該加工裝置包含一切削裝置、一鑽孔裝置、一研磨裝置或上述裝置的組合，設置於該機械手臂上。
14. 如請求項8所述之自動加工系統，其中該第二相機的解析度高於該第一相機的解析度。

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