TWM448341U - 可自動定位加工之ｃｎｃ工具機 - Google Patents

Description

可自動定位加工之CNC工具機

本創作係關於一種可自動定位加工之CNC工具機，尤指一種可對工件之加工位置進行定位並執行加工之電腦數值控制(Computer Numerical Control，CNC)工具機。

以目前CNC工具機的技術領域而言，對於工件之加工位置的定位始終維持傳統方式，即以探頭對工件的四周量測，以求出工件之中心或特定特徵點。

詳言之，以一般矩型工件而言，欲求出其中心的加工點，必須以探頭量測工件之四周側壁、及頂壁，亦即量測工件分別於X軸、Y軸、及Z軸上所佔之長度距離後，再透過運算求取其工件之中心點。這樣的量測方式以最簡單的矩型工件而言，就必須進行五次量測。然而，一旦欲加工的工件是複雜、或不規則的形狀，或是工件擺放的角度有變化，則就必須進行更多次的量測，相當耗時費工。

而且。對於每個欲進行加工之工件都必須重新量測、定位，非常不利於大量生產。再者，對於小工件的定位，探頭量測的方式會變的非常的困難，甚至無法執行。另外，以探頭量測的方式，很容易因為使用者操作不甚，而使探頭碰撞工件，導致工件或探頭毀損。此外，以探頭量測的方式非常仰賴操作者的經驗及技術，不熟練的操作者容易耗費更多時間，且容易產生量測誤差。

本創作之主要目的係在提供一種可自動定位加工之CNC工具機，俾能自動測量每一個工件的中心座標，進而快速地對每一個工件進行加工位置的自動定位，可以大幅降低習知工件定位所耗時間，且可顯著地提高定位的精準度。

為達成上述目的，本創作一種可自動定位加工之CNC工具機，其係用於對複數工件的加工位置進行定位並加工，而複數工件具有大致相同的一外觀輪廓，且複數工件的兩兩之間具有一工件間距。其中，CNC工具機之一主軸頭上設置有一影像擷取單元，其係電性連接CNC工具機之一控制器，影像擷取單元係用以拍攝複數工件而分別獲得複數工件影像。控制器包括一儲存模組，其儲存有一特徵輪廓，且特徵輪廓係至少局部地對應於外觀輪廓。其中，控制器控制影像擷取單元以特徵輪廓去分別對應於複數工件影像上之外觀輪廓後，控制器係分別計算對應後之每一工件影像之中心點實際座標，並計算複數工件影像之中心點實際座標彼此間的差值，將之加上彼此間對應的工件間距，而獲得複數工件影像各自之一加工座標資料，CNC工具機依據加工座標資料分別對複數工件進行加工。

據此，本創作係利用特徵輪廓來對應工件影像上的外觀輪廓，並計算對應後工件影像的中心點實際座標。然後，再計算複數工件影像之中心點實際座標彼此間的差值，並加上原本已知彼此間的工件間距，即可準確得 知加工座標資料。換言之，本創作僅需進行拍攝及處理運算步驟，無須機械式的移動量測，便可快速、精準地定位多個待加工件。

較佳的是，本創作之影像擷取單元可包括有一微處理器、及一攝像鏡頭，微處理器係電性連接攝像鏡頭，而且控制器可更包括一主處理器，主處理器係電性連接儲存模組，而儲存模組可更儲存有一尺寸轉換比例值，其係為影像擷取單元所拍攝之像素尺寸與實際加工尺寸間的比例值。另外，影像擷取單元之微處理器可分別計算複數工件影像之中心點像素座標值，且主處理器根據儲存模組所儲存之尺寸轉換比例值將每一工件影像之中心點像素座標值轉換成中心點實際座標。據此，本創作係可利用影像中之像素作為座標值，並藉此轉換成實際加工尺寸的座標值。

然而，前述尺寸轉換比例值可藉由下列方式獲得：控制器控制影像擷取單元相對於複數工件中至少其一移動一特定距離，並控制影像擷取單元分別拍攝移動前後之影像，控制器計算等影像之中心點像素座標值間的差值與特定距離間的比值而獲得尺寸轉換比例值。換言之，本創作可利用工件的實際位移量與影像中的像素座標的位移量間之比值，即可獲得上述之尺寸轉換比例值。

再者，本創作之攝像鏡頭之中心位置與CNC工具機之主軸頭的加工中心點間可具有一中心間距，複數工件影像之加工座標資料係分別為複數工件影像之中心點實際座標彼此間的差值，將之加上其對應的工件間距、及 中心間距。據此，本創作已充分考量攝像鏡頭與加工中心點間之間距，更提高定位的精準度。

另外，本創作之複數工件可包括一標準工件、及至少一待加工件，工件間距係為標準工件與至少一待加工件之間的距離；複數工件影像包括一標準影像，其係影像擷取單元對標準工件拍攝而得；控制器係分別計算標準影像與至少一待加工件之工件影像之中心點實際座標間的差值，將之加上工件間距，而獲得至少一待加工件之一加工座標資料。據此，本創作可再利用一標準工件來作為座標計算之基準，可更提高定位的精準度及處理的便利性。

又，上述標準影像可為控制器控制攝像鏡頭之中心位置定位標準工件之中心點所拍攝而得，而特徵輪廓可於標準影像上依據標準工件之外觀輪廓所描繪而得的。控制器計算特徵輪廓之中心點實際座標與攝像鏡頭之中心位置間之一輸入偏移值。複數工件影像之加工座標資料係分別為複數工件影像之中心點實際座標彼此間的差值，將之加上彼此間對應的工件間距、及輸入偏移值。據此，藉由加入計算輸入偏移值後，除可提高定位的精準度外，使用者於輸入特徵輪廓時無須費心地精準描繪，可大幅節省描繪所耗時間。

此外，影像擷取單元之微處理器控制特徵輪廓旋轉以對應於複數工件影像之外觀輪廓。換言之，本創作在面對待加工件載置位置與角度不一時，透過影像擷取單元之微處理器的處理，可即時旋轉特徵輪廓，使其順利 對應到至少一待加工件之外觀輪廓。因此，本創作可適用於任何不規則設置之待加工件。

請同時參閱圖1、及圖2，圖1係本創作一較佳實施例之示意圖，圖2係本創作一較佳實施例之系統架構圖。以下實施例將以CNC工具機1為執行主體，其中只需加裝一影像擷取單元2，無須其他額外設備，亦無須對CNC工具機1進行額外的改裝，而所有的運算及處理只需透過影像擷取單元2內之微處理器21、及CNC工具機1本身的控制器3即可。

如圖中所示，本實施例主要包括一影像擷取單元2、一輸入裝置4、以及一控制器3，而控制器3則電性連接影像擷取單元2、及輸入裝置4。在本實施例中，影像擷取單元2包括有一微處理器21、及一攝像鏡頭22，微處理器21係電性連接攝像鏡頭22，而影像擷取單元2是設置於CNC工具機1之主軸頭11(spindle head)上，且攝像鏡頭22之中心位置與CNC工具機1之主軸頭11的加工中心點間具有一中心間距Cd。然而，本實施例之影像擷取單元2的焦距、及設置於主軸頭11的高度是固定的，而影像擷取單元2可以是一般攝像裝置，其唯一限制就是必須可以與CNC工具機1之控制器3進行通訊並可受其控制。

至於，控制器3為CNC工具機1本身自帶之電腦數值控制器，其包括一主處理器31、及一儲存模組32，主處理器31係電性連接儲存模組32。儲存模組32內儲存有上述之中心間距Cd、及一尺寸轉換比例值Cv。而輸入裝置 4亦為CNC工具機1本身自帶或另外加裝之輸入裝置皆可，如滑鼠、軌跡球、繪圖板、或觸控螢幕皆可，當然本實施例以觸控螢幕為實施手段。

本創作主要係用於對複數工件w的加工位置進行定位，如圖1中所示，本實施例係對六種不同設置位置或角度之工件w之定位進行說明。如圖中所示，該六個工件w具有相同的外觀輪廓Os(請見圖6)，其中第一個為標準工件Ws，其他為待加工件Wt。而且，標準工件Ws與每一個待加工件Wt之間具有一工件間距D，當然此工件間距D可為兩兩工件w間的間距，或每一待加工件Wt與標準工件Ws間的間距。

請參閱圖3，圖3係本創作一較佳實施例計算尺寸轉換比例值之流程圖。在實際對工件w進行定位之前，先求取尺寸轉換比例值Cv，而尺寸轉換比例值Cv係為影像擷取單元2所拍攝之像素尺寸與實際加工尺寸間的比例值。首先，拍攝標準工件Ws而獲得一第一工件影像，即步驟S100。接著，移動標準工件Ws一特定距離後，拍攝標準工件Ws而獲得一第二工件影像，即步驟S105。其中，標準工件Ws所移動之特定距離為二個軸向的移動距離，即同時包括X軸、及Y軸之移動。最後，計算第一工件影像與第二工件影像之中心點像素座標值間的差值與特定距離間比值，即步驟S110，據此即可獲得尺寸轉換比例值Cv，並將之儲存於控制器3之儲存模組3內。其中，所謂中心點像素座標值乃指以圖像之像素(Pixel)為座標值之單位。

換言之，本實施例所提供之方法係利用工件的實際位移量與所拍攝的影像中之像素位移量間的比值，即可獲得上述之尺寸轉換比例值Cv。當然，本創作也不以為限，亦可採用傳統校正卡的方式來獲得該尺寸轉換比例值Cv。傳統校正卡的方式說明如後，先放一個固定尺寸之校正卡於工作台上，拍攝該校正卡後，求取所拍攝之圖像上校正卡所佔之像素與校正卡之實際尺寸間的比值。

請參閱圖4，圖4係本創作一較佳實施例之流程圖。首先，先將標準工件Ws之中心點定位於一拍攝中心點，如步驟S200所示。接著，影像擷取單元2拍攝標準工件Ws以獲得一標準影像Ps，並於標準影像Ps上輸入一特徵輪廓Pf，該特徵輪廓Pf是隨著標準工件Ws之外觀輪廓而描繪出。其中，因為標準工件Ws與待加工件Wt間具有相同的外觀輪廓Os，故所輸入之特徵輪廓Pf應該至少局部地會對應於複數工件w之外觀輪廓Os，如步驟S205所示。

再者，計算標準影像Ps之中心點實際座標，並計算特徵輪廓Pf之中心點實際座標與拍攝中心點之座標間的差值為一輸入偏移值，如步驟S210所示。其中，所謂中心點實際座標乃指以實際加工尺寸(如mm或μm)作為座標值之單位。請同時參閱圖5A、及圖6，圖5A係本創作一較佳實施例標準影像之中心點像素座標值的計算流程圖，圖6係本創作一較佳實施例之標準影像與特徵輪廓Pf之示意圖。

在本實施例中用來計算標準影像Ps之中心點實際座標包括以下步驟：首先，分割標準影像Ps為四個興趣域(Region of Interest)ROI_2~5，而標準影像Ps上之每一興趣域ROI_2~5都包括有特徵輪廓Pf之局部，如圖5A所示之步驟S300；接著，分別計算每一興趣域ROI_2~5之幾何中心像素座標Pc 2~5，即圖5A所示之步驟S305；再來，計算複數興趣域ROI_2~5上之幾何中心像素座標Pc 2~5間之中心點，此即為標準影像Ps之中心點像素座標值Psc，此步驟即如圖5A所示之步驟S310。最後，控制器3之主處理器31依據儲存模組3所儲存之尺寸轉換比例值Cv將標準影像Ps之中心點像素座標值Psc轉換為中心點實際座標。

另外，關於特徵輪廓Pf之中心點實際座標與拍攝中心點之座標間的輸入偏移值，主要是因為本實施例之特徵輪廓Pf係由人為描繪輸入，而操作者很難精準、且完整地描繪輸入，故有可能會產生誤差值。有鑑於此，本實施例於計算出特徵輪廓Pf之中心點實際座標後，特別在計算特徵輪廓Pf之中心點實際座標與拍攝中心點之座標間的差值，即為輸入偏移值。

換言之，本實施例特別考量特徵輪廓Pf與實際中心原點間的位移偏移值，將其計入待加工件Wt之加工座標資料的計算內。據此，除了可提高定位的精準度外，操作者於輸入特徵輪廓Pf時，無須費心地精準描繪，可大幅節省描繪所耗時間。

接著，如圖4所示之步驟S215，拍攝一待加工件Wt以獲得一工件影像Pw。並且，以特徵輪廓Pf對準工件影像Pw上之外觀輪廓Os後，計算工件影像Pw之中心點實際座標，即步驟S220。在本實施例中實際進行以下步驟，首先以標準影像Ps之特徵輪廓Pf比對工件影像Pw，因標準影像Ps上已劃分有四個興趣域ROI_2~5上，故便以四個興趣域ROI_2~5上之特徵輪廓Pf分別比對工件影像Pw。

另一方面，工件影像Pw上的外觀輪廓Os為了對應到興趣域ROI_2~5上之特徵輪廓Pf，也將自動形成四個比對區RM_2~5，此即圖5B所示之步驟S400。接著，分別計算每一比對區RM_2~5之幾何中心像素座標，即步驟S405。並且，計算四個比對區RM_2~5上之幾何中心像素座標間之中心點，此亦即工件影像Pw之中心點像素座標值Pwc，即圖5B所示之步驟S410。最後，控制器3之主處理器31依據儲存模組3所儲存之尺寸轉換比例值Cv將工件影像Pw之中心點像素座標值Pwc轉換為中心點實際座標。

換言之，本實施例係透過將所輸入之特徵輪廓Pf依據多個興趣域ROI_2~5而分割成多個部分，並分別用特徵輪廓Pf的每一個部分逐一去比對工件影像Pw上所對應的外觀輪廓Os，待特徵輪廓Pf之所有部分皆已比對完成時，才計算中心座標。據此，本實施例可以適用不同尺寸但具相同外觀輪廓Os之工件的定位，亦即不論是工件尺寸放大或縮小，只要特徵輪廓Pf符合即可進行比對。 因此，本實施例可適用的尺寸範圍大，且藉由多部分比對的方式可得到絕佳之精準度。

值得一提的是，在本實施例中，影像擷取單元2之微處理器21分別控制用每一個部分的特徵輪廓Pf逐一去比對工件影像Pw上所對應的外觀輪廓Os時，微處理器21將控制特徵輪廓Pf旋轉以完全對應於待加工件Wt之外觀輪廓Os。換言之，在面對待加工件Wt之角度不一時，透過影像擷取單元2之微處理器21的處理，可即時旋轉特徵輪廓Pf，使其順利對應到待加工件Wt之外觀輪廓Os。因此，本實施例可適用於任何不規則設置之待加工件Wt。

最終，如圖4之步驟S225所示，計算工件影像Pw與標準影像Ps之中心點實際座標間的差值，並將之加上工件間距D、輸入偏移值、及中心間距Cd，便可獲得待加工件Wt之一加工座標資料。至於，後續待加工件Wt之加工位置的定位，即逐一重複圖4之步驟S215、步驟S220、以及步驟S225即可。

然而，在本實施例中，前述所有的運算處理中，除了影像的拍攝、比對、及求取中心點像素座標值是在影像擷取單元2內之微處理器21處理外，其他的運算均由CNC工具機1本身的控制器3進行即可。而且，經過實際統計，每一個待加工件Wt的定位前後花費不到1秒的時間，快速且準確，非常有利於同規格工件之大規模量產。

請參閱圖7A至圖7E，圖7A至圖7E係本創作一較佳實施例對五種不同設置位置或角度之工件的定位座標圖。詳言之，以下將以圖7A至圖7E分別說明無平移且無旋轉 之工件的定位、無平移但逆時針旋轉5度之工件的定位、無平移但順時針旋轉5度之工件的定位、以及有平移且又有逆時針旋轉5度之工件的定位。

如圖7A所示，圖中已顯示有各比對區RM_2~5之幾何中心像素座標分別為(-201.9,160.0)、(-201.7,-155.0)、(201.1,160.9)、(201.2,-155.2)，故再求取上述四個幾何中心像素座標，即為圖7A所對應之待加工件Wt的中心點像素座標值Pwc，在本例之計算結果為(0.55,2.675)。另外，利用反三角函數定理(arctan)即可求出旋轉角度為0.128度。據此，很顯的本例的平移及旋轉角度都相當微幅。

如圖7B所示，圖中已顯示有各比對區RM_2~5之幾何中心像素座標分別為(-232.6,128.3)、(-232.3,-186.5)、(170.6,129.4)、(170.2,-187.5)，故再求取上述四個幾何中心像素座標，即為圖7B所對應之待加工件Wt的中心點像素座標值Pwc，在本例之計算結果為(-31.025,-29.075)。另外，利用反三角函數定理(arctan)即可求出旋轉角度為0.156。據此，本例在X軸及Y軸上有很顯的平移，但旋轉角度相當微幅。

如圖7C所示，圖中已顯示有各比對區RM_2~5之幾何中心像素座標分別為(-214.3,141.0)、(-187.0,-170.8)、(187.7,176.7)、(214.4,-137.5)，故再求取上述四個幾何中心像素座標，即為圖7C所對應之待加工件Wt的中心點像素座標值Pwc，在本例之計算結果為(0.2,1.85)。另外，利用反三角函數定理(arctan)即可求出旋轉 角度為5.075度。據此，本例有很顯的逆時針旋轉，但平移相當微幅。

如圖7D所示，圖中已顯示有各比對區RM_2~5之幾何中心像素座標分別為(-186.5,175.9)、(-214.2,-139.1)、(215.9,141.3)、(186.6,-173.7)，故再求取上述四個幾何中心像素座標，即為圖7D所對應之待加工件Wt的中心點像素座標值Pwc，在本例之計算結果為(0.45,1.1)。另外，利用反三角函數定理(arctan)即可求出旋轉角度為-4.9144度。據此，本例有很顯的順時針旋轉，但平移相當微幅。

如圖7E所示，圖中已顯示有各比對區RM_2~5之幾何中心像素座標分別為(-246.1,140.7)、(-217.6,-173.9)、(157.1,176.7)、(183.2,-137.0)，故再求取上述四個幾何中心像素座標，即為圖7E所對應之待加工件Wt的中心點像素座標值Pwc，在本例之計算結果為(-30.85,1.625)。另外，利用反三角函數定理(arctan)即可求出旋轉角度為5.1022度。據此，本例在X軸上有明顯的平移，而且也有明顯的逆時針旋轉。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本創作所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1‧‧‧CNC工具機

11‧‧‧主軸頭

2‧‧‧影像擷取單元

21‧‧‧微處理器

22‧‧‧攝像鏡頭

3‧‧‧控制器

31‧‧‧主處理器

32‧‧‧儲存模組

4‧‧‧輸入裝置

Cd‧‧‧中心間距

Cv‧‧‧尺寸轉換比例值

D‧‧‧工件間距

Os‧‧‧外觀輪廓

Pf‧‧‧特徵輪廓

Ps‧‧‧標準影像

Psc,Pwc‧‧‧中心點像素座標值

Pw‧‧‧工件影像

ROI_2~ROI_5‧‧‧興趣域

RM_2~RM_5‧‧‧比對區

w‧‧‧工件

Ws‧‧‧標準工件

Wt‧‧‧待加工件

圖1係本創作一較佳實施例之示意圖。

圖2係本創作一較佳實施例之系統架構圖。

圖3係本創作一較佳實施例計算尺寸轉換比例值之流程圖。

圖4係本創作一較佳實施例之流程圖。

圖5A係本創作一較佳實施例標準影像之中心點像素座標值的計算流程圖。

圖5B係本創作一較佳實施例工件影像之中心點像素座標值的計算流程圖。

圖6係本創作一較佳實施例之標準影像與特徵輪廓之示意圖。

圖7A至圖7E係本創作一較佳實施例對五種不同設置位置或角度之工件的定位座標圖。

2‧‧‧影像擷取單元

21‧‧‧微處理器

22‧‧‧攝像鏡頭

3‧‧‧控制器

31‧‧‧主處理器

32‧‧‧儲存模組

4‧‧‧輸入裝置

Cd‧‧‧中心間距

Cv‧‧‧尺寸轉換比例值

Pf‧‧‧特徵輪廓

Ps‧‧‧標準影像

Psc,Pwc‧‧‧中心點像素座標值

Pw‧‧‧工件影像

Claims (8)

1. 一種可自動定位加工之CNC工具機，其係用於對複數工件的加工位置進行定位並加工，該複數工件具有大致相同的一外觀輪廓，該複數工件彼此之間具有一工件間距；其特徵在於：該CNC工具機之一主軸頭上設置有一影像擷取單元，其係電性連接該CNC工具機之一控制器，該影像擷取單元係用以拍攝該複數工件而分別獲得複數工件影像；該控制器包括一儲存模組，其儲存有一特徵輪廓，該特徵輪廓係至少局部地對應於該外觀輪廓；其中，該控制器控制該影像擷取單元以該特徵輪廓去分別對應於該複數工件影像上之該外觀輪廓後，該控制器係分別計算對應後之每一工件影像之中心點實際座標，並計算該複數工件影像之中心點實際座標彼此間的差值，將之加上彼此間對應的該工件間距，而獲得該複數工件影像各自之一加工座標資料，該CNC工具機依據該加工座標資料分別對該複數工件進行加工。
2. 如申請專利範圍第1項所述可自動定位加工之CNC工具機，其中，該影像擷取單元包括有一微處理器、及一攝像鏡頭，該微處理器係電性連接該攝像鏡頭；該控制器更包括一主處理器，該主處理器係電性連接該儲存模組，該儲存模組更儲存有一尺寸轉換比 例值，該尺寸轉換比例值係為該影像擷取單元所拍攝之像素尺寸與實際加工尺寸間的比例值；該影像擷取單元之該微處理器分別計算該複數工件影像之中心點像素座標值，該主處理器根據該儲存模組所儲存之該尺寸轉換比例值將每一工件影像之中心點像素座標值轉換成該中心點實際座標。
3. 如申請專利範圍第2項所述可自動定位加工之CNC工具機，其中，該控制器控制該影像擷取單元相對於該複數工件中至少其一移動一特定距離，並控制該影像擷取單元分別拍攝該移動前後之影像，該控制器計算該等影像之中心點像素座標值間的差值與該特定距離間的比值而獲得該尺寸轉換比例值。
4. 如申請專利範圍第2項所述可自動定位加工之CNC工具機，其中，該攝像鏡頭之中心位置與該CNC工具機之該主軸頭的加工中心點間具有一中心間距，該複數工件影像之該加工座標資料係分別為該複數工件影像之中心點實際座標彼此間的差值，將之加上其對應的該工件間距、及該中心間距。
5. 如申請專利範圍第2項所述可自動定位加工之CNC工具機，其中，該複數工件包括一標準工件、及至少一待加工件，該工件間距係為該標準工件與該至少一待加工件之間的距離；該複數工件影像包括一標準影像，其係該影像擷取單元對該標準工件拍攝而得；該控制器係分別計算該標準影像與該至少一待加工件之該工件影像之中心點實際座標間的差值，將之加上該 工件間距，而獲得該至少一待加工件之一加工座標資料。
6. 如申請專利範圍第5項所述可自動定位加工之CNC工具機，其中，該標準影像係為該控制器控制該攝像鏡頭之中心位置定位該標準工件之中心點所拍攝而得。
7. 如申請專利範圍第6項所述可自動定位加工之CNC工具機，其中，該特徵輪廓係於該標準影像上依據該標準工件之外觀輪廓所描繪而得的；該控制器計算該特徵輪廓之中心點實際座標與該攝像鏡頭之中心位置間之一輸入偏移值；該複數工件影像之該加工座標資料係分別為該複數工件影像之中心點實際座標彼此間的差值，將之加上彼此間對應的該工件間距、及該輸入偏移值。
8. 如申請專利範圍第2項所述可自動定位加工之CNC工具機，其中，該影像擷取單元之該微處理器控制該特徵輪廓旋轉以對應於該複數工件影像之該外觀輪廓。