一种基于数控机床的视觉定位系统及方法与流程

本发明涉及数控机床领域，尤其涉及一种基于数控机床的视觉定位系统及方法。

背景技术：

数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床，其数控装置经运算处理后，由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。在上述加工的过程中，机床需要对待加工零件的位置进行定位，之后将机床的机头移动到定位的位置，从而对待加工零件进行精确地加工。

在现有技术中，机床对待加工零件的定位方法主要为机械式的定位，通过设置导轨等机械部件，引导和限制机头的运动轨迹，从而将机头引导运动到待加工零件的位置，进行加工，现有技术具有以下缺陷：通过机械部件进行定位，其定位精度依赖于机械部件的准确性，调试过程较为繁琐，同时，随着机械部件的磨损及老化，会进一步地影响定位的精度。

因此，现有技术还有待发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于数控机床的视觉定位系统及方法，旨在解决现有技术中数控机床对待加工零件的位置采取机械式定位，调试步骤复杂，定位精度不足，对生产造成不便的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种基于数控机床的视觉定位系统，其中，包括用于对待加工零件进行定位的光学定位机构，以及用于对产品进行加工的机头组件，所述机头组件设置在所述光学定位机构的后方并与光学定位机构连接；所述光学定位机构具体包括可开合的保护盒，及设置在所述保护盒内部的光学定位设备。

所述的基于数控机床的视觉定位系统，其中，所述保护盒具体包括：

保护盒本体，所述保护盒本体为中空的圆筒形结构，所述保护盒本体的顶端设置有顶面，底端为中空的结构，所述光学定位设备设置在所述顶面的内壁上；

用于保护光学定位设备的保护盒盖，所述保护盒盖设置在所述保护盒本体的底面上；

用于驱动所述保护盒盖开闭的驱动机构，所述驱动机构设置在所述保护盒本体的外壁上。

所述的基于数控机床的视觉定位系统，其中，所述驱动机构具体包括：

用于输出动力的马达；

用于传递马达动力的传动轴，所述传动轴垂直于所述保护盒盖并与保护盒盖固定连接；

所述马达与所述传动轴之间设置有齿轮组，当所述马达输出旋转扭力时，通过所述齿轮组的传动，所述传动轴绕其轴心旋转。

所述的基于数控机床的视觉定位系统，其中，所述齿轮组具体包括：

第一齿轮，所述第一齿轮环绕设置在所述传动轴上；

第二齿轮，所述第二齿轮环绕设置在所述马达的动力输出轴上；

所述马达的动力输出轴与传动轴垂直，所述第一齿轮与所述第二齿轮互相咬合。

所述的基于数控机床的视觉定位系统，其中，所述保护盒盖的内壁上设置有斜面部，所述保护盒本体底部的边缘设置有与所述斜面部相适配的倾斜部。

所述的基于数控机床的视觉定位系统，其中，所述机头组件具体包括：

用于输出动力的机头；

用于对产品进行切削加工的刀具，所述刀具设置在所述机头的主轴上；

用于调节所述机头组件位置的调节机构，所述调节机构与所述光学定位机构信号连接。

一种如上一项所述的基于数控机床的视觉定位方法，具体包括以下步骤：

a：通过光学定位设备对标准待加工零件拍摄后进行图像处理，获得模板图片；

b：从模板图片中提取标准待加工零件的特征信息；

c：通过光学定位设备对待加工零件拍摄，获得实际图片；

d：将实际图片与所述特征信息进行匹配，从实际图片中获取待加工零件的位置信息；

e：将所述位置信息发送给调节机构。

所述的基于数控机床的视觉定位方法，其中，所述步骤a具体包括以下步骤：

a1：校准光学定位设备后拍摄标准待加工零件获取模板照片；

a2：对模板照片滤波去噪处理后进行灰度变换，完成对图像的预处理，得到清晰的模板照片；

a3：在清晰的模板照片框选出标准待加工零件所在的区域，对所述区所述的基于数控机床的视觉定位方法，其中，所述步骤b具体包括以下步骤：

b1：从模板图片中提取标准待加工零件的旋转角度信息；

b2：从模板图片中提取标准待加工零件的缩放范围信息；

b3：从模板图片中提取标准待加工零件的灰度范围信息；

b4：从模板图片中提取标准待加工零件的对比度范围信息。

综上所述，本发明提供的一种基于数控机床的视觉定位系统及方法，定位系统包括用于对待加工零件进行定位的光学定位机构，以及用于对产品进行加工的机头组件，机头组件设置在光学定位机构的后方并与之信号连接；光学定位机构具体包括可开合的保护盒，及设置在保护盒内部的光学定位设备。定位方法的步骤包括：a：通过光学定位设备对标准待加工零件拍摄后进行图像处理，获得模板图片；b：从模板图片中提取标准待加工零件的特征信息；c：通过光学定位设备对待加工零件拍摄，获得实际图片；d：将实际图片与特征信息进行匹配，从实际图片中获取待加工零件的位置信息；e：将所述位置信息发送给调节机构。实现通过视觉定位将零件位置信息发给机头进行加工。

附图说明

图1为本发明所述基于数控机床的视觉定位系统的立体图。

图2为本发明所述基于数控机床的视觉定位系统的光学定位机构立体图。

图3为本发明所述基于数控机床的视觉定位系统的机头组件加工零件时的工作状态示意图。

图4为本发明所述基于数控机床的视觉定位方法的流程图。

图5为本发明所述基于数控机床的视觉定位方法步骤s1的流程图。

图6为本发明所述基于数控机床的视觉定位方法步骤s120的流程图。

图7为本发明所述基于数控机床的视觉定位方法步骤s2的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于数控机床的视觉定位系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参考图1至图3，图1为本发明所述基于数控机床的视觉定位系统的立体图。图2为本发明所述基于数控机床的视觉定位系统的光学定位机构立体图。图3为本发明所述基于数控机床的视觉定位系统的机头组件加工零件时的工作状态示意图。

如图1至图3所示，所述基于数控机床的视觉定位系统包括用于对待加工零件进行定位的光学定位机构10，以及用于对产品进行加工的机头组件20，所述机头组件20设置在所述光学定位机构10的后方并与之连接；所述光学定位机构10具体包括可开合的保护盒100，及设置在所述保护盒内部的光学定位设备111。

具体工作时，所述光学定位机构10首先运动到待加工零件的上方，对待加工零件进行光学定位，具体方法为通过光学定位设备111对待加工零件进行拍摄后通过视觉处理方法得到待加工零件的位置信息，之后光学定位机构10将所获取的位置信息发送给机头组件20，机头组件20根据所获取的位置信息运动到待加工零件的上方对待加工零件进行加工。

更进一步地，所述光学定位设备111为ccd相机。

进一步地，所述保护盒100具体包括：

保护盒本体110，所述保护盒本体110为中空的圆筒形结构，所述保护盒本体110的顶端设置有顶面，底端为中空的结构，所述光学定位设备111设置在所述顶面的内壁上；

用于保护光学定位设备111的保护盒盖120，所述保护盒盖120设置在所述保护盒本体110的底面上；

用于驱动所述保护盒盖120开闭的驱动机构130，所述驱动机构130设置在所述保护盒本体110的外壁上。

具体工作时，光学定位设备111设置在保护盒本体110的内部，当光学定位机构10运动到待加工零件的上方，光学定位设备111需要对待加工零件进行拍摄时，驱动机构130驱动保护盒盖120打开，光学定位设备111完成拍摄后，驱动机构130驱动保护盒盖120关闭；在数控机床对待加工零件进行加工时，切削的废渣及冷却液等物质会产生飞溅，因此，在保护盒本体110的底部设置保护盒盖120，在光学定位设备111不工作时，通过保护盒盖120将光学定位设备111封闭在保护盒100内，从而保护光学定位设备111不受切削加工的损坏。

进一步地，所述驱动机构130具体包括：

用于输出动力的马达131；

用于传递马达动力的传动轴132，所述传动轴132垂直于所述保护盒盖120并与保护盒盖120固定连接；

所述马达131与所述传动轴132之间设置有齿轮组（图中未标出），当所述马达131输出旋转扭力时，通过所述齿轮组的传动，所述传动轴132绕其轴心旋转。

具体工作时，所述传动轴132平行于所述保护盒本体110的轴线，当马达131通过齿轮组驱动传动轴132旋转时，传动轴132驱动保护盒盖120绕所述传动轴132旋转，从而完成保护盒盖120的开启，当需要关闭保护盒盖120时，马达131逆向旋转，从而以相同的原理驱动保护盒盖120回复到关闭的状态。该种侧向旋转的开盖方式，所占用的空间较小，不会在开合的过程中占用更大空间，从而可以精简设备体积，同时，侧向旋转的开盖方式相较于翻盖等方式，能够有效地防止数控机床加工过程中产生的废屑及润滑液飞溅到保护盒盖120的内侧，从而污染了光学定位设备111，影响光学定位的精度。

更进一步地，所述齿轮组具体包括：

第一齿轮，所述第一齿轮环绕设置在所述传动轴132上；

第二齿轮，所述第二齿轮环绕设置在所述马达131的动力输出轴上；

所述马达131的动力输出轴与传动轴132垂直，所述第一齿轮与所述第二齿轮互相咬合。

具体工作时，由于第一齿轮与第二齿轮互相咬合，因此当马达131输出动力驱动第二齿轮旋转时，所述第二齿轮驱动与之咬合的第一齿轮旋转，从而驱动力传动轴132的转动从而实现了保护盒盖120的开闭；所述第一齿轮与第二齿轮的咬合方式，使得马达131输出的动力由轴线平行于地面的旋转转换为轴线垂直于地面的旋转，完成了扭力传递方向的转换；实验结果表明，该种方式动力传递方式简单，使用寿命更长，在数控机床自动化加工零件的过程中，每个零件的加工都需要进行一次光学定位设备111的拍摄定位，这也就意味着每个零件的加工都需要进行一次保护盒盖120的开闭，因此，简单、高效、使用寿命更长的传动方式是自动化高效长时间加工的一个根本保证。

进一步地，所述保护盒盖120的内壁上设置有斜面部，所述保护盒本体110底部的边缘设置有与所述斜面部相适配的倾斜部。

在具体工作时，虽然保护盒盖120侧向旋转的开盖方式能够在一定程度上防止切削废屑及润滑液的飞溅，但仍然可能有部分的润滑液飞溅到保护盒盖120的内壁上，润滑液受热蒸发后凝结在光学定位设备111的镜头表面，就会影响光学定位设备111的定位精度，因此，在保护盒盖120的内壁上设置斜面部，使得飞溅到保护盒盖120内壁上的液体或碎屑可以顺着斜面部掉落下来，同时，在保护盒盖120关闭的过程中，所述倾斜部与所述斜面部发生摩擦，通过这种方式也可以挤出残留在保护盒盖120内壁上的液体及残渣。

进一步地，所述机头组件20具体包括：

用于输出动力的机头21；

用于对产品进行切削加工的刀具22，所述刀具22设置在所述机头21的主轴上；

用于调节所述机头组件位置的调节机构（图中未标出），所述调节机构与所述光学定位机构10信号连接。

更进一步地，所述调节机构具体包括：

用于驱动机头组件20横向运动的x轴导轨，所述x轴导轨与机头组件20连接；

用于驱动机头组件20纵向运动的y轴导轨，所述y轴导轨包含有两条，分别记为第一y轴导轨与第二y轴导轨，所述y轴导轨设置在所述x轴导轨的上方，所述y轴导轨的一侧与x轴导轨连接，另一侧与数控机床顶部的内壁连接，具体地，所述x轴导轨的一端与所述第一y轴导轨连接，x轴导轨的另一端与所述第二y轴导轨连接；

所述x轴导轨可沿第一y轴导轨与第二y轴导轨来回滑动，第一y轴导轨及第二y轴导可沿x轴来回滑动。

上述运动方式使得调节机构可驱动机头组件20运动到xy空间平面内的任意一点，从而驱动机头组件20的精确加工。

具体工作时，调节机构与所述光学定位机构10信号连接，光学定位机构10获取待加工零件的位置信息后，将所述位置信息发送给所述调节机构，所述调节机构在收到位置信息后，驱动x轴及y轴的相对运动，将机头组件20运送到位置信息所定位的位置，之后机头输出动力，驱动刀具按照预设的程序对所定位的待加工零件进行切割加工。

本发明还提供一种如上任意一项所述的基于数控机床的视觉定位方法，如图4至图7所示，图4为本发明所述基于数控机床的视觉定位方法的流程图。图5为本发明所述基于数控机床的视觉定位方法步骤s1的流程图。图6为本发明所述基于数控机床的视觉定位方法步骤s120的流程图。图7为本发明所述基于数控机床的视觉定位方法步骤s2的流程图。

具体包括以下步骤：

s1：通过光学定位设备对标准待加工零件拍摄后进行图像处理，获得模板图片；

s2：从模板图片中提取标准待加工零件的特征信息；

s3：通过光学定位设备对待加工零件拍摄，获得实际图片；

s4：将实际图片与所述特征信息进行匹配，从实际图片中获取待加工零件的位置信息；

s5：将所述位置信息发送给调节机构。

具体工作时，为了方便后续加工过程中对待加工零件位置的视觉定位，要先进行模板图片的预设，首先需要挑选一个标准待加工零件，制作成为模板图片后提取标准待加工零件的特征，如上述步骤s1所述，通过光学定位设备，即ccd相机对标准待加工零件拍摄后进行图像处理，获得模板图片，所述模板图片是经过滤波去噪提升清晰度之后，经过框选和裁剪，只剩标准待加工零件轮廓内图案的待加工零件的图片；步骤s2对所得到的模板图片进行特征信息的提取，所述特征信息是模板图片的一些图片信息参数范围；完成步骤s1及步骤s2后，即可完成模板图片的预设，接下来就可以开始进行加工生产，如步骤s3所述，将待加工的零件放置在机床上，通过光学定位设备，即ccd相机对待加工的零件进行拍摄，得到本次加工的实际图片，之后执行步骤s4，将实际图片中的各项图片信息参数与步骤s2中所取得的特征信息进行比对，从而定位到待加工零件在实际图片中的位置，获取到待加工零件的位置信息；执行步骤s5将所获取的位置信息发送给调节机构，所述调节机构收到位置信息后，控制机头组件运动到位置信息所定位的位置，之后机头输出动力，驱动刀具按照预设的程序对所定位的待加工零件进行切割加工。

通过上述步骤，使用基于数控机床的视觉定位方法对待加工零件进行定位，之后将定位信息发送给机头组件，从而实现了对待加工零件位置的高精度定位，克服了传统机械式定位精度不足的缺陷，提高了数控机床对零件的加工精度。

进一步地，所述步骤s1具体包括以下步骤：

s110：校准光学定位设备后拍摄标准待加工零件获取模板照片；

s120：对模板照片滤波去噪处理后进行灰度变换，完成对图像的预处理，得到清晰的模板照片；

s130：在清晰的模板照片框选出标准待加工零件所在的区域，对所述区域进行数学形态学处理后获得模板图片。

具体工作时，在获取标准待加工零件的模板图片时，首先执行步骤s110，通过光学定位设备即ccd相机对标准待加工零件进行拍摄从而获得一张模板照片，所述模板照片里即包含有标准待加工零件，也包含有所述标准待加工零件所在的机床加工平台作为模板照片的背景；之后执行步骤s120，通过滤波去噪及灰度变换的处理，使得模板照片变得更为清晰，提高后续步骤的精确度；之后执行步骤s130，在模板照片中框选出标准待加工零件所在的区域，对该区域进行数学形态学处理，所述数学形态学处理的具体方法为：框选出标准待加工零件的轮廓，剪裁剩余部分；从而得到了一张模板图片。

更进一步地，所述步骤s120具体包括以下步骤：

s121：对模板照片进行中值滤波处理；

s122：对模板照片进行高斯去噪处理；

s123：对模板照片进行灰度值拉伸处理；

s124：输出处理结果，得到清晰的模板照片。

具体工作时，步骤s121中所述的中值滤波法是一种非线性平滑技术，它将每一像素点的灰度值设置为该点某邻域窗口内的所有像素点灰度值的中值；中值滤波对脉冲噪声有良好的滤除作用，特别是在滤除噪声的同时，能够保护信号的边缘，使之不被模糊。这些优良特性是线性滤波方法所不具有的。此外，中值滤波的算法比较简单，也易于用硬件实现。步骤s122中所述的高斯去噪也是对图片进行去噪滤的常用方法，结合中值滤波法使用，能够进一步地率波去噪，提升模板照片的清晰度。步骤s123中所述的灰度值拉伸又叫对比度拉伸，它是最基本的一种灰度变换，使用的是最简单的分段线性变换函数，它的主要思想是提高图像处理时灰度级的动态范围。通过上述步骤能够提高模板图片的清晰度，为后续提取准确的特征信息打下基础。

进一步地，所述步骤s2具体包括以下步骤：

s210：从模板图片中提取标准待加工零件的旋转角度信息；

s220：从模板图片中提取标准待加工零件的缩放范围信息；

s230：从模板图片中提取标准待加工零件的灰度范围信息；

s240：从模板图片中提取标准待加工零件的对比度范围信息。

具体工作时，步骤s210主要是获得模板图片在模板照片中的旋转角度信息，具体工作时，由于待加工零件在机床加工板上放置的位置大致相同，因此首先获取模板图片的旋转角度信息，有利于缩小进一步定位的范围，减少定位所需时间；步骤s220主要是获得模板图片的缩放范围信息；在光学定位设备具体拍摄时，由于拍摄角度及拍摄距离的原因，同样尺寸的待加工零件，在不同的拍摄中可能会在实际图片中呈现不一样的大小，因此，在s220中对模板图片进行等比例缩放，在实际图片与模板图片进行特征信息比对时，无论实际照片中待加工零件所拍摄出的大小为多少，都落在了所述模板图片集合所包括的范围内，从而使得待加工零件轮廓的识别不受到图片拍摄大小的影响。步骤s230主要是获得模板图片的灰度范围信息；s240主要是从模板图片中提取标准待加工零件的对比度范围信息，通过条件查找，由于零件与图片背景之间存在对比度的差值，因此确定标准待加工零件的对比度范围，有利于后续在图片中查找待加工零件的位置。

具体工作时，本发明所提供的一种基于数控机床的视觉定位系统及方法主要分为准备步骤，视觉定位步骤及加工步骤三个步骤：

准备步骤，准备步骤包括硬件部分的准备以及软件部分的准备，硬件部分，调试好光学定位设备，确保调节机构运行正常，即可完成硬件部分的准备步骤；软件部分需要进行模板图片的预设，首先需要挑选一个标准待加工零件，通过光学定位设备，即ccd相机对标准待加工零件拍摄后进行图像处理，获得模板图片，所述模板图片是经过滤波去噪提升清晰度之后，经过框选和裁剪，只剩标准待加工零件轮廓内图案的待加工零件的图片；对所得到的模板图片进行特征信息的提取，所述特征信息具体包括：坐标信息、缩放范围信息、灰度范围信息以及对模板图片进行等比例缩放，得到多张缩放比例由小到大的模板图片组成的模板图片集合；即可完成模板图片的预设。

视觉定位步骤，开始工作时，将待加工零件放置在机床上，所述光学定位机构首先运动到待加工零件的上方，驱动机构驱动保护盒盖打开，光学定位设备对待加工零件进行拍摄并获取实际图片，之后驱动机构驱动保护盒盖关闭；将提取实际图片的各项图片信息与模板图片所提取的特征信息进行比对，综合坐标信息、缩放范围信息、灰度范围信息以及对模板图片集合的检索一一比对，定位待加工零件在实际图片中的位置并获取位置信息，从而完成对待加工零件的视觉定位。

加工步骤，光将所获取的位置信息发送给机头组件，机头组件根据所获取的位置信息运动到待加工零件的上方对待加工零件进行加工，完成了待加工零件的加工步骤。

综上所述，本发明提供的一种基于数控机床的视觉定位系统及方法，定位系统包括用于对待加工零件进行定位的光学定位机构，以及用于对产品进行加工的机头组件，机头组件设置在光学定位机构的后方并与之信号连接；光学定位机构具体包括可开合的保护盒，及设置在保护盒内部的光学定位设备。定位方法的步骤包括：a：通过光学定位设备对标准待加工零件拍摄后进行图像处理，获得模板图片；b：从模板图片中提取标准待加工零件的特征信息；c：通过光学定位设备对待加工零件拍摄，获得实际图片；d：将实际图片与特征信息进行匹配，从实际图片中获取待加工零件的位置信息；e：将所述位置信息发送给调节机构。实现通过视觉定位将零件位置信息发给机头进行加工。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。