[发明专利]一种基于图像处理确定工件坐标原点的机载自动测量系统

说明书

技术领域

本发明属于机械工程中的机械制造技术领域和图像测量技术领域，具体是一种基于图像处理确定工件坐标原点的机载自动测量系统。

背景技术

数控加工在加工工件装夹完成后，要确定工件上的一个特征点在机床坐标系中的位置坐标，作为工件坐标原点（或称为工件编程原点）来实现数控加工程序和工件的对接；从而在手工编程时直接使用或者在计算机辅助制造（CAM）计算机编程时供程序自动调用。目前在一般工件的加工中常用试切法和寻边器进行工件编程原点坐标的确定，需要手动操作机床利用接触测量的方法间接计算得到工件编程原点的坐标值再输入加工程序中。这种方法一方面费力费时效率低、容易出错，另一方面精度不高难以满足高效率、自动化加工的要求。而在数控加工微小工件的微细加工技术中，加工的尺度在微米量级，刀具的尺寸和加工时的切削力都比较小；试切法和寻边器这类利用接触方式进行工件编程原点坐标确定的方法易使微小工件产生塑性变形，降低工件坐标原点的精度，已不再适用，所以需要一种利用非接触方式确定工件编程原点的方法。

在专利CN102699359A中，提出了一种微小车床的对刀装置和方法，其原理是采用两个CCD相机，通过图像处理技术非接触测量的方法一边精确测量对刀间隙，一边调节刀具与工件的相对位置，这样边测量边调节，实现微小车床加工中X、Y和Z三个方向的精确对刀，避免了试切法和对刀仪对刀过程中由工件塑性变形和对刀仪传感器精度的限制对对刀精度的影响。这种方法对光源的要求比较高，且在对效率要求不太高的加工场合比较适合，但对数控加工中心仍难以满足高效率、高精度的要求。

在图像技术中，根据透镜成像原理，在焦距和相距一定的情况下，物距被唯一确定；成像时，物体上只有满足该确定物距的点才能在像平面上得到清晰的点图像，称为聚焦清晰图像；如果物距与该确定物距不等，则在像平面上得不到清晰的点图像，而是一个模糊圆，得到的图像称为离焦图像。作者Alex Paul Pentland在1982年的论文A new sense for depth of field中提出一种离焦深度法（Depth From Defocus），该方法中用一个点扩散函数来评价离焦程度，通过两幅物体离焦图像可得到物体上的点到镜头的距离，通过获取一系列的物体图像，得到物体上每一点到镜头的距离，从而构建出物体在景深方向上的深度信息。该方法所用的图像数量少，但误差较大，在重构物体深度信息时可用作物体深度范围的确定。同样，基于图像聚焦清晰的原理，作者Shree K. Nayar在1992年的论文Shape from focus system 提出一种变焦建模的方法（Shape From Focus），首先获取一系列在景深方向上的物体的序列图像，使整个序列覆盖物体在景深方向上全部信息，每幅图像有聚焦清晰区域和模糊区域；然后在序列图像中通过一定的融合规则获取每一个像素对应的聚焦清晰位置从而重建出一幅每一景深部位均十分清晰的图像；再通过聚焦分析恢复深度信息，从而通过二维图像序列进行三维重建。相较于其他方法 ,该方法不需进行复杂的光源定标操作，对图像采集时的光照条件也不苛刻，但需要采集一系列景深方向的图像。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何改变和解决现有工件编程原点确定中的耗时、费力、效率低和难以达到高精度的缺点，从而提供一种能实现快速高精度自动测量工件编程原点的测量系统；同时提供一种微细加工技术中加工微小工件时确定编程原点的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于图像处理确定工件坐标原点的机载自动测量系统，按照如下步骤进行：

步骤一，将CCD图像采集发送装置从刀库中通过数控加工中心的自动换刀装置换装到加工中心的主轴上；

步骤二，让CCD图像采集发送装置在主轴带动下沿机床坐标系的Z轴向下做大步长移动，步长范围为1~10mm，移动一步采集一幅图像，然后用离焦深度法确定工件的高度范围；

步骤三，让CCD图像采集发送装置沿机床坐标系Z向在工件的高度范围内从上到下做小步长移动，步长范围为1~100μm，移动一步采集一幅图像，同时记下主轴在机床坐标系中的X向和Y向的坐标值X_so和Y_so，组成工件表面在Z向上的序列图像；