[发明专利]基于视觉的数控机床全闭环系统

说明书

技术领域

本发明涉及数控机床控制技术领域，更具体地说，涉及一种基于视觉的数控机床全闭环系统。

背景技术

数控机床分成开环、半闭环和闭环三种控制方式。开环数控机床没有反馈，精度不高；半闭环数控机床用电机上的脉冲编码器做反馈元件，能够控制电机的转速，精度较高；闭环数控机床用光栅尺做位置反馈元件，精度最高。

数控机床用刀具削减毛坯上的材料，以与设计目标吻合，但无论是半闭环和闭环，都没有控制刀具在毛坯上的削减结果，没有把切削过程纳入控制的闭环当中。如果把切削过程也纳入控制闭环，控制加工过程中的每一步骤的加工结果，将可以提高加工精度。

因此，现有技术亟待有很大的进步。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的缺陷，提供一种基于视觉的、实时测量加工件三维形貌的全闭环系统，包括半闭环控制的工作台、构成全闭环的测量单元、分析计算单元、加工用的刀夹和刀具，具体如下：

其中的测量单元呈法兰盘状，用滚动轴承加装在刀夹旁、刀柄上，测量单元不随刀具转动，但随刀具移动，测量单元径向等间距安装有若干对激光发射器和探测头，探测头处于外面的大圆环上，激光发射器处于里面的小圆环上，激光发射器和探测头间的直线距离与测量单元到工件的最常工作位置间的距离大致相等，激光发射器和探测头的距离、激光发射器在工件表面投影的激光曲线、探测头和激光曲线的距离，三条边长度近似相等，构成封闭三角形；

激光发射器竖直向下发出“一”字型激光，“一”字型激光随零件表面的起伏而呈现不同的形状，探测头的光轴向激光线方向偏转；探测头的光轴向在垂直的竖直方向上并不是竖直向下安装，而是向刀具有一个偏转角度，探测头的光轴向刀具偏转，偏转角度使得在工件最常工作位置上，激光器发出的激光线穿过探测头所成像图像的中心，在工件的最上工作位置上形成最上工作位置的激光线的成像、在工件的最下工作位置上形成最下工作位置激光线的成像，激光线的成像在探测头图像的边缘带以内，并且两个探测头的视野范围重叠；激光发射器和探测头一一相间，一个测量单元至少有三对激光发射器和探测头，以在工件表面构成封闭的激光线形状；激光发射器发出的激光、激光发射器和探测头的直线距离、激光线到探测头的距离，三条边构成一个封闭三角形，刀具经过的每一个点都会前后方的探测头至少测量两次；

所述的分析计算单元与原来的半闭环控制工作台一起构成全闭环系统，分析计算单元根据摄像采集到的激光线位置和形状，按照三角形法则计算工件表面的形貌；由于工件表面形貌变化，投影到工件表面的激光在探测头中的成像形状、位置会发生变化，激光直线会变激光曲线，工件表面由加工动作前的工件表面变成加工动作后的工件表面，激光的成像位置会由加工动作后的工件表面上激光线的成像变成激光发射器和探测头间的距离，激光发射器和探测头的距离与测量单元到工件最常工作位置间的最常位置距离相等，激光发射器和探测头构成封闭形状，刀具经过的每一个点至少会都被测量两次，在这种全闭环系统中刀具的每个加工动作可以得到相应的加工效果，以及与预期效果的偏差，并可以建立出加工参数和加工效果的对应关系，还可重建出的加工前和加工后的三维形貌。

优选地，实施的刀具朝每个方向运动，至少还有一个探测头能观察到激光线，能重建工件的表面形貌。

优选地，工件与测量单元间的距离，无论工件处在最大距离位置上还是在最小距离位置上，相邻探测头的视野都要有重叠，相邻探测头的视野没有重叠的工作位置是非法的工作位置。

一种基于视觉的数控机床全闭环系统的加工方法，完成一次加工包括扫描工作台、夹具并建模、扫描毛坏并建模、加工、加工结束四个步骤，分别如下：

步骤S1.扫描工作台、夹具并建模

用测量单元对工作台、夹具进行扫描，建立工作台、夹具的三维模型。输入机床参数，例如工作台极限位置、机床的极限速度、机床的形变参数、机床的刀具状况；

步骤S2.扫描毛坏并建模

同扫描工作台、夹具并建模一样，加工时前输入加工目标的三维模型以及表面要求，然后用测量单元对毛坏进行扫描，建立毛坯的三维模型。

步骤S3.加工、动态调整道具轨迹

将毛坯与加工目标对齐，对加工目标的三维模型和毛坯的三维模型求差，根据机床的最大步进、最小步进、机床抖动等参数，自动生成加工动作序列；