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

摘要

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。利用机载测量装置来确定加工工件编程原点坐标的非接触式自动测量系统，系统主要由机载CCD图像采集发送装置、信号接收和图像分析处理装置和测量软件组成。本发明安装拆卸方便，结构紧凑，效率高，采用非接触图像测量技术获取工件编程原点，速度快精度高。

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；

步骤四，由变焦建模法求出步骤三中序列图像里第k幅图像中聚焦清晰的像素，并记下该幅图像中每一个聚焦清晰的像素在该图图像坐标系中的像素坐标i_k、j_k、像素灰度值p_k和获取该幅图像时CCD图像采集发送装置在机床坐标系中的Z向坐标Z_k；从而得到第k幅图像中聚焦清晰像素的坐标灰度值（i_k，j_k，Z_k，p_k）；依此方法，得到序列图像中所有图像的坐标灰度值集合{（i_k，j_k，Z_k，p_k）|1≤k≤K}，K为序列图像的总图像数；

步骤五，从步骤四的序列图像坐标灰度值集合中选取第k_m幅图像，读取其坐标灰度值（i_km，j_km，Z_km，p_km），将其中的聚焦清晰的像素（i_km，j_km，p_km）组成第一幅图像，将CCD图像采集发送装置沿机床坐标系Z向移动到该图像的深度坐标Z_km处，与获取该图像时的CCD图像采集发送装置所处的Z向坐标一致，然后保持Z向固定不动，沿机床坐标系X或Y向移动加工中心主轴或者工作台，让CCD图像采集发送装置和工件相对平移L_x或L_y长度，采集工件图像，用变焦建模法求出该图像中聚焦清晰的像素，记下这些像素的像素坐标i_kn、j_kn和像素值p_kn，按照像素坐标和像素值（i_kn，j_kn，p_kn）组成第二幅图像，用模板匹配法对这两幅图像进行最大相关度匹配，求出第二幅图像相对第一幅图像在上述图像坐标系中沿X和Y向的像素平移量i_x和j_y，就可求得每像素代表的尺寸长度为                                                或，作为上述序列图像的像素尺寸当量L_p（含义为图像中每像素代表的尺寸长度），L_p=或L_p=；

步骤六，由于CCD图像采集发送装置安装在主轴上，序列图像中每幅图像几何中心与加工中心主轴中心线的位置关系是唯一确定的， X_a和Y_a为安装偏差，则图像几何中心在机床坐标系中X和Y向上的坐标值X_ko和Y_ko满足关系X_ko=X_so+X_a,Y_ko=Y_so+Y_a，Z_a为上述序列图像中第k幅图像聚焦清晰像素所对应的工件表面上的点与主轴在机床坐标系中的坐标Z_k之间的偏置距离，则该点在机床坐标系中的Z向坐标Z_p=Z_k+Z_a；

步骤七，根据序列图像的像素尺寸当量L_p和第k幅图像中聚焦清晰像素的坐标灰度值（i_k，j_k，Z_k，p_k），计算出第k幅图像聚焦清晰像素所对应的工件表面上的点在上述机床坐标系中的坐标X_pk=i_k·L_p+X_ko，Y_pk=j_k·L_p+Y_ko,Z_pk=Z_k+Z_a，该点在机床坐标系中的坐标为（X_pk,Y_pk,Z_pk），依此方法，得到所有图像组成的序列图像中聚焦清晰像素所对应的工件表面上的点在上述机床坐标系中的坐标集合{（X_p,Y_p,Z_p）|p为求得的所有点}；

步骤八，根据工件表面点在机床坐标系中的坐标集合{（X_p,Y_p,Z_p）|p为求得的所有点}，将每个点与其周围领域中的点连接构成三角网格，由三角网格组成的面连接形成工件表面的轮廓图形实现工件在加工中心机床坐标系中三维轮廓图形的重构；

步骤九，在工件的三维轮廓图形中选定工件的编程原点，将工件编程原点值（X_o,Y_o,Z_o）写入加工中心的计算机数值控制系统的存储器供加工中心的计算机数值控制系统调用或在计算机自动编程时自动更新加工中心的计算机数值控制系统工件原点数值。

作为一种优选方式： CCD图像采集发送装置包括锥柄、无线发送装置、CCD图像采集装置和LED光源，无线发送装置安装在锥柄和CCD图像采集装置之间，LED光源安装在CCD图像采集装置的镜头端，CCD图像采集发送装置采用自动换刀装置在刀库和主轴之间安装和更换。

作为一种优选方式：与无线发送装置对应的无线接收装置与图像分析处理装置由电信号连接。

作为一种优选方式：图像分析处理装置与加工中心的计算机数值控制系统为一体。

作为一种优选方式：该测量系统采用非接触图像测量技术，通过沿Z向移动加工中心主轴实现CCD图像采集装置的变焦来获取序列图像，用变焦法对工件的表面轮廓进行三维重建，重建完成后可选取一点作为工件坐标原点，其数值即为重建的三维图形中该点在加工中心机床坐标系中的坐标值。

本发明的有益效果是：CCD图像采集装置安装在与加工中心主轴相匹配的锥柄上，放置在加工中心的刀库中，在需要时通过换刀指令调出，安装拆卸方便，结构紧凑，效率高。图像分析处理装置共用加工中心的计算机数值控制系统（CNC），共用显示屏幕，系统整体结构紧凑，使用方便。采用非接触图像测量技术获取工件编程原点，速度快精度高。特别适合微小工件加工时工件坐标原点的确定。

附图说明

图1是本发明所使用的装置结构示意图；

图2是本发明CCD图像采集发送装置结构示意图；

其中，1、加工中心底座，2、加工中心工作台，3、工件，4、CCD图像采集发送装置， 5、加工中心主轴，6、加工中心刀库，7、加工中心的计算机数值控制系统（图像分析处理装置）8、LED光源，9、CCD图像采集装置，10、无线发送装置，11、锥柄，12、显示屏，13、无线信号接收装置，14、按键。

具体实施方式

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，如图1所示系统主要由机载CCD图像采集发送装置、信号接收和图像分析处理装置和测量软件组成：

如图2所示，机载CCD图像采集发送装置 主要由锥柄、无线发送装置、CCD图像采集装置和LED光源组成；无线发送装置安装在锥柄和CCD图像采集装置之间，LED光源安装在CCD图像采集装置的镜头端；其中，锥柄与加工中心主轴锥度相匹配， CCD图像采集装置采用常规镜头；

信号接收和图像分析处理装置 主要由无线信号接收装置、图像分析处理装置和无线信号接收装置组成；其中，图像分析处理装置共用加工中心计算机控制装置，加工中心控制装置上的按键同时作为工件编程原点自动测量按键，按键按下3次启动工件编程原点自动测量程序；无线信号接收装置和加工中心计算机控制装置通过USB接口连接在一起；

将加工中心控制装置上的按键按下后，自动测量系统按照以下几个步骤开始测量：

（1）首先将CCD图像采集发送装置从刀库中由自动换刀装置换装到加工中心的主轴上；

（2）让CCD图像采集发送装置在主轴带动下沿机床坐标系（为数控加工中心固有的坐标系，已由生产厂设置）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；

（3）然后由无线发送装置将图像发送出去，再由无线接收装置接收，并存储在控制装置的存储器中；读取图像进行中值滤波和图像增强后，将图像命名后存储在控制装置的存储器中；

（4）由每移动一大步得到的一系列图像用作者Alex Paul Pentland的论文A new sense for depth of field所述的离焦深度法（Depth From Defocus）确定工件的高度范围；

（5）移动工作台或主轴，使工作台位于主轴正下方，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，并让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做小步长移动，步长范围为1~100μm，移动一步采集一幅图像，共采集K幅图像；

（6）执行上述步骤（3），组成工件表面在Z轴方向上的序列图像，然后用作者Shree K. Nayar的论文Shape from focus system 所述的变焦建模法（Shape From Focus）求出上述序列图像里第k幅图像中聚焦清晰的像素，并记下该幅图像中每一个聚焦清晰的像素在该图图像坐标系（以图像的左上角点为坐标原点，X轴为从原点出发沿图像上边缘向右，Y轴为从原点出发沿图像左边缘向下建立的坐标系）中的像素坐标i_k、j_k、像素灰度值p_k和获取该附图像时主轴在机床坐标系中的坐标Z_k；从而得到第k幅图像中聚焦清晰像素的坐标灰度值（i_k，j_k，Z_k，p_k）；依此方法，得到K幅图像组成的序列图像的坐标灰度值集合{（i_k，j_k，Z_k，p_k）|1≤k≤K}；

（7）从上述序列图像中选取第k_m幅图像，读取其坐标灰度值（i_km，j_km，Z_km，p_km），将其中的聚焦清晰的像素（i_km，j_km，p_km）组成第一幅图像，作为模板；将CCD图像采集发送装置沿机床坐标系Z向移动到该图像的深度坐标Z_km处，与获取该图像时的CCD图像采集发送装置所处的Z向坐标一致；然后保持Z向固定不动，沿机床坐标系X或Y向移动加工中心主轴或工作台，让CCD图像采集发送装置和工件相对平移L_x或L_y长度，采集工件图像；

（8）执行上述步骤（3），用上述变焦建模法（Shape From Focus）求出该图像中聚焦清晰的像素，记下这些像素的像素坐标i_kn、j_kn和像素值p_kn，按照像素坐标和像素值（i_kn，j_kn，p_kn）组成第二幅图像；用模板匹配法（Match Template）对这两幅图像进行最大相关度匹配，可求出第二幅图像相对第一幅图像在上述图像坐标系中沿X和Y向的像素平移量i_x和j_y；

（9）由CCD图像采集发送装置和工件相对平移长度L_x或L_y和聚焦清晰的像素图像在图像坐标系中沿X和Y向的像素平移量i_x和j_y求得每像素代表的尺寸长度为或，作为上述序列图像的像素尺寸当量L_p（含义为图像中每像素代表的尺寸长度），L_p=或L_p=；

    （10）由于CCD图像采集发送装置安装在主轴上，上述序列图像中每幅图像几何中心与加工中心主轴中心线的位置关系是唯一确定的，令X_a和Y_a为安装偏差，则图像几何中心在机床坐标系中X和Y向上的坐标值X_ko和Y_ko满足关系X_ko=X_so+X_a,Y_ko=Y_so+Y_a；令Z_a为上述序列图像中第k幅图像聚焦清晰像素所对应的工件表面上的点与主轴在机床坐标系中的坐标Z_k之间的偏置距离，则该点在机床坐标系中的Z向坐标Z_p=Z_k+Z_a；X_a、Y_a和Z_a在对CCD图像采集装置标定时确定；

（11）由上述序列图像的像素尺寸当量L_p和上述第k幅图像中聚焦清晰像素的坐标灰度值（i_k，j_k，Z_k，p_k），计算出第k幅图像聚焦清晰像素所对应的工件表面上的点在上述机床坐标系中的坐标X_pk=i_k·L_p+X_ko，Y_pk=j_k·L_p+Y_ko,Z_pk=Z_k+Z_a，该点在机床坐标系中的坐标为（X_pk,Y_pk,Z_pk）；依此方法，得到K幅图像组成的序列图像中聚焦清晰像素所对应的工件表面上的点在上述机床坐标系中的坐标集合{（X_p,Y_p,Z_p）|p为求得的所有点}；

（12）由上述方法得到的工件表面点在机床坐标系中的坐标集合{（X_p,Y_p,Z_p）|p为求得的所有点}，将每个点与其周围领域中的点连接构成三角网格，由三角网格组成的面连接形成工件表面的轮廓图形实现工件在加工中心机床坐标系中三维轮廓图形的重构；在相邻点间坐标值用线性插值的方法获得，将工件的重构图形显示在计算机控制装置的显示屏上；

（13）在显示屏上的工件三维轮廓图形中选定工件的编程原点，并取得其坐标值，然后将工件编程原点值（X_o,Y_o,Z_o）写入控制装置的存储器供控制器调用或在计算机自动编程时自动更新控制器工件原点数值。

实施方式二：

    在实施方式一的基础上，CCD图像采集装置采用显微镜头，实现微细加工技术中对微小工件轮廓三维重建后工件坐标原点的确定。

实施方式三：

在实施方式一的基础上，图像分析处理装置采用独立的计算机实现，得到工件编程原点的坐标后，显示在计算机屏幕上，供编程使用。