用于检测工件几何形状的系统和方法

摘要

本发明涉及一种用于检测工件(1)的几何形状的系统和方法。为了简化加工工件(1)时对制造策略的优化，本发明提出的解决方案是：所述系统具有至少一个摄像机(2)、一个用于存储标称几何值的存储区、确定构件和计算构件，其中，所述摄像机用于在加工步骤开始之前为所述工件(1)摄制至少一个图像，所述标称几何值是所述加工步骤结束后工件(1)应该具有的几何值，所述确定构件用于根据所述至少一个图像确定工件几何值，所述工件几何值是所述加工步骤开始之前工件(1)具有的几何值，所述计算构件用于计算用以描述所述工件几何值与所述标称几何值之差的几何差值(3)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在工件加工过程中检测工件几何形状的系统和方法以及一种包括所述系统的机床。

背景技术

举例而言，本发明应用于通过一个专用机床制造一个组件的过程，在此过程中，用于制造所述组件的坯件的几何形状必须为已知信息，这样才能确定一种适当的制造策略。一种适当的制造策略的选择不仅与所述待制造组件的预期几何形状(即所谓的标称几何形状)有关，还与所述基础坯件的体积和几何形状有关。特别是当所述坯件通过铸造法制成时，所述坯件的几何形状有可能会发生相当可观地变化。考虑到这些铸件之间的差异，人们常常希望能研制出一种适当的、面向所述坯件几何形状的制造策略。其前提是在加工过程开始之前就已获知每个工件或每个坯件的几何形状。

在用一种专用机床实施一个生产步骤之前就已获知所述坯件的几何形状，这对于切削加工而言特别理想。其中，基础工件的几何形状与成品组件的几何形状之间的差别决定了所谓的组件加工余量。这些组件加工余量是一种用于衡量制造过程中实际需要切削的组件体积的尺度。举例而言，为了在用一种数控机器进行生产的过程中实现制造策略的最佳选择，应在选择数控程序和加工工具时将这些组件加工余量考虑在内。

目前一般通过一种机械测量系统或加工余量表(适用于铸件)来确定所述坯件的几何形状，进而确定所述待制造组件的加工余量。使用机械测量系统时，用一种测量头扫描基础工件。为了尽可能精准地确定坯件的几何形状，通常需要重复多次地接触所述工件。

发明内容

本发明的目的是提供一种能以更简单的方式确定适用于工件加工的制造策略的方法。

这个目的通过一种用于确定一个工件因一个加工步骤而产生的几何形状变化的系统而达成，所述系统包括：

-至少一个摄像机，所述摄像机用于在所述加工步骤开始之前为所述工件摄制至少一个图像，

-一个用于存储标称几何值的存储区，这些标称几何值是所述加工步骤结束后所述工件应该具有的几何值，

-确定构件，该确定构件用于根据所述至少一个图像确定工件几何值，这些工件几何值是所述加工步骤开始之前所述工件具有的几何值，

-计算构件，该计算构件用于计算用以描述所述工件几何值与所述标称几何值之差的几何差值。

此外，上述目的还通过一种用于确定一个工件因一个加工步骤而产生的几何形状变化的方法而达成，所述方法包括以下处理步骤：

-在所述加工步骤开始之前借助至少一个摄像机为所述工件摄制至少一个图像，

-根据所述至少一个图像确定工件几何值，这些工件几何值是所述加工步骤开始之前所述工件所具有的几何值，以及

-计算用以描述所述工件几何值与标称几何值之差的几何差值，所述标称几何值是所述加工步骤结束后所述工件应该具有的几何值。

在对(例如)用一个机床实施的一个生产步骤进行优化时，所获知的几何差值(即加工前后的工件几何形状之差)是一个重要的输入量。因此本发明认为，通过一种视觉法可特别有效、特别快速地确定这些几何差值。为此须先借助至少一个摄像机为待加工工件摄制一个图像。当然，也可视需要在所述工件上实施的具体加工步骤而定为所述工件摄制多个图像。一般情况下，借助所述摄像机为所述工件摄制不同角度的图像，是有利的。其实现方式(例如)为，转动所述摄像机或改变所述工件位置。除此之外，所述系统也可包括多个摄像机，这样就可用一个以上的摄像机为所述工件摄制不同角度的图像。

随后根据所述工件的一个或两个以上图像确定工件几何值，这些工件几何值说明的是所述加工步骤开始之前所述工件具有的几何形状。

待制造组件在所述加工步骤结束后的预期几何形状以标称几何值的形式存储在所述存储区内。作为优化所述制造策略的基本步骤，须在所述标称几何值与所述工件几何值之间求差。求差的结果用所述几何差值表示。

与现有技术中的已知方法相比，此处所说明的用于检测工件几何形状的光学系统的优点在于，对所述几何形状进行视觉检测比用测量头扫描所述工件的几何形状明显更快。使用已知的机械方法时，通常需要多次接触坯件或工件才能确定所述坯件或所述工件的几何形状。为避免发生碰撞，采用这种基于接触的坯件几何形状确定方法时，只能使所用测量探头极其缓慢地与所述工件相接触。因此，与本发明的检测工件几何形状的方法相比，现有技术中的这些已知方法明显更为耗时。

使用这些已知的机械方法时，还需至少粗略获知所述工件在所述机床或夹紧工具内的位置。否则就须将所述测量探头手动移动至一个适当的开始位置，以手动方式实施所述测量过程。这种手动过程会增加机器内的处理时间，占用机器的生产处理时间。如果这种手动测量过程是在一个夹紧工位上进行，就会显著增加辅助处理时间。通过本发明的用于检测工件几何形状的视觉系统，可避免生产处理时间和/或辅助处理时间被延长。

本发明的这种在所述加工步骤开始之前对工件几何形状进行检测的方法对于切削过程而言特别有利。因此，根据本发明的一个有利建构方案，设置有用于计算所述几何差值的计算构件，所述几何差值的形式为至少一个加工余量，通过在所述加工步骤中从所述工件上切除所述加工余量，可获得所述标称几何值。所述工件加工过程中的待切削体积取决于组件的加工余量。因此，为了使这种切削过程的刀具磨损度最小化和/或尽可能缩短生产时间，需要在优化所述制造策略时将所述加工余量考虑在内。相对于现有技术而言，通过在加工之前以光学方式确定工件的几何形状，并据此确定所述加工余量，可大幅缩短进行这种制造策略优化所需的时间。

一方面可以所述几何差值为依据来为生产过程确定一种最佳工具。另一方面尤其还可在数控生产过程中将所述几何差值用于一种加工程序的优化。因此，根据本发明的另一有利建构方案，所述系统具有匹配构件，该匹配构件可根据所述几何差值对一种用于控制所述工件加工过程的加工程序进行匹配。

根据本发明的一种有利实施方式，所述存储区用于存储一个与所述标称几何值相应的标称几何模型，所述标称几何模型描述的是所述加工步骤结束后的工件。

根据本发明的另一有利建构方案，所述系统具有用于生成所述标称几何模型的模型生成构件。举例而言，这些模型生成构件可在所述加工程序的基础上生成所述标称几何模型。采用本发明的这种建构方式时，如果所述存储区内尚未存在任何标称几何模型，所述加工程序就会自动生成上述标称几何模型，随后将其存储在所述存储区内。

根据本发明的另一有利实施方式，所述确定构件用于以一个工件几何模型的形式确定所述工件几何值。根据这种实施方式的另一有利建构方案，所述计算构件用于根据所述标称几何模型和所述工件几何模型计算所述几何差值。其中，借助相应模型将加工前后的工件几何形状相比较，并以此为基础来确定一种最佳制造策略。

存在有多种适用于确定工件几何形状的图像识别算法。本发明的一种有利实施方式的特征(例如)在于，所述确定构件通过从所述图像中提取所述工件的棱边来确定所述工件几何值。

根据本发明的另一有利建构方案，所述系统具有选择构件，所述选择构件用于在所述几何差值的基础上选出一种适用于所述加工步骤的机床刀具。举例而言，如果在一个切削过程中先确定了一个加工余量，就可借助这个加工余量及其所决定的待切削体积来避免刀具发生断裂，其方式为，在所述几何差值的基础上确定一种具有相应尺寸的机床刀具，或者对切削分配进行相应匹配。

为达到诸如优化加工时间、减小刀具磨损度、避免刀具断裂和保证待制造组件质量等目的，在生产技术范围内为机床配备根据上述任意一种实施方式建构而成的系统，是有利的。

附图说明

下面借助附图所示的实施例对本发明进行详细说明，其中：

图1为检测工件几何形状的方法的示意图；

图2为用于检测工件几何形状的系统。

具体实施方式

图1显示的是一种检测工件1的几何形状的方法的示意图。工件1位于一个夹紧工位的工件平台7上。在一个切削加工步骤中，需要在形式为立方形坯件的工件1的一个棱边上铣削出一个阶梯形轮廓。这个铣削过程需要通过一个数控铣床完成。

为了确定这个加工步骤的一个最佳制造策略，需要通过所示方法以尽可能少的时间确定铣削成品的加工余量。所述加工余量表示的是需要用所述铣床来切削的体积。也可以这个体积为基础来选择一种适当的刀具。在所述加工余量的基础上可推断出刀具在所述铣削过程中的磨损度，从而选出一种适当的刀具。

所述铣削过程由加工程序4控制，加工程序4在所述铣床的一个数控装置上运行。为了优化生产过程，在所示方法中根据所述加工余量对数控加工程序4进行匹配。

为了确定所述加工余量，先用摄像机2为待加工工件1摄制一个图像。如果工件7采取的是可一种转动安装方式，就可将工件1置于一些不同的位置，这样就可通过摄像机2为工件1设置更多图像。

通过一种数学算法根据这些图像产生一个工件几何模型6。这个模型涉及的是被观测物体的一个边缘模型。产生这个边缘模型6时，先从图像中扣除周围物体，如所示实施例中的工件平台7。

加工程序4自动生成一个标称几何模型5，标称几何模型5描述的是所述铣削过程结束后的工件余量。在此情况下，通过将工件几何模型6与标称几何模型5相比较，就可获得待制造组件的加工余量。通过求差，最终产生表示所述组件的加工余量的几何差值3。这些几何差值3一方面用于为所述铣床选出一种合适刀具。另一方面可以这些几何差值3为基础来对加工程序4进行匹配，以便确定一种最佳制造策略。

图2显示的是一个用于检测工件1的几何形状的系统，工件1定位于工件平台7上。为了尽快、尽可能有效地对这个用作生产过程的坯件的工件1的几何形状进行检测，所述系统包括摄像机2。系统的使用者可以通过HMI 8(人机界面)启动一个用于确定待制造零件的所述加工余量的指令。通过HMI8启动所述系统后，摄像机2为工件1摄制不同的图像，其中，工件平台7在这些图像之间进行依次转动，以便摄像机2可以从新的视角检测组件。摄像机2将这些图像发送到PC9上。PC9上安装有一个计算机程序形式的确定构件，所述确定构件用于确定工件几何值，这些工件几何值是加工步骤开始之前所述工件所具有的几何值。PC9上还安装有同样为一个计算机程序形式的计算构件，所述计算构件用于计算几何差值，这些几何差值描述的是所述工件几何值与所述标称几何值之差。此外，PC9还包含有一个存储区，这个存储区内存储有一个标称几何模型形式的标称几何值，这些标称几何值是加工步骤结束后所述工件应该具有的几何值。除此之外，PC9还具有匹配构件，借助所述匹配构件可根据所述几何差值对一个用于控制工件1的加工过程的加工程序进行匹配。

先用PC9根据工件1的所述图像生成工件几何模型，将这个工件几何模型与所述标称几何模型相比较，随后确定所述几何差值；在此之后，在PC9上根据所述几何差值对所述加工程序进行自动匹配。随后通过PC9将以此种方式获得的优化加工程序加载到用于实施加工过程的机床的数控装置10上。

上文所述的几何差值确定方法不仅可有利地应用于上述分离性生产过程，其中，所述几何差值描述的是工件几何形状在生产步骤中的预期变化。这种方法还可应用于会使工件几何形状发生变化的所有生产步骤。此外，(例如)在用固体坯件通过永久性变形来制造组件的成形过程中，通过用光学方法对坯件几何形状进行检测来优化成形过程，也是有利的。举例而言，这类成形方法包括锻造、压印、轧制、挤压、折叠、拉深、翻边、卷边、矫直和弯曲等。此外，本发明还可应用于几何形状会因添加材料而发生变化的涂层方法。