基于图像的工件加工精确定位方法技术

一种基于图像的工件加工精确定位方法，通过建立增材制造的零件毛坯安装于数控机床之上的工件坐标系，以相机透镜中心和主光轴为基准建立成像坐标系，拍摄同时包含零件基准参照物和工件坐标系参照物的图像，识别图像中零件基准参照物和工件坐标系参照物之间的相对位置信息，经坐标变换得到零件基准参照物在工件坐标系内的位置，从而确定零件毛坯的初始加工位置。本发明专利技术能够将同一坐标系内图片的有效特征之间的关系来求得实际中的位置关系，从而进行找正定位。该方法确保在无接触的情况下，利用机床的自由度实现工件毛坯找正基准。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种金属加工领域的技术，具体是一种通过视觉识别提取近净成 形毛坯特征从而找正定位基准的方法。
技术介绍
在传统加工过程中，一般采用"去除材料"的方式来获得零件的最终形状。在这种 情况下，闭式整体叶盘类零件的毛坯一般采用能够包络最终形面的锻件实体为毛坯，致使 后续加工的材料去除量非常大，经常会遇到需要去除毛坯上50%以上材料的情况。这样一 来，一方面完整尺寸的锻件毛坯会使得毛坯成本居高不下，尤其是闭式整体叶盘类零件的 材料采用高温合金或者钛合金的等比较昂贵的材料，且加工时这些材料都被去除，会产生 很大浪费；而另一方面，大余量材料去除需要大量的工时，设备的占用率也会相应很大，同 时加工还需要消耗大量的刀具以及人力资源，在这些效果综合作用下，零件的加工成本也 会非常高昂。针对高温合金等难切削材料，这个影响会更大。 如果能够减少闭式整体叶盘类零件的加工余量，将会大大减少制造成本。而增材 制造恰好提供了这样一种可能。随着技术的发展，增材制造正在逐渐改变加工的过程。尤 其是在制造具有复杂结构零件的过程中，增材制造拥有巨大的优势。近些年来，增材制造技 术已经获得了越来越多的应用。增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据 驱动直接制造零件。这样可以生产出来贴近最终形面的近净成形毛坯，甚至在零件精度要 求不高的情况下可以用来直接完成最终形面的制造，大大减少后续工序的材料去除量。从 而缩短零件的生产周期，并降低生产成本，同时也可以减少材料的浪费。增材制造有着非常 广泛的应用前景，随着越来越多的材料可以用作增材制造，制造业将会迎来颠覆性的发展。 增材制造给加工带来的便利不只是在减少了材料去除量，由于此时闭式整体叶盘 类零件已经拥有预成形轮廓，很多型腔已经贯通，加工过程中的排肩和冲液可以更好。这对 传统的切削加工和特种加工都可以带来积极的影响。在切削加工过程中，由于切肩可以非 常方便地被带走，冲液可以直达加工区域，带走大量的加工产生的热，可以提高刀具寿命， 并减小因加工引起的热应力。对特种加工而言，贯通的型腔可以获得较好的冲液流场，也可 以改善加工状态。在闭式叶盘类零件的生产过程中，这两种手段都是常用的。因此，将增材 制造技术应用于复杂零件的制备，则可以极大地改善加工过程。 但是，增材制造的闭式整体叶盘类零件拥有预成形轮廓，在后续加工中需要解决 加工基准转移的问题。通过增材制造获得的叶盘类零件已经拥有贴近最终形面的轮廓，在 增材制造的过程中零件已经拥有一个基准，后续加工需要在此基准之上进行。而后续加工 的时候如果不能正确地找到这个基准，则很可能会损伤已有的轮廓，最终导致零件报废。为 了获取这些基准，一般采用机械找正的方式，通过获取零件上一些特征形面相对机床的位 置建立工件坐标系，从而进行后续加工。这种方式对零件上的特征形面要求比较高，一般只 适合平面和圆柱面等比较规则的形面。而一旦零件上出现自由曲面，基准获取将难以实现。 同时，机械式找正所采集数据有限，不能很好的从统计角度上获得基准，这样获得的基准精 度也比较低。现有的增材制造的精度并不是很高，尤其是金属材料，零件的表面粗糙度也比 较大。机械找正多采用接触式方法，零件的表面粗糙度会给机械找正精度带来不小的影响。 为了确保后续加工，减少因增材制造本身精度和找正操作精度的影响，一般需要在增材制 造的毛坯上为后续加工留有足够的余量。如果余量设置的过大，则会一定程度上削弱增材 制造的优势。 经过对现有技术文献检索发现，目前基准找正相关的方法多是采用一些特殊装置 实现。中国专利文献号0附03481085六，公开（公告）日2014.01.01，公开了一种非规则外 形结构毛料数控加工基准快速找正装置及其方法，在铣切夹具上设有支撑台，其长度方向 上设有定位装置，宽度方向的一端设有快速找正装置，另一端设有压板，压板的端部位于支 撑台的上方；其中定位装置和压板分别与铣切夹具活动连接；在快速找正装置是由快速找 正器、两个圆柱定位销和若干个圆锥找正销组成，在上弯折表面上设有若干个圆锥找正销， 其底部顶尖均匀分布在待加工铸件的待加工轮廓线，在快速找正器的下弯折表面设有两个 圆柱定位销，并与铣切夹具上对应位置设置的两个通孔配合；在铣切夹具的某一固定位置 设有圆形对刀块。但该技术需要非常复杂的装置来实现基准找正，操作复杂。 中国专利文献号0附01101484，公开（公告）日2008.01.09，公开了一种基于机器 视觉的二维定位装置，它包括固联于机床上的数字相机，与数字相机相连的处理器；选定工 件上的几何特征作定位对象特征，所述数字相机获取该定位对象特征的数字图像并传送到 处理器，处理器采用图像的模板匹配算法识别工件上的定位对象特征，采用边缘检测算法 计算所述定位对象特征在相机视场中的坐标，通过坐标变换得到工件在机床中的坐标。但 该技术只能用于二维定位，且定位的参考需要位于平行于机床工作台面，而定位基准如果 不在这些平面内，则适用性会降低。同时，该方法的相机固定于机床上，能够拍摄的自由度 会受到一定限制。 目前，随着图像摄取设备的飞速发展，机器视觉已经获得越来越广泛地应用。通过 机器视觉，可以实现设备的高度智能化。目前视觉识别的精度也达到了很高的水准，可以很 好地满足工业应用的要求。采用视觉识别来提取近净成形毛坯基准则可以较好地解决上述 问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于图像的工件加工精确定位方 法，能够将同一坐标系内图片的有效特征之间的关系来求得实际中的位置关系，从而进行 找正定位。该方法确保在无接触的情况下，利用机床的自由度实现工件毛坯找正基准。 本专利技术是通过以下技术方案实现的： 本专利技术通过建立增材制造的零件毛坯安装于数控机床之上的工件坐标系，以相机 透镜中心和主光轴为基准建立成像坐标系，拍摄同时包含零件基准参照物和工件坐标系参 照物的图像，识别图像中零件基准参照物和工件坐标系参照物之间的相对位置信息，经坐 标变换得到零件基准参照物在工件坐标系内的位置，从而确定零件毛坯的初始加工位置。 所述的零件基准参照物是指：零件毛坯包含定位基准信息的形面特征。 所述的工件坐标系参照物是指：与机床固连的包含工件坐标系基准的形面特征。 所述的图像，优先经过预处理，该预处理包括但不限于：灰度处理、二值化处理、滤 波处理等。 所述的相对位置信息是指：从图像上零件基准参照物和工件坐标系参照物的像素 簇中识别出各自基准，拟合其在成像坐标系内的表达，得到零件定位基准相对工件坐标系 的位置关系。 技术效果 与现有技术相比，本专利技术可以再无接触的情况下获取闭式整体叶盘零件增材制造 毛坯的基准，可以减少近净成形毛坯表面粗糙度大和近净成形过程中精度不高的影响。对 于近净成形毛坯来说，此时零件已经有大致轮廓，零件上只有基准，并无供精加工所用的基 准，采用机械打表或者划线找正的方式的误差会比较大。尤其是针对拥有自由行面的叶盘 类零件来说，叶片的扭曲会给找正带来非常大的困难。并且零件的后续加工的余量也不是 很大，如果找正误差比较大，则很容易在后续加工过程中损坏已有的形面，造成零件报废。 本专利技术提出的视觉识别方法则可以很容易解决这个难题，该方法受毛坯表面形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于图像的工件加工精确定位方法，其特征在于，通过建立增材制造的零件毛坯安装于数控机床之上的工件坐标系，以相机透镜中心和主光轴为基准建立成像坐标系，拍摄同时包含零件基准参照物和工件坐标系参照物的图像，识别图像中零件基准参照物和工件坐标系参照物之间的相对位置信息，经坐标变换得到零件基准参照物在工件坐标系内的位置，从而确定零件毛坯的初始加工位置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵万生，康小明，梁为，杨玉玄，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31