基于机器视觉状态监控与误差补偿的开放式数控系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于机器视觉状态监控与误差补偿的开放式数控系统，包括人机交互单元、运动控制单元、执行驱动单元、图像采集单元和传感反馈单元，人机交互单元包括工控机和操作面板，运动控制单元包括运动控制板及配套通信模块、I/O模块、总线模块和存储模块，执行驱动单元包括驱动部件、机械执行机构，运动控制单元通过总线模块控制执行驱动单元，上位机数控模块采用多线程机制，每个线程对应实现一部分功能，多个线程并行同时处理以提升系统效率；通过引入图像采集单元，利用机器视觉技术实现系统加工过程的实时监测和加工误差的在线补偿，提高系统安全性和效率；通过图像处理技术检测并补偿数控系统加工误差，提高系统加工精度。

【技术实现步骤摘要】
基于机器视觉状态监控与误差补偿的开放式数控系统
本专利技术涉及数控系统和机器视觉领域，具体地是一种用于精密加工，基于机器视觉实时状态监控与误差补偿的开放式数控系统。
技术介绍
为了解决传统数控系统的封闭性问题，目前很多国家制定了针对开放式数控系统的专项研究计划，例如欧盟的OSACA、日本的OSEC、美国的NGC和中国的ONC等。开放式数控系统已经成为数控系统未来发展的重要方向。所谓的开放式数控系统是指面对机床生产厂商和客户的、运行在同一平台上的功能可定制化数控系统。生产厂商与客户可根据自身的需求，删除、增加或者修改数控系统的功能模块，便捷的将用户的特殊应用集成到数控系统中，快速的形成不同档次、不同类型的数控系统，与传统数控系统开发相比极大地缩小了开发时间。已有的开放式数控系统尚无标准化的硬件结构，开发平台繁多。总体来说，大部分产品都不能同时满足处理速度快、接口丰富、扩展性强以及加工精度高等要求，针对高性能、高精度加工的开放式数控系统研究迫在眉睫。而近些年逐渐成熟的机器视觉技术逐渐开始与数控机床相结合，成为了加工在线监测与误差补偿的重要手段，但目前国内外市场也尚无市场化的、成熟的在线视觉补偿的开放式数控系统的先例，该方面空白亟待有关研究人员解决。经对现有技术的文献检索发现，中国专利文献号ZL200510025061.4，记录了一种数字化精密曲线磨削的控制方法，在精密曲线磨削加工中，基于图像在线识别技术，利用CCD代替传统几何光学成像观察装置，实现数字化精密检测、补偿和控制。该专利技术的缺点是专用性较强，主要针对曲线磨削加工方法，较难推广至其他数控系统。检索中还发现，中国专利文献号CN103034171B，记录了一种开放式柔性数控系统的运动控制系统，包括显示计算机单元、机床面板模块、键盘输入模块、数控主机单元，控制方法包括预装软件、编写程序、转换G代码、输入模块，提供了一个完全开放的数控应用程序开放平台。该专利技术的缺点是没有集成反馈模块，没有提供误差检测和补偿功能。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于机器视觉状态监控与误差补偿的开放式数控系统，本专利技术在传统数控系统的基础上，采用总线通信的方式进行数据交互，引入机器视觉技术，实现数控系统的实时加工状态监控与误差在线补偿，从而有效提高数控系统的开放性、效率和加工精度。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于机器视觉状态监控与误差补偿的开放式数控系统，包括：人机交互单元、运动控制单元、执行驱动单元、图像采集单元和传感反馈单元；所述人机交互单元用于提供系统的人机交互操作功能，同时运行上位机数控模块；所述运动控制单元为嵌入式运动控制器，包括运动控制板、通信模块、I/O模块、存储模块和总线模块，其中：运动控制板负责运行下位机数控模块，通信模块用于实现运动控制板与人机交互单元中的工控机的加工参数数据交互，I/O模块用于实现运动控制板与人机交互单元中的操作面板的数字量数据交互以及接收传感反馈单元的模拟量数据，存储模块用于实现上位机传送的文件数据的暂时存储，总线模块用于实现运动控制板与执行驱动单元的加工参数数据交互；所述执行驱动单元包括驱动机构、机械执行结构，驱动机构包括驱动器、编码器、伺服电机和变频器，其中：驱动器通过总线模块与运动控制板进行运动参数数据交互，驱动器控制伺服电机运动，同时伺服电机的运动通过编码器反馈给驱动器，以形成伺服电机的半闭环控制回路；伺服电机驱动机械执行机构实现进给运动；同时运动控制单元通过总线模块控制变频器，变频器驱动机械执行机构实现切削主运动，切削主运动和进给运动相互配合，实现对加工对象的加工；所述图像采集单元，在系统加工过程中实时拍摄加工对象的图像，并将拍摄到的图像传输至工控机中进行处理分析；所述传感反馈单元，用于将执行驱动单元中的机械执行机构的运动信息，通过运动控制单元中的I/O模块反馈至运动控制单元，从而形成闭环控制回路。优选地，所述人机交互单元包括工控机和操作面板，其中：所述工控机负责运行上位机数控模块，工控机通过运动控制单元中的通信模块与运动控制板进行加工参数数据交互；所述工控机通过网线接收图像采集单元采集到的图像数据；所述操作面板用于对所述系统进行操控，工控机通过总线通讯获取操作面板的操作。优选地，所述上位机数控模块，包括：文本文件管理子模块、通讯管理子模块、系统参数设置子模块、运动状态监控子模块、语法检查纠错子模块、图像处理子模块和在线补偿子模块，其中：文本文件管理子模块，用于加工代码文件的编辑与读写，同时兼有运动轨迹仿真功能；通讯管理子模块，用于选择上位机、下位机间通讯方式，实现上位机、下位机间各类加工参数的传递，包含文本文件管理子模块所读入的文本文件在上下位机之间的传递；系统参数设置子模块，用于上位机设置下位机中的各轴运动的距离、速度与加速度等加工参数，给通讯管理子模块传递给下位机的加工代码文件提供必要运动参数；运动状态监控子模块，读取加工时的运动参数，具体包括运行通讯管理子模块传递给下位机的加工代码文件时，各轴实际运动的距离、速度、加速度、刀具补偿半径等参数，并在参数异常时予以保护；语法检查纠错子模块，对文本文件管理子模块读入的加工代码，进行语法检查与刀具干涉检查，确保传入下位机的加工代码的正确性；图像处理子模块，捕获并处理数字化图像，通过与文本文件管理子模块中读取的加工代码对应的运动轨迹进行图像比对，计算加工时补偿的方向和大小；在线补偿子模块，利用通讯管理子模块与从图像处理子模块中得到的补偿参数，直接控制下位机进行在线补偿。进一步地，所述上位机数控模块采用多线程构架，包括：主线程、文本管理线程、图像处理线程，其中：所述主线程用于实现通讯管理子模块、系统参数设置子模块、运动状态监控子模块的功能；所述文本管理线程用于实现文本文件管理子模块和语法检查纠错子模块的功能；所述图像处理线程用于实现图像处理子模块和在线补偿子模块的功能。优选地，所述下位机数控模块，包括：参数初始化子模块、文本译码子模块、刀补运算子模块、速度前瞻子模块和I/O端口控制子模块，其中：参数初始化子模块，为各轴的加工参数进行初始化，避免先前加工的数据冗余的影响；文本译码子模块，将下位机通讯模块接收的加工代码翻译为下位机可以处理的数据类型，并存储在下位机的存储模块中；刀补运算子模块，基于文本译码子模块的翻译结果，计算考虑刀具半径偏置后的实际加工点位置；速度前瞻子模块，基于刀补运算子模块的计算结果，在考虑所有加工轨迹在满足加工精度要求并平滑过渡的条件下，对各轴运动速度进行提前规划；I/O端口控制子模块，监控并读写I/O端口，改变下位机相关加工参数，控制输出端口高低电平。优选地，所述下位机数控模块采用多线程构架，包括：I/O端口控制线程、加工代码处理线程，其中：所述I/O端口控制线程用于实现I/O端口控制子模块的功能；所述加工代码处理线程用于实现参数初始化子模块、文本译码子模块、刀补运算子模块和速度前瞻子模块的功能。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的开放式数控系统，在数据传输方式上选择总线通信的方式，总线通信具有数据传输种类多、速度快、效率高的优点，可以提高数控系统的兼容性和效率；2、进一步的，本专利技术提供的开放式数控系统，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机器视觉状态监控与误差补偿的开放式数控系统，其特征在于，所述系统包括：人机交互单元、运动控制单元、执行驱动单元、图像采集单元和传感反馈单元；其中：所述人机交互单元用于提供系统的人机交互操作功能，同时运行上位机数控模块；所述运动控制单元，包括运动控制板、通信模块、I/O模块、存储模块和总线模块，其中：运动控制板负责运行下位机数控模块，通信模块用于实现运动控制板与人机交互单元中的工控机的加工参数数据交互，I/O模块用于实现运动控制板与人机交互单元中的操作面板的数字量数据交互以及接收传感反馈单元的模拟量数据，存储模块用于实现上位机传送的文件数据的暂时存储，总线模块用于实现运动控制板与执行驱动单元的加工参数数据交互；所述执行驱动单元包括驱动机构、机械执行结构，驱动机构包括驱动器、编码器、伺服电机和变频器，其中：驱动器通过总线模块与运动控制板进行运动参数数据交互，驱动器控制伺服电机运动，同时伺服电机的运动通过编码器反馈给驱动器，以形成伺服电机的半闭环控制回路；伺服电机驱动机械执行机构实现进给运动；同时运动控制单元通过总线模块控制变频器，变频器驱动机械执行机构实现切削主运动，切削主运动和进给运动相互配合，实现对加工对象的加工；所述图像采集单元，在系统加工过程中实时拍摄加工对象的图像，并将拍摄到的图像传输至工控机中进行处理分析；所述传感反馈单元，用于将执行驱动单元中的机械执行机构的运动信息，通过运动控制单元中的I/O模块反馈至运动控制单元，从而形成闭环控制回路。...

【技术特征摘要】
1.一种基于机器视觉状态监控与误差补偿的开放式数控系统，其特征在于，所述系统包括：人机交互单元、运动控制单元、执行驱动单元、图像采集单元和传感反馈单元；其中：所述人机交互单元用于提供系统的人机交互操作功能，同时运行上位机数控模块；所述运动控制单元，包括运动控制板、通信模块、I/O模块、存储模块和总线模块，其中：运动控制板负责运行下位机数控模块，通信模块用于实现运动控制板与人机交互单元中的工控机的加工参数数据交互，I/O模块用于实现运动控制板与人机交互单元中的操作面板的数字量数据交互以及接收传感反馈单元的模拟量数据，存储模块用于实现上位机传送的文件数据的暂时存储，总线模块用于实现运动控制板与执行驱动单元的加工参数数据交互；所述执行驱动单元包括驱动机构、机械执行结构，驱动机构包括驱动器、编码器、伺服电机和变频器，其中：驱动器通过总线模块与运动控制板进行运动参数数据交互，驱动器控制伺服电机运动，同时伺服电机的运动通过编码器反馈给驱动器，以形成伺服电机的半闭环控制回路；伺服电机驱动机械执行机构实现进给运动；同时运动控制单元通过总线模块控制变频器，变频器驱动机械执行机构实现切削主运动，切削主运动和进给运动相互配合，实现对加工对象的加工；所述图像采集单元，在系统加工过程中实时拍摄加工对象的图像，并将拍摄到的图像传输至工控机中进行处理分析；所述传感反馈单元，用于将执行驱动单元中的机械执行机构的运动信息，通过运动控制单元中的I/O模块反馈至运动控制单元，从而形成闭环控制回路。2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉状态监控与误差补偿的开放式数控系统，其特征在于，所述人机交互单元包括工控机和操作面板，其中：所述工控机负责运行上位机数控模块，工控机通过运动控制单元中的通信模块与运动控制板进行加工参数数据交互；所述工控机通过网线接收图像采集单元采集到的图像数据；所述操作面板用于对所述系统进行操控，工控机通过总线通讯获取操作面板的操作。3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉状态监控与误差补偿的开放式数控系统，其特征在于，所述操作面板通过运动控制单元中的I/O模块与运动控制板进行数字量数据交互，通过操作面板上的按钮控制实现所述系统的基本功能。4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉状态监控与误差补偿的开放式数控系统，其特征在于，所述上位机数控模块，包括：文本文件管理子模块、通讯管理子模块、系统参数设置子模块、运动状态监控子模块、语法检查纠错子模块、图像处理子模块和在线补偿子模块，其中：文本文件管理子模块，用于加工代码文件的编辑与读写，同时兼有运动轨迹仿真功能；通讯管理子模块，用于选择上位机、下位机间通讯方式，实现上位机、下位机间各类加工参数的传递，包含文本文件管理子模块所读入的文本文件在上下位机之间的传递；系统参数设置子模块，用于上位机设置下位机中的各轴运动的距离、速度与加速度等加工参数，给通讯管理子模块传递给下位机的加工代码文件提供必要运动参数；运动状态监控子模块，读取加工时的运动参数，具体包括运行通讯管理子模块传递给下位机的加工代码文件时...

【专利技术属性】
技术研发人员：许黎明，陈禺，胡一星，范帆，蒋振辉，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31