1、視覺輔助數(shù)控銑削加工軌跡的生成視覺輔助數(shù)控銑削加工軌跡的生成隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,從根本上改變傳統(tǒng)制造業(yè),工業(yè)發(fā)達(dá)國家花了大筆的錢在現(xiàn)代制造技術(shù)的研究與開發(fā),創(chuàng)建一個新的模型。在現(xiàn)代制造系統(tǒng),數(shù)控技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù),結(jié)合微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動檢測、自動控制,比如集成先進(jìn)的、高精度、高效率、靈活的自動化等特點(diǎn),制造業(yè)靈活的自動化、集成、智能起著關(guān)鍵性的作用。目前,數(shù)控技術(shù)正在經(jīng)歷一個根本性的改變,從一個特殊的閉環(huán)控制模式為通用的實(shí)時動態(tài)打開所有的閉環(huán)控制模式。在綜合的基礎(chǔ)上,CNC系統(tǒng)的超薄、超輕;聰明的基礎(chǔ)上,綜合計(jì)算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他技術(shù)的學(xué)科,數(shù)控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)高速、

2、高精度、高效率控制、自動處理可以修改調(diào)節(jié)補(bǔ)償和參數(shù)進(jìn)行在線智能故障診斷和治療的網(wǎng)絡(luò)基于CAD / CAM和數(shù)控系統(tǒng)集成為一臺計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),使中央政府集中控制該集團(tuán)的控制過程。長期以來，數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)封閉式體系結(jié)構(gòu)，但只能作為非智能數(shù)控機(jī)床控制器。基于經(jīng)驗(yàn)的過程變量是預(yù)先固定參數(shù)的形式。處理前是由專人或通過CAD / CAM及自動編程系統(tǒng)編寫實(shí)際的處理程序。CAD / CAM與數(shù)控系統(tǒng)沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程是一個封閉的數(shù)控開環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在一個復(fù)雜的和環(huán)境變化的情況下的加工過程中，加工刀具的構(gòu)成，工件材料，主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度，刀具路徑，切削深度，走刀次數(shù)和粗糙度等其它工藝參數(shù)，并不是在外部干

3、擾和實(shí)時動態(tài)隨機(jī)因素的環(huán)境情況下得到的。不能通過隨機(jī)修正反饋控制系統(tǒng)的CAD / CAM的設(shè)置數(shù)量。這反而影響到數(shù)控加工效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。顯然，傳統(tǒng)的固定數(shù)控系統(tǒng)的控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了數(shù)控到更智能化的控制變量的發(fā)展，已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜的制造過程。因此，數(shù)控技術(shù)的潛在的變革是不可避免的。CAD/CAM軟件是一種網(wǎng)狀交互型的計(jì)算機(jī)編程系統(tǒng)，它用來檢測、處理和控制數(shù)據(jù)流的制造。在今天現(xiàn)代技術(shù)廣泛的依靠于像具有初始圖形交換規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與自動化路徑規(guī)劃模塊（IGES）的整合。這種集成的目的是盡可能保持系統(tǒng)的通用性。對制造系統(tǒng)的各個方面的整合提供了系統(tǒng)的整體自動化。機(jī)器視覺系統(tǒng)是用來生成數(shù)控代碼

4、，以幫助解決銑削任何平面多邊形的一部分。視覺系統(tǒng)有助于捕捉一個多邊形對象的圖像。通過基于簡單的圖像處理規(guī)則的軟件執(zhí)行計(jì)算圖像被解碼成邊和頂點(diǎn)。然后軟件把控制信息傳遞到路徑規(guī)劃模塊。此模塊選擇最有效的刀具路徑，生成零件程序來銑削零件。本文介紹了該算法的詳細(xì)描述及其應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。- 1 -視覺輔助數(shù)控銑削加工軌跡的生成關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺，路徑規(guī)劃，數(shù)控銑床簡介機(jī)器視覺系統(tǒng)已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。這應(yīng)用包括：常規(guī)工業(yè)零部件的檢驗(yàn)和機(jī)器人裝配的檢驗(yàn)。視覺系統(tǒng)也和機(jī)器人系統(tǒng)集成在一起提供自動感應(yīng)姿勢和速度的最終效應(yīng)的功能。隨著廉價的計(jì)算硬件的出現(xiàn)，機(jī)器視覺系統(tǒng)已成為制造業(yè)中的系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)組成部分。在這個世紀(jì)中，

5、制造業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)是越來越多的努力轉(zhuǎn)向于自動化機(jī)器的進(jìn)程。數(shù)控機(jī)床（數(shù)控），標(biāo)志著電腦在制造業(yè)中應(yīng)用的時代的開始。越來越多的技術(shù)從此被用來幫助這一過程。數(shù)控機(jī)床工具已經(jīng)由物質(zhì)流系統(tǒng)和裝配單元相聯(lián)在一起。數(shù)控機(jī)床由離線軟件支持生成零件程序和磁帶機(jī)格式來加工各種幾何形狀的零件。離線軟件是通過路徑規(guī)劃師使用NC CAD鏈接像NC視覺和NC鏈接來創(chuàng)建的。數(shù)控機(jī)床和分布式數(shù)控機(jī)器提供一個控制計(jì)算機(jī)直接訪問機(jī)器。然而，有一個特殊情況，一個車間的零件的幾何形狀變化時（由于設(shè)計(jì)變更或供應(yīng)商的規(guī)格），在這種情況下，改變數(shù)控加工路徑規(guī)劃被證明是非常繁瑣且費(fèi)用昂貴的。因此，一個完整的視覺模塊，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)和計(jì)算

6、機(jī)輔助制造系統(tǒng)應(yīng)該用在設(shè)施中與部分環(huán)境的變化一致。本模塊將幫助機(jī)器看著零件，提取零件的幾何特征并組織它們在IGES類型的格式下。通過對幾何數(shù)據(jù)組織，機(jī)器可以自動規(guī)劃加工順序來達(dá)到更好的處理效率。在取放設(shè)備，如機(jī)器人，也能夠根據(jù)這個積分模塊生成的信息來進(jìn)行指導(dǎo)。雖然在機(jī)器視覺系統(tǒng)和路徑規(guī)劃領(lǐng)域已經(jīng)做了廣泛的研究，但是，沒有證據(jù)證明機(jī)器的視覺系統(tǒng)能夠和路徑規(guī)劃程序集成在一起。在本篇文章中，用機(jī)器視覺的結(jié)合，CAD和CAM的使用，以建立一個結(jié)構(gòu)來確定一個零件上的平面銑削有效的刀具路徑。路徑規(guī)劃的要求初始圖形交換規(guī)范是一種基于和使用CAD系統(tǒng)的通信文件結(jié)構(gòu)生成數(shù)據(jù)的規(guī)范。該IGES的目的是提供對CAD

7、和CAM系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的自動交換的共同標(biāo)準(zhǔn)。截至目前，有三種常用的計(jì)算機(jī)模型來表示對象類型實(shí)體。它們是線框，邊界和體積表示模型。這些模式各有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在其目前的形式，IGES也不能容納體積申述。它根據(jù)確切位置和方向上的 - 2 -視覺輔助數(shù)控銑削加工軌跡的生成實(shí)體存儲數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)被分割成不同的部分。例如，一個多面體是通過捕捉這個多面體的表面形狀來形成的。這些表面形狀的數(shù)據(jù)是通過把它們分割成邊存儲起來。這些邊是通過形成它們的點(diǎn)來進(jìn)一步定義的。頂點(diǎn)是根據(jù)它在坐標(biāo)軸上相應(yīng)的位置和方向存儲的。因此，一個完整實(shí)體的數(shù)據(jù)是根據(jù)它在空間的幾何規(guī)范來存儲的。因此，IGES涉及到以計(jì)算機(jī)為導(dǎo)向的產(chǎn)品的定

8、義，并且處理CAD和CAM。以IGES格式存儲的數(shù)據(jù)可以形成許多CAD / CAM應(yīng)用的輸入。現(xiàn)代技術(shù)廣泛的依靠于這個標(biāo)準(zhǔn)和自動生成程序的路徑的結(jié)合。現(xiàn)在有許多刀具路徑生成機(jī)器對象方案。這些CAM軟件套件主要是離線工作的，主要用于生成數(shù)控機(jī)床所加工的物體的部分程序。路徑規(guī)劃模塊提供給用戶一個高效率的路徑規(guī)劃工具來產(chǎn)生高效率的數(shù)控代碼。路徑規(guī)劃模塊所需要的唯一信息是被加工零件的幾何特征。這些路徑規(guī)劃模塊應(yīng)該是盡可能通用而且必須靈活。因此，路徑規(guī)劃模塊應(yīng)該遵守優(yōu)化加工策略的相關(guān)規(guī)則。面銑刀，有兩種類型的路徑生成策略：樓梯銑床和窗口，如圖1所示，這兩種技術(shù)在工業(yè)中都得到了相應(yīng)的應(yīng)用。雖然有效的路徑規(guī)

9、劃是可行的，最優(yōu)路徑規(guī)劃在文獻(xiàn)中并不是那么明顯。硬件/軟件結(jié)構(gòu)圖像采集與處理，一個在這項(xiàng)研究中使用的視頻采集系統(tǒng)，用它可以獲得表面是平的鑄件表面上的多邊形的圖像。視頻采集系統(tǒng)如圖2所示。視頻采集系統(tǒng)包含3個主要的部分：一個攝像機(jī)攝像頭，圖像采集卡，和一個視頻接口板。視頻采集系統(tǒng)是基于個人電腦眼系統(tǒng)的IBM個人電腦的一部分。圖像是二元閥值的（在一個白色背景上的黑色圖像）。使用已知維度的條紋估計(jì)換算系數(shù)來完成前定標(biāo)。該對象的邊界像素被鑒定為檢測對象的邊緣。一個二維的邊界走技術(shù)被用來編碼對象的邊界。霍夫變換技術(shù)被應(yīng)用于識別該對象的邊緣。這些邊交叉口通過使用Cramer規(guī)則而獲得，因此，對象的頂點(diǎn)就被

10、破譯了。邊界框是用來確定有效的邊緣交叉（在同一時間采取兩個，按順序）。該圖像采集和處理本身是一個獨(dú)立的主題，并解釋了文獻(xiàn)中其它地方。在這里只提出了一個總結(jié)以便于了解這篇文章的內(nèi)容。數(shù)據(jù)的組織。根據(jù)零件的面、邊和頂點(diǎn)獲得了零件的幾何信息之后，這些數(shù)據(jù)信息被組織在一個格式類型的文件之下。通過視覺系統(tǒng)獲得輸入工作，路徑規(guī)劃模塊就產(chǎn)生了。實(shí)體的一個面上的數(shù)據(jù)在同一時間獲得，這個面被 - 3 -視覺輔助數(shù)控銑削加工軌跡的生成分解成邊和頂點(diǎn)，這種開發(fā)算法的首要任務(wù)是給頂點(diǎn)重新編號，這一步驟這樣做是為了保持頂點(diǎn)的一個有序軌道并保持它盡可能的通用。然后程序確定所求表面上坐標(biāo)軸上的最大坐標(biāo)。在這一點(diǎn)上，表面被分

11、成兩部分，上部和下部。定義為正向循環(huán)和反向循環(huán)最大和最小之間的X坐標(biāo)。每一個點(diǎn)被組織好后，面上每一條邊的關(guān)系也必須唯一確定下來了，也就是說，每一條邊的的角度也必須唯一確定。每一條邊的的角度的確定方法如下：1、對于正向循環(huán)，角度的計(jì)算是從一個頂點(diǎn)到下一個頂點(diǎn)直到達(dá)到X軸的最大坐標(biāo)；2、對于反向循環(huán)，第一個角度的計(jì)算是該直線從第一個頂點(diǎn)將最后的頂點(diǎn)向量夾角，隨后直線角度的計(jì)算和當(dāng)前頂點(diǎn)和前面的與它相關(guān)的頂點(diǎn)有關(guān)，直到達(dá)到X軸的最大坐標(biāo)；角度計(jì)算完之后，該程序把控制傳遞到CAM路徑下。除了從CAD所獲得數(shù)據(jù)信息外，還需要進(jìn)給速度和刀具直徑的信息。路徑規(guī)劃。銑削是斷續(xù)切削操作，通常用于產(chǎn)生平整的表面輪

12、廓。銑床和銑削加工過程通常是根據(jù)刀具和工件所存在的關(guān)系來分類。在表面銑削過程中，是使用面銑刀來加工工件的（如圖3所示）。刀具和工件之間的自然關(guān)系如圖4所示，通過刀具直線移動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的及相關(guān)的工作來完成銑削過程。因此，銑削速度，進(jìn)給量和進(jìn)給深度是影響加工表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。由于銑削的進(jìn)行，從刀具開始銑削到銑削結(jié)束所積聚的切屑，在銑削出口處自動清洗干凈。非常大的銑削深度由于機(jī)床剛度和切屑排除情況的影響是不允許的。如前所述，刀具沿工件的運(yùn)動有兩種方法，這些被分為掠過路徑和窗口路徑。掠過路徑平行于Y軸被使用，主要的CAM路徑被分成許多子程序而保持它的靈活性，十二種不同的情況如圖5和圖6所示。使用深懸

13、其中的0.1 *D，在這個地方D表示著刀具直徑，使刀具路徑最小化。通過定義垂直線使總配置被打破，下降了0.9*深除了從初始點(diǎn)開始。這一點(diǎn)在圖7，此外水平線通過一個交叉程序來定義（交叉表示一個角度的變化）。從圖5和圖6可以看出，角度在向前和向后循環(huán)中都被核對，做一個核對是為了確保當(dāng)前的道具位置接近下一個頂點(diǎn)。在循環(huán)中當(dāng)前的刀具位置與其它循環(huán)中的一個頂點(diǎn)一起核對，以便為了使刀具提前感知它的運(yùn)動。如果刀具從下一個頂 - 4 -視覺輔助數(shù)控銑削加工軌跡的生成點(diǎn)的路徑的距離小于0.9*的距離，決定刀具路徑的過程如圖5和圖6所示。 輸出模塊。決定了刀具的路徑之后，該程序產(chǎn)生一個輸出文件，這個文件可以作為輸

14、出文件或一個數(shù)控軟件的數(shù)據(jù)文件（MAPT）。CAM模塊討論提供凸的和凹的形狀。然而，集成模塊只提供凸多邊形形狀的零件。核對了每個角之后，程序會根據(jù)配置接著產(chǎn)生APT的陳述。程序還會在運(yùn)動陳述產(chǎn)生之前產(chǎn)生環(huán)境陳述。而后會產(chǎn)生軸的坐標(biāo)，程序自動產(chǎn)生APT代碼的最后階段的陳述。實(shí)驗(yàn)分析使用這種基本的軟件產(chǎn)生自動路徑規(guī)劃的優(yōu)點(diǎn)在于它的高度的通用性和自動化程度高的事實(shí)，編譯后生成的數(shù)控代碼，刀具的路徑能夠觀察到。由于開發(fā)的該算法可用于加工任何多邊形表面，它可以應(yīng)用在許多工業(yè)領(lǐng)域。鋁材料的常規(guī)多邊形零件制造的接近于零公差（+0.01至-0.01 /0.254毫米至-0.254毫米），這些都用開發(fā)的軟件進(jìn)行

15、了測試。圖形的采集和處理的實(shí)施過程中使用了IBM的個人電腦。圖8-13說明了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對軟件開發(fā)的主要階段的結(jié)果提出了兩個幾何圖形（如三角形和一個平行四邊形），對每一個圖形的主要階段是：表面的圖像、每個實(shí)體邊界的編碼、頂點(diǎn)的坐標(biāo)和生成的數(shù)控路徑。結(jié)束語廉價的模塊化系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來用于自動路徑的生成，該系統(tǒng)包含CAM的三個主要方面：機(jī)器視覺，CAD數(shù)據(jù)庫和數(shù)控零件程序。機(jī)器視覺系統(tǒng)用來獲得實(shí)體得表面多邊形圖像，通過數(shù)字圖像處理原則對實(shí)體的邊和頂點(diǎn)進(jìn)行編碼，這些數(shù)據(jù)被組織在一個IGES格式下，這些數(shù)據(jù)然后操作使用軟件功能自動地規(guī)劃路徑銑削特定的表面。被開發(fā)的該軟件保持著高度的通用性和靈活性。因?yàn)?/p>

16、使用的視覺系統(tǒng)是低廉的，被開發(fā)的軟件也是很經(jīng)濟(jì)的。除了它的經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)之外，它所采用的技術(shù)是非常簡單的，由于它的應(yīng)用，這種算法用一個簡單的工具為自動的數(shù)控路徑規(guī)劃提供了研究現(xiàn)狀。用這種工具避免了笨重的計(jì)算和單調(diào)的路徑規(guī)劃。這樣一種算法在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的固件和硬件的實(shí)施將推進(jìn)在這一領(lǐng)域的研究的更新。附：數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢性能方向的發(fā)展高速度高精度高效率。機(jī)械制造技術(shù)中速度、精度和效率是關(guān)鍵的績效指標(biāo)。作為高速CPU芯片，RISC芯片，以及多CPU的控制系統(tǒng)和高分辨率的絕對數(shù)字 - 5 -視覺輔助數(shù)控銑削加工軌跡的生成交流伺服系統(tǒng)，是同時提高機(jī)器的動態(tài)和靜態(tài)特性的有效措施，高速度高精密機(jī)床已大大提高機(jī)床

17、的工作效率。柔性包括兩個方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的靈活性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化方式設(shè)計(jì)，功能覆蓋廣，可切割性強(qiáng)，易于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的靈活性，隨著根據(jù)控制系統(tǒng)滿足不同生產(chǎn)工藝的要求，材料流和信息流的自動動態(tài)調(diào)整，以最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的性能。復(fù)合材料和多軸加工，以減少對配套的復(fù)合加工為主要目的的處理時間，并朝著多軸，多功能的系列產(chǎn)品的開發(fā)方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床復(fù)合刀具技術(shù)是指在一臺機(jī)器上的工件在一次裝夾的過程中，通過自動換刀，旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等措施，完成多工序，多面加工的復(fù)合。功能方向的發(fā)展用戶接口是圖示的用戶界面，是數(shù)控系統(tǒng)和用戶接口之間的用來對話窗口。由于不同的用戶界面的要求不同，從而大用戶界面的開發(fā)的工作量很大，這是用戶界面軟件發(fā)展到最困難的一部分。目前互聯(lián)網(wǎng)，虛擬現(xiàn)實(shí)，科學(xué)計(jì)算和多媒體技術(shù)，對用戶界面的可視化提出了更高的要求。圖形用戶界面大大方便了非專業(yè)用戶使用，它可以進(jìn)行窗口和菜單操作，易于編程和快速編程，