当前位置： 旋转机 >> 旋转机前景 >> 基于视觉定位的数控机床,智能刀柄系统是何
文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言数控机床的智能化是以数字化技术为基础，将传感器技术、自动化控制技术、计算机处理技术、机器人控制技术及信息处理技术等各种先进的科技成果综合应用于数控机床，使数控机床具备感知加工状态、自我诊断、自我学习、自我适应等智能化能力，从而实现智能控制。
通过对刀柄系统的改造，可以使刀柄系统与数控机床协调配合，实现自动换刀和自动编程功能，从而使机床具有柔性加工能力。
基于视觉定位的数控机床智能刀柄系统，可通过检测数控机床的刀柄与工件的相对位置关系，自动调整刀柄与工件之间的距离和角度，实现数控机床自动化换刀。
基于视觉定位的数控机床智能刀柄系统的基本原理和结构智能刀柄系统是集机械、视觉和数控技术于一体的新一代数字化、智能化机床刀柄控制系统，是实现数控机床柔性加工的重要部件，具有体积小、重量轻、精度高、可靠性好等优点。
在传统的数控机床刀柄系统中，由于其主要使用两根不同尺寸的刀柄，在换刀过程中，需要人工将两根刀柄连接起来，然后将工件放在工作台上进行加工。这种传统的刀柄系统在工作时存在如下问题：
（1）换刀时间长：由于两根不同尺寸的刀柄需要安装在工作台上，而工作台的长度往往受到刀具长度、刀具宽度和工作台宽度的限制，因此需要占用大量的空间。
（2）人工操作困难：由于两根不同尺寸的刀柄安装在工作台上，其形状各不相同，因此对刀具进行测量时需要人工进行识别和定位，操作难度很大。
（3）定位精度差：由于刀柄和工件之间存在一定的间隙，因此当工件发生移动时就会产生较大的振动，影响定位精度。
（4）换刀效率低：由于两根刀柄安装在工作台上，工件移动时需要将两根刀柄连接起来，而由于两根刀柄形状各不相同，因此在更换刀具时需要人工进行识别和定位，耗时耗力。基于以上问题，本文设计了一种基于视觉定位的数控机床智能刀柄系统。
其基本原理是利用一台摄像机通过测量工件的旋转角度，确定工件相对于机器视觉系统中的目标的位置，然后通过人机界面显示刀柄在工作台上的位置信息和刀具在工作台上的角度信息，实现数控机床智能换刀。
智能刀柄系统主要由上位机、图像采集系统和刀柄控制系统三部分组成。上位机采用工业计算机作为上位机操作系统，通过以太网将控制数据和图像采集系统中的数据传送到工业相机。
图像采集系统采用CCD摄像机对机床刀柄进行拍摄，将采集到的图像传输到计算机中；上位机通过USB接口将采集到的图像数据传送给工业相机进行处理。
同时，为了确保测量和定位的准确性，在测量前需要对被测工件进行标记和标定，使测量系统具有高精度、高速度的特点。
该系统采用了开放式的模块化设计理念，其中包括：可拆卸式刀柄模块、上位机数据处理模块、视觉定位模块、机械执行模块和电气控制模块。
在硬件设计方面，智能刀柄系统采用工业计算机作为上位机操作系统，以工业相机作为视觉传感器进行数据采集，并采用工业以太网将采集到的数据传输到上位机中进行处理；同时在软件方面采用了开放式编程思想。
基于视觉定位的数控机床基于视觉定位的数控机床智能刀柄系统，主要由数控机床的刀柄、计算机系统、检测装置、图像采集装置和伺服控制系统组成。其中，刀柄是由刀柄座（包含两个旋转轴）、旋转轴组件（包含一个垂直轴和一个水平轴）和固定套组成。
在刀柄座上，安装了一个旋转轴组件，其作用是使刀柄在左（右）方向上可绕垂直轴旋转°，并使刀柄在右（左）方向上可绕水平轴旋转0°。通过检测装置，检测刀柄与工件之间的距离，并以此为基准，自动调整刀柄与工件之间的距离。
在刀柄座上安装了两个旋转轴组件，分别与X、Y坐标轴相连，从而使刀柄座上的左右转动轴能分别绕垂直轴和水平轴旋转一定角度。
在数控机床的换刀机构中，一般都安装有一个伺服电机及相应的控制装置，用于驱动主轴箱等驱动装置。
在换刀过程中，PLC通过检测装置检测到刀柄与工件之间的距离发生变化后，驱动伺服电机及相应的控制装置，从而使主轴箱等驱动装置能够对刀柄进行相应的移动和定位。
数控机床采用视觉定位系统来实现对工件进行自动定位和换刀功能。采用相机对工件进行拍照，并对所拍图像进行预处理。由于在机床换刀过程中需要对采集到的图像进行处理，因此必须将图像中的一些干扰因素（如灰尘、杂物等）清除。
利用相机对工件进行拍照后，首先需要将图像转化为计算机能够识别的二进制数据格式。然后利用软件工具将这些二进制数据转换成相应的图形数据。最后再通过处理软件工具对图像进行处理、分析、识别和判断。
由于在对工件进行拍照时，在同一时刻往往会拍摄到多张图片，因此，必须对这些图片进行分类处理。对于每一张图片，首先要进行二进制数据格式的转换，然后再将图像中的像素值转换成二进制数格式的图像数据。
利用相机拍摄到的工件图像，其像素值为,因此可以通过二进制数转换技术将图像转换成×像素的图像。
采用多通道高速采集卡将采集到的图像数据传输给计算机。由于在高速采集卡中，每一个像素都代表一个像素值，因此将这些像素值在计算机中进行处理时就相当于对所有的像素值进行了一次扫描处理。
对于每一幅图像都需要对其进行扫描处理，否则当每个像素值被扫描到时就会出现由于CPU时间不一致而导致的数据混乱。所以，需要对采集到的图像进行一次扫描处理。
利用工业控制计算机将采集到的数据转换成相应的二进制数据格式后，再通过PLC控制程序对该二进制数据进行处理和分析，从而得出与刀柄相对位置关系相关的参数。
例如：当刀柄与工件之间的距离发生变化时，就可以通过PLC控制程序对该距离值进行自动调整。
基于视觉定位的数控机床智能刀柄系统的应用实践基于视觉定位的数控机床智能刀柄系统是一种先进的换刀方案，通过对刀柄与工件之间的相对位置关系进行分析，采用一种基于视觉定位的方式实现自动化换刀，在刀柄上加装视觉定位传感器，可以使刀具在机床上实现自动定位和换刀。
该系统实现了数控机床自动化换刀功能，可与数控系统配合使用，提高了换刀效率，降低了人工成本。具体实现方式如下：
（1）刀柄系统中安装视觉定位传感器。根据加工工件的尺寸、形状以及加工工艺要求，对数控机床刀柄进行设计，并在刀柄上安装视觉定位传感器。
基于视觉定位的数控机床智能刀柄系统主要包括如下模块：激光测距仪、工业相机、数据采集卡、运动控制卡及上位机监控软件。激光测距仪可以实时检测刀具与工件之间的距离关系；工业相机将采集到的图像实时传输给运动控制卡。
工业相机与运动控制卡通过通信实现数据交换；上位机监控软件实时监控数控机床刀柄的运动状态及加工过程。
（3）根据工件尺寸、形状以及加工工艺要求，确定刀柄与工件之间的相对位置关系，并在机床上加装视觉定位传感器，可以检测刀具与工件之间的距离关系。
（4）利用工业相机采集图像信号，并将图像信号传输给运动控制卡将采集到的图像信号进行预处理后传输给上位机监控软件。
（5）在数控机床上安装视觉定位传感器、工业相机和运动控制卡，将采集到的图像信号传输给上位机监控软件进行数据处理后显示并存储到数据库中。
基于视觉定位的数控机床智能刀柄系统主要由上位机软件、视觉定位传感器、工业相机和运动控制卡组成，上位机软件通过串口与下位机进行通信，并将采集到的图像信号传输给下位机。
下位机通过USB接口与运动控制卡进行通信，运动控制卡将采集到的图像信号传输给上位机。
上位机软件通过USB接口与上位机监控软件进行通信，监控软件对刀柄系统运行状态进行实时监控，并可根据加工工件的尺寸和形状等信息自动调整刀具与工件之间的相对距离和角度，实现刀具自动定位和换刀。
（6）基于视觉定位的数控机床智能刀柄系统在实际应用中，通过在刀柄上加装视觉定位传感器，并对工业相机和运动控制卡进行参数设置，利用激光测距仪检测刀具与工件之间的距离，通过上位机监控软件对数控机床刀柄系统运行状态进行实时监控。
在数控机床上加装视觉定位传感器，并将采集到的图像信号传输给下位机，由下位机完成对刀柄系统的检测与定位，将刀具与工件之间的距离和角度数据传输给上位机软件，对刀具与工件之间的距离和角度进行实时监控。
笔者观点基于视觉定位的数控机床智能刀柄系统是一种先进的数控机床换刀方案，通过在刀柄上加装视觉定位传感器，使刀具在数控机床上实现自动定位和换刀，在实际应用中，可以提高换刀效率，降低人工成本，实现刀具自动定位和换刀功能。
基于视觉定位的数控机床智能刀柄系统目前仍处于实验室阶段，主要依靠激光测距仪和工业相机来进行数据采集和处理。
由于刀柄与工件之间的相对位置关系无法精确测量，而且激光测距仪和工业相机的分辨率相对较低，不利于数据采集和处理，需要在实际应用中进一步对其进行优化和改进，以提高系统的性能。
参考文献1、王健，王旭峰，黄德刚。基于视觉的数控机床智能刀柄系统的设计与实现[J]。现代制造工程，。
2、刘学清。基于视觉定位的数控机床智能刀柄系统研究[J]。制造自动化，。
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