基于圖像的工件加工精確定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及的是一種金屬加工領域的技術，具體是一種通過視覺識別提取近凈成 形毛坯特征從而找正定位基準的方法。
【背景技術】
[0002] 在傳統加工過程中，一般采用"去除材料"的方式來獲得零件的最終形狀。在這種 情況下，閉式整體葉盤類零件的毛坯一般采用能夠包絡最終形面的鍛件實體為毛坯，致使 后續加工的材料去除量非常大，經常會遇到需要去除毛坯上50%以上材料的情況。這樣一 來，一方面完整尺寸的鍛件毛坯會使得毛坯成本居高不下，尤其是閉式整體葉盤類零件的 材料采用高溫合金或者鈦合金的等比較昂貴的材料，且加工時這些材料都被去除，會產生 很大浪費；而另一方面，大余量材料去除需要大量的工時，設備的占用率也會相應很大，同 時加工還需要消耗大量的刀具以及人力資源，在這些效果綜合作用下，零件的加工成本也 會非常高昂。針對高溫合金等難切削材料，這個影響會更大。
[0003] 如果能夠減少閉式整體葉盤類零件的加工余量，將會大大減少制造成本。而增材 制造恰好提供了這樣一種可能。隨著技術的發展，增材制造正在逐漸改變加工的過程。尤 其是在制造具有復雜結構零件的過程中，增材制造擁有巨大的優勢。近些年來，增材制造技 術已經獲得了越來越多的應用。增材制造技術是指基于離散-堆積原理，由零件三維數據 驅動直接制造零件。這樣可以生產出來貼近最終形面的近凈成形毛坯，甚至在零件精度要 求不高的情況下可以用來直接完成最終形面的制造，大大減少后續工序的材料去除量。從 而縮短零件的生產周期，并降低生產成本，同時也可以減少材料的浪費。增材制造有著非常 廣泛的應用前景，隨著越來越多的材料可以用作增材制造，制造業將會迎來顛覆性的發展。
[0004] 增材制造給加工帶來的便利不只是在減少了材料去除量，由于此時閉式整體葉盤 類零件已經擁有預成形輪廓，很多型腔已經貫通，加工過程中的排肩和沖液可以更好。這對 傳統的切削加工和特種加工都可以帶來積極的影響。在切削加工過程中，由于切肩可以非 常方便地被帶走，沖液可以直達加工區域，帶走大量的加工產生的熱，可以提高刀具壽命， 并減小因加工引起的熱應力。對特種加工而言，貫通的型腔可以獲得較好的沖液流場，也可 以改善加工狀態。在閉式葉盤類零件的生產過程中，這兩種手段都是常用的。因此，將增材 制造技術應用于復雜零件的制備，則可以極大地改善加工過程。
[0005] 但是，增材制造的閉式整體葉盤類零件擁有預成形輪廓，在后續加工中需要解決 加工基準轉移的問題。通過增材制造獲得的葉盤類零件已經擁有貼近最終形面的輪廓，在 增材制造的過程中零件已經擁有一個基準，后續加工需要在此基準之上進行。而后續加工 的時候如果不能正確地找到這個基準，則很可能會損傷已有的輪廓，最終導致零件報廢。為 了獲取這些基準，一般采用機械找正的方式，通過獲取零件上一些特征形面相對機床的位 置建立工件坐標系，從而進行后續加工。這種方式對零件上的特征形面要求比較高，一般只 適合平面和圓柱面等比較規則的形面。而一旦零件上出現自由曲面，基準獲取將難以實現。 同時，機械式找正所采集數據有限，不能很好的從統計角度上獲得基準，這樣獲得的基準精 度也比較低。現有的增材制造的精度并不是很高，尤其是金屬材料，零件的表面粗糙度也比 較大。機械找正多采用接觸式方法，零件的表面粗糙度會給機械找正精度帶來不小的影響。 為了確保后續加工，減少因增材制造本身精度和找正操作精度的影響，一般需要在增材制 造的毛坯上為后續加工留有足夠的余量。如果余量設置的過大，則會一定程度上削弱增材 制造的優勢。
[0006] 經過對現有技術文獻檢索發現，目前基準找正相關的方法多是采用一些特殊裝置 實現。中國專利文獻號0附03481085六，公開（公告）日2014.01.01，公開了一種非規則外 形結構毛料數控加工基準快速找正裝置及其方法，在銑切夾具上設有支撐臺，其長度方向 上設有定位裝置，寬度方向的一端設有快速找正裝置，另一端設有壓板，壓板的端部位于支 撐臺的上方；其中定位裝置和壓板分別與銑切夾具活動連接；在快速找正裝置是由快速找 正器、兩個圓柱定位銷和若干個圓錐找正銷組成，在上彎折表面上設有若干個圓錐找正銷， 其底部頂尖均勻分布在待加工鑄件的待加工輪廓線，在快速找正器的下彎折表面設有兩個 圓柱定位銷，并與銑切夾具上對應位置設置的兩個通孔配合；在銑切夾具的某一固定位置 設有圓形對刀塊。但該技術需要非常復雜的裝置來實現基準找正，操作復雜。
[0007] 中國專利文獻號0附01101484，公開（公告）日2008.01.09，公開了一種基于機器 視覺的二維定位裝置，它包括固聯于機床上的數字相機，與數字相機相連的處理器；選定工 件上的幾何特征作定位對象特征，所述數字相機獲取該定位對象特征的數字圖像并傳送到 處理器，處理器采用圖像的模板匹配算法識別工件上的定位對象特征，采用邊緣檢測算法 計算所述定位對象特征在相機視場中的坐標，通過坐標變換得到工件在機床中的坐標。但 該技術只能用于二維定位，且定位的參考需要位于平行于機床工作臺面，而定位基準如果 不在這些平面內，則適用性會降低。同時，該方法的相機固定于機床上，能夠拍攝的自由度 會受到一定限制。
[0008] 目前，隨著圖像攝取設備的飛速發展，機器視覺已經獲得越來越廣泛地應用。通過 機器視覺，可以實現設備的高度智能化。目前視覺識別的精度也達到了很高的水準，可以很 好地滿足工業應用的要求。采用視覺識別來提取近凈成形毛坯基準則可以較好地解決上述 問題。

【發明內容】

[0009] 本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于圖像的工件加工精確定位方 法，能夠將同一坐標系內圖片的有效特征之間的關系來求得實際中的位置關系，從而進行 找正定位。該方法確保在無接觸的情況下，利用機床的自由度實現工件毛坯找正基準。
[0010] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0011] 本發明通過建立增材制造的零件毛坯安裝于數控機床之上的工件坐標系，以相機 透鏡中心和主光軸為基準建立成像坐標系，拍攝同時包含零件基準參照物和工件坐標系參 照物的圖像，識別圖像中零件基準參照物和工件坐標系參照物之間的相對位置信息，經坐 標變換得到零件基準參照物在工件坐標系內的位置，從而確定零件毛坯的初始加工位置。
[0012] 所述的零件基準參照物是指：零件毛坯包含定位基準信息的形面特征。
[0013] 所述的工件坐標系參照物是指：與機床固連的包含工件坐標系基準的形面特征。
[0014] 所述的圖像，優先經過預處理，該預處理包括但不限于：灰度處理、二值化處理、濾 波處理等。
[0015] 所述的相對位置信息是指：從圖像上零件基準參照物和工件坐標系參照物的像素 簇中識別出各自基準，擬合其在成像坐標系內的表達，得到零件定位基準相對工件坐標系 的位置關系。 技術效果
[0016] 與現有技術相比，本發明可以再無接觸的情況下獲取閉式整體葉盤零件增材制造 毛坯的基準，可以減少近凈成形毛坯表面粗糙度大和近凈成形過程中精度不高的影響。對 于近凈成形毛坯來說，此時零件已經有大致輪廓，零件上只有基準，并無供精加工所用的基 準，采用機械打表或者劃線找正的方式的誤差會比較大。尤其是針對擁有自由行面的葉盤 類零件來說，葉片的扭曲會給找正帶來非常大的困難。并且零件的后續加工的余量也不是 很大，如果找正誤差比較大，則很容易在后續加工過程中損壞已有的形面，造成零件報廢。 本發明提出的視覺識別方法則可以很容易解決這個難題，該方法受毛坯表面形式的影響 小，可以很容易提取有用的形面特征。同時，該方法針對毛坯上有重復的特征時，可以對于 多個特征均進行視覺識別處理，從而獲得一個統計意義上更加精確的基準。
【附圖說明】
[0017] 圖1為實施例中的工件坐標系和成像坐標系示意圖；
[0018] 圖2為實施例中的近凈成形毛坯示意圖；
[0019] 圖中：WCS為工件坐標系，VCS為成像坐