數(shù)控銑床視覺在位測量路徑規(guī)劃方法

李飛飛1 楊麗琳2

（1.河南省民族中等專業(yè)學校，河南 鄭州 450011；2.鄭州工業(yè)應用技術學院，河南 鄭州 451150）

一、前言

數(shù)控機床實際上是在制造業(yè)中所使用到的一種核心設備，在進行數(shù)控機床視覺在位測量路徑規(guī)劃的過程中，主要是對加工構建的幾何參數(shù)進行分析，以便提升相應的加工工作效率，加強工作效果和工作質量。但是現(xiàn)階段進行數(shù)控機床視覺在位測量路徑規(guī)劃的過程中能夠，傳統(tǒng)的游標卡尺、千分表、電感測微儀等器械已經(jīng)不能夠滿足基礎的需求，必須要借助科學技術來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量、統(tǒng)計和分析，最終以滿足相應的精度要求。

二、數(shù)控銑床視覺在位測量系統(tǒng)

數(shù)控機床視覺在位測量系統(tǒng)主要由視覺探頭和視覺影像在位測量CAI系統(tǒng)兩個部分組成。視覺探頭的使用實際上是顯微鏡的自動聚焦系統(tǒng)的應用，主要利用其聚焦定位和影像測量功能來進行工作應用[1]。而CAI系統(tǒng)則是在基于CAD模型的技術上，借助相應的圖形交互的方式來幫助NC代碼的自動生成，從而幫助測量報告的精確性被大力提升[2]。數(shù)控機床視覺在位測量系統(tǒng)的工作原理是在相應的工件完成部分或者全部的加工工序之后，然后利用數(shù)控機床的運動控制功能，來形成相應的NC代碼，最終使得具有關鍵性的數(shù)據(jù)被測量出來，便于合理化數(shù)控機床視覺在位測量的路徑規(guī)劃。

三、測量路徑規(guī)劃

（一）采樣策略規(guī)劃

在進行數(shù)控銑床視覺在位測量路徑規(guī)劃的過程中，主要利用的機器就是三坐標測量機。所謂的三坐標測量機則必須要借助三維接觸式測頭采集被測工件表面的點在空間的三維坐標，這樣的測量方式具有相當高的精確性和穩(wěn)定性。另外需要注意的一點是數(shù)控銑床視覺在位測量的時候所進行的最小測量單位為測量平面，因此必須要確定相應儀器的視覺探頭以三維空間豎向的Z軸為定位方向，然后借助影像測量系統(tǒng)來完善局部圖像的繪制[3]。在這樣的基礎上，想要實現(xiàn)更為精細化的測量，首先要做的就是要選擇具有高分辨率、高性能、精確性極強的工業(yè)CCD相機；其次還需要借助顯微鏡成像的方式來進一步提升精度，對于每一個點位的坐標點都確定出具體的指標，之后呈現(xiàn)在平面上。在本次實驗的過程總所選擇的顯微鏡是在Mitutoyo 公司生產(chǎn)出來的 10 倍遠場校正長工作距離物鏡，該儀器的精確性極高，從其工作距離、視場直徑、景深等指標上就能夠看出來，分別是33.5mm、2.4mm、3.5μm。當工作設備和工作元件準備齊全之后，就要進行采樣策略的規(guī)劃，在借助CAD模型的指導下，具體的操作步驟如下：第一電視要根據(jù)各個工件在數(shù)控銑床上的具體位置來選取適宜的測量原點，只有確定一個明確、醒目的測量原點之后，依據(jù)它所建立的測量坐標系才具有穩(wěn)定性，不會由于參考位置的變化而出現(xiàn)誤差。第二步積極確定最小的測量單位是測量平面，選取需要測定的元素之后來提取出合理的幾何特征，最終得到了相關的幾何屬性。第三步是在第二步所選擇的幾何元素基礎上，根據(jù)科學化的采樣策略來生成采樣點坐標。

圖1 采樣點分布式實例

以下圖的采樣點為例，我們需要極端圓弧的頂點坐標PV(xV， yV)，由于不確定性較強，我們需要將其分為兩種情況來區(qū)別對待。首先，當θ1＞θ0的時候，①Xv=X0+(x1-X0)*cos[(θ1-θ0)/2]- (y1-y0)*sin[(θ1-θ0)/2]； ② yv=y0+(x1-X0)*sin[(θ1-θ0)/2]- (y1-y0)*cos[(θ1-θ0)/2]。 其 次， 當 θ1＜ θ0的 時 候， ① Xv=X0+(x1-X0)*cos[(2π+θ1-θ0)/2]- (y1-y0)*sin[(2π+θ1-θ0)/2]； ② yv=y0+(1-X0)*sin[(2π+θ1-θ0)/2]-(y1-y0)*cos[(2π+θ1-θ0)/2]。在這一基礎上，對于較大尺寸的工件來說，想要提升測量的精度，還可以通過適當?shù)卦黾硬蓸狱c數(shù)來進行控制和研究。

（二）測量路徑規(guī)劃算法

首先，導入采樣點集合 Ω0。其次，按照X軸、Y軸、Z軸方向的幾何區(qū)域分隔線來將測量平面一分為二，得到了屬于Ω0的兩個子集合Ω1={Pi(xi， yi)∈Ω0 | yi≥yS}和 Ω2={Pi(xi， yi)∈Ω0| yi＜yS}。第三步要按照采樣點 X 軸方向的坐標值 xk的大小分別對Ω1和 Ω2進行升序排列。第四步要比較排序后的 Ω1和 Ω2 的第一個采樣點的坐標值，，然后選擇具有效應的數(shù)值。最后將Ω1和 Ω2合并成一個集合 Ω3，依次連接各個采樣點，最終就能夠得到一條完整性極強的測量路徑[4]。

四、實驗結果和分析

自從19世紀30年代提出了TSP之后，相應的應用性極強，并且適用范圍也很大，因此很值得將數(shù)控機床視覺在位測量路徑規(guī)劃方法應用在相似的工程計算中。雖然它不能作為一種通用的求解 TSP 的近似算法，但其基本適用于工件的測量路徑規(guī)劃， 并具有算法簡單， 執(zhí)行效率高的優(yōu)點。

五、結束語

總而言之，本文針對數(shù)控銑床視覺在位測量系統(tǒng)進行了詳細的分析和研究，通過研究其在實際工作過程中的工作原理，對相應的數(shù)控銑床視覺在位測量路徑規(guī)劃方法進行了具體的詳細研究，發(fā)現(xiàn)了可能存在的問題。然后根據(jù)視覺測量技術中存在的不同問題和紕漏，基于實際應用的大量案例提出了用于解決問題的采樣策略，并在CAD系統(tǒng)的指導下確定每一個運動軌跡中點位的對應坐標，來幫助數(shù)控銑床視覺在位測量路徑規(guī)劃更加精確、更具有科學性。