一种数控机械设备自动对位系统及方法
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，尤其涉及一种数控机械设备自动对位系统及方法。
背景技术
目前，随着科技的不断发展，自动化加工技术取得了很大的发展，大量的数控机械设备被投入使用，给生产加工带来了很大的方便。在机械加工中，待加工工件的定位是数控机械的关键步骤，主要用来按照设计对材料进行定位加工。
现有的定位方式都是通过人工对加工机械的工作端进行位置调节固定，通过将待加工组件放置在同一位置进行数控加工，但是人为对位容易造成对位偏差，影响设备的生产效率和产品加工精度。而且在将工件固定完成后无法对工件的对位状态进行检测，容易造成加工次品的产生。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的定位方式都是通过人工对加工机械的工作端进行位置调节固定，人为对位容易造成对位偏差，影响设备的生产效率和产品加工精度。
(2)在将工件固定完成后无法对工件的对位状态进行检测，容易造成加工次品的产生。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种数控机械设备自动对位系统及方法。
本发明是这样实现的，一种数控机械设备自动对位方法，其特征在于，所述数控机械设备自动对位方法，包括：
步骤一，参数配置模块通过外部输入设备对待加工工件的位置坐标进行输入设定；
步骤二，红外线定位模块通过红外线信号发射器和红外线信号接收器对对位组件的位置进行定位；图像采集模块通过CCD工业相机对待加工工件的图像进行采集；
步骤三，根据采集的图像信息，预处理模块对采集的待加工工件的图像进行灰度化处理、二值化处理和图像平滑处理；图像对比模块通过图像处理软件对预处理后的图像与预设的工件图像进行对比；
步骤四，根据图像处理分析结果，指令执行模块根据图像对比结果生成控制指令，通过控制指令对加工部件的位置进行调节；运行状态监测模块通过分布在机械设备多个位置的不同传感器对设备的运行状态进行监测，并将监测结果传递到主控模块进行数据处理分析；运行状态监测模块包括：数据采集单元、数据存储单元、模型构建单元和状态输出单元；
步骤五，根据监测分析的结果，运动控制模块通过多个运动电机对待加工部件的位置进行调整控制；
所述步骤二中，红外线定位模块对定位组件进行定位的的过程为：
利用红外线获取图像信息，利用图像像素灰度对定位组件图像进行描述；通过搜索模板，并进行模板匹配；
模板匹配完成后，对相关匹配进行计算，确定相关峰值位置，输出相应的定位结果；
在输出相应定位结果后，计算相对应的置信度，抽取模板图集，对相互匹配的模板进行更换，重复上述操作；
所述步骤三中，预处理模块对采集的待加工工件的图像进行二值化处理过程为：
将待加工工件的图像确定图像的直方图，将直方图中的像素点数量除以总的像素点；
在直方图中确定一定范围的灰度值，在一定范围内部的灰度值，对像素进行统计；确定在一定范围内部的灰度值占待加工工件的图像比例，对前景像素的和背景平均灰度进行统计；
统计完成后，对前景和背景之间的方差，将方差最大值对应的像素点作为待加工工件图像的阈值。
进一步，所述步骤三中，预处理模块对采集的待加工工件的图像进行灰度化处理过程为：
获取待加工工件的图像的尺寸，并对待加工工件图像进行缓存，初始化处理；
选择合适的模板，确定模板中各元素的权值；根据模板中各元素的权值，对待加工工件的图像中的像素点进行矫正；
利用确定的模板对所有的图像的像素点进行处理。
进一步，所述步骤三中，图像对比模块通过图像处理软件对预处理后的图像与预设的工件图像进行对比，提取图像特征的过程为：
对预处理后的图像化为灰度图像，对图像中相邻像素的灰度差值；
其中，对于非边缘像素，计算该像素点与一定范围领域中的像素点之间的灰度差值；
对于边缘像素，邻域个数随位置的不同而不同；
根据灰度差值，建立相应的灰度差值直方图，并切除特征向量。
进一步，所述步骤四中，运行状态监测模块对分布在机械设备多个位置的不同传感器采集的数据进行融合方法，包括：
多个传感器中的每个传感器进行贝叶斯估计，使各个单独物体的关联概率分布合成一个联合的后验的概率分布函数；
根据联合分布函数中的似然函数，对多个传感器检测的数据进行数据融合。
进一步，所述步骤四中，运行状态监测模块中的数据存储单元对图像进行分类的过程为：
将整个系统处理完成的图像，利用数据提取函数从二进制数据库中读取多波段数据；
根据读取的多波段数据，利用重塑函数，重置图像的行数列数；
重置图像完成后，查找各个类别对应的样本；选择初始分类聚类中心根据最小距离原则分类，对相关的图像进行分类，并输出图像分类结果。
进一步，所述步骤四中，机械设备的物理空间状态获得方法包括：
依据监测数据中的线上数据在Unity3D软件中构建超写实仿真环境，将UG中构建好的高保真模型导入Unity3D软件中；
通过线上数据驱动虚拟空间的高保真模型在超写实仿真环境中进行高逼真度行为仿真，完成高保真模型和超写实仿真环境的融合；
依据机械设备关键零部件的历史监测数据训练双向GRU剩余寿命预测模型，建立机械设备关键零部件的历史监测数据与剩余寿命之间的关系；
将高保真模型在超写实仿真环境中运行，得到机械设备的物理空间状态。
本发明另一目的在于提供一种实施所述的数控机械设备自动对位方法的数控机械设备自动对位系统，所述数控机械设备自动对位系统，包括：
运动控制模块，与主控模块连接，用于通过多个运动电机对待加工部件的位置进行调整控制；
参数配置模块，与主控模块连接，用于通过外部输入设备对待加工工件的位置坐标进行输入设定；
红外线定位模块，与主控模块连接，用于通过红外线信号发射器和红外线信号接收器对对位组件的位置进行定位；
图像采集模块，与主控模块连接，用于通过CCD工业相机对待加工工件的图像进行采集；
预处理模块，与主控模块连接，用于对采集的待加工工件的图像进行灰度化处理、二值化处理和图像平滑处理；
主控模块，与运动控制模块、参数配置模块、红外线定位模块、图像采集模块、预处理模块、图像对比模块、指令执行模块、运行状态监测模块连接，用于对各个模块通过增量式PID进行控制，并在增量式PID控制过程中加入了滑动平均滤波算法，对PID调节的实时过程变量进行滤波处理；
图像对比模块，与主控模块连接，用于通过图像处理软件对预处理后的图像与预设的工件图像进行对比；
指令执行模块，与主控模块连接，用于根据图像对比结果生成控制指令，通过控制指令对加工部件的位置进行调节；
运行状态监测模块，与主控模块连接，用于通过分布在机械设备多个位置的不同传感器对设备的运行状态进行监测，并将监测结果传递到主控模块进行数据处理分析。
进一步，所述运动控制模块包括：
承托单元，用于通过承托架对待加工部件进行承托夹持；
驱动单元，用于通过多个伺服电机对承托架的位置进行水平和高度的位置调节；
坐标读取单元，用于通过对预设的坐标信息进行读取，将坐标信息输入到驱动单元。
进一步，所述参数配置模块包括：
数值输入单元，用于通过外部输入设备对设定数值进行输入调整；
模式设定单元，用于将多组不同的设定数值划分为不同的工作模式；
模式选择单元，用于通过交互界面显示多个不同的工作模式，根据所需参数选择与设定参数相应的工作模式；
指令生成单元，用与产生对应生产程序指令的模式设定信号，并将设定信号传递到主控模块。
进一步，所述运行状态监测模块包括：
数据采集单元，用于通过分布在机械设备多个位置的不同传感器对设备的运行状态进行数据采集；
数据存储单元，用于对采集的线下监测数据存储到本地存储器，将线上监测数据传输到云服务器进行存储和处理；
模型构建单元，用于依据监测数据中的线下数据在虚拟空间构建机械设备的高保真模型，建立包含物理模型、几何模型、材料模型的多尺度、多层次集成模型；
状态输出单元，用于通过构建的模型进行仿真分析，得到机械设备的物理空间状态，并通过显示终端进行显示输出。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
(1)本发明中运动控制模块通过多个运动电机对待加工部件的位置进行调整控制；参数配置模块通过外部输入设备对待加工工件的位置坐标进行输入设定；红外线定位模块通过红外线信号发射器和红外线信号接收器对对位组件的位置进行定位；图像采集模块通过CCD工业相机对待加工工件的图像进行采集；预处理模块对采集的待加工工件的图像进行灰度化处理、二值化处理和图像平滑处理；图像对比模块通过图像处理软件对预处理后的图像与预设的工件图像进行对比；指令执行模块根据图像对比结果生成控制指令，通过控制指令对加工部件的位置进行调节；运行状态监测模块通过分布在机械设备多个位置的不同传感器对设备的运行状态进行监测，并将监测结果传递到主控模块进行数据处理分析。本发明通过红外线定位模块和对工件图像进行对比处理，实现了基于红外线和视觉的对位，通过视觉对位可以对待加工工件的对位状态进行视觉检测，避免由于人为因素造成对位偏差，影响设备的生产效率和产品质量的问题；主控模块采用滑动平均滤波PID控制能够有效提高系统的动态性能，保证足够的稳定性和准确性，满足机械加工的力控制要求。通过运行状态监测模块可以对加工机械的工作状态进行实时监测，便于及时了解设备的运转情况。
(2)本发明中预处理模块对采集的待加工工件的图像进行灰度化处理，有利于后期的图像分割、图像识别和图像分析等上层操作做准备。
(3)本发明中图像对比模块通过图像处理软件对预处理后的图像与预设的工件图像进行对比，提取图像特征方法，能够提取图像中的关键信息。
(4)本发明中运行状态监测模块对分布在机械设备多个位置的不同传感器采集的数据进行融合方法，可以将多传感器信息源的数据和信息加以联合、相关及组合，获得更为精确的位置估计及身份估计，从而实现对战场态势和威胁以及其重要程度实时、完整评价的处理过程。
(5)本发明中运行状态监测模块中的数据存储单元对图像进行分类，能够有效对图像进行处理储存。
(6)本发明中机械设备的物理空间状态获得方法，能够有效反应机械设备的运动状态。
(7)本发明中承托单元，用于通过承托架对待加工部件进行承托夹持；驱动单元，用于通过多个伺服电机对承托架的位置进行水平和高度的位置调节；坐标读取单元，用于通过对预设的坐标信息进行读取，将坐标信息输入到驱动单元。
(8)本发明中参数配置模块的数值输入单元，用于通过外部输入设备对设定数值进行输入调整；模式设定单元，用于将多组不同的设定数值划分为不同的工作模式；模式选择单元，用于通过交互界面显示多个不同的工作模式，根据所需参数选择与设定参数相应的工作模式；指令生成单元，用与产生对应生产程序指令的模式设定信号，并将设定信号传递到主控模块。
(9)本发明中运行状态监测模块的数据采集单元，用于通过分布在机械设备多个位置的不同传感器对设备的运行状态进行数据采集；数据存储单元，用于对采集的线下监测数据存储到本地存储器，将线上监测数据传输到云服务器进行存储和处理；模型构建单元，用于依据监测数据中的线下数据在虚拟空间构建机械设备的高保真模型，建立包含物理模型、几何模型、材料模型的多尺度、多层次集成模型；状态输出单元，用于通过构建的模型进行仿真分析，得到机械设备的物理空间状态，并通过显示终端进行显示输出。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的数控机械设备自动对位系统结构示意图。
图2是本发明实施例提供的数控机械设备自动对位方法流程图。
图3是本发明实施例提供的红外线定位模块对定位组件进行定位方法流程图。
图4是本发明实施例提供的运行状态监测模块中的数据存储单元对图像进行分类方法流程图。
图5是本发明实施例提供的运动控制模块机械设备的物理空间状态获得方法流程图。
图中：1、运动控制模块；2、参数配置模块；3、红外线定位模块；4、图像采集模块；5、预处理模块；6、主控模块；7、图像对比模块；8、指令执行模块；9、运行状态监测模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种数控机械设备自动对位系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的数控机械设备自动对位系统包括：
运动控制模块1，与主控模块连接，用于通过多个运动电机对待加工部件的位置进行调整控制。
参数配置模块2，与主控模块连接，用于通过外部输入设备对待加工工件的位置坐标进行输入设定。
红外线定位模块3，与主控模块连接，用于通过红外线信号发射器和红外线信号接收器对对位组件的位置进行定位。
图像采集模块4，与主控模块连接，用于通过CCD工业相机对待加工工件的图像进行采集。
预处理模块5，与主控模块连接，用于对采集的待加工工件的图像进行灰度化处理、二值化处理和图像平滑处理。
主控模块6，与运动控制模块、参数配置模块、红外线定位模块、图像采集模块、预处理模块、图像对比模块、指令执行模块、运行状态监测模块连接，用于对各个模块通过增量式PID进行控制，并在增量式PID控制过程中加入了滑动平均滤波算法，对PID调节的实时过程变量进行滤波处理。
图像对比模块7，与主控模块连接，用于通过图像处理软件对预处理后的图像与预设的工件图像进行对比。
指令执行模块8，与主控模块连接，用于根据图像对比结果生成控制指令，通过控制指令对加工部件的位置进行调节。
运行状态监测模块9，与主控模块连接，用于通过分布在机械设备多个位置的不同传感器对设备的运行状态进行监测，并将监测结果传递到主控模块进行数据处理分析。
如图2所示，本发明实施例提供的运动控制模块1包括：
承托单元，用于通过承托架对待加工部件进行承托夹持。
驱动单元，用于通过多个伺服电机对承托架的位置进行水平和高度的位置调节。
坐标读取单元，用于通过对预设的坐标信息进行读取，将坐标信息输入到驱动单元。
如图3所示，本发明实施例提供的参数配置模块2包括：
数值输入单元，用于通过外部输入设备对设定数值进行输入调整。
模式设定单元，用于将多组不同的设定数值划分为不同的工作模式。
模式选择单元，用于通过交互界面显示多个不同的工作模式，根据所需参数选择与设定参数相应的工作模式。
指令生成单元，用与产生对应生产程序指令的模式设定信号，并将设定信号传递到主控模块。
如图4所示，本发明实施例提供的运行状态监测模块9包括：
数据采集单元，用于通过分布在机械设备多个位置的不同传感器对设备的运行状态进行数据采集。
数据存储单元，用于对采集的线下监测数据存储到本地存储器，将线上监测数据传输到云服务器进行存储和处理。
模型构建单元，用于依据监测数据中的线下数据在虚拟空间构建机械设备的高保真模型，建立包含物理模型、几何模型、材料模型的多尺度、多层次集成模型。
状态输出单元，用于通过构建的模型进行仿真分析，得到机械设备的物理空间状态，并通过显示终端进行显示输出。
如图1所示，本发明实施例提供的数控机械设备自动对位方法，包括：
S101：参数配置模块通过外部输入设备对待加工工件的位置坐标进行输入设定。
S102：红外线定位模块通过红外线信号发射器和红外线信号接收器对对位组件的位置进行定位；图像采集模块通过CCD工业相机对待加工工件的图像进行采集。
S103：根据采集的图像信息，预处理模块对采集的待加工工件的图像进行灰度化处理、二值化处理和图像平滑处理；图像对比模块通过图像处理软件对预处理后的图像与预设的工件图像进行对比。
S104：根据图像处理分析结果，指令执行模块根据图像对比结果生成控制指令，通过控制指令对加工部件的位置进行调节；运行状态监测模块通过分布在机械设备多个位置的不同传感器对设备的运行状态进行监测，并将监测结果传递到主控模块进行数据处理分析；运行状态监测模块包括：数据采集单元、数据存储单元、模型构建单元和状态输出单元；
S105：根据监测分析的结果，运动控制模块通过多个运动电机对待加工部件的位置进行调整控制。
本发明实施例提供的S102中，红外线定位模块对定位组件进行定位的的过程为：
S201：利用红外线获取图像信息，利用图像像素灰度对定位组件图像进行描述；通过搜索模板，并进行模板匹配；
S202：模板匹配完成后，对相关匹配进行计算，确定相关峰值位置，输出相应的定位结果；
S203：在输出相应定位结果后，计算相对应的置信度，抽取模板图集，对相互匹配的模板进行更换，重复上述操作。
本发明实施例提供的S103中，预处理模块对采集的待加工工件的图像进行灰度化处理过程为：
获取待加工工件的图像的尺寸，并对待加工工件图像进行缓存，初始化处理；
选择合适的模板，确定模板中各元素的权值；根据模板中各元素的权值，对待加工工件的图像中的像素点进行矫正；
利用确定的模板对所有的图像的像素点进行处理。
本发明实施例提供的S103中，预处理模块对采集的待加工工件的图像进行二值化处理过程为：
将待加工工件的图像确定图像的直方图，将直方图中的像素点数量除以总的像素点；
在直方图中确定一定范围的灰度值，在一定范围内部的灰度值，对像素进行统计；确定在一定范围内部的灰度值占待加工工件的图像比例，对前景像素的和背景平均灰度进行统计；
统计完成后，对前景和背景之间的方差，将方差最大值对应的像素点作为待加工工件图像的阈值。
本发明实施例提供的S103中，图像对比模块通过图像处理软件对预处理后的图像与预设的工件图像进行对比，提取图像特征的过程为：
对预处理后的图像化为灰度图像，对图像中相邻像素的灰度差值；
其中，对于非边缘像素，计算该像素点与一定范围领域中的像素点之间的灰度差值；
对于边缘像素，邻域个数随位置的不同而不同；
根据灰度差值，建立相应的灰度差值直方图，并切除特征向量。
本发明实施例提供的S104中，运行状态监测模块对分布在机械设备多个位置的不同传感器采集的数据进行融合方法，包括：
多个传感器中的每个传感器进行贝叶斯估计，使各个单独物体的关联概率分布合成一个联合的后验的概率分布函数；
根据联合分布函数中的似然函数，对多个传感器检测的数据进行数据融合。
本发明实施例提供的S104中，运行状态监测模块中的数据存储单元对图像进行分类的过程为：
S301：将整个系统处理完成的图像，利用数据提取函数从二进制数据库中读取多波段数据；
S302：根据读取的多波段数据，利用重塑函数，重置图像的行数列数；
S303：重置图像完成后，查找各个类别对应的样本；选择初始分类聚类中心根据最小距离原则分类，对相关的图像进行分类，并输出图像分类结果。
本发明实施例提供的S104中，本发明实施例提供的机械设备的物理空间状态获得方法包括：
S401：依据监测数据中的线上数据在Unity3D软件中构建超写实仿真环境，将UG中构建好的高保真模型导入Unity3D软件中；
S402：通过线上数据驱动虚拟空间的高保真模型在超写实仿真环境中进行高逼真度行为仿真，完成高保真模型和超写实仿真环境的融合；
S403：依据机械设备关键零部件的历史监测数据训练双向GRU剩余寿命预测模型，建立机械设备关键零部件的历史监测数据与剩余寿命之间的关系；
S404：将高保真模型在超写实仿真环境中运行，得到机械设备的物理空间状态。
本发明的工作原理为：参数配置模块2通过外部输入设备对待加工工件的位置坐标进行输入设定。红外线定位模块3通过红外线信号发射器和红外线信号接收器对对位组件的位置进行定位；图像采集模块4通过CCD工业相机对待加工工件的图像进行采集。根据采集的图像信息，预处理模块5对采集的待加工工件的图像进行灰度化处理、二值化处理和图像平滑处理；图像对比模块7通过图像处理软件对预处理后的图像与预设的工件图像进行对比。根据图像处理分析结果，指令执行模块8根据图像对比结果生成控制指令，通过控制指令对加工部件的位置进行调节；运行状态监测模块9通过分布在机械设备多个位置的不同传感器对设备的运行状态进行监测，并将监测结果传递到主控模块进行数据处理分析。根据监测分析的结果，运动控制模块1通过多个运动电机对待加工部件的位置进行调整控制。本发明实施例提供的监测数据中的线下数据包括机械设备的几何参数、材料参数及空间相对位置信息；监测数据中的线上数据包括环境数据和机械设备工作时产生的数据。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
