本发明属于机械自动化加工技术领域，特别是涉及一种基于机器视觉或导引光辅助采集的计算机辅助加工系统及辅助加工方法。
背景技术：
近年来，随着工业自动化的发展，机器视觉技术的出现，使得机械加工的方法也趋向于多样化，对产品的加工精度要求也越来越高。在机械加工过程中，由于机床震动、刀具磨损、对刀偏移种种原因都会直接或者间接影响加工精度。例如，金属板材精密裁切企业在购买和使用高精度裁切工具时，怎样了解裁切产品的精度，这是长期困惑业内许多工程师和操作人员的难题，尤其在裁切不规则形状零件时，效率很低且精度不高。
在实际操作中，传统的加工轨迹的生成方式主要为离线编程的方式，其对于复杂图形的空间位置匹配是很困难的，需要事先准备cad图形或其他计算机绘图进行导入，且需要根据实际情况将cad图形进行修正并匹配实际空间位置，实际操作中，离线编程的方式对于复杂图形的空间位置匹配非常困难；另一种传统加工轨迹生成方式为示教编程，需要熟悉编程语言，尤其对于不规则曲线的示教不易操作，效率很低且精度不高，而且示教编程生成的是计算机语言，操作不便，修改繁琐。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种计算机辅助加工系统及辅助加工方法，尤其是一种基于机器视觉或导引光辅助采集的计算机辅助加工系统及辅助加工方法。
本申请第一个方面是提供一种计算机辅助加工模拟系统，包括系统模块、接口模块、运动模块；系统模块包括人机交互控制器和工控机，工控机包括数据处理模块；其中：
人机交互控制器用于对运动轨迹的特征位置点进行采集；
接口模块将采集的特征位置点坐标数据传输到系统模块的工控机；
数据处理模块对特征位置点坐标数据进行分析和计算，并生成运动轨迹；
系统模块将预先设置的工艺参数和生成的包含运动轨迹点坐标数据的加工程序发送给运动模块，并向运动模块输出加工工具控制信号；运动模块控制电机完成模拟加工过程并开始产品的实际加工。
本申请第二个方面是提供一种计算机辅助加工方法，包括：
(1)在手动模式下，操作人员通过系统模块的人机交互控制器对运动轨迹的特征位置点进行采集；
(2)当特征位置点采集完成后，通过接口模块将采集的特征位置点坐标数据传输到系统模块的工控机；
(3)系统模块数据处理模块对采集的特征位置点坐标数据进行分析和计算，并生成运动轨迹；
(4)系统模块将预先设置的工艺参数和生成的包含运动轨迹点坐标数据的加工程序发送给运动模块，并向运动模块输出加工工具控制信号；
(5)运动模块控制电机完成模拟加工过程并开始产品的实际加工。
在一种优选实施例中，所述计算机辅助加工模拟系统还包括网络模块，网络模块将系统模块接入互联网或者局域网。
在一种优选实施例中，所述工控机还包括储存模块，储存模块将生成的包含运动轨迹点坐标数据的加工程序和/或预先设置的工艺参数储存至存储介质。
在一种优选实施例中，所述运动模块的运动机构可以是步进电机和/或伺服电机进行驱动。
在一种优选实施例中，所述运动模块接收系统模块输出的预先设置的工艺参数和生成的包含运动轨迹点坐标数据的加工程序，通过步进电机和/或伺服电机完成对运动机构的控制。
进一步地，所述步骤(1)中，在手动模式下，操作人员通过摇杆、转轮和触摸屏的任意一种或更多种方式控制视觉辅助标志(如十字)或者导引光(如激光)定位特征位置点，并采集其空间坐标数据。
更优选地，所述特征位置点为运动轨迹上的任意点及直线和曲线的交界点。
进一步地，所述步骤(3)中，数据处理模块根据坐标点的空间位置分布情况，通过直线或曲线拟合和插补的方式对运动轨迹点坐标数据进行密化。
进一步地，所述步骤(5)中，还可以通过模拟加工过程对运动轨迹进行验证，如验证未通过，则可以在手动模式下添加或者修改运动轨迹点坐标数据，数据分析模块重新据进行分析和计算，实现对运动轨迹的修正。
其中，所述系统模块可配置有非触摸屏和触摸屏中的任意一种或更多种。
在一种优选实施例中，所述接口模块包括各种加工工具的通讯，视觉信号的采集通讯，各种i/o输入输出信号的通讯，可编程的plc-i/o通讯板已经是标准的工业化产品，带有多组数字量和模拟量接口，以太网接口和串行接口，可以方便的实现信号采集，并可兼容主流的工业总线通讯。
在一种优选实施例中，所述系统模块还可以包括加工工具配置模块，用于选择加工工具类型、工艺参数、信号接口中的任意一种或更多种。
其中，所述加工工具可以是激光、电弧、火焰和水刀等中的一种或更多种。
在一种优选实施例中，所述工艺参数包括加工参数，模拟参数和预点参数中的任意一种或更多种，并以程序号的形式保存。
在一种优选实施例中，所述的加工程序包含运动轨迹点坐标数据、对应的工艺参数和其他必要的信息，并以程序号的形式保存。
本发明具有更加直接和高效，并且非常易于操作的优势，可以快速的生成客户希望的轨迹并直接定位于加工工件上。
附图说明
图1是本发明的工作流程图；
图2是本发明的运动轨迹插补和密化示意图；
图3是本发明的特征位置点的采集和轨迹生成示意图；
图4是本发明计算机辅助加工系统架构示意图；
图5是本发明计算机辅助加工系统人机交互的控制器示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明具体实施方式作进一步的说明。参照图4，本发明采用的技术方案是，一种计算机辅助加工系统，包括系统模块、接口模块、运动模块和网络模块。系统模块包括人机交互控制器和工控机，工控机包括数据处理模块。
人机交互控制器用于对运动轨迹的特征位置点进行采集；例如，windows平台的工控机上运行的软件，提供系统运转的平台、人机交互和信号数据的处理，操作人员利用人机交互界面可视化的采集必要的工作轨迹关键点坐标，并通过接口模块传输到系统模块。
接口模块将采集的特征位置点坐标数据传输到系统模块的工控机；接口模块负责外围设备的通讯和各种信号的采集，包括各种加工工具的通讯，视觉信号的采集通讯，各种i/o输入输出信号的通讯，可编程的plc-i/o通讯板已经是标准的工业化产品，带有多组数字量和模拟量接口，以太网接口和串行接口，可以方便的实现信号采集，并可兼容主流的工业总线通讯。
系统模块数据处理模块对特征位置点坐标数据进行分析和计算，并生成运动轨迹；，结合预先设置的工艺参数，完成加工过程的模拟和产品的实际加工，整个过程都可以数据化的保存在pc的存储介质里，以便重复调用及批量生产。接口模块采集的各种i/o输入输出信号也会汇集到系统模块进行分析和处理，并按需要反馈相应的信号。此外，系统模块还要负责与运动模块通讯，将生成的工作轨迹数据发送给运动控制器，控制多轴运动机构，同时输出加工工具控制信号，协同配合实现产品的加工。网络模块接入系统模块的网络接口，完成对应的互联网和局域网功能。
运动模块控制电机完成模拟加工过程并开始产品的实际加工。目前市场上的运动机构主要采用步进电机或者伺服电机驱动，运动模块接收系统模块的设定参数和工作轨迹，通过步进电机和伺服电机完成对运动机构的控制。
并且，可以配置网络模块接入互联网或者局域网，非常方便的实现互联网功能，拓展整个系统的网络管理、远程诊断和升级功能，提供开放式的增值功能。
参照图1，基于计算机辅助加工系统，本申请还提供了一种计算机辅助加工方法，步骤包括：
(1)在手动模式下，操作人员通过系统模块的人机交互控制器对运动轨迹的特征位置点进行采集；具体而言，可以是在手动模式下，操作人员通过摇杆、转轮和触摸屏的任意一种或更多种方式控制视觉辅助标志(如十字)或者导引光(如激光)定位特征位置点，并采集其空间坐标数据。所述特征位置点一般为运动轨迹上的任意点及直线和曲线的交界点。
(2)当特征位置点采集完成后，通过接口模块将采集的特征位置点坐标数据传输到系统模块的工控机；
(3)系统模块数据处理模块对采集的特征位置点坐标数据进行分析和计算，并生成运动轨迹；具体而言，数据处理模块根据坐标点的空间位置分布情况，通过直线或曲线拟合和插补的方式对运动轨迹点坐标数据进行密化。
(4)系统模块将预先设置的工艺参数和生成的运动轨迹点坐标数据按顺序发送给运动模块，并向运动模块输出加工工具控制信号；
(5)运动模块控制电机完成模拟加工过程并开始产品的实际加工；还可以通过模拟加工过程对运动轨迹进行验证，，如验证未通过，则可以在手动模式下添加或者修改运动轨迹点坐标数据，数据分析模块重新据进行分析和计算，实现对运动轨迹的修正。
参照图5，上述方法中，操作人员的人工操作部分，基本上在如图5的人机交互控制器上进行的，界面分为系统设置、加工工具、工艺参数、加工模式4个部分。
加工工具对应的是加工工具配置模块，用于选择加工工具类型、工艺参数、信号接口中的任意一种或更多种。加工工具的类型如激光、电弧、火焰和水刀等，选择加工工具的品牌和型号。软件可以配置出对应的信号接口和工艺参数选项，分别体现在接口模块和下面的工艺参数选项。市场上主要的加工工具都会提供并更新对应的信号接口说明，因此该部分的内容可不断补充和更新。
所述工艺参数包括加工参数，模拟参数和预点参数中的任意一种或更多种，并以程序号的形式保存。
当加工工具之后操作人员可以进入加工模式，加工模式可分为手动模式和自动模式两个部分。在手动模式下，操作人员通过摇杆、转轮和触摸屏的任意一种或更多种方式控制多轴工作台运动，固定在工作台上的加工头也会移动，配合加工头上的视觉系统(同轴、旁轴ccd或者导引光等)，操作者可以在同步观察、控制视觉辅助标志(如十字)或者导引光(如激光)定位特征位置点，确定并采集其空间坐标值(x,y,z)。系统模块会按顺序记录采集的轨迹点坐标值并以二维数组的形式保存。当运动轨迹点采集完成后，系统模块内置软件会根据数据点的空间位置分布情况，通过直线或曲线插补的方式对轨迹数据进行密化，以保证整个运动轨迹达到需要的精度。参照图2，顺序采集并记录轨迹点p1、p2、p3和p4的空间坐标值，通过p1、p2和p3进行圆弧拟合和插补，按照一定的密度对p1到p2之间的圆弧进行密化并保存，然后再通过p2、p3和p4进行圆弧拟合和插补，由于p4在采集时被记录为程序段的结束，所以将直接保存p2到p4整段圆弧的密化结果，以此类推生成后面的轨迹，并最终保存为若干个点的空间坐标值的数组，即p1(x1,y1,z1)，p2(x2,y2,z2)……pn(xn,yn,zn)。
如图2，三点p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)和p3(x3,y3,z3)可以确定空间圆弧，且同时满足满足p1、p2、p3到圆心距离相等和三点共平面两个条件，可以计算得到圆心坐标(x0,y0,z0)和半径r。
计算方式如下：
圆心x坐标x0＝-(b1*c2*d3-b1*c3*d2-b2*c1*d3 b2*c3*d1 b3*c1*d2-b3*c2*d1)/(a1*b2*c3-a1*b3*c2-a2*b1*c3 a2*b3*c1 a3*b1*c2-a3*b2*c1)；
圆心y坐标y0＝(a1*c2*d3-a1*c3*d2-a2*c1*d3 a2*c3*d1 a3*c1*d2-a3*c2*d1)/(a1*b2*c3-a1*b3*c2-a2*b1*c3 a2*b3*c1 a3*b1*c2-a3*b2*c1)
圆心z坐标
z0＝-(a1*b2*d3-a1*b3*d2-a2*b1*d3 a2*b3*d1 a3*b1*d2-a3*b2*d1)/(a1*b2*c3-a1*b3*c2-a2*b1*c3 a2*b3*c1 a3*b1*c2-a3*b2*c1)
圆弧半径r＝((x0-x1)^2 (y0-y1)^2 (z0-z1)^2)^0.5
其中
a1＝(y1*z2-y2*z1-y1*z3 y3*z1 y2*z3-y3*z2)；
b1＝-(x1*z2-x2*z1-x1*z3 x3*z1 x2*z3-x3*z2)；
c1＝(x1*y2-x2*y1-x1*y3 x3*y1 x2*y3-x3*y2)；
d1＝-(x1*y2*z3-x1*y3*z2-x2*y1*z3 x2*y3*z1 x3*y1*z2-x3*y2*z1)；
a2＝2*(x2-x1)；
b2＝2*(y2-y1)；
c2＝2*(z2-z1)；
d2＝x1*x1 y1*y1 z1*z1-x2*x2-y2*y2-z2*z2；
a3＝2*(x3-x1)；
b3＝2*(y3-y1)；
c3＝2*(z3-z1)；
d3＝x1*x1 y1*y1 z1*z1-x3*x3-y3*y3-z3*z3；
通过p1到p2以及p2到p3的空间向量k21和k32，可以计算圆弧平面的法向量k，进一步可以定义圆弧平面相互垂直的两个方向轴为a和b，这样既可建立坐标系(a,b,k),相关计算如下：
k＝cross(k21,k32)；按照圆弧起始点方向定义的法向量k
a＝cross(k,[100])；k与i叉乘，求取a向量
b＝cross(k,a)；k与a叉乘，求取b向量
通过圆心(x0,y0,z0)到圆弧起点p1(x1,y1,z1)向量按照一定步长扫过角度到p2(x2,y2,z2)和p3(x3,y3,z3),既可得到圆弧轨迹上的若干坐标点，如下：
theta＝(n1-1)*resolution thetap1；n1为计数变量，resolution为步长，thetap1为圆心到起点p1的空间向量
x(n1)＝center(1) r*a(1)*cos(theta) r*b(1)*sin(theta)；％圆上各点的x坐标
y(n1)＝center(2) r*a(2)*cos(theta) r*b(2)*sin(theta)；％圆上各点的y坐标
z(n1)＝center(3) r*a(3)*cos(theta) r*b(3)*sin(theta)；％圆上各点的z坐标
当然，客户可以通过模拟运行的方式验证结果，如果运动轨迹没有达到需要的效果，可以在手动模式下添加或者修改轨迹点，实现对轨迹的修正。如图3表示了一段简单曲线轨迹的生成。
通过手动模式产生的加工程序，包含对应的加工参数(j#)将以加工程序号(p#)的形式储存，可在自动模式下单次或者重复执行，进行批量生产。
最后产生的运动轨迹以一定密度的数据点坐标组成，系统模块将这些数据点按顺序发送给运动模块，通过运动控制卡控制电机完成轨迹运动，由于目前主流的运动控制卡基本都支持连续线段和预处理功能，所以本发明可以兼容主流的运动控制器和伺服或步进电机系统，并且可以直接应用到客户现有的设备中。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
1.一种计算机辅助加工模拟系统，其特征在于，包括系统模块、接口模块、运动模块；系统模块包括人机交互控制器和工控机，工控机包括数据处理模块；其中：
人机交互控制器用于对运动轨迹的特征位置点进行采集；
接口模块将采集的特征位置点坐标数据传输到系统模块的工控机；
数据处理模块对特征位置点坐标数据进行分析和计算，并生成运动轨迹；
系统模块将预先设置的工艺参数和生成的运动轨迹点坐标数据按顺序发送给运动模块，并向运动模块输出加工工具控制信号；运动模块控制电机完成模拟加工过程并开始产品的实际加工。
2.如权利要求1所述的计算机辅助加工模拟系统，其特征在于，所述计算机辅助加工模拟系统还包括网络模块，网络模块将系统模块接入互联网或者局域网。
3.如权利要求1所述的计算机辅助加工模拟系统，其特征在于，所述工控机还包括储存模块，储存模块将生成的包含运动轨迹点坐标数据的加工程序和/或预先设置的工艺参数储存至存储介质。
4.如权利要求1所述的计算机辅助加工模拟系统，其特征在于，所述运动模块接收系统模块输出的预先设置的工艺参数和生成的包含运动轨迹点坐标数据的加工程序，通过步进电机和/或伺服电机完成对运动机构的控制。
5.如权利要求1所述的计算机辅助加工模拟系统，其特征在于，所述特征位置点为运动轨迹上的任意点及直线和曲线的交界点。
6.一种计算机辅助加工方法，包括：
(1)在手动模式下，操作人员通过系统模块的人机交互控制器对运动轨迹的特征位置点进行采集；
(2)当特征位置点采集完成后，通过接口模块将采集的特征位置点坐标数据传输到系统模块的工控机；
(3)系统模块数据处理模块对采集的特征位置点坐标数据进行分析和计算，并生成运动轨迹；
(4)系统模块将预先设置的工艺参数和生成的包含运动轨迹点坐标数据的加工程序发送给运动模块，并向运动模块输出加工工具控制信号；
(5)运动模块控制电机完成模拟加工过程并开始产品的实际加工。
7.如权利要求6所述的计算机辅助加工模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在手动模式下，操作人员通过摇杆、转轮和触摸屏的任意一种或更多种方式控制视觉辅助标志或者导引光定位特征位置点，并采集其空间坐标数据。
8.如权利要求7所述的计算机辅助加工模拟方法，其特征在于，所述特征位置点为运动轨迹上的任意点及直线和曲线的交界点。
9.如权利要求6所述的计算机辅助加工模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)中，数据处理模块根据坐标点的空间位置分布情况，通过直线或曲线拟合和插补的方式对运动轨迹点坐标数据进行密化。
10.如权利要求6所述的计算机辅助加工模拟方法，其特征在于，所述步骤(5)中，还通过模拟加工过程对运动轨迹进行验证，如验证未通过，则可以在手动模式下添加或者修改运动轨迹点坐标数据，数据分析模块重新据进行分析和计算，实现对运动轨迹的修正。
技术总结