CN101281403A - 异型玻璃加工图形定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异型玻璃加工图形定位方法及系统。本方法的操作步骤是：(1)通过异型玻璃实际轮廓扫描方法进行异型玻璃轮廓数据采集；(2)进行异型玻璃实际轮廓数据拟合，复现异型玻璃实际轮廓；(3)通过图形匹配实现异型玻璃实际轮廓与异型玻璃理论轮廓的比对，确定加工系统中异型玻璃的实际姿态，完成定位。本系统是：一个测量单元经一个计算单元连接一个执行机构，计算单元连接异型玻璃DXF文件库，执行机构连接钻孔设备、磨边设备和抛光设备。在现有的加工系统上，采用本发明提供的方法及系统，根据加工需求对现有系统硬件结构进行配置(玻璃钻孔机、玻璃磨边机、及其多种组合加工单元)，可实现异型玻璃自动定位功能。

Description

异型玻璃加工图形定位方法及系统

技术领域

本发明属于玻璃深加工领域，针对钻孔、磨边等玻璃深加工行业中异型玻璃定位问题，提出一种通用的异型玻璃图形定位方法及系统。

背景技术

玻璃深加工行业中异型玻璃定位问题是当前玻璃深加工系统中急需要解决的共性问题。传统的异型玻璃定位方法是通过人眼观察手动定位或预制大量的加工模板作为定位辅助工装，这些定位方法存在加工误差大、工效低、劳动强度高等缺点。目前尚未检索到一种针对异型玻璃加工有效的定位解决方法。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种异型玻璃图形定位方法及系统，基于现有的玻璃专用加工平台，采用本发明提供的方法及系统，根据加工需求对现有系统硬件结构进行配置(玻璃钻孔机、玻璃磨边机、及其多种组合加工单元)，通过异型玻璃轮廓扫描、轮廓数据滤波、轮廓曲线拟合、图形匹配技术实现异型玻璃自动定位功能。

为达到上述目的，本发明的构思是：

◆异型玻璃理论轮廓图形信息获取

本发明中异型玻璃理论轮廓图形信息来自于DXF文件。DXF文件是一种ASCII码文本文件，主要用于与其它CAD系统及用户应用程序间的图形信息交换，完整的DXF文件由六个段和结束标志组成。一般情况下，段的前后顺序不能改变。每一个段由若干个组构成，每个组占两行。第一行为组的代码，由自然数构成；第二行为组的值，AutoCAD将代码称为组码，代码关联的值称为组值。常用组码的含义是固定的，但有些组代码会因表达环境的不同而有不同的含义，分析时需要根据不同的段和不同的表达而判断。

异型玻璃理论轮廓图形为平面二维图形，不需要颜色和图层等信息，只需提取异型玻璃在加工位图形的布局信息，即图形的坐标值，故在获取异型玻璃理论轮廓图形信息时只需提取DXF图形元素的几何信息实体部分，其他段可予以忽略。DXF文件各段由“0”“SECTION”开始，以“0”“ENDSEC”结束。在编写DXF文件信息提取处理程序时可忽略了未定义的组码，且对图元中的组码次序没有做任何规定限制，按此方法编写的程序也比较容易针对AutoCAD的后续版本做相应调整。

◆异型玻璃理论轮廓图形信息预处理

DXF文件中实体图形的描述是按照AutoCAD内部规定来进行的，大部分不符合异型玻璃加工所要求的格式，而且异型玻璃加工一般只有直线和圆弧加工指令，故需要把实体图形分解为满足加工精度要求的直线和圆弧。这里面主要有以下几方面的工作：1)把圆弧的描述改为起点、终点和圆心，同时要记下圆弧的时钟走向(从起点到终点顺时针还是逆时针)；2)把多段线(LWPOLYLINE)分解为直线和圆弧。AutoCAD中的多段线是由相互连接的直线和圆弧构成的，必须分解为独立的直线、圆弧。需要注意的是，多段线对圆弧的定义用了一个较为特殊的概念：凸度，表示1/4圆弧圆心角的正切，如果为负值则圆弧从起点到终点是顺时针方向的；3)把椭圆(或椭圆弧)、样条曲线用圆弧拟合。

经以上分解出的直线和圆弧，排列顺序是不确定的，还需按加工要求重新组合。对于玻璃切割、磨边等，加工时一般就是沿着玻璃轮廓轨迹连续进行，需要把直线和圆弧按首尾相连的顺序排序。排序过程为：按照轨迹优化的规则取出一条曲线(可为直线或圆弧)作为起始切割线，在剩余线端点中找出与前一条线终点重合的点以及该点所在的线。如果重合点是找出线的终点，则交换其起点和终点。对于圆弧，则在交换了起点、终点后还要改变其时钟走向。然后把前一次找出的线作为当前线，搜寻出它的连接线。如果没有找到当前线的连接线，则表明取出的曲线已经构成了一个闭合路径(可能是玻璃的外轮廓或其中的某个孔的轮廓)，这时重新按轨迹优化的规则从剩余曲线中找出一条曲线作为下一个闭合路径的起始切割线，直至把所有曲线排完。

◆异型玻璃实际轮廓扫描、数据滤波、曲线拟合

异型玻璃理论轮廓图形信息处理完成后，需要采集异型玻璃实际轮廓数据(轮廓扫描)并进行曲线拟合，与理论轮廓图形匹配，以确定玻璃的在机床上的实际姿态，据此再求取异型玻璃相对各工步的坐标及加工余量等。

异型玻璃实际轮廓数据采集(轮廓扫描)方法如附图4所示：探针固定在与导轨平行且过转台中心线的方向，转台匀速转动，在相同时间间隔内连续读取探针位移，可采集到一组数据(x_i，y，θ_i)，i＝0，1 2，…n，其中y值不变，θ是已知的等差数列。通过坐标旋转公式作变换：任意点(x_i y)，绕其中心(Xcenter，Ycenter)逆时针旋转θ_i角度后，新的坐标位置(x_i′ y_i′)，的计算公式为：

x_i′＝(x_i-Xcenter)cosθ_i-(y-Ycenter)sinθ_i+Xcenter    (1)

y_i′＝(x_i-Xcenter)sinθ_i-(y-Ycenter)cosθ_i+Ycenter

对变换后的数据(x_i′，y_i′，θ_i′)，i＝0，1 2，…n进行软件滤波处理，再通过曲线拟合得出异型玻璃的轮廓外形。软件滤波采用限幅平均滤波法，它能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高；

数据拟合采用最小二乘法，通过最小化误差的平方和找到一组测量数据的匹配函数；通过计算异型玻璃轮廓相邻采集数据点连线的斜率变化来确定拟合类型：

$\mathrm{\ΔK}=|k_i-k_{i-1}|=\left|\frac{y_{i+1}^{\′}-y_i^{\′}}{x_{i+1}^{\′}-x_i^{\′}}\right|,$ 当ΔK＜0.01时，采用线性拟合；当ΔK≥0.01时，采用曲线拟合；

对于确定的一组数据(x_i′，y_i′，θ_i′)，i＝0，1 2，…n，寻求Φ(x)的类型Φ_m(x)＝C₁+C₂x+C₃x²+…+C_mx^m-1代数多项式(m＜n)，使 $Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\Φ}}_m\left(x_i^{\′}\right)-y_i^{\′})}^2$ 达到最小，需要求出C₁ C₂ … C_m的值，将这个问题转化为求超定方程组的最小二乘解，此超定方程组可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1{\mathrm{\Φ}}_1\left({x_1}^{\′}\right)+C_2{\mathrm{\Φ}}_2\left({x_1}^{\′}\right)+...+C_m{\mathrm{\Φ}}_m\left(x_1^{\′}\right)=y_1\\ C_1{\mathrm{\Φ}}_1\left({x_n}^{\′}\right)+C_2{\mathrm{\Φ}}_2\left({x_n}^{\′}\right)+...+C_m{\mathrm{\Φ}}_m\left(x_n^{\′}\right)=y_n\end{array}\right.$

此超定方程组的系数矩阵：

$A=\left[\begin{array}{ccccc}1& x_1^{\′}& {x_1^{\′}}^2& ...& {x_1^{\′}}^{m-1}\\ 1& x_2^{\text{\′}}& {x_2^{\′}}^2& ...& {x_2^{\′}}^{m-1}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ 1& x_n^{\′}& {x_n^{\′}}^2& ...& {x_n^{\′}}^{m-1}\end{array}\right](n>m)$

则法方程组A^T A C＝A^Ty的解即为超定方程组的最小二乘解。当为直线拟合时，取Φ(x_i′)＝C₁+C₂x_i′；即m＝2，Φ₁(x_i′)＝C₁，Φ₂(x_i′)＝x_i′；则： $\begin{array}{}\begin{array}{cc}{A}^T& y\end{array}\end{array}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{y}_i^{\′}\\ \mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}{y}_i\end{array}\right]$ $\begin{array}{cc}{A}^T& A\end{array}=\left[\begin{array}{cc}n& \mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}\\ \mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}& \mathrm{\Σ}{x}_i^2\end{array}\right]$ $A=\begin{array}{}\left[\begin{array}{cc}1& x_1^{\′}\\ 1& x_2^{\′}\\ ...& ...\\ 1& x_n^{\′}\end{array}\right]\end{array}$

相应法方程组为： $\left\{\begin{array}{c}{C}_{1}n+C_2\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}=\mathrm{\Σ}{y}_i^{\′}\\ C_1\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}+C_2\mathrm{\Σ}{x}_i^2=\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}{y}_i^{\′}\end{array}\right.---\left(2\right)$

当为曲线拟合时，取 $\mathrm{\Φ}\left(x_i^{\′}\right)=C_1+C_2{x}_i^{\′}+C_3{x_i^{\′}}^2;$ 即m＝3，Φ₁(x_i′)＝C₁，Φ₂(x_i′)＝x_i′， ${\mathrm{\Φ}}_3\left(x_i^{\′}\right)={x_i^{\′}}^2;$

此时 $A=\left[\begin{array}{ccc}1& x_1^{\′}& {x_1^{\′}}^2\\ 1& x_2^{\′}& {x_2^{\′}}^2\\ ...& ...& ...\\ 1& x_n^{\′}& {x_n^{\′}}^2\end{array}\right]$ $\begin{array}{cc}{A}^T& A\end{array}=\left[\begin{array}{ccc}n& \mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}& \mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2\\ \mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}& \mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2& \mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^3\\ \mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2& \mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^3& \mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^4\end{array}\right]$ $\begin{array}{cc}{A}^T& y\end{array}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{y}_i^{\′}\\ \mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}{y}_i^{\′}\\ \mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2{y}_i^{\′}\end{array}\right]$

相应法方程组为： $\left\{\begin{array}{c}{C}_{1}n+C_2\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}+C_3\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2=\mathrm{\Σ}{y}_i^{\′}\\ C_1\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}+C_2{\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}}^2+C_3\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^3=\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}{y}_i^{\′}\\ C_1\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2+C_2\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^3+C_3\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^4=\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2{y}_i^{\′}\end{array}\right.---\left(3\right)$

对采集数据经过滤波处理后代入法方程组(3)即可算得拟合函数的系数值。数据拟合较有效地克服了观测随机误差的影响。

◆图形匹配

将拟合出的异型玻璃实际轮廓和异型玻璃理论轮廓(CAD图形)进行匹配，得出实际中的异型玻璃轮廓和异型玻璃理论轮廓(CAD图形)的严格对应关系。本发明采用图元数据比较法进行匹配，它是比较图形中各实体的几何特征数据，准确性较高：通过提取异型玻璃理论轮廓(CAD图形)实体中直线的长度和斜率以及各段圆弧的弧长和曲率，与异型玻璃实际轮廓数据特征进行比对，可确定异型玻璃的实际姿态；也可通过按单位角度等分CAD图形，求取各图元等分点的坐标，图形每旋转单位角度，就与经过同样转动的玻璃外形轮廓进行一次坐标位置比对，当其误差的最大值小于某一给定的最小值时，CAD图形停止转动，即认为此时CAD图形与玻璃轮廓重合。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术步骤：

一种异型玻璃加工图形定位方法，其特征在于：

(1)通过异型玻璃实际轮廓扫描方法进行异型玻璃轮廓数据采集；

(2)进行异型玻璃实际轮廓数据拟合，复现异型玻璃实际轮廓；

(3)通过图形匹配实现异型玻璃实际轮廓与异型玻璃理论轮廓的比对，确定加工系统中异型玻璃的实际姿态，完成定位。

上述步骤(1)中所述的异型玻璃实际轮廓扫描方法是：异型玻璃置于加工转台的旋转吸盘上；轮廓测量传感器探针固定在与导轨平行且过转台中心线的方向，并与异型玻璃轮廓边沿接触；转台吸盘吸紧玻璃匀速转动，传感器探针随着异型玻璃的转动沿导轨方向移动，定时读取传感器探针数据实现异型玻璃实际轮廓数据采集。

上述步骤(2)中所述的异型玻璃实际轮廓数据拟合算法是：将采集来的异型玻璃实际轮廓数进行数据拟合，数据拟合采用最小二乘法，通过计算异型玻璃实际轮廓数据相邻采集点连线的斜率变化来确定拟合类型：斜率 $\mathrm{\ΔK}=|k_i-k_{i-1}|=\left|\frac{y_{i+1}^{\′}-y_i^{\′}}{x_{i+1}^{\′}-x_i^{\′}}\right|,$

当ΔK＜0.01时，采用线性拟合方程组 $\left\{\begin{array}{c}{C}_{1}n+C_2\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}=\mathrm{\Σ}{y}_i^{\′}\\ C_1\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}+C_2\mathrm{\Σ}{x}_i^2=\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}{y}_i^{\′}\end{array}\right.;$

当ΔK≥0.01时，采用曲线拟合方程组 $\left\{\begin{array}{c}{C}_{1}n+C_2\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}+C_3\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2=\mathrm{\Σ}{y}_i^{\′}\\ C_1\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}+C_2{\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}}^2+C_3\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^3=\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}{y}_i^{\′}\\ C_1\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2+C_2\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^3+C_3\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^4=\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2{y}_i^{\′}\end{array}\right.;$

根据上述数据拟合算法完成异型玻璃实际轮廓的提取。

上述步骤(3)中所述的图形匹配算法是：采用图元数据比较法进行图形匹配，它是比较图形中各实体的几何特征数据：通过提取来自异型玻璃理论轮廓中直线的长度和斜率以及各段圆弧的弧长和曲率，与异型玻璃实际轮廓的几何特征数据进行比对，即可确定异型玻璃的实际姿态，定位完成。

一种异型玻璃图形定位系统，应用于上述方法，其特征在于一个测量单元经一个计算单元连接一个执行机构，所述计算单元连接异型玻璃DXF文件库，所述执行机构连接钻孔设备、磨边设备和抛光设备。

本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点：

1.实现异型玻璃实际轮廓的准确检测和图形快速定位，解决了传统定位方法存在加工误差大、工效低、劳动强度高等缺点。

2.采用软件滤波法，有效克服因异型玻璃轮廓测量点位置等偶然因素引起的波动干扰，对周期性干扰有良好的抑制作用，图形曲线平滑度高。

3.采用将复杂图形分割为微小直线段来处理，简化图形自动定位过程中进行图形旋转平移的数据计算。

本发明思路简洁高效、使用方便，能大大提高异型玻璃生产加工效率。而且适用范围广，它不局限于玻璃深加工行业上，经过较小的改动，可以应用于相似控制功能的系统。

附图说明

图1是异型玻璃图形定位方法程序框图；

图2是异型玻璃图形定位系统结构框图；

图3是异型玻璃图形定位系统框图；

图4是异型玻璃图形定位测量原理；

图5是异型玻璃图形定位转台及导轨装置侧视图

图6是异型玻璃磨削加工软件框图；

具体实施方式

本发明得一个优选实施例结合附图说明如下：

参见图1，本异型玻璃图形定位方法的操作步骤如下：

(1)通过异型玻璃实际轮廓扫描方法进行异型玻璃轮廓数据采集；

(2)进行异型玻璃实际轮廓数据拟合，复现异型玻璃实际轮廓；

(3)通过图形匹配实现异型玻璃实际轮廓与异型玻璃理论轮廓的比对，确定加工系统中异型玻璃的实际姿态，完成定位。

参见图2，本异型玻璃加工图形定位系统是一个测量单元1经一个计算单元2连接一个执行机构3，计算单元2连接异型玻璃DXF文件库4，执行机构3连接钻孔设备5、磨边设备6和抛光设备7。在图3中示出计算单元2内部结构框图。

异型玻璃图形定位详细加工程序如下：

1)如附图5所示，首先异型玻璃置于加工转台的旋转吸盘上；轮廓测量传感器探针固定在与导轨平行且过转台中心线的方向，并与异型玻璃轮廓边沿接触；转台吸盘吸紧玻璃匀速转动，传感器探针随着异型玻璃的转动沿导轨方向移动，定时读取传感器探针数据实现异型玻璃实际轮廓数据采集。可得到一组数据(x_i，y，θ_i)，i＝0，1 2，…n，其中y值不变，θ是已知的等差数列，以此采样一系列的测量点数据，测量原理如图4所示。

2)通过对异型玻璃实际轮廓测量数据进行软件滤波、坐标转换后确定拟合类型后，再将滤波后的数据代入相应的公式进行数据拟合得到异型玻璃实际轮廓。

3)将拟合出的异型玻璃实际轮廓与通过DXF接口导入的CAD理论图形进行图形匹配，确定异型玻璃位于转台的实际姿态与异型玻璃理论图形在设计坐标系位置的对应关系，完成图形定位。

异形玻璃钻孔加工详细软件框图如图6所示。

Claims (5)

1.一种异型玻璃加工图形定位方法，其特征在于该方法的具体操作步骤如下：

a.通过异型玻璃实际轮廓扫描方法进行异型玻璃轮廓数据采集；

b.进行异型玻璃实际轮廓数据拟合，复现异型玻璃实际轮廓；

c.通过图形匹配实现异型玻璃实际轮廓与异型玻璃理论轮廓的比对，确定加工系统中异型玻璃的实际姿态，完成定位。

2.根据权利1所述的异型玻璃加工图形定位方法，其特征在于步骤(1)中所述的异型玻璃实际轮廓扫描方法是：异型玻璃置于加工转台的旋转吸盘上；轮廓测量传感器探针固定在与导轨平行且过转台中心线的方向，并与异型玻璃轮廓边沿接触；转台吸盘吸紧玻璃匀速转动，传感器探针随着异型玻璃的转动沿导轨方向移动，定时读取传感器探针数据实现异型玻璃实际轮廓数据采集。

3.根据权利1所述的异型玻璃加工图形定位方法，其特征在于步骤(2)中所述的异型玻璃实际轮廓数据拟合算法是：将采集来的异型玻璃实际轮廓数进行数据拟合，数据拟合采用最小二乘法，通过计算异型玻璃实际轮廓数据相邻采集点连线的斜率变化来确定拟合类型：斜率 $\mathrm{\ΔK}=|k_i-k_{i-1}|=\left|\frac{y_{i+1}^{\′}-y_i^{\′}}{x_{i+1}^{\′}-x_i^{\′}}\right|,$ 当ΔK＜0.01时，采用线性拟合方程组 $\left\{\begin{array}{c}{C}_{1}n+C_2\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}=\mathrm{\Σ}{y}_i^{\′}\\ C_1\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}+C_2\mathrm{\Σ}{x}_i^2=\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}{y}_i^{\′}\end{array}\right.;$ 当ΔK≥0.01时，采用曲线拟合方程组 $\left\{\begin{array}{c}{C}_{1}n+C_2\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}+C_3\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2=\mathrm{\Σ}{y}_i^{\′}\\ C_1\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}+C_2{\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}}^2+C_3\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^3=\mathrm{\Σ}{x}_i^{\′}{y}_i^{\′}\\ C_1\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2+C_2\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^3+C_3\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^4=\mathrm{\Σ}{x_i^{\′}}^2{y}_i^{\′}\end{array}\right.;$

其中：ΔK：斜率变化；

k_i：相邻采集点连线的斜率；

x_i′，y_i′：极坐标经直角坐标变换和旋转变换后的坐标值；

C₁、C₂、C₃：拟合系数；

n：采集数据个数；

根据上述数据拟合算法完成异型玻璃实际轮廓的提取。

4.根据权利1所述的异型玻璃加工图形定位方法，其特征在于步骤(3)中所述的图形匹配算法是：采用图元数据比较法进行图形匹配，它是比较图形中各实体的几何特征数据：通过提取来自异型玻璃理论轮廓中直线的长度和斜率以及各段圆弧的弧长和曲率，与异型玻璃实际轮廓的几何特征数据进行比对，即可确定异型玻璃的实际姿态，定位完成。

5.一种异型玻璃加工图形定位系统，应用于根据权利要求1所述的异型玻璃加工图形定位方法，其特征在于一个测量单元(1)经一个计算单元(2)连接一个执行机构(3)，所述计算单元(2)连接异型玻璃DXF文件库(4)，所述执行机构(3)连接钻孔设备(5)、磨边设备(6)和抛光设备(7)。

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