CN111185664A - 一种基于单目视觉的激光切割随动***及方法 - Google Patents

一种基于单目视觉的激光切割随动***及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111185664A
CN111185664A CN202010099314.7A CN202010099314A CN111185664A CN 111185664 A CN111185664 A CN 111185664A CN 202010099314 A CN202010099314 A CN 202010099314A CN 111185664 A CN111185664 A CN 111185664A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
light spot
cutting
ccd camera
monocular vision
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010099314.7A
Other languages
English (en)
Inventor
张延波
***
许兆霞
赵兴文
葛兆斌
刘成业
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Automation Shandong Academy of Sciences
Original Assignee
Institute of Automation Shandong Academy of Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Automation Shandong Academy of Sciences filed Critical Institute of Automation Shandong Academy of Sciences
Priority to CN202010099314.7A priority Critical patent/CN111185664A/zh
Publication of CN111185664A publication Critical patent/CN111185664A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046—Automatically focusing the laser beam
    • B23K26/048—Automatically focusing the laser beam by controlling the distance between laser head and workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本公开公开了一种基于单目视觉的激光切割随动***及方法，包括检测模块、终端、驱动机构、传动机构和切割头；检测模块包括CCD摄像机和激光器，CCD摄像机与终端通过接口模块连接，由CCD摄像机采集经激光器发射光斑至加工工件后的光斑图像；驱动机构包括伺服电机和驱动器，所述传动机构包括联轴器和直线运动单元，驱动器与终端通过***总线连接，伺服电机通过联轴器与直线运动单元连接，通过直线运动单元驱动切割头升降运动。基于单目视觉测量方法测量切割头与加工工件表面的距离，快速调节切割头与加工工件表面位置，适用于金属、非金属材料的切割，解决加工工件表面不平和变形影响切割质量的问题，提高了切割效果和切割效率。

Description

一种基于单目视觉的激光切割随动***及方法
技术领域
本公开涉及激光切割技术领域，特别是涉及一种基于单目视觉的激光切割随动***及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在激光切割加工过程中，由于被加工工件存在表面起伏，切割头喷嘴与工件之间的间隙会有较大的变化，若保持切割头与工件表面高度不变，则无法保证切割质量。因此在加工过程中需要实时检测切割头激光焦点与加工工件表面的位置，控制切割头随着加工件表面的起伏而作同步的升降运动，保证其工作距离的基本恒定，实现切割头随动***功能。
目前，激光切割头随动***主要分为接触式和非接触检测两种模式。但是，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：基于接触式传感器的激光切割头随动***，无法加工复杂曲面工件，且存在接触磨损问题，效率较低。基于电容位移传感器的非接触式检测方法，多应用割金属材料切割，检测精度较高，结构简单，但受温度波动、光焰溅射、表面异物等噪声扰动影响使得采集信号比较困难。基于激光位移传感器非接触式检测方法，在连续测量中可以保持一定的测量精度，该方法只利用了部分反射光能量使测量灵敏度有所降低。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种基于单目视觉的激光切割随动***及方法，基于单目视觉测量方法测量切割头与加工工件表面的距离，通过驱动机构带动传动机构直线运动，以此驱动切割头升降运动，能够快速调节切割头与加工工件表面位置，适用于金属、非金属材料的切割，解决加工工件表面不平和变形影响切割质量的问题，提高了切割效果和切割效率。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供一种基于单目视觉的激光切割随动***，包括：检测模块、终端、驱动机构、传动机构和切割头；
所述检测模块包括CCD摄像机和激光器，CCD摄像机与终端通过接口模块连接，由CCD摄像机采集经激光器发射光斑至加工工件后的光斑图像；
所述驱动机构包括伺服电机和驱动器，所述传动机构包括联轴器和直线运动单元，所述驱动器与终端通过***总线连接，所述伺服电机通过联轴器与直线运动单元连接，通过直线运动单元驱动切割头升降运动。
第二方面，本公开提供一种基于单目视觉的激光切割随动方法，包括：
CCD摄像机采集经激光器发射光斑至加工工件后的光斑图像，根据CCD摄像机与激光器之间水平距离以及激光器与加工工件的初始高度，对光斑图像进行光斑像素标定，得到光斑像素标定值；
终端接收切割过程中采集的光斑图像并进行图像处理，根据确定的光斑质心得到光斑像素数量，根据光斑像素数量和光斑像素标定值得到激光器与加工工件的实际高度；
根据激光器与加工工件的初始高度与实际高度的差值，驱动切割头进行升降运动。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开的切割随动***能够快速调节切割头与加工工件表面距离，结构简单，调节范围广，响应速度快，检测精度高。
本公开的切割随动***利用单目视觉测量方法实现切割头与加工工件表面的位置检测，通过驱动机构带动传动机构直线运动，以此驱动切割头升降运动，能够快速调节切割头与加工工件表面位置，可以适应不同厚度的金属、非金属材料的切割，解决了加工工件表面不平和变形影响切割质量的问题，提高了切割效果和切割效率。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的基于单目视觉的激光切割随动***结构框图；
图2为本公开实施例1提供的激光切割随动***传动机构结构图；
图3为本公开实施例2提供的激光切割随动***工作流程图；
图4为本公开实施例2提供的基于单目视觉测距原理图；
其中，1.平台，2.加工工件，3.切割头，4.传动机构，5.驱动机构，6.检测模块，7.计算机终端，8.CCD摄像机，9.滤光镜，10.激光器，11.遮光罩，12.伺服电机，13.驱动器，14.编码器，15.联轴器，16.直线运动单元。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于单目视觉的激光切割随动***，包括：切割头3，传动机构4、驱动机构5、检测模块6、计算机终端7；
所述传动机构4包括联轴器15和直线运动单元16；所述驱动机构5包括伺服电机12、驱动器13、编码器14，用于驱动传动机构4；
其中，所述伺服电机12通过联轴器15与直线运动单元16相连，直线运动单元16驱动切割头3实现升降运动，如图2所示，在本实施例中，直线运动单元采用滚珠丝杠运动单元；
所述编码器14安装在电机尾部，实时反馈电机当前运行位置，构成一个闭环控制***。
所述检测模块6包括CCD摄像机8、滤光镜9、激光器10、遮光罩11，实现位置检测功能；
在本实施例中，CCD摄像机8采用配备工业级摄像头；激光器10发射固定波长的红色圆点激光光斑至加工工件2表面；滤光镜9为固定波长的窄带滤光镜，安装在CCD摄像机8镜头前方，保留激光器10发射波长的光线进入，从而可以一定程度的避免加工过程中光线干扰；遮光罩11用于避免外部干扰光源；在本实施例中，选用镜头焦距50mm、130万像素分辨率的工业摄像机，650nm红光激光器，650nm窄带滤光镜，本实施例的检测模块采用遮光罩、滤光镜避免了外部干扰光源，将背景光和检测用激光源隔离，有效地保证了检测光源的稳定可靠性。
在本实施例中，在切割头一侧设置滑块，所述滑块与切割头处于同一高度，在滑块上安装激光器与CCD摄像机；激光器10与CCD摄像机8的水平距离保持不变，并且在切割加工前，将激光器10与切割头3的水平距离调节到1-2厘米范围内。
所述计算机终端7完成激光器光斑图像CCD采集与单目视觉测距处理后控制传动机构带动切割头3进行升降运动；
CCD摄像机与终端通过接口模块连接，驱动器与终端通过***总线连接；在本实施例中，驱动机构5的驱动器13通过PCI总线与计算机终端7连接，CCD摄像机8通过网口与计算机终端7连接。
实施例2
如图3所示，本实施例提供一种基于单目视觉的激光切割随动方法，包括：
(1)CCD摄像机采集经激光器发射光斑至加工工件后的光斑图像，根据CCD摄像机与激光器之间水平距离以及激光器与加工工件的初始高度，对光斑图像进行光斑像素标定，得到光斑像素标定值；
(2)标定完成后，启动工件切割加工；终端接收切割过程中采集的光斑图像并进行图像处理，根据确定的光斑质心得到光斑像素数量，根据光斑像素数量和光斑像素标定值得到激光器与加工工件的实际高度；
(3)根据激光器与加工工件的初始高度与实际高度的差值，驱动切割头进行升降运动；
(4)重复步骤(2-3)，直至切割加工工件结束。
所述步骤(1)中还包括***自检与初始化，具体为：
(1.1)检查驱动器、CCD摄像机线路，确保与计算机终端通信正常，调整切割头与加工工件表面距离到设定高度，调整检测模块位置，将激光器发射的光斑距离切割头1-2厘米范围内；
(1.2)：精确测量CCD摄像机与激光器之间水平距离D，激光器距离加工工件表面初始高度数值H0；
(1.3)：***初始化：配置CCD摄相机IP地址和计算机终端IP地址，确保两者在同一个网段内；
如图4所示，基于单目视觉测距原理，进行光标像素标定的过程为：
(2.1)：采集CCD激光器光斑图像，进行图像处理后得出光斑像素个数N；
(2.2)：测量加工工件表面距离激光器的初始高度数值H；
(2.3)：根据计算光斑像素标定值的公式计算每个像素弧度值和弧度误差；
其中，光斑像素标定值的公式为：
Figure BDA0002386346870000061
θ＝N×Ar+F (2)
上式中，D为CCD摄像机与激光器之间水平距离，H为激光器与加工工件的初始高度，Ar为每个像素弧度值，F为弧度误差，N为光斑像素个数，θ为角度；
将H和D数值代入公式(1)中，计算出θ；将θ和N代入公式(2)中得到Ar、F的方程组；
(2.4)：调整激光器与加工工件表面距离，多次测量H的准确值，重复步骤(2.3)；
(2.5)：通过公式(2)的多个方程组求解出Ar、F，求其均值后作为光斑像素标定值。
所述实际高度计算过程包括：
(3.1)：终端对切割过程中采集的光斑图像进行灰度转化，转化为灰度图；
(3.2)：将灰度图进行平滑处理，采用Canny边缘算法检测光斑边缘；
(3.3)：确定光斑轮廓，计算轮廓矩；
(3.4)：计算出光斑质心，根据光斑质心得到光斑像素数量；
(3.5)：根据光斑像素数量和光斑像素标定值，由公式(1)、公式(2)计算出激光器与加工工件的实际高度值。
本实施例利用单目视觉测量方法实现切割头与加工工件表面的位置检测，可以适应不同厚度的金属、非金属材料的切割，很好地解决了加工工件表面不平和变形影响切割质量的问题，提高了切割效果和切割效率，该方法应用在激光切割加工方面，自动化程度较高，操作简单、容易实施。
以上仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于单目视觉的激光切割随动***，其特征在于，包括：检测模块、终端、驱动机构、传动机构和切割头；
所述检测模块包括CCD摄像机和激光器，CCD摄像机与终端通过接口模块连接，由CCD摄像机采集经激光器发射光斑至加工工件后的光斑图像；
所述驱动机构包括伺服电机和驱动器，所述传动机构包括联轴器和直线运动单元，所述驱动器与终端通过***总线连接，所述伺服电机通过联轴器与直线运动单元连接，通过直线运动单元驱动切割头升降运动。
2.如权利要求1所述的一种基于单目视觉的激光切割随动***，其特征在于，所述检测模块还包括安装在CCD摄像机上的滤光镜和遮光罩；所述滤光镜为固定波长的窄带滤光镜，安装在CCD摄像机镜头前方，保留激光器发射波长的光线进入，所述遮光罩用于避免外部干扰光源进入。
3.如权利要求1所述的一种基于单目视觉的激光切割随动***，其特征在于，在所述切割头一侧设置滑块，所述滑块与切割头处于同一高度，在滑块上安装激光器与CCD摄像机。
4.如权利要求3所述的一种基于单目视觉的激光切割随动***，其特征在于，所述激光器与CCD摄像机的水平距离保持不变。
5.如权利要求1所述的一种基于单目视觉的激光切割随动***，其特征在于，所述驱动机构通过PCI总线与终端连接，所述CCD摄像机通过网口接口与终端连接。
6.如权利要求1所述的一种基于单目视觉的激光切割随动***，其特征在于，所述驱动机构还包括安装在伺服电机尾部的编码器。
7.如权利要求1所述的一种基于单目视觉的激光切割随动***，其特征在于，所述激光器发射固定波长的红色圆点激光光斑至加工工件表面。
8.一种基于单目视觉的激光切割随动方法，其特征在于，包括：
CCD摄像机采集经激光器发射光斑至加工工件后的光斑图像，根据CCD摄像机与激光器之间水平距离以及激光器与加工工件的初始高度，对光斑图像进行光斑像素标定，得到光斑像素标定值；
终端接收切割过程中采集的光斑图像并进行图像处理，根据确定的光斑质心得到光斑像素数量，根据光斑像素数量和光斑像素标定值得到激光器与加工工件的实际高度；
根据激光器与加工工件的初始高度与实际高度的差值，驱动切割头进行升降运动。
9.如权利要求8所述的一种基于单目视觉的激光切割随动方法，其特征在于，所述光斑像素标定中，计算光斑像素标定值的公式为：
Figure FDA0002386346860000021
θ＝N×Ar+F
其中，D为CCD摄像机与激光器之间水平距离，H为激光器与加工工件的初始高度，Ar为每个像素弧度值，F为弧度误差，N为光斑像素个数，θ为角度；
通过多次测量激光器与加工工件的初始高度，重复计算每个像素弧度值和弧度误差，求其均值后作为光斑像素标定值。
10.如权利要求8所述的一种基于单目视觉的激光切割随动方法，其特征在于，所述实际高度计算过程包括：
终端对切割过程中采集的光斑图像进行灰度转化、平滑处理以及光斑边缘检测，确定光斑轮廓并计算出轮廓矩；
确定的光斑质心，根据光斑质心得到光斑像素数量，根据光斑像素数量和光斑像素标定值计算激光器与加工工件的实际高度。
CN202010099314.7A 2020-02-18 2020-02-18 一种基于单目视觉的激光切割随动***及方法 Pending CN111185664A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010099314.7A CN111185664A (zh) 2020-02-18 2020-02-18 一种基于单目视觉的激光切割随动***及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010099314.7A CN111185664A (zh) 2020-02-18 2020-02-18 一种基于单目视觉的激光切割随动***及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111185664A true CN111185664A (zh) 2020-05-22

Family

ID=70687480

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010099314.7A Pending CN111185664A (zh) 2020-02-18 2020-02-18 一种基于单目视觉的激光切割随动***及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111185664A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111880474A (zh) * 2020-07-21 2020-11-03 苏州热工研究院有限公司 一种z轴自适应激光加工***及其加工方法
CN112719629A (zh) * 2020-12-18 2021-04-30 苏州科韵激光科技有限公司 一种光源随动切割设备
CN114406507A (zh) * 2022-01-04 2022-04-29 华工法利莱切焊***工程有限公司 一种用于激光切割机首件检测的装置、方法及电子设备
CN117644298A (zh) * 2023-12-22 2024-03-05 哈尔滨灵运景初技术有限公司 一种金属加工制造***

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111880474A (zh) * 2020-07-21 2020-11-03 苏州热工研究院有限公司 一种z轴自适应激光加工***及其加工方法
CN112719629A (zh) * 2020-12-18 2021-04-30 苏州科韵激光科技有限公司 一种光源随动切割设备
CN112719629B (zh) * 2020-12-18 2022-03-11 苏州科韵激光科技有限公司 一种光源随动切割设备
CN114406507A (zh) * 2022-01-04 2022-04-29 华工法利莱切焊***工程有限公司 一种用于激光切割机首件检测的装置、方法及电子设备
CN117644298A (zh) * 2023-12-22 2024-03-05 哈尔滨灵运景初技术有限公司 一种金属加工制造***

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111185664A (zh) 一种基于单目视觉的激光切割随动***及方法
CN109226967B (zh) 一种用于激光-电弧复合焊的主动激光视觉稳健焊缝跟踪***
CN110064819B (zh) 基于结构光的柱面纵向焊缝特征区域提取、焊缝跟踪方法及***
CN102455171B (zh) 一种激光拼焊焊缝背面几何形貌检测方法
CN107907063B (zh) 一种基于视觉测量的钢带冲孔加工检测***及方法
US20120072170A1 (en) Vision measurement probe and method of operation
CN113427168A (zh) 一种焊接机器人实时焊缝跟踪装置及方法
CN110108236B (zh) 一种高温锻件线重构尺寸快速视觉测量***及方法
CN111215800B (zh) 一种用于焊接维修机器人的维修量检测装置及检测方法
CN111037106A (zh) 一种激光加工设备的z轴运动控制***及方法
CN112558546B (zh) 一种基于计算机视觉的在线刀具参数检测方法
CN114559157B (zh) 一种基于机器视觉的焊缝轨迹自主寻位装置、***及方法
CN211759183U (zh) 一种基于单目视觉的激光切割随动***
CN109345500B (zh) 一种基于机器视觉的机床刀具刀尖点位置计算方法
CN110657750B (zh) 一种用于刀具刃口钝化的检测***和方法
CN211588658U (zh) 一种机器视觉辅助曲面加工装置
CN116922415A (zh) 一种用于钢结构焊接的机器人***
CN116852371A (zh) 一种用于钢结构焊接的轨道机器人
CN106556344A (zh) 一种共焦划痕在线检测方法
CN116532825A (zh) 一种激光制孔过程监测和调控组合防护方法及***
CN113237895B (zh) 一种基于机器视觉的金属表面缺陷检测***
CN113358026B (zh) 基于双线阵ccd相机的物***置和轮廓信息的检测方法
CN110021027B (zh) 一种基于双目视觉的切边点计算方法
Wang et al. An on-machine and vision-based depth-error measurement method for micro machine tools
US20230356346A1 (en) Processing machine, measuing device, and method for manufacturing object to be processes

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination