CN114515795A - 一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正装置，所述装置包括激光模块、视觉检测模块、信号传输模块和中央处理模块。激光模块用于发射激光束，在需要加工的材料表面辐射出激光轨迹；视觉检测模块用于检测激光轨迹位置数据、视觉测量标记点位置数据和材料边界位置数据，所述视觉检测模块设置于材料正上方，且与所述激光模块同轴安装；信号传输模块用于将所检测到的位置数据传输至中央处理模块。本发明还公开了上述激光辅助校正方法。此装置和方法可保证在不停机的前提下连续的进行生产和位置校正，提高了激光辅助在金属材料加工运用中的实际意义。
Description
技术领域
本发明属于金属成形领域，具体涉及一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正方法及装置。
背景技术
基于市场的快速变化，对高性能、高增值零部件的需求呈现指数级别增长；轻量化已经成为了各大工业领域关注的重中之重。由此，大量的新型金属加工工艺被提出及研究。热辅助成形作为其中的核心技术之一，采取了多种模式进行加工，而采用激光作为能量源的激光辅助成形技术，具有反应快速、成形准确、对设备改造程度低等优点，保证了所制造的零部件可以具有良好的机械性能及表面光洁度，同时在制造过程中减少材料消耗、硬件升级成本，完全不影响产率，这些优势是众多传统工艺及附加工艺难以达到的。
然而，在激光辅助成形过程中，存在一难以攻克的弊端，即为复杂的加工环境下，激光、金属材料和机加工***的协同工作问题。以金属冲压过程为例，巨大的冲击力让材料发生位移，这会导致预先预热辐射的激光轮廓难以被完美的加工，导致了偏差、零件表面缺陷、质量降低、甚至让激光辅助的效果完全消失，此问题会极大地影响激光辅助成形工艺的实用性。
目前，要解决上述问题，只可以采用极为被动的基于零件的分析补偿过程：当零件生产完毕之后，用已完成的零件作为标准，判断零件上的激光加温痕迹和实际加工痕迹的偏差，再进行手工的调节激光/材料位置，此过程极为低效且效果不佳，原因如下：
1.金属成形过程为连续过程，实际获得零件滞后过大，平均已经消耗了4-8个工位或以上，导致了巨大的工时浪费；
2.连续过程导致在获得参照零件之前，所有的后续零件质量皆不可保证，极大的浪费了原材料；
3.材料及加工过程中的误差是累计叠加的，现有的参照零件已经不可以代表现时材料状态，导致修正意义不大；
4.多次反复的停机矫正、大量的消耗生产时间、反而提高了制造成本、不具有实际意义。
综上所述，如何解决、或实时监控材料的位置状态，是激光辅助成形过程的基础，如不解决此核心问题，激光辅助成形带来的经济效益和良好性能影响将会大打折扣。
发明内容
针对目前在金属加工领域的激光辅助成形工艺存在的由于震动、设备干涉、环境影响而造成的材料偏移问题，本发明提供了一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正方法及装置。
激光辅助工艺，为激光加温、打标、蚀刻、抛光等，需要在材料特定位置上进行的某种激光辅助成形工艺；也可以为某种前处理工艺，为后续的冲压、拉拔、铣削等金属加工工艺。金属成形方法，除金属冲压方式外，还包括一切采用激光辅助作为前序工艺的金属拉伸、完全、机加工、抛光、铣削等金属加工方式。成形设备可为各类冲床、机床、CNC等金属成形设备。本发明核心工作在于协同激光及金属加工的过程，适用于各类加工技术。
本发明提出一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正装置，其包括激光模块、视觉检测模块、信号传输模块和中央处理模块，其中，
激光模块，用于发射激光束，在需要加工的材料表面辐射出激光轨迹；
视觉检测模块，用于检测激光轨迹位置数据、视觉测量标记点位置数据和材料边界位置数据；
信号传输模块，用于将所检测到的位置数据传输至中央处理模块；
中央处理模块，用于根据所述激光轨迹位置数据、视觉测量标记点位置数据和材料边界位置数据计算出参考系下的材料偏移角度和XY轴偏移量，所述参考系是以视觉测量标记点的平行边为参照建立的，根据所述偏移角度和所述偏移量进行补偿计算，得出激光轨迹应该随材料位置而协同移动的旋转角度和距离，调整激光模块，使激光辐射到补偿后的位置，产生针对于材料修正后的激光轨迹，或者在所述偏移角度和/或所述偏移量超过阈值时进行报警。
本发明的实施例中在视觉检测区域的工位的上下方向各贴一个视觉测量标记点，所述视觉测量标记点具有与材料不同的颜色与反射率。
所述调整激光模块包括调整振镜及反射结构角度。
所述视觉检测模块包括光学摄像机，并且可以发射检测光。所述视觉检测模块可以设置于材料正上方。所述视觉检测模块可以与激光模块同轴安装。
激光模块还包括激光保护装置。
中央处理模块在所述偏移角度和/或所述偏移量超过阈值时进行报警的同时还可以执行预定动作，所述预定动作包括停机。
根据所述激光轨迹位置数据、视觉测量标记点位置数据和材料边界位置数据计算出参考系下的材料偏移角度和XY轴偏移量的具体计算过程为：利用视觉测量标记点的平行边作为参考，得出材料的偏移角度，利用激光轨迹的位置，计算出关于Y轴的偏移量，通过Y轴偏移量和对应角度再次计算出X轴偏移量。
本发明还提出一种视觉误差补偿的激光辅助校正方法，包括如下步骤：
步骤1，在视觉检测区域的工位处，上下各贴一个视觉测量标记点；
步骤2，激光模块发射激光束，在需要加工的材料表面辐射出激光轨迹；
步骤3，视觉检测模块检测激光轨迹位置数据、材料边界位置数据和视觉测量标记点位置数据；
步骤4，以所述视觉测量标记点的平行边作为参考系，根据激光轨迹位置数据、材料边界位置数据和视觉测量标记点位置数据计算得到材料的XY轴偏移量和角度偏移数据，进行对应的补偿计算，得出激光轨迹应该随材料位置而协同移动的旋转角度和距离数据；
步骤5，根据补偿计算得到的旋转角度和距离数据，调整激光模块，让激光辐射到补偿后的位置，产生针对于材料修正后的激光轨迹，或者在所述XY轴偏移和/或角度偏移数据超过阈值时进行报警。
反复完成上述步骤，在每一次金属加工前，完成激光辐射位置的微调，达到最完美的加工效果。
进一步的，该方法可应用于金属冲压加工中，视觉测量标记点具有与材料不同的颜色与反射率，步骤5中调整激光模块包括调整振镜及反射结构角度。
进一步的，视觉检测模块设置于材料正上方，并与激光模块同轴安装，激光模块包括激光保护装置。
进一步的，在偏移角度和/或所述偏移量超过阈值时进行报警，同时停机。
进一步的，步骤4中计算出材料偏移角度和XY轴偏移量的具体计算过程为：利用视觉测量标记点的平行边作为参考，得出材料的偏移角度，利用激光轨迹的位置，计算出关于Y轴的偏移量，通过Y轴偏移量和对应角度再次计算出X轴偏移量。
本发明提出的基于视觉误差补偿的激光辅助校正方法及装置可应用于金属冲压加工中，装置核心部分为视觉检测模块、信号传输模块、中央处理模块等；装置安装于激光辅助区域，用以实时监控材料的受位移情况，并且做出对应分析及补偿计算，将信号传递到激光发射***，令激光调节对应的角度及位置，以此配合现有的金属材料位置。最后，金属成形设备将加工调整了激光辐射位置的原材料，更加精准的成形对应零部件。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1为本发明基于视觉误差补偿的激光辅助校正方法及装置的结构示意图；
图2为基于材料偏移，发生激光辐射位置偏差的示意图；
图3为视觉捕捉及矫正过程的示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，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。
激光辅助工艺，为激光加温、打标、蚀刻、抛光等，需要在材料特定位置上进行的某种激光辅助成形工艺；也可以为某种前处理工艺，为后续的冲压、拉拔、铣削等金属加工工艺；成形设备可为各类冲床、机床、CNC等金属成形设备。
本发明提供一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正方法及装置，该装置及方法，是针对目前在金属加工领域的激光辅助成形工艺，以解决由于震动、设备干涉、环境影响而造成的材料偏移问题。此装置及方法可以运用在多个领域，这是由于不同的机加工、金属材料成形方式，都需要有一种定位校正方法来提高生产力和质量，而本装置及方法可以通用运用。为明确展示全过程，本发明采用了金属冲压过程作为案例，进行过程阐述。
图1展示了一台安装了视觉检测模块的冲床结构、以及对应的模具和激光设备，全***由于只有视觉检测模块要求安装在工作区域，其他如信号传输模块、中央处理模块都可以通过线缆传输信号，从而安装在远离机械设备的空间中，因此不在图1中表述。视觉检测模块核心为光学摄像机或其他类似功能***，可以快速捕捉预设值的结构目标物；视觉检测模块体积较小，设置于金属材料正上方，可以与激光头同轴安装，保证空间上的近距离；***会设置激光保护装置，及内置光源，令视觉捕捉过程更便于进行；视觉测量标记点为合适光学检测的反射材料，可以稳定的反射光线，为视觉***提供输入数据。
如图1所示，冲床1中安装了上下模具，上模7及下模8，进行金属成形工作，冲床1在进料方向上，设置了激光辅助加工工位，其中设置了激光模块2。同时，本发明的核心工作部分，视觉检测模块3，安装在激光模块2附近，为更好的获得视觉内容，两者可以进行同轴安装等，以此使视觉检测模块3尽可能的靠近激光辅助辐射区域。此后工作中，激光模块2会根据辅助指令，发射激光束4，在材料5上进行辐射，完成设计好的激光轨迹，之后，材料在送料器6的带动下运动，进入冲床加工区域；上模7向下运动，冲压经过了激光辐射的区域，此时，冲压位置和激光位置是否按照预设的关系进行，是整个成形过程的关键点。
图2为基于材料偏移，发生激光辐射位置偏差的示意图；图形展示的是材料的俯视图视角，图中采用了3个步骤，依次说明了材料发生偏移，造成了加工误差的过程关系。
如图2中的图2.1所示，激光加工区域采用方形虚线线框2.1.3表示，金属成型区用方形虚线线框2.1.4表示。激光根据***预设定，在材料表面扫描出需要的几何轮廓2.1.2（本发明中采用圆形示例）。随后，材料在送料器的带动下运动，在完全理想的情况下，材料会平直、无偏移的运送到2.1.5所示的冲压冲头对应位置。
在理想情况下，材料的位置如图2中的图2.2所示，两个圆圈轨迹在即将加工的材料上具对应位置，为标准同心几何。
然而在实际加工情况下，由于大量工程的设备问题、例如冲床老旧、送料机不精准、环境震动大、运输中的摩擦等影响，材料在送料器的带动下，整体会呈现无规则的细微方位波动，此方位波动如果是在传统的加工工艺中，不会展现出明显的影响；但是如在激光辅助等多工艺协同的过程中，则会造成前后工序不可统一等偏差，如图2中的图2.3所示：可见在金属发生轻微角度移动时（为方便表述，假定材料旋转1°），激光原本的轨迹2.1.2，已经和冲压轨迹圆圈2.1.5产生大量偏差，激光轨迹将完全不可为原本的产品制造提供功能性帮助，相反，无用的激光痕迹残留在制品之上，反而会降低产品价值。
图3展示了本***如何实时监控并进行矫正的方式：图3.1展示的是与图2.3情况相同的情况，假设此为第一次激光轨迹3.1.6进入到冲压区域，此时激光轨迹3.1.6已经和冲压位置3.1.7产生偏差。此时，视觉检测模块会在视觉检测区域3.1.2中（圆形线框表示）开始工作，视觉检测模块会发射检测红光（或其他合适检测的单色光源），光线反射激光痕迹后被接收，由于冲床、模具和视觉检测模块都属于刚性安装，所以上模位置不会发生变化，因此视觉检测模块可以模拟出此时的冲压位置。
在视觉检测区域，贴有两块强反射效果的视觉测量标记点3.1.3。由于金属材料表面光滑、很容易造成光线反射，难以准确的直接识别材料位置。因此，本***采用全新设计构思，采用了视觉识别标记点，外加运用材料边缘和外部空间形成的线条，来进行视觉识别和分析，可以极大的提高识别效率和准确度。
图3.2展示了识别过程，当视觉检测模块识别了偏移后的材料的两条边界后，会再次识别***中的两个视觉测量标记点3.1.3。当四个元素的位置数据全部读取后，数据会被传输到中央处理模块进行分析。在此分析过程中，利用视觉测量标记点的平行边作为参考，可以得出材料的偏移角度3.2.3，利用激光轨迹的位置，可以计算出关于Y轴的偏移L1\L2，作为数据3.2.1以及3.2.2，而通过Y轴偏移和对应角度，可以再次计算出X轴偏移量。由此，在本工位下的材料偏移，可以完整准确的获得材料位置数据。
之后如图3.3所示，数据反馈到激光***中，激光***调整振镜及反射结构角度，可以瞬间在全新的偏移修正位置3.3.1处进行新的激光扫描，产生针对于材料修正后的激光轨迹模拟位置，此新位置3.3.2将不在保持在初始的材料位置上，但是它可以和冲压轨迹3.1.7进行同心匹配，由此大大减少生产误差。此外，***还可以设置误差过大报警功能，如测量发现误差过大，***将直接报警并按照预设指令做出停机等动作，这是由于过大的误差可能意味着模具设计上的失误或者送料器的老损，已经超过了正常的可接受范围。
在一示例性实施例中，视觉误差补偿的激光辅助校正方法包括如下步骤：
步骤1，在视觉检测区域的工位处，上下各贴一个视觉测量标记点；
步骤2，发射激光束，在需要加工的材料表面辐射出激光轨迹；
步骤3，视觉检测模块检测激光轨迹位置数据、材料边界位置数据和视觉测量标记点位置数据；
步骤4，以所述视觉测量标记点的平行边作为参考系，根据激光轨迹位置数据、材料边界位置数据和视觉测量标记点位置数据计算得到材料的XY轴偏移量和角度偏移数据，进行对应的补偿计算，得出激光轨迹应该随材料位置而协同移动的旋转角度和距离数据；
步骤5，根据补偿计算得到的旋转角度和距离数据，调整激光模块，让激光辐射到补偿后的位置，产生针对于材料修正后的激光轨迹，或者在所述XY轴偏移和/或角度偏移数据超过阈值时进行报警。
反复完成上述步骤，在每一次金属加工前，完成激光辐射位置的微调，达到最完美的加工效果。
进一步的，该方法可应用于金属冲压加工中，视觉测量标记点具有与材料不同的颜色与反射率，步骤5中调整激光模块包括调整振镜及反射结构角度。
进一步的，视觉检测模块设置于材料正上方，并与激光模块同轴安装，激光模块包括激光保护装置。
进一步的，在偏移角度和/或所述偏移量超过阈值时进行报警，同时停机。
进一步的，步骤4中计算出材料偏移角度和XY轴偏移量的具体计算过程为：利用视觉测量标记点的平行边作为参考，得出材料的偏移角度，利用激光轨迹的位置，计算出关于Y轴的偏移量，通过Y轴偏移量和对应角度再次计算出X轴偏移量。
由此，在不停机的前提下，基于视觉误差补偿的激光辅助校正方法及装置可保证全过程可以连续的进行生产和位置校正，每一次的激光辐射，都会基于全新的材料位置进行微调，全过程直接消除了材料的叠加运动，同时也无需等待冲压完成后的人工校正，此方法和装置提高了激光辅助在金属材料加工运用中的实际意义。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正装置，其特征在于：所述装置包括激光模块、视觉检测模块、信号传输模块和中央处理模块，其中，
激光模块，用于发射激光束，在需要加工的材料表面辐射出激光轨迹；
视觉检测模块，用于检测激光轨迹位置数据、视觉测量标记点位置数据和材料边界位置数据；所述视觉检测模块设置于材料正上方，且与所述激光模块同轴安装；
信号传输模块，用于将所检测到的位置数据传输至中央处理模块；
中央处理模块，用于根据所述激光轨迹位置数据、视觉测量标记点位置数据和材料边界位置数据计算出参考系下的材料偏移角度和XY轴偏移量，所述参考系是以视觉测量标记点的平行边为参照建立的，根据所述偏移角度和所述偏移量进行补偿计算，得出激光轨迹应该随材料位置而协同移动的旋转角度和距离，调整激光模块，使激光辐射到补偿后的位置，产生针对于材料修正后的激光轨迹，或者在所述偏移角度和/或所述偏移量超过阈值时进行报警。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正装置，其特征在于：在视觉检测区域的工位的上下方向各贴一个视觉测量标记点，所述视觉测量标记点具有与材料不同的颜色与反射率，所述调整激光模块包括调整振镜及反射结构角度。
3.根据权利要求1所述的一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正装置，其特征在于：所述激光模块包括激光保护装置。
4.根据权利要求1所述的一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正装置，其特征在于：所述中央处理模块在所述偏移角度和/或所述偏移量超过阈值时进行报警，同时停机。
5.根据权利要求1所述的一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正装置，其特征在于：所述根据所述激光轨迹位置数据、视觉测量标记点位置数据和材料边界位置数据计算出参考系下的材料偏移角度和XY轴偏移量的具体计算过程为：利用视觉测量标记点的平行边作为参考，得出材料的偏移角度，利用激光轨迹的位置，计算出关于Y轴的偏移量，通过Y轴偏移量和对应角度再次计算出X轴偏移量。
6.一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1，在视觉检测区域的工位处，上下各贴一个视觉测量标记点；
步骤2，激光模块发射激光束，在需要加工的材料表面辐射出激光轨迹；
步骤3，视觉检测模块检测激光轨迹位置数据、材料边界位置数据和视觉测量标记点位置数据，其中，所述视觉检测模块设置于材料正上方，并与激光模块同轴安装；
步骤4，以所述视觉测量标记点的平行边作为参考系，根据激光轨迹位置数据、材料边界位置数据和视觉测量标记点位置数据计算得到材料的XY轴偏移量和角度偏移数据，进行对应的补偿计算，得出激光轨迹应该随材料位置而协同移动的旋转角度和距离数据；
步骤5，根据补偿计算得到的旋转角度和距离数据，调整激光模块，让激光辐射到补偿后的位置，产生针对于材料修正后的激光轨迹，或者在所述XY轴偏移和/或角度偏移数据超过阈值时进行报警。
7.根据权利要求6所述的一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正方法，其特征在于：所述方法可应用于金属冲压加工中，所述视觉测量标记点具有与材料不同的颜色与反射率，所述步骤5中调整激光模块包括调整振镜及反射结构角度。
8.根据权利要求6所述的一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正方法，其特征在于：所述激光模块包括激光保护装置。
9.根据权利要求6所述的一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正方法，其特征在于：在所述偏移角度和/或所述偏移量超过阈值时进行报警，同时停机。
10.根据权利要求6所述的一种基于视觉误差补偿的激光辅助校正方法，其特征在于：所述步骤4中计算出材料偏移角度和XY轴偏移量的具体计算过程为：利用视觉测量标记点的平行边作为参考，得出材料的偏移角度，利用激光轨迹的位置，计算出关于Y轴的偏移量，通过Y轴偏移量和对应角度再次计算出X轴偏移量。
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