CN101733558A - 主从式相机配置的智能激光切割系统及其切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主从式相机配置的智能激光切割系统及其切割方法，该主从式相机配置的智能激光切割系统包括位于底部的工作台、设于工作台上方的小车头、与该小车头固定安装的局部从相机及激光头、悬置于顶部的全局主相机、对该全局主相机与局部从相机进行图像监视的监视终端、与全局主相机电性连接的主控制器、及由主控制器控制并与工作台及小车头连接的驱动电机，该全局主相机的镜头视界包括整个工作台，驱动电机驱动小车头运动，局部从相机随小车头同步运动，对工作台进行局部图像采集。本发明能对各种适用对象实施高效率和高精度的激光切割加工，且不依赖于激光切割机自身主控制器和机械机构的精度。

Description

主从式相机配置的智能激光切割系统及其切割方法

技术领域

本发明涉及一种采用机器视觉的智能数控装置，尤其涉及一种采用主从式关联作用的智能激光切割系统及利用其进行激光切割的方法。

背景技术

传统的基于主控制器的激光切割加工机中，把需要加工目标位置点的设计中心标志点坐标点(Mark点)预先记录在加工程序(NG代码)中，然后由主控制器解释这个代码程序，实现定位运动控制，同步实现照射激光的工步。(参见专利文献日本特开2000-343260号公报)。随着精待切割对象小型化的快速发展，其精定位技术需求越来越高。鉴于微小加工对象的激光切割有效范围很小，加工部位中心标志点坐标(Mark点)在公差范围内的偏差和微小对象放置位置的偏移等因素，通常会发生加工位置较大范围偏离的情况。另外，针对大尺寸待切割对象的自由曲线轮廓，采用预处理Mark点的数控加工方式，已不能满足曲线轮廓精度需求。因此，为了确定加工对象的精确位置，可采用电荷耦合元件(CCD：Charge-coupled Device)照相机和图像处理的方式，将图像位置数据反馈给主控制器，预先对加工中心标志点位置进行精度修正与补偿。但是，有关相机的像素和处理速度会影响到反馈位置的准确度，特别是在相机镜头光轴中心远端，畸变现象较为严重，图像处理结果会受到较大影响。当然，提高相机分辨率和做相机镜头畸变预处理，是一种解决手段，但是前者花费较大，后者处理步骤繁琐，并非最优的处理方式。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种主从式相机配置的智能激光切割系统，其采用两个智能相机，按主从式配置，实现全局初定位与局部精定位的测量与检测控制，可以对各种尺寸加工对象进行高效率及高精度的激光切割；

本发明的另一目的在于，提供一种利用上述主从式相机配置的智能激光切割系统进行切割的方法，该方法能对各种尺寸加工对象产生了中心标志点坐标Mark点位置偏移、或放置位置发生偏移的情况，进行图像位置校正，将相机作为图像处理位置传感器，从而组成闭环的主控制器，进行高效率并且高精度的激光切割加工。

为实现在上述目的，本发明提供一种主从式相机配置的智能激光切割系统，其包括：位于底部的工作台、设于工作台上方的小车头、与该小车头固定安装的局部从相机及激光头、悬置于顶部的全局主相机、对该全局主相机与局部从相机进行图像监视的监视终端、与全局主相机电性连接的主控制器、及由主控制器控制并与工作台及小车头连接的驱动电机，该全局主相机的镜头视界包括整个工作台，驱动电机驱动小车头运动，局部从相机随小车头同步运动，对工作台进行局部图像采集。

所述小车头包括一横梁导轨、及位于该横梁导轨两端的横梁支撑，激光头与局部从相机固定于该横梁导轨上，驱动电机驱动横梁支撑带动横梁导轨进行运动。

所述全局主相机与局部从相机均安装有与之适配的调焦镜头，该全局主相机与局部从相机将图像采集结果通过各自的视频接口连接至监视终端。

所述全局主相机和局部从相机分别负责全局和局部几何特征数字图像的拍摄和中心标志点坐标解算，并采用模板匹配或边缘检测的方法解算定位几何特征的中心标志点坐标，全局主相机的处理结果为初定位或初测量，该处理结果传送至主控制器实现粗略定位，保证几何特征的中心标志点落于局部从相机视野中，局部从相机再拍摄中心标志点，解算出更精确的坐标地址，实现主控制器的修正运动。

所述激光头下方设有与之配套的电镜反射镜、及照射透镜；工作台上设有一加工蜂窝底板、及固定于该加工蜂窝底板上的蜂窝金属体，该加工蜂窝底板及蜂窝金属体将待切割对象吸附于工作台上进行切割加工。

进一步还包括与主控制器电性连接的PC终端、及数控面板。

本发明还提供一种利用上述主从式相机配置的智能激光切割系统进行切割的方法，该方法包括：

步骤1、提供具有主从式相机配置的智能激光切割系统；

步骤2、对主从式相机配置的智能激光切割系统内的主控制器进行初始化设置；

步骤3、将待切割对象置于工作台上，通过全局主相机拍摄获取工作台全景数字图像；

步骤4、采用模板匹配或边缘检测的方法解算定位几何特征的中心标志点坐标，将中心标志点坐标转化为小车头运动的目标地址，并移动小车头使之初定位于中心标志点；

步骤5、采用局部从相机获取几何特征部分的局部数字图像，并解算出此时的中心标志点坐标；

步骤6、将步骤5中的中心标志点坐标作为小车头二次运动的目标地址，移动小车头使局部从相机轴线与该中心标志点坐标重合，实现激光头的精确定位；

步骤7、主控制器对该精确定位进行精度检测，当精度满足要求时，将加工的过程信息及图像数据进行存贮和显示；

步骤8、对精确定位及精度检测完成后的待切割对象进行激光切割；

步骤9、为切割加工完成后的数据进行存档。

所述步骤2包括：步骤2.1、加工数据准备，将程序存储卡中的加工程序装载到主控制器中；步骤2.2、预先定义拍摄加工模式，选用主从式相机进行拍摄检测或者控制；步骤2.3、将待切割对象数据输入到主控制器中。

所述全局主相机拍摄获得的定位几何特征为粗略的几何特征，解算出该粗略的几何特征的中心标志点坐标，主控制器控制小车头移动到该几何特征上方，保证该几何特征的中心标志点坐标落于局部从相机的视野中。

所述步骤7中，若精度不满足要求时，则返回步骤3进行全局拍摄初定位，或返回步骤5进行局部拍摄精确定位；若精度满足要求时，则对加工的过程信息及图像数据进行存贮和显示，以结束图像处理进入激光切割的工序。

本发明的有益效果：本发明提供的主从式相机配置的智能激光切割系统及其切割方法，其切割加工过程的精确定位不再依赖于主控制器的伺服定位性能，而是依靠外置于主控制器的相机图像处理结果反馈主控制器，保证定位精度；此外，其切割加工过程的主从相机，可克服远端光轴的畸变效应，全局主相机仅做目标Mark点的初测初定位，局部从相机可对微小对象的几何特征进行精确测量和控制，提高了工件的测量和检测效率；另外，主从相机的模式克服单一相机像素及感光器件的限制，既可以对大尺寸待切割对象分步骤确定局部区域，然后将分类区域进行无缝结合，也可以对微小尺寸待切割对象进行分步精定位，即先通过全局主相机初定位，再通过局部从相机精确定位，而不必过分依靠主控制器和机床导轨的制造精度，大大提高工作效率和操作的灵活性。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

附图中，

图1为本发明主从式相机配置的智能激光切割系统一实施例的结构示意图；

图2为本发明待切割对象的一个实施例的平面示意图；

图3为本发明主从式相机配置的智能激光切割系统一实施例的工作流程示意图

图4为本发明主从式相机配置的智能激光切割系统进行图像处理的工作流程图；

图5为本发明一应用实施例的平面示意图；

图6为本发明的切割方法的流程示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其装饰效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。

如图1所示，本发明提供一种主从式相机配置的智能激光切割系统，其包括：位于底部的工作台1、设于工作台1上方的小车头2、与该小车头2固定安装的局部从相机3及激光头4、悬置于顶部的全局主相机5、对该全局主相机5与局部从相机3行图像监视的监视终端6、与全局主相机5电性连接的主控制器7、及由主控制器7控制并与工作台1及小车头2连接的驱动电机8，该全局主相机5的镜头视界包括整个工作台1，驱动电机8驱动小车头2运动，局部从相机3随小车头2同步运32动，对工作台1进行局部图像采集。

本发明中的工作台1为XY工作台，其上设有一加工蜂窝底板101、及固定于该加工蜂窝底板101上的蜂窝金属体102(图2所示)，该加工蜂窝底板101及蜂窝金属体101将待切割对象104、105吸附于工作台1上进行切割加工。该切割对象104、105为两个切割实施例，前者为小型切割对象，后者为大中型切割对象，在切割对象104、105下方的加工蜂窝底板101上有两个定位标志(Mark)点103，局部从相机3与全局主相机5通过对此两点的定位，校正工作坐标系。本发明所适用的切割对象的材料科选取皮革、纸张、钢板、树脂、或塑料等。

进一步地，所述小车头2包括一横梁导轨22、及位于该横梁导轨22两端的横梁支撑24，激光头4与局部从相机3固定于该横梁导轨22上，驱动电机8驱动横梁支撑24带动横梁导轨22进行运动。该小车头2由驱动电机8拖动皮带驱动，横梁导轨22由位于其两端的横梁支撑24固定支撑，为了实现小车头2的平面运动，由驱动电机8的Y电机驱动Y导轨，带动两端固定于其上的横梁导轨22进行运动。

局部从相机3与全局主相机5均安装有与之适配的调焦镜头32，该全局主相机5的镜头视界可以包括整个工作台1，其可通过两个定位标志点103对加工坐标系进行初定位/检测。局部从相机3随小车头2一起运动，用于对切割对象局部图形信息的细化与检测，其视界小、拍摄图像清晰、处理精度高，经过全局主相机5对全局坐标的初定位后，启动小车头2进行精确局部定位/检测。在本发明中，局部从相机3与全局主相机5还可将图像采集结果通过各自的视频接口连接至监视终端6，通过该监视终端6对局部从相机3及全局主相机5所拍摄的数字图片进行监视。激光头4下方设有与之配套的电镜反射镜42、及照射透镜44。全局主相机5和局部从相机3分别负责全局和局部几何特征数字图像的拍摄和中心标志点坐标解算，并采用模板匹配或边缘检测的方法解算定位几何特征的中心标志点坐标，该定位几何特征为选定的待切割对象上的几何图形。其中，全局主相机5的处理结果为初定位或初测量，该处理结果传送至主控制器7实现粗略定位，保证几何特征的中心标志点落于局部从相机3的视野中，局部从相机3再拍摄中心标志点，解算出更精确的坐标地址，实现主控制器的修正运动。此外，该全局主相机5与局部从相机3还具有直接判断加工对象状态的功能，判断残次品可通知主控制器作出判断。

主控制器7负责接收切割图形数据、处理数控程序、驱动伺服系统、图像处理及残次品判断。本发明进一步还包括与主控制器7电性连接的PC终端72、及数控面板74，该PC终端负责切割图形编辑、数控程序下载及运动/图像数据信息显示；数控面板74可以为外置的数控面板，其可以手动设置加工程序、加工循环次数、运动调试等。

如图3所示，本发明的主从式相机配置的智能激光切割系统工作时，首先进行加工数据准备，将程序存储卡中的加工程序装载到主控制器7中，预先定义拍摄加工模式，选用主从式相机进行拍摄检测或者控制，并将切割数据输入主控制器；然后通过全局主相机5拍摄获得定位几何特征的大概位置，由主控制器7控制将小车头2移动到定位几何特征上方；再通过局部从相机3获取局部几何特征的数字图像，然后采用模板匹配或边缘检测的方法解算定位几何特征的中心标志点坐标，再将该中心标志点坐标作为小车头2二次运动的目标地址，移动小车头2使局部从相机3的轴线与该中心标志点坐标重合，并重新获取定位几何特征的精确图像，再计算几何特征的精确坐标点；最后在实现上述运动及相机拍摄处理过程中，将加工过程信息(位置、速度、进度等)及图像数据进行存贮和显示；在完成上述操作后对待切割对象进行激光切割的，在加工及检测工序完成后，将结果形成文档输出。

如图4所示，在该主从式相机配置的智能激光切割系统工作过程中，其主从式相机和图像处理的工作流程如下：首先将待切割对象104、105装载到加工蜂窝底板上，粗略确定几何特征中心标志点坐标；装载完成后，启动控制系统，开启全局主相机5拍摄待切割对象，由全局主相机5处理获得粗略几何特征，经处理后得到待切割对象几何特征的中心标志点坐标，由相机中的处理器(未图示)将几何特征中心标志点坐标转化为目标运动地址，由主控制器7控制实现小车头2运动至相机光轴与目标地址Z向重合，然后判断上步重合偏差是否超限，而决定是否采用局部从相机3二次拍摄近景图像的，若偏差超限，则重新返回启动局部从相机3进行二次精确定位，不超限则进行切割精度检测的操作，若满足精度需求则结束本次任务，否则转向进行判断需要全局主相机拍摄定位还是局部从相机拍摄重定位的步骤，重复前绪操作。

如图5所示，为本发明一应用实施例的平面示意图，其为一切割电池夹面板的实施例中，图中所示，待切割工件501，模板匹配边缘轮廓线502，模板匹配边缘检测控制区域503，图像中间的十字交叉即为几何特征中心标志点标志。由图像处理部分对全局主相机及局部从相机拍摄的图像进行处理，全局主相机及局部从相机获取定位几何特征的数字图像，采用模板匹配或边缘检测的方法计算待切割对象的几何中心。图像基准点坐标504给出了相机视野范围内处理的基准点，中心标志点坐标M(Xn，Yn)即相机处理出来的圆形模板中心标志点。

进一步地，本发明还提供一种利用上述主从式相机配置的智能激光切割系统的切割方法(图6所示)，该方法包括：

步骤1、提供具有主从式相机配置的智能激光切割系统。该智能激光切割系统包括位于底部的工作台、设于工作台上方的小车头、与该小车头固定安装的局部从相机及激光头、悬置于顶部的全局主相机、对该全局主相机与局部从相机进行图像监视的监视终端、与全局主相机电性连接的主控制器、及由主控制器控制并与工作台及小车头连接的驱动电机，该全局主相机的镜头视界包括整个工作台，驱动电机驱动小车头运动，局部从相机随小车头同步运动，对工作台进行局部图像采集。

步骤2、对主从式相机配置的智能激光切割系统内的主控制器进行初始化设置。该主控制器主要负责接收切割图形数据、处理数控程序、驱动伺服系统、图像处理及残次品判断。该步骤具体包括：步骤2.1、加工数据准备，将程序存储卡中的加工程序装载到主控制器中；步骤2.2、预先定义拍摄加工模式，选用主从式相机进行拍摄检测或者控制；步骤2.3、将待切割对象数据输入到主控制器中。

步骤3、将待切割对象置于工作台上，通过全局主相机拍摄获取工作台全景数字图像。该工作台为XY工作台，全局主相机的镜头视界可以包括整个XY工作台，通过两个定位标志(Mark)点对加工坐标系进行初定位或检测。

步骤4、采用模板匹配或边缘检测的方法解算定位几何特征的中心标志点坐标，将中心标志点坐标转化为小车头运动的目标地址，并移动小车头使之初定位于中心标志点。该全局主相机拍摄获得的定位几何特征为粗略的几何特征，解算出该粗略的几何特征的中心标志点坐标，主控制器控制小车头移动到该几何特征上方，保证该几何特征的中心标志点坐标落于局部从相机的视野中。

步骤5、采用局部从相机获取几何特征部分的局部数字图像，并解算出此时的中心标志点坐标。

步骤6、将步骤5中的中心标志点坐标作为小车头二次运动的目标地址，移动小车头使局部从相机轴线与该中心标志点坐标重合，实现激光头的精确定位。

步骤7、主控制器对该精确定位进行精度检测，当精度满足要求时，将加工的过程信息及图像数据进行存贮和显示。该精度不依赖于数控系统和运动机构的精度，而是依赖于主从式相机两次拍摄，解算中心标志点坐标后的定位精度。该步骤中，若精度不满足要求时，则返回步骤3进行全局拍摄初定位，或返回步骤5进行局部拍摄精确定位；若精度满足要求时，则对加工的过程信息及图像数据进行存贮和显示，以结束图像处理进入激光切割的工序。

步骤8、对精确定位及精度检测完成后的待切割对象进行激光切割。

步骤9、为切割加工完成后的数据进行存档。

综上所述，本发明提供的主从式相机配置的智能激光切割系统及其切割方法，其切割加工过程的精确定位不再依赖于主控制器的伺服定位性能，而是依靠外置于主控制器的相机图像处理结果反馈主控制器，保证定位精度；此外，其切割加工过程的主从相机，可克服远端光轴的畸变效应，全局主相机仅做目标Mark点的初测初定位，局部从相机可对微小对象的几何特征进行精确测量和控制，提高了工件的测量和检测效率；另外，主从相机的模式克服单一相机像素及感光器件的限制，既可以对大尺寸待切割对象分步骤确定局部区域，然后将分类区域进行无缝结合，也可以对微小尺寸待切割对象进行分步精定位，即先通过全局主相机初定位，再通过局部从相机精确定位，而不必过分依靠主控制器和机床导轨的制造精度，大大提高工作效率和操作的灵活性。

以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明后附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种主从式相机配置的智能激光切割系统，其特征在于，包括位于底部的工作台、设于工作台上方的小车头、与该小车头固定安装的局部从相机及激光头、悬置于顶部的全局主相机、对该全局主相机与局部从相机进行图像监视的监视终端、与全局主相机电性连接的主控制器、及由主控制器控制并与工作台及小车头连接的驱动电机，该全局主相机的镜头视界包括整个工作台，驱动电机驱动小车头运动，局部从相机随小车头同步运动，对工作台进行局部图像采集。

2.如权利要求1所述的主从式相机配置的智能激光切割系统，其特征在于，所述小车头包括一横梁导轨、及位于该横梁导轨两端的横梁支撑，激光头与局部从相机固定于该横梁导轨上，驱动电机驱动横梁支撑带动横梁导轨进行运动。

3.如权利要求1所述的主从式相机配置的智能激光切割系统，其特征在于，所述全局主相机与局部从相机均安装有与之适配的调焦镜头，该全局主相机与局部从相机将图像采集结果通过各自的视频接口连接至监视终端。

4.如权利要求3所述的主从式相机配置的智能激光切割系统，其特征在于，所述全局主相机和局部从相机分别负责全局和局部几何特征数字图像的拍摄和中心标志点坐标解算，并采用模板匹配或边缘检测的方法解算定位几何特征的中心标志点坐标，全局主相机的处理结果为初定位或初测量，该处理结果传送至主控制器实现粗略定位，保证几何特征的中心标志点落于局部从相机视野中，局部从相机再拍摄中心标志点，解算出更精确的坐标地址，实现主控制器的修正运动。

5.如权利要求1所述的主从式相机配置的智能激光切割系统，其特征在于，所述激光头下方设有与之配套的电镜反射镜、及照射透镜；工作台上设有一加工蜂窝底板、及固定于该加工蜂窝底板上的蜂窝金属体，该加工蜂窝底板及蜂窝金属体将待切割对象吸附于工作台上进行切割加工。

6.如权利要求1所述的主从式相机配置的智能激光切割系统，其特征在于，进一步还包括与主控制器电性连接的PC终端、及数控面板。

7.一种利用权利要求1所述的主从式相机配置的智能激光切割系统的切割方法，其特征在于，包括：

步骤1、提供具有主从式相机配置的智能激光切割系统；

步骤2、对主从式相机配置的智能激光切割系统内的主控制器进行初始化设置；

步骤3、将待切割对象置于工作台上，通过全局主相机拍摄获取工作台全景数字图像；

步骤4、采用模板匹配或边缘检测的方法解算定位几何特征的中心标志点坐标，将中心标志点坐标转化为小车头运动的目标地址，并移动小车头使之初定位于中心标志点；

步骤5、采用局部从相机获取几何特征部分的局部数字图像，并解算出此时的中心标志点坐标；

步骤6、将步骤5中的中心标志点坐标作为小车头二次运动的目标地址，移动小车头使局部从相机轴线与该中心标志点坐标重合，实现激光头的精确定位；

步骤7、主控制器对该精确定位进行精度检测，当精度满足要求时，将加工的过程信息及图像数据进行存贮和显示；

步骤8、对精确定位及精度检测完成后的待切割对象进行激光切割；

步骤9、为切割加工完成后的数据进行存档。

8.如权利要求7所述的切割方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2.1、加工数据准备，将程序存储卡中的加工程序装载到主控制器中；步骤2.2、预先定义拍摄加工模式，选用主从式相机进行拍摄检测或者控制；步骤2.3、将待切割对象数据输入到主控制器中。

9.如权利要求7所述的切割方法，其特征在于，所述全局主相机拍摄获得的定位几何特征为粗略的几何特征，解算出该粗略的几何特征的中心标志点坐标，主控制器控制小车头移动到该几何特征上方，保证该几何特征的中心标志点坐标落于局部从相机的视野中。

10.如权利要求7所述的切割方法，其特征在于，所述步骤7中，若精度不满足要求时，则返回步骤3进行全局拍摄初定位，或返回步骤5进行局部拍摄精确定位；若精度满足要求时，则对加工的过程信息及图像数据进行存贮和显示，以结束图像处理进入激光切割的工序。

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