CN104923923B - 一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割系统，其包括照明模块、拍照模块、标定模块、图像处理模块、匹配模块和运动控制切割模块。本发明还公开一种激光定位切割机，其包括机架、传输带、相机架、激光头、相机、LED灯管、制冷水箱和控制面板；所述传输带设置在机架上，用于对待切割布料的运输；所述相机架架设在传输带上方，固定在机架上；所述激光头架设在机架上，可沿垂直于传输带运动方向水平移动；所述相机设置在相机架顶部，正对传输带上的待切割布料；所述LED灯管设置在相机架顶部；制冷水箱设置在机架底部；控制面板设置在机架上。本发明的系统和切割机实现了多样板激光切割、切割效率高、切割的成品率高、切割精准。

Description

一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割系统

技术领域

本发明涉及激光切割布料的技术领域，尤其涉及切割幅面面积大于0.5平方米，切割精度约1mm，基于机器视觉导引、变形匹配和运动控制的结合的切割系统和采用该系统的切割机。

背景技术

目前激光切割系统是在激光切割头上安装130W工业相机，每切割一个花型就要提取样本并处理一次，即每次只能切割一个样版。一旦幅面存在多个样版，其工作方式就是切完一个样版后再切另一个样版，如此下来激光头重复行程必然会大幅增加，工作效率相对较低。另一方面，目前激光切割系统还没有对来料变形进行任何处理，所以在有变形场合应用时受到很大限制。因此迫切需要一种新的多样版并行切割方式，以便就近切割多个样版、矫正张力变形、压缩激光头行程、提高切割效率。大幅面机器视觉技术的飞速发展为我们解决上述问题提供了新思路。

机器视觉作为计算机学科的一个重要分支，能利用机器代替人眼做各种测量和判断，一旦与激光切割技术结合，可为切割行业带来大幅的效率提升。总的来说，需要综合光学、机械、电子、计算机软硬件等各方面技术，涉及到图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。相比于生产线工人因个体差异或疲劳状况可能出现的误差或错误，机器却会不知疲倦的、稳定的执行相同的切割流程。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种可以实现多样板激光切割、且切割效率高、切割的成品率高、切割精准的大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割系统。该激光定位切割系统可以大幅度降低企业的生产成本，增强企业的市场核心竞争力。

为解决现有技术中存在的问题，采用的具体技术方案是：

一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割系统包括：

照明模块，该照明模块提供照明，以便拍照模块能够拍摄出待切割布料的清晰图像；

拍照模块，该拍照模块用于启动相机完成对待切割布料的照相，并将拍摄到的待切割布料的图像输出给标定模块和图像处理模块；

标定模块，接受拍照模块拍摄的图像，该模块对拍摄待切割布料相机的参数进行标定和矫正，然后将相机拍摄到的图像参数由相机坐标系转换到切割坐标系，实现相机参数转换为切割坐标参数，并将该切割坐标参数输出给图像处理模块；

图像处理模块，该图像处理模块从拍照模块和标定模块分别得到相关图像和参数，将待切割布料的图像处理成灰度图，并对待切割布料的图像进行边缘增强、对比度拉伸处理，将处理后的图像和参数输出给匹配模块；

匹配模块，该匹配模块分别从标定模块和图像处理模块得到相关参数和图像，并在大幅面上并行的对多个样板进行匹配，输出切割轨迹坐标信息给运动控制切割模块；

运动控制切割模块，根据匹配模块输入的切割轨迹坐标信息，驱动激光切割的激光头到对应位置对待切割布料进行切割。

优选的技术方案，所述拍照模块采用的是单反相机或工业相机或微单相机。

进一步优选的技术方案，所述照明模块包括条形光源或漫反射光源或环形光源或面光源。

更进一步优选的技术方案，所述图像处理模块内还设置有样板检测与轮廓处理算法，所述样板检测与轮廓处理算法用于提取各个样板的外部轮廓以及内部特征定位信息，并将对应样板的外部轮廓以及内部特征定位信息输出给匹配模块。

再更进一步优选的技术方案，匹配模块采用基于轮廓线形状匹配的算法；该基于轮廓线形状匹配的算法包括非变形匹配和变形匹配两种模式；其中非变形匹配模式在查找过程中仅改变对应样板的方向和位置来匹配拍摄到的待切割布料图像中的图案；所述变形匹配不仅改变对应样板的方向和位置，且还允许样板在行列方向上具有给定的缩放系数、在受应力较大区域给定的拉伸自由度和给定的旋转角度来匹配拍摄到的待切割布料图像中的图像。

所述运动控制切割模块采用同一芯片控制三轴运动的模式，其中两个轴控制激光头在二维平面上的平移，另一个轴控制待切割布料的运动。

所述激光头激光的开启或关闭也由运动控制切割模块的芯片控制。

本发明的再一目的是提供一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割机。该种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割机包括机架、传输带、相机架、激光发射器、相机、LED灯管、制冷水箱和控制面板；所述传输带设置在机架上，用于对待切割布料的运输；所述相机架架设在传输带上方，且固定在机架上；所述激光发射器架设在机架上，且可沿垂直于传输带运动方向水平移动；所述相机设置在相机架顶部，且正对传输带上的待切割布料；所述LED灯管设置在相机架顶部；制冷水箱设置在机架底部；控制面板设置在机架上。

优选的技术方案，所述一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割机的相机采用的是单反相机或工业相机或微单相机。

进一步优选的技术方案，所述一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割机的激光发射器采用40-500W的多功率CO2激光发射器。

通过采用上述方案，本发明的一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割系统和采用该系统的布料大幅面激光切割机与现有技术相比，其技术效果在于：

1）通过结合机器视觉的方法，解决了原有大幅面切割系统中多样版切割效率低下的问题；

2）通过运用机器视觉的方法，弱化和降低了人在切割过程中干预作用，依靠高精度相机和步进电机，可以大大提高产品的成品率、提高切割效率，相应的也就降低了成本。

3）通过运用变形匹配算法，解决了因进料张力导致幅面布料变形的难题，已经可以在一定变形尺度范围内，实现精确的变形匹配。

4）首先是采用高精度单反相机，配合相应的照明光源，检测和切割定位精度达到1mm水平。

5）通过大幅面多样板排布，一是可节约用料约15%左右，二是大幅减少激光头重复行程，相比与人工效率有5倍以上提高，相比与目前小型激光机有2倍的效率提升。

6）因为使用了变形匹配算法，故它能解决目前小型激光切割机无法适用于变形幅面切割的难题。

附图说明

图1为本发明一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割机的切割系统的切割流程框图示意图；

图2为本发明一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割机的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示：

标定模块：接受拍照模块拍摄的图像，驱动标定算法对相机内外参数进行标定和矫正，然后再驱动坐标系转换算法将相机坐标系转换到切割机坐标系。其输出结果或参数等，用于传入给后续的图像处理模块。相机架设于切割面正上方2米处，一旦相机安装到位，将镜头垂直对准下方的切割机工作面，调整相机至最佳焦距，然后锁死，不再改变相机参数和位置。结合Tsai、张正友和MIT标定方法，使用同一视场平面标定圆点格来计算标定参数。通过标定算法，计算出相机的投影矩阵，在不给定真实场景的绝对平移、旋转和放缩参数的情况下，可以达到相似变换级别的测度重构。然后再利用最小二乘方块检测法由相机坐标系到切割机坐标系的映射坐标进行转换。以4*6的圆点格矩阵，行间距为150mm，列间距为150mm，标定算法根据阈值算法可以提取各圆点的中心，然后传入到标定算法中进行相应计算。

拍照模块：接受运动控制和标定模块的驱动信号的输入，输出给标定模块和图像处理模块。使用指定型号单反相机的驱动API接口，编写系统所需拍照功能，包括适用于大幅面成像的各种参数设置：快门时间、曝光补偿、照片品质、白平衡、驱动模式、对焦模式等，还可以根据需要选取连续录制功能。

照明模块：接受拍照模块和运动控制模块的输入，对大幅面形成均匀照明场，供拍照模块拍摄出高质量的图像。该模块主要目标是：照亮目标，提高亮度；形成有利于图像处理的效果；克服环境光干扰，保证图像稳定性。光源配置于两处，其一条形光源位于照相机周围，其二为机器两侧加装漫反射照明。如此照明方式下，使得大幅面上的特征部位对比度最大化的同时使得其它部位对比度最小化，高对比度简化了集成过程，提高了后续图像处理模块的可靠性。

图像处理模块：接受标定模块参数和拍照模块输入，输出给匹配块。图像处理包括常用的彩色到灰度图转换、边缘增强、对比度拉伸等常见算法。同时加入了全自主开发的样板检测和轮廓处理算法，用于提取多样板外部轮廓以及内部特征定位信息，闭合的外部轮廓将作为以后切割基准，结合内部轮廓可以为后续匹配模块尤其是其中的变形匹配提供足够冗余的特征信息。

匹配模块：接受标定模块参数和图像处理模块的输入，在大幅面上并行的对多个样板进行匹配，输出切割轨迹坐标信息给运动控制切割模块。自主开发了基于轮廓线形状匹配的算法，简述如下：1）非变性匹配：在查找过程中只会改变模板的方向和位置来匹配目标图像（拍摄的待切割布料图像）中的图案，该方法速度很快，精度也不错，但是无法适用于存在比例缩放或投影形变或者应力形变等应用中。2）变形匹配：允许模板在行列方向上有独立的适当缩放系数，允许模板在受应力较大区域有一定拉伸自由度，当然也允许模板具有一定的旋转。其参数根据不同材质布料而有不同权重的偏向配置。

运动控制切割模块：接受匹配模块的输入，驱动激光头到相应位置进行切割。全自主开发的一卡控制3轴运动+激光的模式，其中两个轴控制激光头在二维平面上的平移，另一个轴控制传输带的送料，激光头的启动关闭也同时由该卡控制。

主要运动、切割控制信号如下示

1- 加工启动

2- 加工停止

3- 加工暂停

4- 加工恢复

5- 走边框

6- 切边框

7- XY台回机械原点

8- 激光头上移

9- 激光头下移

10- 激光头左移

11- 激光头右移

12- 激光头停止

13- Z轴上移

14- Z轴下移

15- Z轴回机械原点

16- 打开激光（激光点射）

17- 关闭激光（激光点射）

18- 设置当前点为逻辑加工起点

19- 取消逻辑加工起点

20- W轴（第4轴）正向点动

21- W轴（第4轴）负向点动

22- A轴（第5轴）正向点动

23- A轴（第5轴）负向点动

24- 打开激光1（激光点射）

25- 关闭激光1（激光点射）

26- 打开激光2（激光点射）

27- 关闭激光2（激光点射）。

该切割系统利用标定算法执行相机畸变矫正和相机坐标系转换为切割坐标系工作，一旦该步完成后，就可提取参数和变换矩阵作为后续切割的输入，直到下次需要重新标定时，将一直使用当前标定后的参数和变换矩阵。拍照模块对大幅面进行拍照，读入所需切割的模板文件，再调用图像处理模块对拍照图像进行处理，提取出内外轮廓特征，利用模板文件在这些提取出的特征中进行无变形匹配的粗定位操作。粗定位完成后，再调用变形匹配算法，对每个模板样片轮廓进行精确的定位和变形矫正，最后转换到切割坐标系，编码成控制信号传输给运动控制系统，进行实际的切割操作。

请结合参照大幅面切割机结构图2， 它由机架1、传输带2、相机架3、激光发射器4、相机5、LED灯管6、制冷水箱7和控制面板8构成，其中布料9由传输带2完成送料工作，激光发射器4可在水平轴上沿轴线移动，该水平轴则能在另一垂直方向平移，故能完成二维平移定位。其切割流程可简述如下：布料9由传输带2拉到切割平面上，然后发出信号启动相机5拍照，拍照完毕后进行如图1所示的算法运算流程工作，然后根据计算出的控制信号，步进电机驱动水平轴及激光头进行移动切割。需要说明，为了达到大幅面、高精度目标，优选采用单反相机进行拍照，优选LED灯作为照明。此外激光发射器4采用80W的CO2激光器，传送带2极其送料机构选用优质传输带能最大化避免因拉扯张力导致布料9变形。

切割运行时系统，系统的软件一侧为拍照、图像处理和匹配功能区，中间为显示的带切割样片（红线为由变形匹配后显示的切割轨迹），另一侧为生产加工菜单，首先是在左侧区域输入需要切割的模板，勾选变形匹配选项，然后在右侧只要点击启动加工按钮，就可以执行连续的的切割流程。同时提供了手动操作功能，可以在切割过程中暂停、重启、停止和清除等。

为便于比较，系统将模板（也即是样板）弯条形样片移至变形匹配后切割轮廓附近基本重合，可以看到由于传送带拉伸张力，已经导致待切割样片偏离模板较多，一是旋转有所变化，二是因为拉力导致其长度稍有伸长，使用变形匹配算法矫正后，旋转和拉伸形变均得到了很好的矫正，完全能满足现有大幅面切割要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割系统，其特征在于：其包括：

照明模块，该照明模块提供照明，以便拍照模块能够拍摄出待切割布料的清晰图像；

拍照模块，该拍照模块用于启动相机完成对待切割布料的照相，并将拍摄到的待切割布料的图像输出给标定模块和图像处理模块；

标定模块，接受拍照模块拍摄的图像，该模块对拍摄待切割布料相机的参数进行标定和矫正，然后将相机拍摄到的图像参数由相机坐标系转换到切割坐标系，实现相机参数转换为切割坐标参数，并将该切割坐标参数输出给图像处理模块；

图像处理模块，该图像处理模块从拍照模块和标定模块分别得到相关图像和参数，将待切割布料的图像处理成灰度图，并对待切割布料的图像进行边缘增强、对比度拉伸处理，将处理后的图像和参数输出给匹配模块；所述图像处理模块内还设置有样板检测与轮廓处理算法，所述样板检测与轮廓处理算法用于提取各个样板的外部轮廓以及内部特征定位信息，并将对应样板的外部轮廓以及内部特征定位信息输出给匹配模块；

匹配模块，该匹配模块分别从标定模块和图像处理模块得到相关参数和图像，并在大幅面上并行的对多个样板进行匹配，输出切割轨迹坐标信息给运动控制切割模块；匹配模块采用基于轮廓线形状匹配的算法；该基于轮廓线形状匹配的算法包括非变形匹配和变形匹配两种模式；其中非变形匹配模式在查找过程中仅改变对应样板的方向和位置来匹配拍摄到的待切割布料图像中的图案；所述变形匹配不仅改变对应样板的方向和位置，且还允许样板在行列方向上具有给定的缩放系数、在受应力较大区域给定的拉伸自由度和给定的旋转角度来匹配拍摄到的待切割布料图像中的图像；

运动控制切割模块，根据匹配模块输入的切割轨迹坐标信息，驱动激光切割的激光头到对应位置对待切割布料进行切割。

2.根据权利要求1所述的一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割系统，其特征在于：所述拍照模块采用的是单反相机或工业相机或微单相机。

3.根据权利要求1所述的一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割系统，其特征在于：所述照明模块包括条形光源或漫反射光源或环形光源或面光源。

4.根据权利要求1所述的一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割系统，其特征在于：所述运动控制切割模块采用同一芯片控制三轴运动的模式，其中两个轴控制激光头在二维平面上的平移，另一个轴控制待切割布料的运动。

5.根据权利要求4所述的一种基于大幅面视觉引导和变形矫正的激光定位切割系统，其特征在于：所述激光头激光的开启或关闭也由运动控制切割模块的芯片控制。