CN106041296B - 一种在线式动态视觉激光精密加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在线式动态视觉激光精密加工方法，是一种工件在流水线上均速行进时，通过CCD高速相机实时采集工件的位置及时间信息，计算出工件从CCD高速相机指定检测位置到激光加工中心所需时间及相对偏移量，再通过激光辅助运动机构，同步补偿校准激光头的姿态，当工件行进到达该加工位置时，触发激光照射到工件表面，即完成均速移动的工件的高精度表面激光加工，定位误差小于0.1mm，无需对工件的三维位置进行精密调整。本发明不需要任何其他传感器或精密治具即可保证加工精度，显著提高了流水线加工效率，降低硬件成本并能有效保证实现效果。

Description

一种在线式动态视觉激光精密加工方法

技术领域

本发明涉及一种在线式动态视觉激光精密加工方法，特别涉及一种被加工工件在不间断的均速进给过程中，无需对工件的三维位置进行精密调整，即可由激光器快速的逐步完成对该工件精密加工方法，属激光加工技术领域。

背景技术

激光打标、切割或焊接加工方法具有加工精度高、加工质量好等特点，现有激光加工方法主要应用在静态场合或间隙式动态粗加工场合，其加工过程是：先采用精密工装夹具定位工件处在静止位置，再在该位置进行定位激光加工，为确保激光加工精度，往往要求工件的定位误差在0.1mm以内。这种静态或间隙式动态加工方法的不足之处是效率低。为提高加工效率，则要求工件在流水线上不间断的均速进给过程中，无需对工件的三维位置进行精密调整，即可由激光器快速的逐步完成对移动工件的激光精密加工，进一步的，也就是说通过视觉引导激光辅助运动机构（如激光聚焦头、振镜、特殊镜片及机构）实现激光聚集及加工路线的设定与执行。该种技术方案目前还未见公开报道。

发明专利《一种流水线作业视觉定位方法、装置和系统》（CN103473442A）所公开的定位方法是利用CCD 视觉定位器定位第一工位上工件的位置，处理器根据第一工位上工件的位置信息，控制后续工位上机械手的校准或工件位置的调整，再利用机械手对工件进行加工，该方法设计的流水线及带视觉定位加工方案受传送带、机械手的灵敏度和精度限制，且需要传感器的配合，对传感器的精度和灵敏度有较高要求；另一方面，该方法是通过预先调整工件及机械手位置，让工件处于设定的初始位置后再进行加工的被动式加工方法，因调整过程耗用时间长，同样会影响到加工效率。因此，发明专利《一种流水线作业视觉定位方法、装置和系统》（CN103473442A）所述公开的技术方案，同样不能满足流水线式运动工件的高精度激光精密加工要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足, 提供一种在线式动态视觉激光精密加工方法，是一种工件在流水线上均速行进时，通过CCD高速相机实时采集工件的位置及时间信息，计算出工件从CCD高速相机指定检测位置到激光加工中心所需时间，当工件到达该时间点时，触发激光照射到工件表面，完成移动工件的高精度加工过程，无需对工件的三维位置进行精密调整。CCD相机二次定位确定工件的实际偏移量，不需要任何其他传感器或精密治具即可保证加工精度，显著提高了流水线加工效率，降低硬件成本并能有效保证实现效果，无需对工件的三维位置进行精密调整，即可由视觉引导激光辅助运动机构，将激光头对准工件进行精密加工。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种在线式动态视觉激光精密加工方法，是一种通过CCD高速相机预先采集流水线上待加工工件位置及时间信息，通过计算机分析计算，当工件运行至激光头所在的加工区域时，即启动高精度激光加工的方法；所述CCD高速相机采用帧率至少500帧/s的全局曝光工业相机；设定：

工件在流水线上均速行进过程中，先通过粗定位线P₀’，再通过精定位线P₀，最后到达加工线P₁，所述激光头位于加工线P₁处；

所述粗定位线P₀’、精定位线P₀和加工线P₁三者间的距离为设定值；

所述CCD高速相机位于粗定位线P₀’和精定位线P₀之间的上方；工件在精定位线P₀处相对于加工线P₁的理想坐标值为X₀、Y₀、水平偏转角为θ₀，时间为t₀；

其特征在于：

所述CCD高速相机用于采集粗定位线P₀’和精定位线P₀附近工件的图像信息；

待加工工件在输送带上均速直线行进过程中，到达粗定位线P₀’之前，计算机直接处理CCD高速相机采集的实时图片，并判定工件是否已越过粗定位线P₀’；

当工件到达粗定位线P₀’之后，启用图像堆栈储存工件的每帧图像和对应的时间，确保图像的位置信息无遗漏且能够精确读取，计算机再计算每帧图像的位置信息；

根据工件到达精定位线P₀前的最后一帧图像和越过精定位线P₀后的第一帧图像以及，在精定位线P₀处的一帧图像信息，得出工件在精定位线P₀处相对于加工线P₁的实际坐标值X、Y、水平偏转角θ，比较并实时计算出工件上的加工点在通过精定位线P₀时的坐标偏移量ΔX、ΔY和角度偏差量Δθ以及，工件从精定位线P₀到加工线P₁处所需的时间Δt；

在时间为t₀+Δt时刻，触发激光对工件表面进行加工，完成移动工件的高精度加工过程。

如上所述一种在线式动态视觉激光精密加工方法，其特征在于：所述所述粗定位线P₀’、精定位线P₀和加工线P₁三者间的距离设定值服从：工件在均速行进过程中，从粗定位线P₀’到精定位线P₀的时间≥10ms,从精定位线P₀到加工线P₁的时间≥20ms。

如上所述一种在线式动态视觉激光精密加工方法，其特征在于：当工件到达加工线P₁时，机算机根据坐标偏移量ΔX、ΔY和角度偏差量Δθ，通过激光辅助运动机构，同步补偿校准激光头的姿态，再对工件进行激光加工。

如上所述一种在线式动态视觉激光精密加工方法，其特征在于：所述激光辅助运动机构包括：激光聚焦头、振镜、特殊镜片及调姿联动机构。

本发明有益效果是：

1、突破现有激光精密加工生产线必须在工件处于静态时才能加工的限制，显著提高基于流水线的生产加工效率，增加产能提升品质。

2、实现对移动工件的视觉定位激光精密加工，视觉定位可实现对移动工件的X、Y和平面上角度偏差量的精确测量与偏差值计算。定位误差小于0.1mm。

3、所述激光加工不限于打标、切割和焊接，还可以运用到有精度需求的其他精密加工领域。

4、使用CCD高速相机二次定位确定工件的实际偏移量，不需要任何其他传感器或精密治具即可保证加工精度，降低硬件成本并能有效保证实现效果。

附图说明

图1是本发明一种在线式动态视觉激光精密加工方法原理图；

图2是理想状态下，工件位于精加工线时的姿态图；

图3是工件出现偏移时的实际状态下的姿态图。

图中的标记说明：图1中：1—CCD高速相机，2—激光头，3—加工件，4—加工区，5—CCD高速相机视场，6—激光加工区域，P₀’—粗定位线，P₀—精定位线，P₁—加工线，L₀—精定位线与加工线之间距离，θ—水平偏转角。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明, 为了使本发明实现的技术手段、特征与功效易于理解，将结合图示，阐述本发明本实施例的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的一种在线式动态视觉激光精密加工方法，是一种工件在流水线上均速行进时，通过CCD高速相机实时采集工件的位置及时间信息，计算出工件从CCD高速相机指定检测位置到激光加工中心所需时间，当工件到达该时间点时，触发激光照射到工件表面，即完成移动工件的高精度加工过程，无需对工件的三维位置进行精密调整，即可由视觉引导激光辅助运动机构，将激光头对准工件，触发激光对工件进行精密加工。CCD相机二次定位确定工件的实际偏移量，不需要任何其他传感器或精密治具即可保证加工精度，显著提高了流水线加工效率，降低硬件成本并能有效保证实现效果。所述方法不限于激光打标、激光切割和激光焊接，还可以运用到有精度需求的其他精密激光加工领域。

参考附图1，设定工件3在流水线上自右向左均速行进，行进过程中，先通过粗定位线P₀’，再通过精定位线P₀，最后到达加工线P₁，所述激光加工中心位于加工线P₁处；所述粗定位线P₀’、精定位线P₀和加工线P₁三者间的距离为设定值，图1中P₀到P₁之间距离设定为L₀；所述粗定位线P₀’、精定位线P₀和加工线P₁三者间的距离设定值服从：工件在均速行进过程中，从粗定位线P₀’到精定位线P₀的时间不小于10ms,从精定位线P₀到加工线P₁的时间不小于20ms，其目的是有利于计算机有足够的时间用于采集CCD高速相机信息并通过控制激光辅助运动机构，同步补偿校准激光头的姿态，使得激光头调整姿态对准工件3。

优选的，当CCD高速相机采集速度更高或计算机处理速度更快或软件更优化，或者是工件在输送带上行进速度变慢时，所述粗定位线P₀’、精定位线P₀和加工线P₁三者间的距离可以更短。

图1中CCD高速相机1位于粗定位线P₀’与精定位线P₀之间的上方，虚线框5表示CCD高速相机1可采集图像区域（视场），CCD高速相机1用于采集粗定位线P₀’和精定位线P₀附近工件的图像信息。激光加工设备的激光头2位于加工线P₁正上方，虚线框6表示激光器可完成的加工区域，工件3上的标注4表示需通过激光头2进行加工区域。

本发明一种在线式动态视觉激光精密加工方法，是一种通过CCD高速相机1预先采集流水线上待加工工件3位置及时间信息，经计算机分析计算，当工件3运行至加工线P₁位置时，即启动高精度激光加工；本发明实施例中，所述CCD高速相机1采用帧率500帧/s的全局曝光工业相机。

参考附图1～3，待加工工件3在输送带上以均速直线行进，工件3在到达粗定位线P₀’之前，计算机直接处理CCD高速相机1采集的实时图片，并判定工件3是否已越过粗定位线P₀’；当工件3到达粗定位线P₀’后，启用图像堆栈储存工件3的每帧图像和对应的时间，确保图像的位置信息无遗漏且能够精确读取，计算机再计算每帧图像的位置信息；如图2，工件3在精定位线P₀处相对于加工线P₁的理想坐标值为X₀、Y₀、水平偏转角为θ₀，时间为t₀；

根据工件到达精定位线P₀前的最后一帧图像和越过精定位线P₀后的第一帧图像，以及在精定位线P₀处的一帧图像信息，得出工件3在精定位线P₀处相对于加工线P₁的实际坐标值X、Y、水平偏转角θ，比较并实时计算出工件3上的加工点在通过精定位线P₀时的坐标偏移量ΔX、ΔY和角度偏差量Δθ，以及工件从精定位线P₀到加工线P₁处所需的时间Δt；

在时间为t₀+Δt时刻，当工件3到达加工线P₁时，机算机根据坐标偏移量ΔX、ΔY和角度偏差量Δθ，通过激光辅助运动机构，同步补偿校准激光头的姿态，使得激光头调整姿态对准工件3，触发激光对工件3表面进行加工，完成移动工件3的高精度加工过程。所述激光辅助运动机构包括：激光聚焦头、振镜、特殊镜片及机构。

本发明突破现有激光精密加工生产线必须在工件处于静态时才能加工的限制，显著提高基于流水线的生产加工效率，增加产能提升品质。实现对移动工件的视觉定位激光精密加工，视觉定位可实现对移动工件的X、Y和平面上角度偏差量的精确测量与偏差值计算。定位误差最小可小于0.1mm。所述激光加工不仅限于打标、切割和焊接，还可以运用到有精度需求的其他精密加工领域。本发明使用CCD高速相机二次定位确定工件的实际偏移量，不需要任何其他传感器或精密治具即可保证加工精度，降低硬件成本并能有效保证实现效果。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“上方”、“下方”、“左”、“右”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (4)

1.一种在线式动态视觉激光精密加工方法，是一种通过CCD高速相机预先采集流水线上待加工工件位置及时间信息，通过计算机分析计算，当工件运行至激光头所在的加工区域时，即启动高精度激光加工的方法；所述CCD高速相机采用帧率至少500帧/s的全局曝光工业相机；设定：

工件在流水线上均速行进过程中，先通过粗定位线P₀’，再通过精定位线P₀，最后到达加工线P₁，所述激光头位于加工线P₁处；

所述粗定位线P₀’、精定位线P₀和加工线P₁三者间的距离为设定值；

所述CCD高速相机位于粗定位线P₀’和精定位线P₀之间的上方；工件在精定位线P₀处相对于加工线P₁的理想坐标值为X₀、Y₀、水平偏转角为θ₀，时间为t₀；

其特征在于：

所述CCD高速相机用于采集粗定位线P₀’和精定位线P₀附近工件的图像信息；

待加工工件在输送带上均速直线行进过程中，到达粗定位线P₀’之前，计算机直接处理CCD高速相机采集的实时图片，并判定工件是否已越过粗定位线P₀’；

当工件到达粗定位线P₀’之后，启用图像堆栈储存工件的每帧图像和对应的时间，确保图像的位置信息无遗漏且能够精确读取，计算机再计算每帧图像的位置信息；

根据工件到达精定位线P₀前的最后一帧图像和越过精定位线P₀后的第一帧图像以及，在精定位线P₀处的一帧图像信息，得出工件在精定位线P₀处相对于加工线P₁的实际坐标值X、Y、水平偏转角θ，比较并实时计算出工件上的加工点在通过精定位线P₀时的坐标偏移量ΔX、ΔY和角度偏差量Δθ以及，工件从精定位线P₀到加工线P₁处所需的时间Δt；

在时间为t₀+Δt时刻，触发激光对工件表面进行加工，完成移动工件的高精度加工过程。

2.如权利要求1所述一种在线式动态视觉激光精密加工方法，其特征在于：所述粗定位线P₀’、精定位线P₀和加工线P₁三者间的距离设定值服从：工件在均速行进过程中，从粗定位线P₀’到精定位线P₀的时间≥10ms,从精定位线P₀到加工线P₁的时间≥20ms。

3.如权利要求1所述一种在线式动态视觉激光精密加工方法，其特征在于：当工件到达加工线P₁时，机算机根据坐标偏移量ΔX、ΔY和角度偏差量Δθ，通过激光辅助运动机构，同步补偿校准激光头的姿态，再对工件进行激光加工。

4.如权利要求3所述一种在线式动态视觉激光精密加工方法，其特征在于：所述激光辅助运动机构包括：激光聚焦头、振镜、特殊镜片及调姿联动机构。