CN106695130B - 高速激光振镜切割机及高速激光振镜切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速激光振镜切割机及相应的高速激光振镜切割方法。所述高速激光振镜切割机，包括摄像装置、激光切割机、送料机和控制终端机；摄像装置包括摄像机架和摄像机，激光切割机包括二氧化碳激光器、振镜头、横导轨、纵向槽和传动机构；控制终端机包括摄像单元、标定单元、图像处理单元、匹配单元、运动控制单元和样板库。本发明提高了产品的成品率，实现了图像的变形匹配，解决了进料张力导致幅面布料变形的难题。大幅减少了振镜头的重复行程，提高了激光切割效率。

Description

高速激光振镜切割机及高速激光振镜切割方法

技术领域

本发明涉及布料切割加工技术领域，具体来说涉及一种高速激光振镜切割机，以及一种高速激光振镜切割方法。

背景技术

随着技术的不断进步，传统布料切割加工流水线中所采用的手工切割加工方法，因为个体差异或疲劳状况可能出现的误差或错误逐渐被激光切割装置所取代。目前的激光打标行业中一般采用振镜装置。

目前传统振镜装置主要应用在激光打标行业，振镜头固定不动完成打标作业；另一方面，小型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，工作效率极低。目前市场上已经出现大幅面视觉激光切割机，但只能使用单个激光头进行切割，切割效率较为低下。而且还存在因进料时受到旋转或拉伸方向的张力导致幅面布料变形、导致切割不准确的问题。

为此，迫切需要一种新的多样版并行切割方式，实现多个振镜头同时切割不同图案、矫正布料张力变形、提高切割效率。高速大幅面振镜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，更为传统行业的转型升级指明了方向。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种高速激光振镜切割机。

其采用的具体技术方案如下：

一种高速激光振镜切割机，包括摄像装置、激光切割机、送料机和控制终端机；所述送料机用于输送待切割布料；所述摄像装置包括摄像机架和摄像机，所述摄像机固定于摄像机架上，所述摄像机位于送料机的正上方；所述激光切割机包括二氧化碳激光器、振镜头、横导轨、纵向槽和传动机构；所述传动机构包括丝杆、滑块和步进电机；所述二氧化碳激光器用于产生切割激光、所述振镜头用于偏转该切割激光并控制其发射至待切割的布料上，所述振镜头有两个、且平行安装于所述横导轨上；所述步进电机有两个，且与所述振镜头一一对应，各振镜头在对应的步进电机驱动下分别沿横导轨作横向运动；所述横导轨在丝杆和滑块的作用下沿纵向槽作纵向运动；所述控制终端机包括摄像单元、标定单元、图像处理单元、匹配单元、运动控制单元和样板库；所述样板库用于存储预先写入的产品样板；所述摄像单元用于控制摄像机对待切割布料照相，并将拍摄到的图像发送至标定单元和图像处理单元；所述标定单元用于接受摄像单元输入的图像、并对该图像的参数进行标定和矫正，将该图像的参数由相机图像参数转换为切割坐标图像参数，并将该切割坐标图像参数发送给图像处理单元和匹配单元；所述图像处理单元用于接受摄像单元输入的图像以及标定单元输入的切割坐标图像参数，参照该切割坐标图像参数将摄像单元发送的图像处理成灰度图、并进行边缘增强和对比度拉伸处理、并将处理后的图像发送给匹配单元；所述匹配单元用于接收图像处理单元输入的处理后的图像以及标定单元输入的切割坐标图像参数、并读取样板库在大幅面上并行的对多个样板进行匹配、在匹配完成后将得到的输出切割轨迹坐标信息发送至运动控制单元；所述运动控制单元用于接收匹配单元输入的切割轨迹坐标信息，根据该切割轨迹坐标信息驱动激光切割机工作，通过控制传动机构使所述振镜头运动到对应位置对送料机上输送的待切割布料进行激光切割。

通过采用这种技术手段：结合机器视觉，解决了现有技术中大幅面切割系统多样版切割效率低下的问题；通过弱化人工在切割过程中的作用，大大提高产品的成品率。同时，利用控制终端机各功能单元的配合实现图像的变形匹配，实现在一定变形尺度范围内的变形匹配，解决了进料张力导致幅面布料变形的难题。实现激光头在x轴、y轴上的运动切割，并且实现了两个振镜头在同一水平面上对布料上的不同图案进行同步激光切割。相对于传统技术大幅减少了振镜头的重复行程，提高了四倍的激光切割效率。

优选的是，上述高速激光振镜切割机中：所述图像处理单元预先写入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发送至匹配单元；所述匹配单元预先写入基于轮廓线形状匹配算法；该基于轮廓线形状匹配算法在非变形匹配模式和变形匹配模式之间切换；所述非变形匹配模式仅改变对应样板的方向和位置来匹配所述图像处理单元输入的处理后的图像；所述变形匹配模式不仅改变对应样板的方向和位置，且通过改变样板在行列方向上的给定缩放系数、在受应力较大区域给定的拉伸自由度和旋转角度来匹配图像处理单元输入的处理后的图像。

更优选的是，上述高速激光振镜切割机中：所述振镜头包括扩束镜、第一旋转轴镜、第二旋转轴镜和激光场镜；所述运动控制单元实时控制第一旋转轴镜和第二旋转轴镜作旋转运动；所述二氧化碳激光器射出的切割激光，依次经扩束镜扩束、第一旋转轴镜第一次折射、第二旋转轴镜第二次折射、到达激光场镜并由激光场镜射出。

通过采用这种技术手段：实现振镜头沿第一旋转轴镜和第二旋转轴镜所在的两个方向上对切割激光进行方向微调。进一步提升了激光切割的多样性和灵活性。

更优选的是，上述高速激光振镜切割机中：还包括照明设备，所述照明设备位于送料机的正上方，用于照明所述送料机；所述照明设备采用全封闭密封光源，所述控制终端机包括照明控制单元，所述照明控制单元用于控制所述照明设备开启/关闭和亮度调节。

通过采用这种技术手段：利用照明单元对送料机上输送的待切割布料提供充分的照明，使摄像单元能够拍摄出待切割布料的清晰图像。

进一步优选的是，上述高速激光振镜切割机中：还包括水冷装置，所述水冷装置连接二氧化碳激光器、用于为所述二氧化碳激光器提供水冷。

通过采用这种技术手段：利用水冷装置提供循环冷水对二氧化碳激光器进行冷却，从而保证了二氧化碳激光器能够长时间的连续工作。

进一步优选的是，上述高速激光振镜切割机中：所述照明设备为条形LED光源、漫反射LED光源、环形LED光源中的任一种；所述照明设备的光源色调采用红光和白光的间隔布置；所述摄像机为单反相机、工业相机、微单相机中的任一种。

通过采用这种技术手段：利用红光和白光间隔布置的光源选择，针对不同待切割布料的颜色最大程度的提高了色调光的对比度。

本发明还公开了一种基于上述高速激光振镜切割机所实现的高速激光振镜切割方法，包括如下步骤：

S1：启动送料机和控制终端机，以送料机输送待切割的布料，以摄像单元控制摄像机对待切割布料照相，并将拍摄到的图像发送至标定单元和图像处理单元；

S2：标定单元接受摄像单元输入的图像、以标定单元对该图像的参数进行标定和矫正，将该图像的参数由相机图像参数转换为切割坐标图像参数，并将该切割坐标图像参数发送给图像处理单元和匹配单元；

S3：图像处理单元接受摄像单元输入的图像以及标定单元输入的切割坐标图像参数、以图像处理单元参照该切割坐标图像参数将摄像单元发送的图像处理成灰度图、并进行边缘增强和对比度拉伸处理、并将处理后的图像发送给匹配单元；

S4：匹配单元接收图像处理单元输入的处理后的图像以及标定单元输入的切割坐标图像参数、同时读取样板库中存储的样本、在大幅面上并行的对多个样板进行匹配、在匹配完成后将得到的输出切割轨迹坐标信息发送至运动控制单元；

S5：运动控制单元接收匹配单元输入的切割轨迹坐标信息，根据该切割轨迹坐标信息，启动二氧化碳激光器发射切割激光、并控制传动机构工作，控制所述振镜头在对应位置对送料机上输送的待切割布料进行激光切割。

与现有技术相比，本发明提高了产品的成品率，实现了图像的变形匹配，解决了进料张力导致幅面布料变形的难题。大幅减少了振镜头的重复行程，提高了激光切割效率。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图，本图中省略示出照明设备以及传动机构；

图2为图1旋转90°后的视图，本图中省略了送料机，且显露出图1中隐藏于机身中的二氧化碳激光器。

图3为图1这个振镜头的结构示意图；

图4为图1中控制终端机的结构关系示意图；

图5为本发明实施例1的工作流程示意图。

上述附图中各部件与附图标记的对应关系如下：

1、摄像装置；2、激光切割机；3、送料机；4、控制终端机；5、水冷装置；11、摄像机架；12、摄像机；21、二氧化碳激光器；22、振镜头；23、横导轨；24、纵向槽；41、摄像单元；42、标定单元；43、图像处理单元；44、匹配单元；45、运动控制单元；46、样板库；47、照明控制单元；221、扩束镜；222、第一旋转轴镜；223、第二旋转轴镜；224、激光场镜。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步描述。

如图1-5所示的本发明实施例1：

一种高速激光振镜切割机，包括摄像装置1、激光切割机2、送料机3、控制终端机4、水冷装置5和照明设备。其中，所述送料机3用于输送待切割布料；所述摄像装置1包括摄像机架11和摄像机12，所述摄像机12固定于摄像机架11上，所述摄像机12位于送料机3的正上方。所述激光切割机2包括二氧化碳激光器21、振镜头22、横导轨23、纵向槽24和传动机构。其中，所述传动机构包括丝杆、滑块和步进电机；所述二氧化碳激光器21的输出功率为80~400w、用于产生切割激光、所述振镜头22用于偏转该切割激光并控制其发射至待切割的布料上。所述振镜头22包括扩束镜221、第一旋转轴镜222、第二旋转轴镜223和激光场镜224；所述运动控制单元45实时控制第一旋转轴镜222和第二旋转轴镜223作旋转运动；所述二氧化碳激光器21射出的切割激光，依次经扩束镜221扩束、第一旋转轴镜222第一次折射、第二旋转轴镜223第二次折射、到达激光场镜224并由激光场镜224射出。所述振镜头22共有两个、且平行安装于所述横导轨23上。所述步进电机有两个，且与所述振镜头22一一对应，两个振镜头22在对应的步进电机驱动下分别沿横导轨23作横向运动；而所述横导轨23在丝杆和滑块的作用下沿纵向槽24作纵向运动；所述水冷装置5连接二氧化碳激光器21、用于为所述二氧化碳激光器21提供水冷。所述照明设备位于送料机3的正上方，用于照明送料机3；所述照明设备采用全封闭密封光源，具体来说，采用条形LED光源、漫反射LED光源、环形LED光源中的任一种；所述照明设备的光源色调采用红光和白光的间隔布置。所述控制终端机4包括摄像单元41、标定单元42、图像处理单元43、匹配单元44、运动控制单元45、样板库46和照明控制单元47。所述照明控制单元47用于控制照明设备的开启/关闭以及照明亮度的调节。所述样板库46用于存储预先写入的产品样板；所述摄像单元41用于控制摄像机12对待切割布料照相，并将拍摄到的图像发送至标定单元42和图像处理单元43；所述标定单元42用于接受摄像单元41输入的图像、并对该图像的参数进行标定和矫正，将该图像的参数由相机图像参数转换为切割坐标图像参数，并将该切割坐标图像参数发送给图像处理单元43和匹配单元44；所述图像处理单元43中预先写入样板检测与轮廓处理算法，提取各个样板的外部轮廓以及内部特征定位信息、图像处理单元43接受摄像单元41输入的图像以及标定单元42输入的切割坐标图像参数，参照该切割坐标图像参数将摄像单元41发送的图像处理成灰度图、并进行边缘增强和对比度拉伸处理、并将处理后的图像发送给匹配单元44；并将对应样板的外部轮廓以及内部特征定位信息发送至匹配单元44。所述匹配单元44预先写入基于轮廓线形状匹配算法；该基于轮廓线形状匹配算法在非变形匹配模式和变形匹配模式之间切换，匹配单元44接收图像处理单元43输入的处理后的图像以及标定单元42输入的切割坐标图像参数、读取样板库46、在大幅面上并行的对多个样板进行匹配、在匹配完成后将得到的输出切割轨迹坐标信息发送至运动控制单元45；所述运动控制单元45接收匹配单元44输入的切割轨迹坐标信息，根据该切割轨迹坐标信息驱动激光切割机2工作，控制振镜头22运动到对应位置对送料机3上输送的待切割布料进行激光切割。

实践中：首先摄像单元41操纵摄像机12进行拍照，同时读入所需切割的模板文件；接着，调用图像处理单元43对拍摄的图像进行处理，并提取其内外轮廓特征，匹配单元44利用这些轮廓特征，首先调用非变形匹配模式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，最后将所得到的输出切割轨迹坐标信息编码成控制信号传输给运动控制系统45，通过运动控制进行实际的切割操作。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，仅为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖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的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种高速激光振镜切割机，包括摄像装置（1）、激光切割机（2）、送料机（3）和控制终端机（4）；

其特征在于：所述送料机（3）用于输送待切割布料；所述摄像装置（1）包括摄像机架（11）和摄像机（12），所述摄像机（12）固定于摄像机架（11）上，所述摄像机（12）位于送料机（3）的正上方；所述激光切割机（2）包括二氧化碳激光器（21）、振镜头（22）、横导轨（23）、纵向槽（24）和传动机构；所述传动机构包括丝杆、滑块和步进电机；所述二氧化碳激光器（21）用于产生切割激光、所述振镜头（22）用于偏转该切割激光并控制其发射至待切割的布料上，所述振镜头（22）有两个、且平行安装于所述横导轨（23）上；所述步进电机有两个，且与所述振镜头（22）一一对应，各振镜头（22）在对应的步进电机驱动下分别沿横导轨（23）作横向运动；所述横导轨（23）在丝杆和滑块的作用下沿纵向槽（24）作纵向运动；所述控制终端机（4）包括摄像单元（41）、标定单元（42）、图像处理单元（43）、匹配单元（44）、运动控制单元（45）和样板库（46）；

所述样板库（46）用于存储预先写入的产品样板；

所述摄像单元（41）用于控制摄像机（12）对待切割布料照相，并将拍摄到的图像发送至标定单元（42）和图像处理单元（43）；

所述标定单元（42）用于接受摄像单元（41）输入的图像、并对该图像的参数进行标定和矫正，将该图像的参数由相机图像参数转换为切割坐标图像参数，并将该切割坐标图像参数发送给图像处理单元（43）和匹配单元（44）；

所述图像处理单元（43）用于接受摄像单元（41）输入的图像以及标定单元（42）输入的切割坐标图像参数，参照该切割坐标图像参数将摄像单元（41）发送的图像处理成灰度图、并进行边缘增强和对比度拉伸处理、并将处理后的图像发送给匹配单元（44）；

所述匹配单元（44）用于接收图像处理单元（43）输入的处理后的图像以及标定单元（42）输入的切割坐标图像参数、并读取样板库（46）在大幅面上并行的对多个样板进行匹配、在匹配完成后将得到的输出切割轨迹坐标信息发送至运动控制单元（45）；

所述运动控制单元（45）用于接收匹配单元（44）输入的切割轨迹坐标信息，根据该切割轨迹坐标信息驱动激光切割机（2）工作，通过控制传动机构使所述振镜头（22）运动到对应位置对送料机（3）上输送的待切割布料进行激光切割；

所述图像处理单元（43）预先写入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发送至匹配单元（44）；

所述匹配单元（44）预先写入基于轮廓线形状匹配算法；该基于轮廓线形状匹配算法在非变形匹配模式和变形匹配模式之间切换；所述非变形匹配模式仅改变对应样板的方向和位置来匹配所述图像处理单元（43）输入的处理后的图像；所述变形匹配模式不仅改变对应样板的方向和位置，且通过改变样板在行列方向上的给定缩放系数、在受应力较大区域给定的拉伸自由度和旋转角度来匹配图像处理单元（43）输入的处理后的图像；

所述振镜头（22）包括扩束镜（221）、第一旋转轴镜（222）、第二旋转轴镜（223）和激光场镜（224）；所述运动控制单元（45）实时控制第一旋转轴镜（222）和第二旋转轴镜（223）作旋转运动；所述二氧化碳激光器（21）射出的切割激光，依次经扩束镜（221）扩束、第一旋转轴镜（222）第一次折射、第二旋转轴镜（223）第二次折射、到达激光场镜（224）并由激光场镜（224）射出；

还包括照明设备，所述照明设备位于送料机（3）的正上方，用于照明所述送料机（3）；所述照明设备采用全封闭密封光源，所述控制终端机（4）包括照明控制单元（47），所述照明控制单元（47）用于控制所述照明设备开启/关闭和亮度调节；

还包括水冷装置（5），所述水冷装置（5）连接二氧化碳激光器（21）、用于为所述二氧化碳激光器（21）提供水冷；

所述照明设备为条形LED光源、漫反射LED光源、环形LED光源中的任一种；所述照明设备的光源色调采用红光和白光的间隔布置；

所述摄像机（12）为单反相机、工业相机、微单相机中的任一种。

2.使用如权利要求1所述高速激光振镜切割机实现的一种高速激光振镜切割方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：启动送料机（3）和控制终端机（4），以送料机（3）输送待切割的布料，以摄像单元（41）控制摄像机（12）对待切割布料照相，并将拍摄到的图像发送至标定单元（42）和图像处理单元（43）；

S2：标定单元（42）接受摄像单元（41）输入的图像、以标定单元（42）对该图像的参数进行标定和矫正，将该图像的参数由相机图像参数转换为切割坐标图像参数，并将该切割坐标图像参数发送给图像处理单元（43）和匹配单元（44）；

S3：图像处理单元（43）接受摄像单元（41）输入的图像以及标定单元（42）输入的切割坐标图像参数、以图像处理单元（43）参照该切割坐标图像参数将摄像单元（41）发送的图像处理成灰度图、并进行边缘增强和对比度拉伸处理、并将处理后的图像发送给匹配单元（44）；

S4：匹配单元（44）接收图像处理单元（43）输入的处理后的图像以及标定单元（42）输入的切割坐标图像参数、同时读取样板库（46）中存储的样本、在大幅面上并行的对多个样板进行匹配、在匹配完成后将得到的输出切割轨迹坐标信息发送至运动控制单元（45）；

S5：运动控制单元（45）接收匹配单元（44）输入的切割轨迹坐标信息，根据该切割轨迹坐标信息，启动二氧化碳激光器（21）发射切割激光、并控制传动机构工作，控制所述振镜头（22）在对应位置对送料机（3）上输送的待切割布料进行激光切割。