CN106964907A - 一种激光切割的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出了一种激光切割的方法和设备，其中，该方法包括：获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标；根据所述三维形态数据和所述旋转平移坐标实时对激光切割装置进行调整；基于调整后激光切割装置对待切割件进行激光切割。以此实现了对激光切割装置进行实时的精准控制以及调整，保证了后续切割的精度。

Description

一种激光切割的方法和设备

技术领域

本发明涉及工业机器人手眼协调视觉伺服控制领域，特别涉及一种激光切割的方法和设备。

背景技术

现有技术中，在机器人实时控制领域，视觉伺服控制是当前的一个重要研究方向和提高机器人智能化水平的研究热点之一。其中，工业机器人的视觉伺服控制技术对于保证产品质量和提高生产效率具有重要作用。目前，在汽车制造、军工及重工等行业三维钣金零部件和特殊型材的切割加工呈现多品种小批量化以及高精度化的发展趋势。其具体存在的问题如下：

在具体的切割过程中，被切割件是通过人工或另外一个机器人协作下料，这就造成被加工件在定位时会产生三维空间上的误差；此外，还会存在平面的平移的误差，以及摆放不平所造成的旋转误差。如果切割机器人不进行三维空间姿态修正，仍原来的加工路径进行切割，当产品加工精度要求较高时，势必会降低产品质量。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种激光切割的方法和设备，用以克服现有技术中的缺陷。

具体的，本发明提出了以下具体的实施例：

本发明实施例提出了一种激光切割的方法，包括：

获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标；

根据所述三维形态数据和所述旋转平移坐标实时对激光切割装置进行调整；

基于调整后激光切割装置对待切割件进行激光切割。

在一个具体的实施例中，所述“获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标”包括：

通过一字线形激光发射装置，以垂直角度直射待切割件表面；

通过面阵双目CCD/CMOS图像传感器提取待切割件表面的激光线形调制信息，并生成待切割件的三维形态数据；

基于图像工作站通过所述三维形态数据输出旋转平移坐标。

在一个具体的实施例中，所述旋转坐标是通过待切割件在Z坐标方向的距离值和投影变换获取。

在一个具体的实施例中，在获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标，之后还包括：

在左右图像的激光线的空间区域进行配准，以使面阵双目CCD/CMOS图像传感器在任意时捕捉的控制位置相同；

对进行配准的图像进行空间测距和二维空间图像尺寸的标定。

在一个具体的实施例中，所述“根据所述三维形态数据和所述旋转平移坐标实时对激光切割装置进行调整”包括：

以基于位置的视觉伺服控制和基于图像的视觉伺服控制的方式基于所述三维形态数据和所述旋转平移坐标对激光切割装置进行实时调整。

本发明实施例还提出了一种激光切割的设备，包括：

获取模块，用于获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标；

调整模块，用于根据所述三维形态数据和所述旋转平移坐标实时对激光切割装置进行调整；

切割模块，用于基于调整后激光切割装置对待切割件进行激光切割。

在一个具体的实施例中，所述获取模块，用于：

通过一字线形激光发射装置，以垂直角度直射待切割件表面；

通过面阵双目CCD/CMOS图像传感器提取待切割件表面的激光线形调制信息，并生成待切割件的三维形态数据；

基于图像工作站通过所述三维形态数据输出旋转平移坐标。

在一个具体的实施例中，所述旋转坐标是通过待切割件在Z坐标方向的距离值和投影变换获取。

在一个具体的实施例中，该设备还包括：配准模块，用于在左右图像的激光线的空间区域进行配准，以使面阵双目CCD/CMOS图像传感器在任意时捕捉的控制位置相同；

对进行配准的图像进行空间测距和二维空间图像尺寸的标定。

在一个具体的实施例中，所述调整模块，用于：

以基于位置的视觉伺服控制和基于图像的视觉伺服控制的方式基于所述三维形态数据和所述旋转平移坐标对激光切割装置进行实时调整。

与现有技术相比，本发明实施例提出了一种激光切割的方法和设备，其中，该方法包括：获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标；根据所述三维形态数据和所述旋转平移坐标实时对激光切割装置进行调整；基于调整后激光切割装置对待切割件进行激光切割。以此实现了对激光切割装置进行实时的精准控制以及调整，保证了后续切割的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提出的一种激光切割的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提出的一种机器人激光切割双目三维成像与混合视觉伺服融合方法的示意图；

图3为本发明实施例提出的一种基于双目三维成像与混合视觉伺服融合的机器人激光切割控制方法的流程示意图；

图4A-4B为本发明实施例提出的一种投影变换的示意图；

图4C为本发明实施例提出的一种平移旋转方向的示意图；

图5为本发明实施例提出的一种图像三维形态重构与切割边缘数据处理流程的示意图；

图6本发明实施例提出的一种激光切割的设备的结构示意图。

具体实施方式

在下文中，将更全面地描述本公开的各种实施例。本公开可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本公开的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本公开理解为涵盖落入本公开的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。

在下文中，可在本公开的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本公开的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本公开的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本公开的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本公开的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本公开的各种实施例中使用的术语“用户”可指示使用电子装置的人或使用电子装置的装置(例如，人工智能电子装置)。

在本公开的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本公开的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本公开的各种实施例中被清楚地限定。

实施例1

本发明实施例1公开了一种激光切割的方法，如图1所示，包括：

步骤101、获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标；

步骤102、根据所述三维形态数据和所述旋转平移坐标实时对激光切割装置进行调整；

步骤103、基于调整后激光切割装置对待切割件进行激光切割。

具体的，在一个实施例中，步骤101中所述“获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标”包括：

通过一字线形激光发射装置，以垂直角度直射待切割件表面；

通过面阵双目CCD/CMOS图像传感器提取待切割件表面的激光线形调制信息，并生成待切割件的三维形态数据；

基于图像工作站通过所述三维形态数据输出旋转平移坐标。

在此以一个例子来进行说明，如图2所示，首通过高精度非衍射一字线形激光发射器对待切割件的表面进行照射，后续利用双目面阵CCD/CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器来获取到激光照射后的激光线形调制信息，并生成待切割件的三维形态数据，再通过图像工作站通过所述三维形态数据输出旋转平移坐标。

在一个具体的实施例中，所述旋转坐标是通过待切割件在Z坐标方向的距离值和投影变换获取。

在一个具体的实施例中，在获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标，之后该方法还包括：

在左右图像的激光线的空间区域进行配准，以使面阵双目CCD/CMOS图像传感器在任意时捕捉的控制位置相同；

对进行配准的图像进行空间测距和二维空间图像尺寸的标定。

在一个具体的实施例中，所述“根据所述三维形态数据和所述旋转平移坐标实时对激光切割装置进行调整”包括：

以基于位置的视觉伺服控制和基于图像的视觉伺服控制的方式基于所述三维形态数据和所述旋转平移坐标对激光切割装置进行实时调整。

实施例2

为了对本发明进行进一步的说明，本发明基于具体的应用环境，还提出了一种具体的激光切割的方法。

如图2所示，为本方案中的一种控制方案的示意图；首先构建双目激光三维扫描成像单元，其主要由高精度非衍射一字线形激光发射器、双目面阵CCD/CMOS图像传感器、机械扫描装置组成,主要用于完成被加工件三维笛卡尔空间的形貌检测和旋转平移坐标提取；此外，还还包括融合三维扫描成像与混合视觉伺服控制的机器人末端工具坐标修正方法，其通过被测件提供的平移和旋转坐标值结合基于图像的和基于位置的视觉伺服控制方法来实现。

具体的，安装高精度一字线形激光发射装置，以垂直角度直射被切割件表面；可以采用高精度非衍射He-Na激光发射器光源，为双目CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)提供三维扫描成像的结构光源，该激光器采用软件功率可调方式，为获取最佳成像效果，对呈不同表面粗糙度的被加工件通过图像清晰度计算，自动调整激光线辐射亮度，在被加工件表面上形成一条垂直于扫描方向的激光剖面。

还安装用于提取被测件表面激光线形调制信息的面阵双目CCD/CMOS图像传感器。在一个具体的实施例中，位于激光发射器中心水平线上安装高速高清晰双目面阵CCD/CMOS图像传感器，还可以在镜头前加装特定波长带通滤色片，其目的是保证图像采集质量和防止外界强光干扰。同时考虑到被测件的大小信息，设计高度可调支架(满足检测精度范围)。图像传感器分别成同等角度安装于激光发射两端，形成双目视觉三维测量方式剔除单目测量时的光源遮挡问题。为了确保当被测件高度变化时候的检测精度，CCD1和CCD2在横向上设计成距离和角度可变方式。

安装CCD激光三维扫描控制装置和成像支架。

采用悬臂支架方式安装激光发射器和双目CCD，并通过步进电机控制成像系统实时扫描，为了保证图像扫描精度和减少双目图像空间匹配的计算量。对图像传感器采用外触发方式，即当扫描被执行时通过位移编码器采集位移脉冲，并通过信号分配器将脉冲信号传递给CCD1和CCD2同步触发成像。该部分成像支架采用悬臂式以避开机器人工作空间。

针对切割机器人混合视觉伺服控制方法设计，采用双目激光三维扫描成像技术实现被测件的三维形貌和笛卡尔空间姿态的精确检测，通过精确的三维扫描成像，图像工作站可输出用于末端位姿平移调整的平面坐标，同时可进行旋转坐标计算并将结果传递给机器人关节控制器修正末端旋转姿态。该部分内容通过单个三维成像子系统与混合视觉的融合处理，同时保留了基于图像和基于位置的伺服控制的优点。系统的设计的融合式伺服控制方法如图3所示。

测件空间平移和旋转坐标精确提取，具体的，提取旋转坐标通过两个特征值获得，其一是被测目标在z坐标方向的距离值(由双目测距系统直接获得)，此处，采用双目扫描式在一定程度上避免被测件部分空间遮挡问题。该方式可精确获得被测目标各空间的点旋转值；其二是结合目标投影畸变获得，如图4A-4C所示，当目标不平整定位时(一侧高于另一侧)图像将发生投影畸变，此时，可根据计算机将畸变图像与计算机输入的标准被加工进行对比，进行被测目标空间姿态的读取。由于已获得被检测目标三维形貌，因此被测件与计算机输入的标准件在空间上可以快速的进行匹配(特征点易获取)。另一方面是被加工件平移姿态的读取，此处包括被加工件在二维空间中的平移和旋转。其检测方式如图4C所示，读取值为实际检测值与标准定为图像在二维平面的平移和旋转偏差。

6/被加工件三维形貌可视化重构与数据处理,在此过程中，双目CCD图像传感器在激光线条扫描过程中，采用两种标定方法进行图像形态和控制坐标的精确提取，首先，为使左右CCD扫描图像在空间上配准，扫描时除了要求精确加工的机械扫描装置外，还需在图像上做二次标定，即将左右图像的激光线的空间区域进行配准，使其在同步外触发下左右CCD图像传感器在任意时捕捉的控制位置相同。其二已配准的图像进行空间测距和二维空间图像尺寸的标定。系统的三维形貌检测与空间坐标值提取的数据处理流程如图5所示。

本申请的方案融合的双目CCD激光扫描成像与混合视觉伺服控制方法，具有检测精度高和控制灵活等特点。通过单个系统同时提取被切割件的三维空间旋转和二维空间旋转和平移特征值，并且精度可控。同时实现了基于位置的和基于图像的工业机器人视觉伺服控制方式，在优势互补的基础上融合三维成像系统提出了一种新的视觉伺服控制方法。采用高速高分辨率摄像机作为图像采集设备，检测视场宽度大，不受工业现场电磁干扰和温度影响，能实时提供机器人控制的输入信号，有利于提高工业机器人激光切割的自动化水平，提高机器人的加工柔性。具体体现在以下几点：

1、硬件组成上，采用双目CCD和线形激光发射器作为主要成像单元，高亮度激光线不作为照明光源使用，而是提供CCD/CMOS面阵摄像机提取被测件三维形态信息的调整结构光源，采用高精度位移测速编码器实时采集扫描速率，以此动态调整摄像机帧扫描频率，采用高性能图像工作站进行海量数据的并行处理与存储，可实现离线信息回放。

2、基于双目CCD激光扫描成像与混合视觉伺服控制方法，一方面可以通过单个成像系统提取被加工件的三维空间旋转和二维空间平移和旋转坐标值，并能同时将旋转和平移坐标进行提取；与传统的基于图像视觉伺服控制方式相比，可省去分解单应性矩阵的过程。本发明提出方法具有更高的精确性和实时性。

3、本发明提出方法，可对所有被加工件进行三维形貌可视化重构。除了对被加工件进行切割数据提取外，能够同时进行被测件三维尺寸的测量，准确评估被加工件的质量等级。

4、本发明除适用于汽车三维钣金零部件和特殊型材的工业机器人激光精切切割技术外，同时也可用于视觉引导、焊接、喷涂、装配、搬运等作业、以及其它基于机器人手眼协调的生产加工过程的实时检测与视觉伺服控制领域。

实施例3

本发明实施例3还公开了一种激光切割的设备，如图6所示，包括：

获取模块201，用于获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标；

调整模块202，用于根据所述三维形态数据和所述旋转平移坐标实时对激光切割装置进行调整；

切割模块203，用于基于调整后激光切割装置对待切割件进行激光切割。

在一个具体的实施例中，所述获取模块201，用于：

通过一字线形激光发射装置，以垂直角度直射待切割件表面；

通过面阵双目CCD/CMOS图像传感器提取待切割件表面的激光线形调制信息，并生成待切割件的三维形态数据；

基于图像工作站通过所述三维形态数据输出旋转平移坐标。

在一个具体的实施例中，所述旋转坐标是通过待切割件在Z坐标方向的距离值和投影变换获取。

在一个具体的，还包括：配准模块，用于在左右图像的激光线的空间区域进行配准，以使面阵双目CCD/CMOS图像传感器在任意时捕捉的控制位置相同；

对进行配准的图像进行空间测距和二维空间图像尺寸的标定。

在一个具体的实施例中，所述调整模块202，用于：

以基于位置的视觉伺服控制和基于图像的视觉伺服控制的方式基于所述三维形态数据和所述旋转平移坐标对激光切割装置进行实时调整。

与现有技术相比，本发明实施例提出了一种激光切割的方法和设备，其中，该方法包括：获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标；根据所述三维形态数据和所述旋转平移坐标实时对激光切割装置进行调整；基于调整后激光切割装置对待切割件进行激光切割。以此实现了对激光切割装置进行实时的精准控制以及调整，保证了后续切割的精度。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光切割的方法，其特征在于，包括：

获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标；

根据所述三维形态数据和所述旋转平移坐标实时对激光切割装置进行调整；

基于调整后激光切割装置对待切割件进行激光切割。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述“获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标”包括：

通过一字线形激光发射装置，以垂直角度直射待切割件表面；

通过面阵双目CCD/CMOS图像传感器提取待切割件表面的激光线形调制信息，并生成待切割件的三维形态数据；

基于图像工作站通过所述三维形态数据输出旋转平移坐标。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述旋转坐标是通过待切割件在Z坐标方向的距离值和投影变换获取。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标，之后还包括：

在左右图像的激光线的空间区域进行配准，以使面阵双目CCD/CMOS图像传感器在任意时捕捉的控制位置相同；

对进行配准的图像进行空间测距和二维空间图像尺寸的标定。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述“根据所述三维形态数据和所述旋转平移坐标实时对激光切割装置进行调整”包括：

以基于位置的视觉伺服控制和基于图像的视觉伺服控制的方式基于所述三维形态数据和所述旋转平移坐标对激光切割装置进行实时调整。

6.一种激光切割的设备，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取待切割件的三维形态数据以及旋转平移坐标；

调整模块，用于根据所述三维形态数据和所述旋转平移坐标实时对激光切割装置进行调整；

切割模块，用于基于调整后激光切割装置对待切割件进行激光切割。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述获取模块，用于：

通过一字线形激光发射装置，以垂直角度直射待切割件表面；

通过面阵双目CCD/CMOS图像传感器提取待切割件表面的激光线形调制信息，并生成待切割件的三维形态数据；

基于图像工作站通过所述三维形态数据输出旋转平移坐标。

8.如权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述旋转坐标是通过待切割件在Z坐标方向的距离值和投影变换获取。

9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，还包括：配准模块，用于在左右图像的激光线的空间区域进行配准，以使面阵双目CCD/CMOS图像传感器在任意时捕捉的控制位置相同；

对进行配准的图像进行空间测距和二维空间图像尺寸的标定。

10.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述调整模块，用于：

以基于位置的视觉伺服控制和基于图像的视觉伺服控制的方式基于所述三维形态数据和所述旋转平移坐标对激光切割装置进行实时调整。