CN108107837B - 一种基于视觉引导的玻璃加工装置及方法 - Google Patents

一种基于视觉引导的玻璃加工装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于视觉引导的玻璃加工装置，包括第一摄像机、第二摄像机，所述第一摄像机安装在待加工玻璃的正上方，其镜头的视轴与玻璃上表面垂直，用于获取待加工玻璃的位置、角点和边界信息；所述第二摄像机、三维运动加工机安装在待加工玻璃的上方，第二摄像机的镜头视轴和半导体激光器的光轴与玻璃平面呈一定的夹角倾斜；所述第一摄像机、第二摄像机与图像采集卡连接；控制器用于接收计算机发出的指令，控制三维运动加工机完成加工。本发明能够有效的解决低效率、低精度的人工打磨问题，同时提高了加工的智能度。

Description

一种基于视觉引导的玻璃加工装置及方法
技术领域
本发明涉及玻璃加工设备技术领域，具体涉及到一种基于视觉引导的玻璃加工装置及方法。
背景技术
玻璃是建筑工程中最普遍使用的装饰材料之一。它的主要性能有透视、隔音以及保温等是生活中不可或缺的材料，因此人们对他的加工工艺也是非常重视的。玻璃的加工工艺最基本的就是玻璃的切割，然而在刚切割完成后的玻璃边界通常非常锋利的，如果是矩形的话它的四个角更是非常尖锐，无论是在搬运还是做进一步加工过程中都极易给工作人员带来伤害，因此玻璃生产厂家在切割完玻璃后都会对其的边沿或角进行圆滑或倒圆，但由于玻璃材料的特殊性，以及各行各业对玻璃形状和规格等特征的各异性导致玻璃的边界圆滑或倒圆角也成为了一项较复杂且工作量大的难题。在玻璃加工时，玻璃的加工量非常的大，然而目前玻璃的边界处理工艺依旧相对较为传统，即人工处理依然占据较大的地位。这种处理方式不仅效率低，且容易受人为因素的影响造成加工失误，极易浪费人力、物力和财力，即使是目前比较流行的数控玻璃加工机也具有较大的局限性，它需要经过人为进行对刀以及加工参数的输入等一系列繁琐的过程。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于视觉引导的玻璃加工装置及方法，在普通数控玻璃普通加工的基础上结合了计算机视觉技术，对其待加工的玻璃通过摄像机进行图像获取，经过图像处理软件和图像处理算法检测出待加工玻璃的边界角点等信息，再通过处理计算得到实际的玻璃边界、角点坐标以及玻璃的厚度信息，最后控制打磨机完成玻璃边界和角点的加工。该发明能够有效的解决低效率、低精度的人工打磨问题，同时提高了加工的智能度。
本发明采取的技术方案为：
一种基于视觉引导的玻璃加工装置，包括第一摄像机、第二摄像机、三维运动加工机、半导体激光器、图像采集卡、数控加工平台、控制器、计算机。
所述第一摄像机安装在待加工玻璃的正上方，其镜头的视轴与玻璃上表面垂直，用于获取待加工玻璃的位置、角点和边界信息；
所述第二摄像机、三维运动加工机安装在待加工玻璃的上方，第二摄像机的镜头视轴和半导体激光器的光轴与玻璃平面呈一定的夹角倾斜；
所述第一摄像机、第二摄像机与图像采集卡连接；
所述图像采集卡、控制器连接计算机；
所述三维运动加工机连接控制器，控制器用于接收计算机发出的指令，控制三维运动加工机完成加工。
所述第一摄像机、第二摄像机均采用CCD相机，所述CCD相机连接CCD驱动器。
所述控制器为S7-200型号的PLC控制模块。
本发明一种基于视觉引导的玻璃加工装置及方法，有益效果在于：
1：通过视觉技术快速准确的获取待加工玻璃的边界角点以及厚度信息。
2：能够准确获取待加工玻璃的实际边界及角点坐标信息，并智能控制并引导打磨机完成玻璃边界和角点加工。
3:相对于其他普通数控玻璃加工机，本发明完更加的提高了加工精度，去除了繁琐的对刀、加工参数的输入等一系列过程，同时也提高了加工的智能度。
附图说明
图1为本发明的安装结构示意图。
图2为本发明的连接示意图。
图3是本发明的处理流程图。
图4(a)是含噪声的玻璃光带图；
图4(b)是滤波去燥+光带增强处理图；
图4(c)是玻璃边缘检测灰度图；
图4(d)是去除不连续轮廓图；
图4(e)是整块玻璃的前景填充图；
图4(f)是位置坐标图。
图5(a)是本发明玻璃厚度获取原理图。
图5(b)是本发明玻璃位置获取原理图。
图5(c)是本发明加工参数获取原理图。
具体实施方式
为使对本发明所达成的功效有更进一步的了解和认识，以下通过实施例及附图配合详细说明，具体如下：
一种基于视觉引导的玻璃加工装置，包括第一摄像机1、第二摄像机2、三维运动加工机3、半导体激光器4、图像采集卡5、数控加工平台6、控制器7、计算机8和接口电路以及相应外围电路。
所述第一摄像机1安装在待加工玻璃的正上方，其镜头的视轴与玻璃上表面垂直，用于获取待加工玻璃的位置、角点和边界信息；
所述第二摄像机2、三维运动加工机3安装在待加工玻璃的上方，第二摄像机2的镜头视轴和半导体激光器4的光轴与玻璃平面呈一定的夹角倾斜；
所述第一摄像机1、第二摄像机2与图像采集卡5连接；
所述图像采集卡5、控制器7连接计算机8；
所述三维运动加工机3连接控制器7，控制器7用于接收计算机8发出的指令，控制三维运动加工机3完成加工。
所述第一摄像机1、第二摄像机2均采用CCD相机，所述CCD相机连接CCD驱动器9。
CCD驱动器9采用FPGA驱动法，FPGA选用Xilinx公司Spartan-3AN系列中的XC3S400AN。
所述控制器7为S7-200型号的PLC控制模块。
在进行摄像机标定并建立玻璃数控加工系统与视觉系统之间的关系后，如图1-4所示。为了将刚切割完成的玻璃加工成圆角、安全角，则需要将玻璃送料机或人工将刚切割完成的玻璃送到加工平台后启动视觉系统依次完成以下步骤：
步骤1：基于视觉技术的玻璃厚度信息的提取，包括：
步骤1.1：打开半导体激光器4产生玻璃厚度测量所需要的光源，并采用两个正交的柱面镜将半导体激光器4产生椭圆形光斑转化为线结构光后，照射到待加工玻璃上产生折射和漫反射。
步骤1.2：通过第二摄像机2对经过玻璃折射后光源进行采集，然后对平板玻璃上下表面发生漫反射的两个点在CCD相机中成像间距与玻璃厚度之间建立线性关系，即对检测系统中玻璃厚度与双光带中心像素差之间的关系进行设定；
步骤1.3：对进入CCD摄像机的漫反射光带进行处理与分析；
步骤1.3.1：将CCD摄像机获取的图像传输到计算机中进行图像处理。首先将采集到的光带图像采用4层小波分解与重构实现对含噪灰度图像的去噪。
步骤1.3.2：由于上一步获得的光带较弱特征不够明显，将采用线性灰度变换对图像数字特征进行增强。
步骤1.3.3：对上一步处理后的光带采用Canny算子进行边缘检测，并选取阈值>119的部分将光带和背景区域分离开来，再采用灰度重心法来确定光带中心位置并获取两光带中心的像素差。
步骤1.3.：设置加工深度d＝0.1H，刀具角度和玻璃厚度与加工深度的关系可自由确定；
步骤2：基于视觉技术的实际玻璃厚度的测量，其特征为：利用玻璃厚度与双光带中心间距的线性关系来完成玻璃厚度信息的获取，即玻璃的实际厚度可由以下公式获得：
Figure BDA0001549488360000041
其中H为玻璃的实际厚度，l为单位像元间距，λ2为系统放大率与镜头放大倍率的乘积(系统放大率与镜头放大倍率相等)，n为折射率，a为光线从玻璃上表面到下表面再返回外界的入射角，见图5(a)，b为光线从玻璃上表面到下表面的折射角，L为两光带中心像素之差。
步骤2：基于视觉技术的玻璃的轮廓、边缘、角点检测，包括：
步骤2.1：通过第一摄像机1对玻璃的整个平面进行图像获取；并将获取的图像传输到计算机中进行图像处理，并对实际玻璃与图像玻璃之间建立线性关系。
步骤2.1.1：将获取的玻璃图像采用Canny算子并设置第一和第二滞后性阈值为260和350进行边缘检测。
步骤2.1.2：将边缘检测后的图像转化为灰度图，采用累计概率霍夫线变换并设置累加平面阈值参数为50来找出二值图像中的直线。
步骤2.1.3：通过控制直线的长度和倾角作为指标来去除一些背景中参杂进入的直线，最后对直线所围成的连通域进行填充，得到边界平滑，角点标准的玻璃图像。
步骤2.1.3：获取玻璃的中心坐标及边界(角点)坐标。其中中心坐标O(x,y)可由以下公式获得：
O.x＝(x1+x2+...+xn)/size(2)
O.y＝(y1+y2+...+yn)/size(3)
其中x1,x2...xn表示玻璃连通域中所有像素点的横坐标，y1,y2...yn表示玻璃连通域中所有像素点的纵坐标，size表示玻璃连通域中的所有像素。
步骤3：基于视觉技术的玻璃上表面边界、角点的实际位置坐标获取。
步骤3.1：以第一摄像机1的中心点为原点建立相机坐标系，选取一块已加工的玻璃作为模板放上工作台，测得其厚度为H，将第一摄像机1固定，测得相机中心与该模板玻璃的距离为S，同时以第一摄像机1的中心点为原点建立世界坐标系(即让相机坐标系的原点与世界坐标系的原点重合Z轴也重合)则在世界坐标中Z坐标值为S，设图像坐标系中图像中心像素坐标(u0,v0)，像平面坐标(xc,yc)则：
Figure BDA0001549488360000051
其中dx与dy分别表示每个像素在横轴x和纵轴y上的物理尺寸。
设相机坐标系中坐标为(Xc,Yc,Zc)，则相机坐标系与像平面坐标系的转换关系为：
Figure BDA0001549488360000052
其中f为相机焦距。
设世界坐标系中坐标为(X,Y,Z)，世界坐标系与相机坐标系的转换关系为：
Figure BDA0001549488360000053
其中R为3×3旋转矩阵，T为3×1位移矩阵。
由式(4)(5)(6)得像素坐标与世界坐标的转换关系为：
Figure BDA0001549488360000054
由于相机坐标系的原点与世界坐标系的原点重合、Z轴也重合且在世界坐标(X,Y,Z)中Z＝S,则可求得Zc,X,Y的值。当玻璃厚度H改变时，设其为H'则Z＝S+(H-H')。在获取到所有数据后将其储存到计算机中作为玻璃数控加工的指令。
步骤4：计算机8通过对储存的玻璃边界、角点和位置坐标等信息信息进行分析处理后对控制器7发出指令，然后控制三维运动系统和玻璃打磨机动作。
步骤4.1：控制器7接受指令后首先控制玻璃打磨机刀片转动，并根据获得的玻璃厚度信息后控制机械臂调整好打磨角度(指刀片的角度)和打磨深度后，再控制三维动系统在X或Y方向运动将玻璃打磨机送到玻璃边界或角点初始打磨处的正上方，再控制Z方向运动使刀片下沉。
步骤4.2：待玻璃打磨机运动到初始打磨位置后，再沿整块玻璃的边界及角点进行打磨，直到完成加工为止。

Claims (2)

1.基于视觉引导的玻璃加工方法，其特征在于：包括玻璃加工装置，该装置包括第一摄像机(1)、第二摄像机(2)、三维运动加工机(3)、半导体激光器(4)、图像采集卡(5)、数控加工平台(6)、控制器(7)、计算机(8)；
所述第一摄像机(1)安装在待加工玻璃的正上方，其镜头的视轴与玻璃上表面垂直，用于获取待加工玻璃的位置、角点和边界信息；
所述第二摄像机(2)、三维运动加工机(3)安装在待加工玻璃的上方，第二摄像机(2)的镜头视轴和半导体激光器(4)的光轴与玻璃平面呈一定的夹角倾斜；
所述第一摄像机(1)、第二摄像机(2)与图像采集卡(5)连接；
所述图像采集卡(5)、控制器(7)连接计算机(8)；
所述三维运动加工机(3)连接控制器(7)，控制器(7)用于接收计算机(8)发出的指令，控制三维运动加工机(3)完成加工；
玻璃加工方法包括以下步骤：
步骤1：基于视觉技术的玻璃厚度信息的提取，包括：
步骤1.1：打开半导体激光器(4)，产生玻璃厚度测量所需要的光源，并采用两个正交的柱面镜，将半导体激光器(4)产生椭圆形光斑转化为线结构光后，照射到待加工玻璃上产生折射和漫反射；
步骤1.2：通过第二摄像机(2)对经过玻璃折射后光源进行采集，然后对平板玻璃上下表面发生漫反射的两个点在第二摄像机(2)中成像间距与玻璃厚度之间建立线性关系，即对检测系统中玻璃厚度与双光带中心像素差之间的关系进行设定；
步骤1.3：对进入第二摄像机(2)的漫反射光带进行处理与分析；
步骤1.3.1：将第二摄像机(2)获取的图像传输到计算机(8)中进行图像处理，首先将采集到的光带图像采用4层小波分解与重构实现对含噪灰度图像的去噪；
步骤1.3.2：由于上一步获得的光带较弱特征不够明显，将采用线性灰度变换对图像数字特征进行增强；
步骤1.3.3：对上一步处理后的光带采用Canny算子进行边缘检测，并选取阈值>119的部分将光带和背景区域分离开来，再采用灰度重心法来确定光带中心位置并获取两光带中心的像素差；
步骤2：基于视觉技术的实际玻璃厚度的测量：
利用玻璃厚度与双光带中心间距的线性关系来完成玻璃厚度信息的获取，即玻璃的实际厚度可由以下公式获得：
Figure FDA0004232211100000021
其中H为玻璃的实际厚度，l为单位像元间距，λ2为系统放大率与镜头放大倍率的乘积，系统放大率与镜头放大倍率相等，n为折射率，a为光线从玻璃上表面到下表面再返回外界的入射角，b为光线从玻璃上表面到下表面的折射角，L为两光带中心像素之差；
步骤3：基于视觉技术的玻璃的轮廓、边缘、角点检测，包括：
步骤3.1：通过第一摄像机(1)对玻璃的整个平面进行图像获取；并将获取的图像传输到计算机中进行图像处理，并对实际玻璃与图像玻璃之间建立线性关系；
步骤3.1.1：将获取的玻璃图像采用Canny算子并设置第一和第二滞后性阈值为260和350进行边缘检测；
步骤3.1.2：将边缘检测后的图像转化为灰度图，采用累计概率霍夫线变换并设置累加平面阈值参数为50来找出二值图像中的直线；
步骤3.1.3：通过控制直线的长度和倾斜角度作为指标来去除一些背景中参杂进入的直线，最后对直线所围成的连通域进行填充，得到边界平滑，角点标准的玻璃图像；
步骤3.1.4：获取玻璃的中心坐标及边界(角点)坐标；其中中心坐标O(x,y)可由以下公式获得：
O.x＝(x1+x2+...+xn)/size (2)
O.y＝(y1+y2+...+yn)/size (3)
其中x1,x2...xn表示玻璃连通域中所有像素点的横坐标，y1,y2...yn表示玻璃连通域中所有像素点的纵坐标，size表示玻璃连通域中的所有像素；
步骤4：基于视觉技术的玻璃上表面边界、角点的实际位置坐标获取：
步骤4.1：以第一摄像机(1)的中心点为原点建立相机坐标系，选取一块已加工的玻璃作为模板放上工作台，测得其厚度为H，将第一摄像机(1)固定，测得相机中心与该模板玻璃的距离为S，同时以第一摄像机(1)的中心点为原点建立世界坐标系，即让相机坐标系的原点与世界坐标系的原点重合Z轴也重合，则在世界坐标中Z坐标值为S，设图像坐标系中图像中心像素坐标(u0,v0)，像平面坐标(xc,yc)则：
Figure FDA0004232211100000022
其中dx与dy分别表示每个像素在横轴x和纵轴y上的物理尺寸；
设相机坐标系中坐标为(Xc,Yc,Zc)，则相机坐标系与像平面坐标系的转换关系为：
Figure FDA0004232211100000031
其中，f为相机焦距；
设世界坐标系中坐标为(X,Y,Z)，世界坐标系与相机坐标系的转换关系为：
Figure FDA0004232211100000032
其中R为3×3旋转矩阵，T为3×1位移矩阵；
由式(4)(5)(6)得像素坐标与世界坐标的转换关系为：
Figure FDA0004232211100000033
由于相机坐标系的原点与世界坐标系的原点重合、Z轴也重合且在世界坐标(X,Y,Z)中Z＝S,则可求得Zc,X,Y的值；当玻璃厚度H改变时，设其为H'则Z＝S+(H-H')；在获取到所有数据后将其储存到计算机中作为玻璃数控加工的指令。
2.根据权利要求1所述基于视觉引导的玻璃加工方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤5.1：计算机(8)通过对储存的玻璃边界、角点和位置坐标信息进行分析处理后对控制器(7)发出指令，然后控制三维运动系统和玻璃打磨机动作；
步骤5.2：控制器(7)接受指令后，首先控制玻璃打磨机刀片转动，并根据获得的玻璃厚度信息后，控制机械臂调整好打磨角度和打磨深度后，再控制三维动系统在X或Y方向运动将玻璃打磨机送到玻璃边界或角点初始打磨处的正上方，再控制Z方向运动使刀片下沉；
步骤5.3：待玻璃打磨机运动到初始打磨位置后，再沿整块玻璃的边界及角点进行打磨，直到完成加工为止。
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