CN109702321A - 基于结构光的激光切割头防撞预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发公开一种激光切割头防撞预警系统，由4个结构光探头和一个控制器组成，结构光探头分别布置于激光切割头四周前后左右四个方位，与激光切割头一同移动；结构光探头由图案投影器、镜头、相机、滤光片、外壳、插座组成，可以独立向下投射图案，在被切割工件表面形成一个探测区域，通过图像处理判断图像中是否存在凸起的障碍物，当发现凸起的障碍物时，发出警报，从而实现防撞功能。

Description

基于结构光的激光切割头防撞预警系统及方法

技术领域

本发明涉及一种激光切割头防撞预警系统。具体地，是一种基于结构光的激光切割头防撞预警系统及其方法。

背景技术

在激光切割现场，当激光切割头移动切割的过程中，由于被切割材料受热变形等因素会在切割平面上形成凸起的障碍物，很有可能会与激光切割头发生碰撞，导致切割头的损坏。这不仅仅会造成设备财产损失，而且导致生产过程中断，研制影响生产进程。因此，非常需要对激光切割头移动过程中实时监测前锋的障碍物，并向激光切割控制器发出预警，避免发生碰撞，是非常有价值的工作。

目前在激光切割头防撞预警系统方面主要有以下几种方法：

(1)使用一维高度传感器测量距离：这种方法是在激光切割头内部(或者外部一侧)安置一个高度传感器，直接测量激光切割头正下方(或者一侧前方)被切割材料与激光切割头之间的距离，并控制激光切割头与被切割材料保持一个恒定的距离。但是，对于内置高度传感器的方法，只能测量激光切割头正下方的切割材料与激光切割头之间的距离，当附近出现突起障碍物时碰撞已经发生，并不能起到预警防撞的作用。对于外置高度传感器的方法，由于高度传感器的横向测量范围极为有限，因此防撞的探测区域小，需要再激光切割头周围不知多个高度传感器，才能起到可靠的防撞作用。此外，该方案只能预防变化比较平缓的凸起物体，但是对于变化剧烈的凸起物体，传感器就无法及时做出预警。

(2)可分离式激光切割头：这种方法是将激光切割头分离成两截，中间使用某种连接方式进行连接。在激光切割头遇到障碍物时，激光切割头自动断成两截来保护切割头。这种方案是在碰撞发生之后再采取相应的措施，这时可能已经造成了激光切割头的损坏，并且由于分离式的设计，激光切割头上下两部分可能会存在对正不准的问题。

(3)压力传感器方法：这种方法是在激光切割头上安装压力传感器，当激光切割头碰撞上障碍物时，压力传感器感应到压力，然后控制器控制激光切割头停止或朝反方向运行。这种方案与上一种方案一样，都是在碰撞发生之后采取措施，无法做到事先预警。

发明内容

本发明针对目前激光切割机工作时缺少激光切割头防碰撞系统的现状，提出一种基于结构光的激光切割头防撞预警系统，在激光切割头的四周布置若干结构光探头，通过图案投影器在激光切割头周围区域产生特殊图案，利用摄像头获取该区域的图像，通过图像处理判断区域内是否存在凸起的障碍物，如果存在凸起障碍物，则发出警报，从而实现防撞预警功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明的激光切割头防撞预警系统的特征在于，所述的激光切割头防撞预警系统由4个结构光探头和一个控制器组成，其中：

所述的结构光探头共有4个，分别布置于激光切割头四周前后左右四个方位，与激光切割头一同移动；每个结构光探头均可以独立向下投射图案，在被切割工件表面形成一个探测区域，并对该区域内的凸起障碍物进行探测；4个结构光探头的探测区域互相衔接，在激光切割点周围形成一个封闭的探测区域；

所述的控制器位于激光切割系统主控制器旁，通过电缆分别与4个结构光探头相连，为结构光探头供电，并获取每个结构光探头的数据，通过处理判断探测区域内是否存在凸起障碍物，并进行预警。

本发明的激光切割头防撞预警系统的特征还在于，所述的结构光探头由图案投影器、镜头、相机、滤光片、外壳、插座组成，其中：

所述的图案投影器光轴为竖直方向，向下进行投影特殊的图案，进而在被切割工件表面形成的一定大小和形状的探测区域；

所述的镜头为工业镜头，直接安装于相机之上，与图案投影器存在一定距离，并且形成一定角度，以保证能够获取整个探测区域的图像；

所述的外壳为轻质硬性材料制成的密闭壳体，保证良好的防水、防尘、防撞等性能；

所述的滤光片置于外壳的下部，形成透光的测量窗，其中心频率与图案投影器光源的中心波长一致；

所述的插座置于外壳的顶部，用于连接电缆，并通过电缆与控制器相连。

本发明的激光切割头防撞预警系统的特征还在于，所述的图案投影器由激光器、聚焦镜、图案板、放大镜组成，其中：

所述的激光器为蓝紫光激光器，可以产生蓝紫色激光，可以有效避免激光切割过程产生的电弧光对防撞系统的影响；

所述的聚焦镜为双凸聚焦镜，保证最大限度地汇聚激光器的所有光线，并保证产生最高亮度的投影图案；

所述的图案板由平面光学玻璃制作，以保证图案的清晰度；

所述的放大镜为超广角镜头，以便获得更大的投影探测范围，覆盖整个探测区域范围，没有死角。

本发明的激光切割头防撞预警系统的特征还在于，所述的图案板的图案为规则的直线型条纹或者网格，条纹可为等间隔的均匀条纹或者网格，也可为不等间隔的条纹或者网格；图案线条的最小间隔应该保证在探测区域内的光栅间距不超过最小凸起障碍物尺寸的1/2为宜。

本发明的激光切割头防撞预警系统的特征还在于，所述的控制器采用小型整体式无风扇工业控制计算机IPC构成，可进行复杂的图像处理，准确识别凸起障碍物，并有着较强的抗干扰能力，适应现场工作需求。

第二方面，本发明提供一种激光切割头防撞预警系统的处理方法，可以应用第一方面中任一项所述的激光切割头防撞预警系统，所述方法包括：

(1)在切割开始之前，先将激光切割头置于被切割工件的一个完整的无切割平面处，打开控制器的电源，每个结构光探头中的图案投影器向该表面投影一幅光栅图案，每个结构光探头中的相机分别拍摄探测区域的图像，此时图像中的光栅条纹应是连续的、完整的，此图像定义为背景帧，该背景帧图像直接送入控制器中；

(2)在激光切割头开始对被切割工件进行切割的过程中，每个结构光探头中的相机实时获取探测区域的图像，此图像定位为当前帧，该当前帧图像同样送入控制器中；

(3)处理器将当前帧的图像与背景帧的图像进行差分操作，获得差分图像；

(4)根据差分图像中线条信息的变化进行判断：如果出现线条部分缺失的现象，则属于被切割部分产生的空洞，为正常状态；如果出现部分线条明显倾斜或者弯曲的现象，则属于凸起的障碍物，为危险状态；

(5)如果发现凸起的障碍物，则控制器向激光切割系统发出警报信号，实现防撞预警。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的激光切割头防撞预警系统组成示意图；

图2是本发明的结构光探头内部结构示意图；

图3是本发明的图案投影器内部结构示意图；

图4是本发明的典型图案示意图；

图中，1-结构光探头，2-控制器，3-激光切割头，4-被切割工件，5-图案投影器，6-镜头，7-相机，8-滤光片，9-外壳，10-插座，11-激光器，12-聚焦，13-图案板，14-放大镜14。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提出一种激光切割头防撞预警系统，所述的激光切割头防撞预警系统由结构光探头1和控制器2组成，如图1所示，其中：

所述的结构光探头1共有4个，分别是1a、1b、1c、1d，分别布置于激光切割头3四周前后左右四个方位，可与激光切割头4一同移动；4个结构光探头1a、1b、1c、1d均可以独立向下投射图案，在被切割工件4表面形成一个探测区域，并对该区域内的凸起障碍物进行探测；4个结构光探头1a、1b、1c、1d的探测区域互相衔接，在激光切割点周围形成一个封闭的探测区域；

所述的控制器2位于激光切割系统主控制器旁，通过电缆分别与4个结构光探头1a、1b、1c、1d相连，为结构光探头1a、1b、1c、1d供电，并获取每个结构光探头1a、1b、1c、1d的数据，通过处理判断探测区域内是否存在凸起障碍物，并进行预警。

本发明的激光切割头防撞预警系统的特征还在于，所述的结构光探头1由图案投影器5、镜头6、相机7、滤光片8、外壳9、插座10组成，如图2所示，其中：

所述的图案投影器5的光轴为竖直方向，向下进行投影特殊的图案，进而在被切割工件4表面形成一定大小和形状的探测区域；

所述的镜头6为工业镜头，直接安装于相机7之上，与图案投影器5存在一定距离，并且形成一定角度，以保证能够获取整个探测区域的图像；

所述的外壳8为轻质硬性材料制成的密闭壳体，例如铝合金、不锈钢等材料制成，保证良好的防水、防尘、防撞等性能；

所述的滤光片9置于外壳8的下部，形成透光的测量窗，其中心频率与图案投影器5光源的中心波长一致；

所述的插座10置于外壳的顶部，用于连接电缆，并通过电缆与控制器2相连。

本发明的激光切割头防撞预警系统的特征还在于，所述的图案投影器5由激光器11、聚焦镜12、图案板13、放大镜14组成，如图3所示，其中：

所述的激光器11为蓝紫光激光器，可以产生蓝紫色激光，可以有效避免激光切割过程产生的电弧光对防撞系统的影响；

所述的聚焦镜12为双凸聚焦镜，保证最大限度地汇聚激光器11的所有光线，并保证产生最高亮度的投影图案；

所述的图案板13由平面光学玻璃制作，以保证图案的清晰度；

所述的放大镜14为超广角镜头，以便获得更大的投影探测范围，覆盖整个探测区域范围，确保没有死角。

本发明的激光切割头防撞预警系统的特征还在于，所述的图案板13的图案为规则的直线型条纹或者网格，条纹可为等间隔的均匀条纹或者网格，也可为不等间隔的条纹或者网格；图案线条的最小间隔应该保证在探测区域内的光栅间距不超过最小凸起障碍物尺寸的1/2为宜。例如，假设凸起的障碍物尺寸约为20mm，探测区域内的投影光栅的线条间隔应不超过10mm，假设放大镜14的放大比为10，则图案板13的线条最小间隔应不超过1mm为宜。

本发明的激光切割头防撞预警系统的特征还在于，所述的控制器2采用小型整体式无风扇工业控制计算机IPC构成，可进行复杂的图像处理，准确识别凸起障碍物，并有着较强的抗干扰能力，适应现场工作需求。

第二方面，本发明提供一种激光切割头防撞预警系统的处理方法，可以应用第一方面中任一项所述的激光切割头防撞预警系统，所述方法包括：

(1)在切割开始之前，先将激光切割头3置于被切割工件4的一个完整的无切割平面处，打开控制器2的电源，每个结构光探头1中的图案投影器5向该表面投影一幅光栅图案，每个结构光探头中1的相机8分别拍摄探测区域的图像，此时图像中的光栅条纹应是连续的、完整的，此图像定义为背景帧，该背景帧图像直接送入控制器2中；

(2)在激光切割头3开始对被切割工件4进行切割的过程中，每个结构光探头1中的相机8实时获取探测区域的图像，此图像定位为当前帧，该当前帧图像同样送入控制器2中；

(3)处理器2将当前帧的图像与背景帧的图像进行差分操作，获得差分图像；

(4)根据差分图像中线条信息的变化进行判断：如果出现线条部分缺失的现象，则属于被切割部分产生的空洞，为正常状态；如果出现部分线条明显倾斜或者弯曲的现象，则属于凸起的障碍物，为危险状态；

(5)如果发现凸起的障碍物，则控制器2向激光切割系统发出警报信号，实现防撞预警。

与现有技术相比，本发明具有如下的进步：

本发明提供的基于视觉的激光切割头防撞预警系统，通过团投影器在被切割工件表面投影网格光栅，通过差分图像处理判断和发现存在凸起的障碍物，并发出警报，从而实现预警功能。该系统可以有效防止激光切割头的损坏，而且不影响激光切割机正常工作，结构简单并且成本低廉。该系统可以适用于任何机构切割系统或者其他类似的工作场景，是一种通用的防撞系统。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种激光切割头防撞预警系统，由4个结构光探头和一个控制器组成，其中：

所述的结构光探头共有4个，分别布置于激光切割头四周前后左右四个方位，与激光切割头一同移动；每个结构光探头均可以独立向下投射图案，在被切割工件表面形成一个探测区域，并对该区域内的凸起障碍物进行探测；4个结构光探头的探测区域互相衔接，在激光切割点周围形成一个封闭的探测区域；

所述的控制器位于激光切割系统主控制器旁，通过电缆分别与4个结构光探头相连，为结构光探头供电，并获取每个结构光探头的数据，通过处理判断探测区域内是否存在凸起障碍物，并进行预警。

2.根据权利要求1所述的激光切割头防撞预警系统，其特征还在于，所述的结构光探头由图案投影器、镜头、相机、滤光片、外壳、插座组成，其中：

所述的图案投影器光轴为竖直方向，向下进行投影特殊的图案，进而在被切割工件表面形成的一定大小和形状的探测区域；

所述的镜头为工业镜头，直接安装于相机之上，与图案投影器存在一定距离，并且形成一定角度，以保证能够获取整个探测区域的图像；

所述的外壳为轻质硬性材料制成的密闭壳体，保证良好的防水、防尘、防撞性能；

所述的滤光片置于外壳的下部，形成透光的测量窗，其中心频率与图案投影器光源的中心波长一致；

所述的插座置于外壳的顶部，用于连接电缆，并通过电缆与控制器相连。

3.根据权利要求1所述的激光切割头防撞预警系统，其特征还在于，所述的图案投影器由激光器、聚焦镜、图案板、放大镜组成，其中：

所述的激光器为蓝紫光激光器，可以产生蓝紫色激光，可以有效避免激光切割过程产生的电弧光对防撞系统的影响；

所述的聚焦镜为双凸聚焦镜，保证最大限度地汇聚激光器的所有光线，并保证产生最高亮度的投影图案；

所述的图案板由平面光学玻璃制作，以保证图案的清晰度；

所述的放大镜为超广角镜头，以便获得更大的投影探测范围，覆盖整个探测区域范围，没有死角。

4.根据权利要求1所述的激光切割头防撞预警系统，其特征还在于，所述的图案板的图案为规则的直线型条纹或者网格，条纹可为等间隔的均匀条纹或者网格，也可为不等间隔的条纹或者网格；图案线条的最小间隔应该保证在探测区域内的光栅间距不超过最小凸起障碍物尺寸的1/2为宜。

5.一种采用上述激光切割头防撞预警系统的处理方法，其特征在于，应用权利要求1-4中任一项所述的激光切割头防撞预警系统，所述方法包括：

（1）在切割开始之前，先将激光切割头置于被切割工件的一个完整的无切割平面处，打开控制器的电源，每个结构光探头中的图案投影器向该表面投影一幅光栅图案，每个结构光探头中的相机分别拍摄探测区域的图像，此时图像中的光栅条纹应是连续的、完整的，此图像定义为背景帧，该背景帧图像直接送入控制器中；

（2）在激光切割头开始对被切割工件进行切割的过程中，每个结构光探头中的相机实时获取探测区域的图像，此图像定位为当前帧，该当前帧图像同样送入控制器中；

（3）处理器将当前帧的图像与背景帧的图像进行差分操作，获得差分图像；

（4）根据差分图像中线条信息的变化进行判断：如果出现线条部分缺失的现象，则属于被切割部分产生的空洞，为正常状态；如果出现部分线条明显倾斜或者弯曲的现象，则属于凸起的障碍物，为危险状态；

（5）如果发现凸起的障碍物，则控制器向激光切割系统发出警报信号，实现防撞预警。