CN111086113A - 一种运用智能视觉仿形石材切割机器人的切割方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运用智能视觉仿形石材切割机器人的切割方法，其通过引入机器视觉、机器人技术及图像图形可视化操作技术，对传统仿形机器进行结构改造升级并增加一套智能设备对接到原来的机器上，相当于增加了“眼睛”和“大脑”，转变成为视觉仿形石材切割机器人。本发明的图像图形可视化，其操作简单，可实现一人同时管理操作多台机器，减少了对工人特别是熟练工人的依赖，支持多段双面复杂异形加工，提高了加工精度，有效降低了后面抛光环节的工作量。
Description
技术领域
本发明涉及机械切割领域，具体为一种运用智能视觉仿形石材切割机器人的切割方法。
背景技术
目前石材异形加工主要有手拉据、单臂式模板仿形机，单臂式数控仿形机，多轴联动数控桥式切割机，数控绳锯五种加工设备，但是各自存在如下缺点：
手拉据：需要人工沿着画好的曲线，手动一刀一刀的拉动锯片进行切割，一人只能操作一台，危险而且费时费力，而且精度差降低了后面抛光环节的效率；
单臂式模板仿形机：无法加工复杂的曲线特别是有拐角曲线，而且一次只能使用一个模板加工即加工一个曲线，并且切割起始位置需要人工对刀；
单臂式数控仿形机：需要懂CAD和G代码编程的高素质工人，并且切割起始位置需要人工对刀，并且一次只能加工一个面；
多轴联动数控桥式切割机：需要懂CAD和G代码编程的高素质工人，并且切割起始位置需要人工对刀，并且整机成本高；
数控绳锯：效率低，需要懂CAD和G代码编程的高素质工人，并且切割起始位置需要人工对刀，并且整机以及使用的耗材金刚石绳锯
成本高。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前手拉据、单臂式模板仿形机、单臂式数控仿形机、多轴联动数控桥式切割机以及数控绳锯五种加工设备在加工精度、工作效率、加工成本以及工人素质等方面的缺点，而提出一种运用智能视觉仿形石材切割机器人的切割方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明在传统仿形机的基础上，将其工作台改造为可旋转工作台，并增加智能设备，主要包括带智能软件的工控机、工业相机、定位靠尺、无影灯光源、工作台、激光标线仪、工作台车导轨、油缸活塞、圆盘锯刀头、X轴方向丝杠和Z轴方向丝杠等，其具体切割流程为：
步骤1：当工作台处于90度时，工人把画好一段或者多段加工曲线（加工曲线颜色与石块表面颜色有明显区别）的待仿形的石块放到工作台上，并且紧贴定位靠尺，并通过对照激光标线仪确保石块的垂直度，如果是小块石料，则还需要通过油缸活塞顶紧石块，确保仿形切割时石块的稳定性。
步骤2：点击带智能软件的工控机界面的“拍照”按钮，全程通过智能软件自动控制，工作台自动沿着工作台车导轨回到原点，然后自动打开无影灯光源，然后工作台前方的工业相机自动拍照。
步骤3：在带智能软件的工控机界面显示的图像上框选石块的上边缘和左右边缘，点击带智能软件的工控机界面上的“确定长度”按钮自动根据石块左右边缘获得石块0度仿形切割的长度，根据定位靠尺位置预置的切割终点坐标自动计算切割起点坐标，然后点击带智能软件的工控机界面的“确定顶点”按钮自动根据石块上边缘计算90度方向的石块最高点坐标。
步骤4：在带智能软件的工控机界面显示的图像上分别框选整个石块的各段曲线，由于所画的曲线与石块有明显的色差，因此可通过带智能软件的工控机界面的“轮廓提取”按钮使用内置的机器视觉识别算法自动获取曲线的轮廓，如果自动识别轮廓失败也可以手动在图像上直接选点连线构成曲线的轮廓。
步骤5：点击带智能软件的工控机界面的“计算刀路”按钮，自动基于曲线轮廓下边缘和预置的分片距离以及切割余量等参数计算出90度方向所有刀路坐标，并可视化地叠加在图像上，带智能软件的工控机界面有“增加刀路”按钮和“删除刀路”按钮可以灵活的根据需要非常直观地在图像上增删刀路。
步骤6：使用带智能软件的工控机下方面板的台车旋转按钮将台车转到0度。
步骤7：点击带智能软件的工控机界面的“拍照”按钮，通过智能软件控制，工作台自动沿着工作台车导轨回到原点，然后自动打开无影灯光源，然后工作台前方的工业相机自动拍照。
步骤8：在带智能软件的工控机界面显示的图像上框选石块的上边缘和左右边缘，点击带智能软件的工控机界面的“确定长度”按钮自动根据石块的左右边缘获得石块90度仿形切割的长度，根据定位靠尺预置的切割终点坐标自动计算切割起点坐标，然后点击带智能软件的工控机界面的“确定顶点”自动根据石块的上边缘计算0度方向的石块最高点坐标。
步骤9：在带智能软件的工控机界面显示的图像上分别框选整个石块的各段曲线，由于所画的曲线与石块有明显的色差，因此可通过带智能软件的工控机界面的“轮廓提取”按钮，使用内置的机器视觉识别算法自动获取曲线的轮,如果自动识别轮廓失败也可以手动在图像上直接选点连线构成曲线的轮廓。
步骤10：点击带智能软件的工控机界面的”计算刀路”按钮，自动基于轮廓下边缘和预置的分片距离以及切割余量等参数计算出0度方向所有刀路坐标，并可视化地叠加在图像上，带智能软件的工控机界面有“增加刀路”按钮和“删除刀路”按钮可以灵活的根据需要非常直观地在图像上增删刀路。
步骤11：使用带智能软件的工控机界面的“启动切割”按钮启动仿形切割，使圆盘锯刀头通过X轴方向丝杠和Z轴方向丝杠并根据步骤8确定的石块顶点坐标和步骤10确定的刀路坐标及预设的单次降刀量进行定位，然后工作台沿着工作台车导轨在步骤3确定的起点和预置的终点往复运动，一个方向所有刀路切割完毕，自动转到另外一个方向并根据步骤3确定的石块顶点坐标和步骤5的刀路坐标及预设的单次降刀量和步骤8确定的起点和终点进行切割。
优选的，所述本发明选用的传统仿形机的类型为单臂式，但也可以是桥式的。
优选的，所述本发明的切割流程是工作台先90度再0度，其顺序也可以是工作台先0度再90度。
优选的，所述本发明的切割操作流程以双面仿形为例，单面仿形也需要两面拍照，只是其中一面拍照只需获取石块长度后结合预置的终点得到每一个切割刀路的切割起点，另外一面拍照只获取石块顶点和基于曲线轮廓得到刀路数据。
优选的，所述本发明共支持：A、等距刀路和自适应插值刀路；B、多种分层切割模式；C、断电/断点续切。
优选的，所述步骤2中的照向石块表面的无影灯光源，用于确保石块表面的亮度均匀度，降低周围光线的影响，确保工业相机获取到稳定清晰的图片，有利于提高自动识别的准确度。
优选的，所述步骤4和步骤9中，通过在带智能软件的工控机界面显示的图像上分别框选整个石块的各段曲线，能够缩小自动识别的范围，有效提高了自动识别精度以及自动识别效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.拍照自动测量确定石块的长度（即确定切割起点和终点）和顶点，根据曲线轮廓自动生成刀路数据，切割起始位置自动对刀，操作简单，自动化程度高。
2.对工人没有任何经验要求，不需CAD和G代码编程基础。
3.操作简单，全自动切割实现一人轻松同时管理操作多台。
4.支持复杂曲线仿形和多段曲线连续仿形。
5.同时支持两面连续仿形。
6.各个轴都是数字控制，切割精度高。
附图说明
图1为本发明中工作台在90度时的俯视组成结构示意图。
图2为本发明中工作台在0度时的俯视组成结构示意图。
图中：1-带智能软件的工控机，2-工业相机，3-定位靠尺，4-无影灯光源，5-工作台，6-激光标线仪，7-工作台车导轨，8-固定活塞，9-圆盘锯刀头，10-X轴方向丝杠，11-Z轴方向丝杠，12-石块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：本发明在传统仿形机的基础上，将其工作台改造为可旋转工作台，并增加智能设备，主要包括带智能软件的工控机1、工业相机2、定位靠尺3、无影灯光源4、工作台5、激光标线仪6、工作台车导轨7、油缸活塞8、圆盘锯刀头9、X轴方向丝杠10和Z轴方向丝杠11等，其具体切割流程为：
步骤1：当工作台5处于90度时，工人把画好一段或者多段加工曲线（加工曲线颜色与石块表面颜色有明显区别）的待仿形的石块12放到工作台5上，并且紧贴定位靠尺3，并通过对照激光标线仪6确保石块12的垂直度，如果是小块石料，则还需要通过油缸活塞8顶紧石块12，确保仿形切割时石块12的稳定性；
步骤2：点击带智能软件的工控机1界面的“拍照”按钮，全程通过智能软件自动控制，工作台5自动沿着工作台车导轨7回到原点，然后自动打开无影灯光源4，然后工作台5前方的工业相机2自动拍照；
步骤3：在带智能软件的工控机1界面显示的图像上框选石块12的上边缘和左右边缘，点击带智能软件的工控机1界面上的“确定长度”按钮自动根据石块左右边缘获得石块0度仿形切割的长度，根据定位靠尺3位置预置的切割终点坐标自动计算切割起点坐标，然后点击带智能软件的工控机1界面的“确定顶点”按钮自动根据石块上边缘计算90度方向的石块最高点坐标；
步骤4：在带智能软件的工控机1界面显示的图像上分别框选整个石块12的各段曲线，由于所画的曲线与石块12有明显的色差，因此可通过带智能软件的工控机1界面的“轮廓提取”按钮使用内置的机器视觉识别算法自动获取曲线的轮廓，如果自动识别轮廓失败也可以手动在图像上直接选点连线构成曲线的轮廓；
步骤5：点击带智能软件的工控机1界面的“计算刀路”按钮，自动基于曲线轮廓下边缘和预置的分片距离以及切割余量等参数计算出90度方向所有刀路坐标，并可视化地叠加在图像上，带智能软件的工控机1界面有“增加刀路”按钮和“删除刀路”按钮可以灵活的根据需要非常直观地在图像上增删刀路；
步骤6：使用带智能软件的工控机1下方面板的台车旋转按钮将工作台5转到0度；
步骤7：点击带智能软件的工控机1界面的“拍照”按钮，通过智能软件控制，工作台5自动沿着工作台车导轨7回到原点，然后自动打开无影灯光源4，然后工作台5前方的工业相机2自动拍照；
步骤8：在带智能软件的工控机1界面显示的图像上框选石块12的上边缘和左右边缘，点击带智能软件的工控机1界面的“确定长度”按钮自动根据石块12的左右边缘获得石块90度仿形切割的长度，根据定位靠尺3预置的切割终点坐标自动计算切割起点坐标，然后点击带智能软件的工控机1界面的“确定顶点”自动根据石块12的上边缘计算0度方向的石块最高点坐标；
步骤9：在带智能软件的工控机1界面显示的图像上分别框选整个石块12的各段曲线，由于所画的曲线与石块12有明显的色差，因此可通过带智能软件的工控机1界面的“轮廓提取”按钮，使用内置的机器视觉识别算法自动获取曲线的轮,如果自动识别轮廓失败也可以手动在图像上直接选点连线构成曲线的轮廓；
步骤10：点击带智能软件的工控机1界面的”计算刀路”按钮，自动基于轮廓下边缘和预置的分片距离以及切割余量等参数计算出0度方向所有刀路坐标，并可视化地叠加在图像上，带智能软件的工控机1界面有“增加刀路”按钮和“删除刀路”按钮可以灵活的根据需要非常直观地在图像上增删刀路；
步骤11：使用带智能软件的工控机1界面的“启动切割”按钮启动仿形切割，使圆盘锯刀头9通过X轴方向丝杠10和Z轴方向丝杠11并根据步骤8确定的石块顶点坐标和步骤10确定的刀路坐标及预设的单次降刀量进行定位，然后工作台5沿着工作台车导轨7在步骤3确定的起点和预置的终点往复运动，一个方向所有刀路切割完毕，自动转到另外一个方向并根据步骤3确定的石块顶点坐标和步骤5的刀路坐标及预设的单次降刀量和步骤8确定的起点和终点进行切割。
本发明选用的传统仿形机的类型为单臂式，但也可以是桥式的。
本发明的切割流程是工作台5先90度再0度，其顺序也可以是工作台5先0度再90度。
本发明的切割操作流程以双面仿形为例，单面仿形也需要两面拍照，只是其中一面拍照只需获取石块长度后结合预置的终点得到每一个切割刀路的切割起点，另外一面拍照只获取石块顶点和基于曲线轮廓得到刀路数据。
本发明共支持：A、等距刀路和自适应插值刀路；B、多种分层切割模式；C、断电/断点续切。
在步骤2中，其照向石块12表面的无影灯光源4，用于确保石块12表面的亮度均匀度，降低周围光线的影响，确保工业相机2获取到稳定清晰的图片，有利于提高自动识别的准确度。
在步骤4和步骤9中，通过在带智能软件的工控机1界面显示的图像上分别框选整个石块12的各段曲线，能够缩小自动识别的范围，有效提高了自动识别精度以及自动识别效率。
本发明的具体实施例：选用单臂式仿形机，其切割顺序为工作台5先90度再0度，其切割操作流程为双面仿形，其具体切割流程为：
步骤1：当工作台5处于90度时，工人把画好一段或者多段加工曲线（加工曲线颜色与石块表面颜色有明显区别）的待仿形的石块12放到工作台5上，并且紧贴定位靠尺3，并通过对照激光标线仪6确保石块12的垂直度，如果是小块石料，则还需要通过油缸活塞8顶紧石块12，确保仿形切割时石块12的稳定性；
步骤2：点击带智能软件的工控机1界面的“拍照”按钮，全程通过智能软件自动控制，工作台5自动沿着工作台车导轨7回到原点，然后自动打开无影灯光源4，然后工作台5前方的工业相机2自动拍照；
步骤3：在带智能软件的工控机1界面显示的图像上框选石块12的上边缘和左右边缘，点击带智能软件的工控机1界面上的“确定长度”按钮自动根据石块左右边缘获得石块0度仿形切割的长度，根据定位靠尺3位置预置的切割终点坐标自动计算切割起点坐标，然后点击带智能软件的工控机1界面的“确定顶点”按钮自动根据石块上边缘计算90度方向的石块最高点坐标；
步骤4：在带智能软件的工控机1界面显示的图像上分别框选整个石块12的各段曲线，由于所画的曲线与石块12有明显的色差，因此可通过带智能软件的工控机1界面的“轮廓提取”按钮使用内置的机器视觉识别算法自动获取曲线的轮廓，如果自动识别轮廓失败也可以手动在图像上直接选点连线构成曲线的轮廓；
步骤5：点击带智能软件的工控机1界面的“计算刀路”按钮，自动基于曲线轮廓下边缘和预置的分片距离以及切割余量等参数计算出90度方向所有刀路坐标，并可视化地叠加在图像上，带智能软件的工控机1界面有“增加刀路”按钮和“删除刀路”按钮可以灵活的根据需要非常直观地在图像上增删刀路；
步骤6：使用带智能软件的工控机1下方面板的台车旋转按钮将工作台5转到0度；
步骤7：点击带智能软件的工控机1界面的“拍照”按钮，通过智能软件控制，工作台5自动沿着工作台车导轨7回到原点，然后自动打开无影灯光源4，然后工作台5前方的工业相机2自动拍照；
步骤8：在带智能软件的工控机1界面显示的图像上框选石块12的上边缘和左右边缘，点击带智能软件的工控机1界面的“确定长度”按钮自动根据石块12的左右边缘获得石块90度仿形切割的长度，根据定位靠尺3预置的切割终点坐标自动计算切割起点坐标，然后点击带智能软件的工控机1界面的“确定顶点”自动根据石块12的上边缘计算0度方向的石块最高点坐标；
步骤9：在带智能软件的工控机1界面显示的图像上分别框选整个石块12的各段曲线，由于所画的曲线与石块12有明显的色差，因此可通过带智能软件的工控机1界面的“轮廓提取”按钮，使用内置的机器视觉识别算法自动获取曲线的轮,如果自动识别轮廓失败也可以手动在图像上直接选点连线构成曲线的轮廓；
步骤10：点击带智能软件的工控机1界面的”计算刀路”按钮，自动基于轮廓下边缘和预置的分片距离以及切割余量等参数计算出0度方向所有刀路坐标，并可视化地叠加在图像上，带智能软件的工控机1界面有“增加刀路”按钮和“删除刀路”按钮可以灵活的根据需要非常直观地在图像上增删刀路；
步骤11：使用带智能软件的工控机1界面的“启动切割”按钮启动仿形切割，使圆盘锯刀头9通过X轴方向丝杠10和Z轴方向丝杠11并根据步骤8确定的石块顶点坐标和步骤10确定的刀路坐标及预设的单次降刀量进行定位，然后工作台5沿着工作台车导轨7在步骤3确定的起点和预置的终点往复运动，一个方向所有刀路切割完毕，自动转到另外一个方向并根据步骤3确定的石块顶点坐标和步骤5的刀路坐标及预设的单次降刀量和步骤8确定的起点和终点进行切割。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (7)
1.一种运用智能视觉仿形石材切割机器人的切割方法，其特征在于：本发明在传统仿形机的基础上，将其工作台改造为可旋转工作台，并增加智能设备，主要包括带智能软件的工控机（1）、工业相机（2）、定位靠尺（3）、无影灯光源（4）、工作台（5）、激光标线仪（6）、工作台车导轨（7）、油缸活塞（8）、圆盘锯刀头（9）、X轴方向丝杠（10）和Z轴方向丝杠（11）等，其具体切割流程为：
步骤1：当工作台（5）处于90度时，工人把画好一段或者多段加工曲线（加工曲线颜色与石块表面颜色有明显区别）的待仿形的石块（12）放到工作台（5）上，并且紧贴定位靠尺（3），并通过对照激光标线仪（6）确保石块（12）的垂直度，如果是小块石料，则还需要通过油缸活塞（8）顶紧石块（12），确保仿形切割时石块（12）的稳定性；
步骤2：点击带智能软件的工控机（1）界面的“拍照”按钮，全程通过智能软件自动控制，工作台（5）自动沿着工作台车导轨（7）回到原点，然后自动打开无影灯光源（4），然后工作台（5）前方的工业相机（2）自动拍照；
步骤3：在带智能软件的工控机（1）界面显示的图像上框选石块（12）的上边缘和左右边缘，点击带智能软件的工控机（1）界面上的“确定长度”按钮自动根据石块左右边缘获得石块0度仿形切割的长度，根据定位靠尺（3）位置预置的切割终点坐标自动计算切割起点坐标，然后点击带智能软件的工控机（1）界面的“确定顶点”按钮自动根据石块上边缘计算90度方向的石块最高点坐标；
步骤4：在带智能软件的工控机（1）界面显示的图像上分别框选整个石块（12）的各段曲线，由于所画的曲线与石块（12）有明显的色差，因此可通过带智能软件的工控机（1）界面的“轮廓提取”按钮使用内置的机器视觉识别算法自动获取曲线的轮廓，如果自动识别轮廓失败也可以手动在图像上直接选点连线构成曲线的轮廓；
步骤5：点击带智能软件的工控机（1）界面的“计算刀路”按钮，自动基于曲线轮廓下边缘和预置的分片距离以及切割余量等参数计算出90度方向所有刀路坐标，并可视化地叠加在图像上，带智能软件的工控机（1）界面有“增加刀路”按钮和“删除刀路”按钮可以灵活的根据需要非常直观地在图像上增删刀路；
步骤6：使用带智能软件的工控机（1）下方面板的台车旋转按钮将工作台（5）转到0度；
步骤7：点击带智能软件的工控机（1）界面的“拍照”按钮，通过智能软件控制，工作台（5）自动沿着工作台车导轨（7）回到原点，然后自动打开无影灯光源（4），然后工作台（5）前方的工业相机（2）自动拍照；
步骤8：在带智能软件的工控机（1）界面显示的图像上框选石块（12）的上边缘和左右边缘，点击带智能软件的工控机（1）界面的“确定长度”按钮自动根据石块（12）的左右边缘获得石块90度仿形切割的长度，根据定位靠尺（3）预置的切割终点坐标自动计算切割起点坐标，然后点击带智能软件的工控机（1）界面的“确定顶点”自动根据石块（12）的上边缘计算0度方向的石块最高点坐标；
步骤9：在带智能软件的工控机（1）界面显示的图像上分别框选整个石块（12）的各段曲线，由于所画的曲线与石块（12）有明显的色差，因此可通过带智能软件的工控机（1）界面的“轮廓提取”按钮，使用内置的机器视觉识别算法自动获取曲线的轮,如果自动识别轮廓失败也可以手动在图像上直接选点连线构成曲线的轮廓；
步骤10：点击带智能软件的工控机（1）界面的”计算刀路”按钮，自动基于轮廓下边缘和预置的分片距离以及切割余量等参数计算出0度方向所有刀路坐标，并可视化地叠加在图像上，带智能软件的工控机（1）界面有“增加刀路”按钮和“删除刀路”按钮可以灵活的根据需要非常直观地在图像上增删刀路；
步骤11：使用带智能软件的工控机（1）界面的“启动切割”按钮启动仿形切割，使圆盘锯刀头（9）通过X轴方向丝杠（10）和Z轴方向丝杠（11）并根据步骤8确定的石块顶点坐标和步骤10确定的刀路坐标及预设的单次降刀量进行定位，然后工作台（5）沿着工作台车导轨（7）在步骤3确定的起点和预置的终点往复运动，一个方向所有刀路切割完毕，自动转到另外一个方向并根据步骤3确定的石块顶点坐标和步骤5的刀路坐标及预设的单次降刀量和步骤8确定的起点和终点进行切割。
2.根据权利要求1所述的一种运用智能视觉仿形石材切割机器人的切割方法，其特征在于：所述本发明选用的传统仿形机的类型为单臂式，但也可以是桥式的。
3.根据权利要求1所述的一种运用智能视觉仿形石材切割机器人的切割方法，其特征在于：所述本发明的切割流程是工作台（5）先90度再0度，其顺序也可以是工作台（5）先0度再90度。
4.根据权利要求1所述的一种运用智能视觉仿形石材切割机器人的切割方法，其特征在于：所述本发明的切割操作流程以双面仿形为例，单面仿形也需要两面拍照，只是其中一面拍照只需获取石块长度后结合预置的终点得到每一个切割刀路的切割起点，另外一面拍照只获取石块顶点和基于曲线轮廓得到刀路数据。
5.根据权利要求1所述的一种运用智能视觉仿形石材切割机器人的切割方法，其特征在于：所述本发明共支持：A、等距刀路和自适应插值刀路；B、多种分层切割模式；C、断电/断点续切。
6.根据权利要求1所述的一种运用智能视觉仿形石材切割机器人的切割方法，其特征在于：所述步骤2中的照向石块（12）表面的无影灯光源（4），用于确保石块（12）表面的亮度均匀度，降低周围光线的影响，确保工业相机（2）获取到稳定清晰的图片，有利于提高自动识别的准确度。
7.根据权利要求1所述的一种运用智能视觉仿形石材切割机器人的切割方法，其特征在于：所述步骤4和步骤9中，通过在带智能软件的工控机（1）界面显示的图像上分别框选整个石块（12）的各段曲线，能够缩小自动识别的范围，有效提高了自动识别精度以及自动识别效率。
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