CN111192307A - 基于激光切割三维零部件的自适应纠偏方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于机器视觉激光切割三维零部件的自适应纠偏方法，主要包括：三维建模方法，自适应纠偏方法，装备的集成，在根据双目深度摄像机三维建模中所得到的轨迹和姿态，在切割时利用双目摄像机实时获取切割头相对轨迹的位置，并对检测出的实际轨迹进行预测，判断其是否将偏离轨迹，并对出现偏差时进行相应的纠偏，减少操控误差；其次针对拐角处过烧、碰撞缺陷，实现在线纠正切割工艺参数极大的降低了过烧现象。

Description

基于激光切割三维零部件的自适应纠偏方法

技术领域

本发明属于激光应用技术与机器视觉领域，具体涉及基于激光切割三维零部件的自适应纠偏方法。

背景技术

激光切割加工技术发展迅速，应用范围日趋广阔，激光被誉为“万能加工工具”、“未来制造系统的共同加工手段”。三维激光切割具有非常强的精度，且质量水平相对加高，在切口宽度上可以控制的非常好，切口呈现出光洁的特点；其次，三维激光切割速度相对较快，而且加工效率非常高；再次，激光加工属于非接触式加工之一，一般不会运用到机械加工力，不容易出现变形问题，而且噪音问题、油污问题以及加工屑问题都是不会存在的，能够减少污染，属于绿色加工范畴；最后，三维激光切割材料适应性非常高，通常情况下，所有金属以及非金属材料都能够进行随意切割。

然而目前激光切割的工业生产自动化程度不是很高，在三维板件的切割过程中，目前普遍存在的问题，无法精确的操控，而且曲线切割时过程复杂，质量差，耗时及成本高，这样会造成严重的操作误差，并且常规激光切割，尽管部分设备可以切割，也可以焊接打孔，然而往往会侧重某一种加工方式，大大弱化了其所有的其他功能。此外，因加工方式对切割设备要求存在差异性，所以配套设施通常也会大大不同，针对工厂加工来说，大部分都是专机专用。针对切割轨迹输入，较为成熟的方法是示教法，缺点在于费时费力，效率低。一般情况下，三维零件加工前需要进行特定形状定位或者是不规则形状定位，但是实际工组中受重力因素影响，设计出来的形状往往与设计图纸存在差异。并且针对内拐角时，会出现热应力过大导致变形，致使工件报废。针对上述的现状，本发明提出基于机器视觉激光切割三维零部件的自适应纠偏方法，以满足实际的工业生产要求。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供基于激光切割三维零部件的自适应纠偏方法，包括如下步骤:

(1)利用深度摄像机，拍摄待测工件获得深度信息；

(2)将由(1)所得深度信息输入主机，形成三维数据，融合工件形成三维模型，生成激光头的切割轨迹和姿态；

(3)利用双目摄像头实时获取目标的图像，计算得出世界坐标；

(4)利用步骤(2)所得轨迹和姿态，通过姿态是否在某处密集或交点较多，自动识别拐角处，并实现在线纠正工艺参数；

(5)利用步骤(2)所得轨迹和姿态与步骤(4)纠正的工艺参数，并根据步骤(3)对激光头实时跟踪，对偏差自动纠偏。

进一步的，步骤(1)中采集深度信息时，激光发射光标线与双目深度摄像机在同侧，光标线有序从工件一端扫描至另一端，分别前后左右上五个方向进行图像采集，其中图像采集速度与扫描速度相匹配以获取优质复杂三维结构的图像信息和深度信息，利用所获取的RGB和Point Cloud数据，深度摄像机输出的Point Cloud，计算出工件的深入信息。

进一步的，步骤(4)中针对拐角处，采用脉冲激光，并且对临近的每三个点做曲率估计，在曲率相差误差在(0.1)，即认为该点集为同曲率点集，于是自动降低中间的切割工艺点。

进一步的，步骤(5)中在切割的同时，根据步骤(3)提取切割时周围图像，计算出当前切割路径，并与通过点云数据建立模型所产生的的轨迹对比，当点很靠近时，可以等效为直线，进行直线拟合，分析直线与直线重合度，可知是否有偏差。

有益效果：在根据双目深度摄像机三维建模中所得到的轨迹和姿态，在切割时利用双目摄像机实时获取切割头相对轨迹的位置，并对检测出的实际轨迹进行预测，判断其是否将偏离轨迹，并对出现偏差时进行相应的纠偏，减少操控误差；其次针对拐角处过烧、碰撞缺陷，实现在线纠正切割工艺参数极大的降低了过烧现象。

附图说明

图1为本发明自动纠偏算法流程技术方案路线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本发明的主要目的在于提供一种基于机器视觉激光切割三维零部件的自适应纠偏方法，用于解决在切割时切割轨迹输入较慢，操控精度不高，集成度不够高，主要包括：三维建模方法，自适应纠偏方法，装备的集成。

其中三维建模方法包括：

(1)利用深度摄像机，拍摄待测工件获得深度信息；

(2)将由(1)所得深度信息输入主机，形成三维数据，融合工件形成三维模型，生成激光头的切割轨迹和姿态。

具体为根据双目视觉原理，采用双深度摄像机以及光标线辅助信息获取，首先，采集深度信息时，激光发射光标线与双目深度摄像机在同侧，光标线有序从工件一端扫描至另一端，分别前后左右上五个方向进行图像采集，其中图像采集速度与扫描速度相匹配以获取优质复杂三维结构的图像信息和深度信息，利用所获取的RGB和Point Cloud数据，深度摄像机输出的Point Cloud，计算出工件的深入信息及各点距摄像头的距离，利用高效的拟合方法，提高建模精度；其次，立体视觉处理装置根据所得信息推断出三维立体形状，进而生产工件的三维立体建模，并获取表面的法向量集；由于三维激光切割需要切割轨迹以及轨迹上点的法向量，保证激光头与切割面的夹角在5°范围内，才能够得到较好的切割质量，因此需将其发送给计算机与控制平台中所述三维立体模型融合装置，自动获取三维切割轨迹和法向向量，在这自动获取的过程中，前提需要理想路径，而理想路径是往曲面上投影，得到的交点。

自适应纠偏方法包括：

(1)利用双目摄像头实时获取目标的图像，计算得出世界坐标；

(2)利用三维建模方法所得轨迹和姿态，通过姿态是否在某处密集或交点较多，自动识别拐角处，并实现在线纠正工艺参数；

(3)利用三维建模方法所得轨迹和姿态与纠正工艺参数，对激光头实时跟踪，对偏差自动纠偏。

具体为所述方法通过双目视觉实现，该组成：双目视觉系统，双目测量系统由第一相机和第二相机相对位置保持不变及用于固定在激光头上的支架组成。相机的图像采集率必须一致且较高，以便及时的同步的捕捉空间目标1的位置变化情况。第一相机和第二相机采用特定的方法进行标定，确定内外参数，在t时刻采集目标1的图像，并将两幅图像及时上传上位机。进行图像处理和特征匹配后获得目标1在第一相机和第二相机的坐标(x1,y1)、(x2,y2)，基于双目测量的原理计算目标1在测量系统中的坐标(x1,y1,z1)，通过适当的变换将其转换为世界坐标系中的坐标(x2,y2,z2)，进而获取已切割轨迹的预测，纠偏依据根据理想切割轨迹和预测切割轨迹在某一平面上投影的夹角小于5°(根据切割速度及采集速度夹角应采取不同的调整)即为正常切割；另外，针对激光切割时在拐角时，如果在激光加工中不采取任何措施，直接让激光束沿着小角的轮廓进行切割加工，并且没有调整激光加工参数，按照正常切割的加工参数进行激光切割的话，会使尖角处在长时间受热状态下发生变形，甚至过烧降低工件的加工精度和加工质量。根据所提取的切割路径及激光头的姿态，通过姿态是否在某处密集或交点较多，及判断此处为拐角，针对拐角处，采用脉冲激光，并且对临近的每三个点做曲率估计，在曲率相差误差在(0.1)，即认为该点集为同曲率点集，于是自动降低中间的切割工艺点，通过上述的操作，可以极大较少加工缺陷。

Claims (4)

1.基于激光切割三维零部件的自适应纠偏方法，包括如下步骤：

(1)利用深度摄像机，拍摄待测工件获得深度信息；

(2)将由(1)所得深度信息输入主机，形成三维数据，融合工件形成三维模型，生成激光头的切割轨迹和姿态；

(3)利用双目摄像头实时获取目标的图像，计算得出世界坐标；

(4)利用步骤(2)所得轨迹和姿态，通过姿态是否在某处密集或交点较多，自动识别拐角处，并实现在线纠正工艺参数；

(5)利用步骤(2)所得轨迹和姿态与步骤(4)纠正的工艺参数，并根据步骤(3)对激光头实时跟踪，实现偏差自动纠偏。

2.根据权利要求1所述的基于激光切割三维零部件的自适应纠偏方法，其特征在于，步骤(1)中采集深度信息时，激光发射光标线与双目深度摄像机在同侧，光标线有序从工件一端扫描至另一端，分别前后左右上五个方向进行图像采集，其中图像采集速度与扫描速度相匹配以获取优质复杂三维结构的图像信息和深度信息，利用所获取的RGB和Point Cloud数据，深度摄像机输出的Point Cloud，计算出工件的深度信息。

3.根据权利要求1所述的基于激光切割三维零部件的自适应纠偏方法，其特征在于，步骤(4)中针对拐角处，采用脉冲激光，并且对临近的每三个点做曲率估计，在曲率相差误差在(0.1)，即认为该点集为同曲率点集，于是自动减少中间的切割工艺点。

4.根据权利要求1所述的基于激光切割三维零部件的自适应纠偏方法，其特征在于，步骤(5)中在切割的同时，根据步骤(3)提取切割时周围图像，计算出当前切割路径，并与通过点云数据建立模型所产生的的轨迹对比，当点很靠近时，可以等效为直线，进行直线拟合，分析直线与直线重合度，可知是否有偏差。

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