CN111922510A - 一种激光可视化加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光可视化加工方法及系统，所述加工方法包括：分别建立产品坐标系、图像坐标系和图档坐标系；在工控机的制图软件界面上画出待加工图形；通过相机获取产品在产品坐标系下的图像；根据坐标系之间的映射关系，将产品坐标系转换到图档坐标系上，获取产品在图档坐标系下的图像；根据图档坐标系上的待加工图形对产品进行加工，同时通过相机对加工平面进行拍照，实时获取加工过程中产品的图像，并将该图像实时更新到图档坐标系上；根据产品的位置实时调整图档上的图形，直至完成产品的激光加工工序。本发明解决了工艺人员在设计振镜加工图形时不能从图档上直接观测产品，需要频繁的在工控机和加工台面之间来回确认的难题。

Description

一种激光可视化加工方法及系统

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体是一种激光可视化加工方法及系统。

背景技术

目前大多数激光加工系统和机器视觉结合已经成为激光行业常态。视觉系统可以引导激光自动定位，包括自动检测以满足客户各种各样的生产需求。

常见的机器视觉激光加工系统分为两种，一种是振镜和视觉系统采用同轴安装的方式，另外一种振镜和视觉系统采用旁轴的安装方式，可以实现边打标边观察的方式检测打标的效果并调整激光加工的参数，如公开号为CN203380508U的专利公开了一种带有机器视觉的激光加工系统，包括振镜头、场镜、成像装置及位于成像装置入光侧的成像镜头；振镜头包括X轴振镜和Y轴振镜；场镜位于Y轴振镜的出光侧，成像装置和成像镜头位于所述Y轴振镜的另一侧，且与场镜同轴设置。本实用新型的成像装置、成像镜头及场镜同轴，成像装置透过Y轴振镜直接在加工位置上采集物体的图像，得到精确的加工坐标，在定位与加工时无需反复移动物件，该系统不需架设滑台，节省了成本及物体转换位置的时间，提高了加工效率；避免了滑台移动带来的定位误差，提高了加工精度；避免了成像与激光加工同光路方式带来的振镜电气误差累积造成的精度累积，进一步提高了加工精度。

但是这种边打标边观察的方式是有先后的，需要经过设计图档-拍照-加工-检测的顺序，这两种方式都需要将物理坐标系从相机的坐标系映射到振镜加工图档的坐标系中，这种方式通过相机坐标系建立了产品到加工图档坐标系之间的关系，视觉领域称相机标定，相机标定是一种抽象的数学模型，但是振镜加工图档中没有显示产品在图档坐标系的位置，而工艺人员初期在设计加工图形的时候直接交互的是振镜加工的图档，而加工图档和机器视觉软件是独立的，虽然通过相机客观的反映出了产品和图档之间的位置关系，但是工艺人员在设计加工图形时无法通过图档直接调整加工图形，大大影响了在项目验证前期工艺人员的调试效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光可视化加工方法及系统，解决了工艺人员在设计振镜加工图形时不能从图档上直接观测产品，需要频繁的在工控机和加工台面之间来回的难题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种激光可视化加工方法，包括以下步骤：

分别建立产品坐标系、图像坐标系和图档坐标系；所述产品坐标系位于加工平面上；所述图像坐标系位于相机的像面上；所述图档坐标系位于工控机的制图软件界面上；

在工控机的制图软件界面上画出待加工图形；

通过相机获取待加工产品在产品坐标系下的图像；

根据产品坐标系、图像坐标系、图档坐标系之间的映射关系，将产品坐标系转换到图档坐标系上，获取待加工产品在图档坐标系下的图像；

根据图档坐标系上的待加工图形对加工平面上的产品进行加工，每次加工的同时通过相机对加工平面进行拍照，实时获取加工过程中产品的图像，并将该图像实时更新到图档坐标系上；

根据产品的位置实时调整图档上的图形，直至完成产品的激光加工工序。

具体地，所述图像坐标系由像素坐标系转换得到；所述像素坐标系的原点位于图像的左上角，其横轴、纵轴分别与像面的两边平行，所述像素坐标系中坐标轴的单位是像素；

所述图像坐标系的原点为相机光轴与像面的交点，其横轴、纵轴分别与像素坐标系的横轴、纵轴平行；所述图像坐标系中坐标轴的单位是mm；所述像素坐标系通过如下平移转换公式得到图像坐标系：

采用齐次坐标矩阵形式将上式表示为：

其中，x、y为图像坐标系的横轴、纵轴；u、v为像素坐标系的横轴、纵轴；u₀、v₀表示图像坐标系的原点在像素坐标系中的坐标，dx、dy分别为每个像素在图像平面x和y方向上的物理尺寸；

为了描述成像过程中产品从相机坐标系到图像坐标系的投影关系，由相似三角形原则得出：

所述相机坐标系为三维直角坐标系，原点位于镜头光心处；x轴、y轴分别与像面的两边平行；z轴为镜头光轴，与像面垂直；

将以上关系表示为矩阵形式如下：

其中，内参矩阵K为：

其中，fx、fy分别为x轴和y轴上的归一化焦距；x₀、y₀为图像中心的坐标；z为相机的焦距；

外参矩阵[{R|t}]为：

其中，R表示旋转矩阵；T表示偏移向量；

所述外参矩阵表示相机坐标系沿x轴、y轴、z轴三个方向的偏转:

旋转矩阵R表示相机坐标系沿x轴、y轴、z轴三个方向的旋转：

其中，

表示相机坐标系绕x轴的旋转量

s_θ、c_θ：表示绕y轴的旋转量sinθ、cosθ；s_ω、c_ω表示绕z轴的旋转量sinω、cosω；

根据上述公式变换得到相机坐标系到图像坐标系的投影矩阵P：

P＝K[{R|t}]

从图像坐标系映射到图档坐标系的公式为：

其中，X、Y为图档坐标系下的行坐标和列坐标；u、v为图像坐标系下的行坐标和列坐标。

与上述加工方法相对应的，本发明还提供了一种激光可视化加工系统，包括沿激光加工光路依次设置的激光器、振镜、折射镜和加工平面；所述折射镜的上方设有相机；所述加工平面设在折射镜下方，所述加工平面与折射镜之间设有照明装置，所述照明装置为加工平面提供照明光源；所述振镜设在折射镜一侧；所述激光器发出的激光依次经过振镜、折射镜到达加工平面上，对产品进行加工；所述相机实时获取加工平面上产品的图像，并将获取的图像实时更新到工控机制图软件界面的图档上。

具体地，所述折射镜为三角棱镜，所述三角棱镜的两直角边分别对应振镜和加工平面；经振镜输出的激光束在三角棱镜的斜面反射后到达加工平面，对产品进行加工；照明装置射向加工平面的成像光束经加工平面反射后，在折射镜的斜面透射到相机内，实现对加工平面上产品的成像。

优选地，所述加工系统还包括补光装置，所述补光装置与振镜分别位于折射镜的两侧，所述补光装置发出的平行光束经折射镜反射后平行射入相机内；所述补光装置可以补充相机的进光量，同时让进入相机的光束尽可能平行，使相机的入射光更加均匀，提高成像质量。

具体地，所述照明装置为环形灯，通过设置环形灯作为照明装置，可以排除自然光的干扰，给加工过程提供一个稳定的光照环境。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过将产品坐标系映射到图档坐标系上，使得工艺人员在设计振镜加工图形时能够从图档上直接观测产品，无需频繁的在工控机和加工台面之间来回确认，提高了激光加工前期的验证效率；工艺人员可以根据产品实际的大小和尺寸1：1地在加工图档中设计加工的图形，不必依赖后期视觉软件工程师通过软件算法把图档中的图形经过平移和旋转移至产品的加工面上；工艺人员在调试阶段可以直接通过图档里产品的图像检测激光打样的测试的效果，便于调节激光加工的参数。

附图说明

图1为本发明实施例1中激光可视化加工方法的流程框图；

图2为本发明实施例2中激光可视化加工系统的整体结构示意图；

图3为本发明实施例1中图像坐标系和像素坐标系的转换关系图；

图4为本发明实施例1中产品坐标系到图档坐标系的转换关系图；

图5为本发明实施例1中将产品坐标系投影到图档坐标系的示意图；

图6为本发明实施例1中在图档坐标系中通过激光标刻的网格图；

图7为本发明实施例1中通过相机获取网格的图像；

图8为本发明实施例1中根据投影矩阵将拍摄的网格图像贴在图档坐标系上的图像；

图中：1、激光器；2、振镜；3、折射镜；4、加工平面；5、相机；6、环形灯；7、补光装置。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种激光可视化加工方法，包括以下步骤：

分别建立产品坐标系、图像坐标系和图档坐标系；所述产品坐标系位于加工平面上；所述图像坐标系位于相机的像面上；所述图档坐标系位于工控机的制图软件界面上；

在工控机的制图软件界面上画出待加工图形；

通过相机获取待加工产品在产品坐标系下的图像；

根据产品坐标系、图像坐标系、图档坐标系之间的映射关系，将产品坐标系转换到图档坐标系上，获取待加工产品在图档坐标系下的图像；

根据图档坐标系上的待加工图形对加工平面上的产品进行加工，每次加工的同时通过相机对加工平面进行拍照，实时获取加工过程中产品的图像，并将该图像实时更新到图档坐标系上；

根据产品的位置实时调整图档上的图形，直至完成产品的激光加工工序。

具体地，在激光加工前期需要满足产品加工的需求，需要根据产品的的形状和大小设计加工图形，类似于CAD制图软件，需要将加工的图形画在图档上，为了方便设计，图档上存在已知的二维坐标系，坐标系原点位于软件客户区的正中心，图档的坐标系的单位是实际单位mm,即在图档上所画的图形用激光雕刻后，尺寸和图档实际时的尺寸一致。

产品坐标系是用户自定义在加工平面上的一个坐标系，坐标系原点可以自定义但是一定要在相机的视野内，产品的坐标系是为了反映产品的位姿。

具体地，如图3所示，所述图像坐标系由像素坐标系转换得到；所述像素坐标系的原点位于图像的左上角，其横轴、纵轴分别与像面的两边平行，所述像素坐标系中坐标轴的单位是像素；

所述图像坐标系的原点为相机光轴与像面的交点，其横轴、纵轴分别与像素坐标系的横轴、纵轴平行；所述图像坐标系中坐标轴的单位是mm；所述像素坐标系通过如下平移转换公式得到图像坐标系：

采用齐次坐标矩阵形式将上式表示为：

其中，x、y为图像坐标系的横轴、纵轴；u、v为像素坐标系的横轴、纵轴；u₀、v₀表示图像坐标系的原点在像素坐标系中的坐标，dx、dy分别为每个像素在图像平面x和y方向上的物理尺寸；

如图4、5所示，为了描述成像过程中产品从相机坐标系到图像坐标系的投影关系，由相似三角形原则得出：

所述相机坐标系为三维直角坐标系，原点位于镜头光心处；x轴、y轴分别与像面的两边平行；z轴为镜头光轴，与像面垂直；

将以上关系表示为矩阵形式如下：

其中，内参矩阵K为：

其中，fx、fy分别为x轴和y轴上的归一化焦距；x₀、y₀为图像中心的坐标；z为相机的焦距；

外参矩阵[{R|t}]为：

其中，R表示旋转矩阵；T表示偏移向量；

所述外参矩阵表示相机坐标系沿x轴、y轴、z轴三个方向的偏转:

x～k[(R|t)]X

旋转矩阵R表示相机坐标系沿x轴、y轴、z轴三个方向的旋转：

其中，

表示相机坐标系绕x轴的旋转量

s_θ、c_θ：表示绕y轴的旋转量sinθ、cosθ；s_ω、c_ω表示绕z轴的旋转量sinω、cosω；

根据上述公式变换得到相机坐标系到图像坐标系的投影矩阵P：

P＝K[{R|t}]

从图像坐标系映射到图档坐标系的公式为：

其中，X、Y为图档坐标系下的行坐标和列坐标；u、v为图像坐标系下的行坐标和列坐标。

本实施例的激光可视化加工方法在实际应用时，首先，在图档坐标系上选择合适的位置，用激光标刻一个40*40mm的网格，如图6所示；网格中心坐标是(10，-20)，网格间距是5mm，标刻完成后，在图档右上角标刻一个坐标系显示图档坐标系的方向；再通过相机拍摄一张带有网格的图片，如图7所示；利用图像处理算法获取网格中每个角点再图像坐标系下的坐标；因为每个角点在图档坐标系上的坐标是已知的，根据每个角点在图档坐标系和图像坐标系上的坐标映射出投影矩阵P＝K[{R|t}}，通过计算获取投影矩阵P：

再根据投影矩阵将拍摄的图像贴在图档上的坐标系上，根据产品坐标系的原点确定图片在图档坐标系的位置，如图8所示；每次加工的同时拍摄图像，图档坐标系上的图像会随着加工实时更新，工艺人员就可以根据产品的位置调整图档上的图形，本实施例中产品的激光达标精度可达0.00315mm。

实施例2

如图2所示，本实施例提供了一种激光可视化加工系统，包括沿激光加工光路依次设置的激光器1、振镜2、折射镜3和加工平面4；所述折射镜3的上方设有相机5；所述加工平面4设在折射镜3下方，所述加工平面4与折射镜3之间设有照明装置，所述照明装置为加工平面4提供照明光源；所述振镜2设在折射镜3一侧；所述激光器1发出的激光依次经过振镜2、折射镜3到达加工平面4上，对产品进行加工；所述相机5实时获取加工平面4上产品的图像，并将获取的图像实时更新到工控机制图软件界面的图档上。

具体地，所述折射镜3为三角棱镜，所述三角棱镜的两直角边分别对应振镜2和加工平面4；经振镜2输出的激光束在三角棱镜的斜面反射后到达加工平面4，对产品进行加工；照明装置射向加工平面4的成像光束经加工平面4反射后，在折射镜3的斜面透射到相机5内，实现对加工平面4上产品的成像。

优选地，所述加工系统还包括补光装置7，所述补光装置7与振镜2分别位于折射镜3的两侧，所述补光装置7发出的平行光束经折射镜3反射后平行射入相机5内；所述补光装置7可以补充相机5的进光量，同时让进入相机5的光束尽可能平行，使相机5的入射光更加均匀，提高成像质量。

具体地，所述照明装置为环形灯6，通过设置环形灯6作为照明装置，可以排除自然光的干扰，给加工过程提供一个稳定的光照环境。

具体实施时，所述相机5采用CCD工业相机5，所述相机5的镜头前安装有滤光片，以减小激光加工时强光对图像的影响以及对相机5的损伤。

本实施例中，所述加工平面4上的产品加工幅面为50*50mm，所述相机5选用1100w的CCD相机5，相机5的镜头为30mm的定焦镜头，视野为60*45mm。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种激光可视化加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

分别建立产品坐标系、图像坐标系和图档坐标系；所述产品坐标系位于加工平面上；所述图像坐标系位于相机的像面上；所述图档坐标系位于工控机的制图软件界面上；

在工控机的制图软件界面上画出待加工图形；

通过相机获取待加工产品在产品坐标系下的图像；

根据产品坐标系、图像坐标系、图档坐标系之间的映射关系，将产品坐标系转换到图档坐标系上，获取待加工产品在图档坐标系下的图像；

根据图档坐标系上的待加工图形对加工平面上的产品进行加工，每次加工的同时通过相机对加工平面进行拍照，实时获取加工过程中产品的图像，并将该图像实时更新到图档坐标系上；

根据产品的位置实时调整图档上的图形，直至完成产品的激光加工工序。

2.根据权利要求1所述的一种激光可视化加工方法，其特征在于，所述图像坐标系由像素坐标系转换得到；所述像素坐标系的原点位于图像的左上角，其横轴、纵轴分别与像面的两边平行，所述像素坐标系中坐标轴的单位是像素；

所述图像坐标系的原点为相机光轴与像面的交点，其横轴、纵轴分别与像素坐标系的横轴、纵轴平行；所述图像坐标系中坐标轴的单位是mm；所述像素坐标系通过如下平移转换公式得到图像坐标系：

采用齐次坐标矩阵形式将上式表示为：

其中，x、y为图像坐标系的横轴、纵轴；u、v为像素坐标系的横轴、纵轴；u₀、v₀表示图像坐标系的原点在像素坐标系中的坐标，dx、dy分别为每个像素在图像平面x和y方向上的物理尺寸；

为了描述成像过程中产品从相机坐标系到图像坐标系的投影关系，由相似三角形原则得出：

所述相机坐标系为三维直角坐标系，原点位于镜头光心处；x轴、y轴分别与像面的两边平行；z轴为镜头光轴，与像面垂直；

将以上关系表示为矩阵形式如下：

其中，内参矩阵K为：

其中，fx、fy分别为x轴和y轴上的归一化焦距；x₀、y₀为图像中心的坐标；z为相机的焦距；

外参矩阵[{R|t}]为：

其中，R表示旋转矩阵；T表示偏移向量；

所述外参矩阵表示相机坐标系沿x轴、y轴、z轴三个方向的偏转:

所述旋转矩阵R表示相机坐标系沿x轴、y轴、z轴三个方向的旋转：

其中，

表示相机坐标系绕x轴的旋转量

s_θ、c_θ：表示绕y轴的旋转量sinθ、cosθ；s_ω、c_ω表示绕z轴的旋转量sinω、cosω；

根据上述公式变换得到相机坐标系到图像坐标系的投影矩阵P：

P＝K[{R|t}]

从图像坐标系映射到图档坐标系的公式为：

其中，X、Y为图档坐标系下的行坐标和列坐标；u、v为图像坐标系下的行坐标和列坐标。

3.一种基于权利要求1或2所述的激光可视化加工方法的加工系统，其特征在于，包括沿激光加工光路依次设置的激光器、振镜、折射镜和加工平面；所述折射镜的上方设有相机；所述加工平面设在折射镜下方，所述加工平面与折射镜之间设有照明装置，所述照明装置为加工平面提供照明光源；所述振镜设在折射镜一侧；所述激光器发出的激光依次经过振镜、折射镜到达加工平面上，对产品进行加工；所述相机实时获取加工平面上产品的图像，并将获取的图像实时更新到工控机制图软件界面的图档上。

4.根据权利要求3所述的加工系统，其特征在于，所述折射镜为三角棱镜，所述三角棱镜的两直角边分别对应振镜和加工平面。

5.根据权利要求3所述的加工系统，其特征在于，所述加工系统还包括补光装置，所述补光装置与振镜分别位于折射镜的两侧，所述补光装置发出的平行光束经折射镜反射后平行射入相机内。

6.根据权利要求3所述的加工系统，其特征在于，所述照明装置为环形灯。

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