CN112296513B - 一种基于机器视觉的激光切割机导正系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于机器视觉的激光切割机导正系统，包括分布设置在切割平台两侧的N个导正机构、安装在切割平台下料端部的前定位装置、安装在切割平台上方的拍摄装置和安装有图像处理软件的处理装置。本发明能够采用机器视觉算法作为辅助手段，在每次工件导正之前，首先对导正机构进行定位，使同一侧的导正机构位于同一条直线上且连线与切割平台端部垂直，在导正工件的同时，建立切割坐标系，结合移动距离计算得到每个工件的形态特征和位置信息，使激光切割机能够根据待切割工料的形状调整切割路径，尽可能减少废料产生量。

Description

一种基于机器视觉的激光切割机导正系统

技术领域

本发明涉及激光切割机领域，具体而言涉及一种基于机器视觉的激光切割机导正系统。

背景技术

目前存在激光切割系统，在切割平台两侧安装导正机构以使切割平台上的工料导正后再执行切割工序，并且通常会预留一定量的余裕工料，避免误差过大导致切割处理失败。

但这种方式仍然存在以下问题：第一，长时间的使用会导致机械结构松脱、老化，使导正机构本身出现位置误差，从而造成工件定位误差日益增大。第二，对于这部分余裕工料，在切割完成后会视为切割废料直接废弃。当切割量较大时，造成了大批工料浪费。并且，由于这部分工料面积较小，也难以再做他用。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于机器视觉的激光切割机导正系统，采用机器视觉算法作为辅助手段，在每次工件导正之前，首先对导正机构进行定位，使同一侧的导正机构位于同一条直线上且连线与切割平台端部垂直，在导正工件的同时，建立切割坐标系，结合移动距离计算得到每个工件的形态特征和位置信息，使激光切割机能够根据待切割工料的形状调整切割路径，尽可能减少废料产生量。

为达成上述目的，本发明提出一种基于机器视觉的激光切割机导正系统，所述激光切割机的切割平台包括一定量平行设置的导辊，待切割工料借助导辊自切割平台的上料端部向与之相对的下料端部移动；

所述导正系统包括分布设置在切割平台两侧的N个导正机构、安装在切割平台下料端部的前定位装置、安装在切割平台上方的拍摄装置和安装有图像处理软件的处理装置；

所述前定位装置包括M个定位气缸，所述M个定位气缸均匀分布在下料端部上，M个定位气缸的连线为一直线且垂直于待切割工料的移动方向；

所述处理装置以切割平台的下料端部的任意一个顶点为原点建立切割坐标系，切割坐标系为一平面坐标系，其中，待切割工料的移动方向为X方向，切割平台的下料端部的延伸方向为Y方向；

所述处理装置响应于任意一个定位气缸与待切割工料接触，停止工料移动，驱使N个导正机构恢复初始位置，并且采用拍摄装置拍摄N个导正机构的图像信息，对拍摄得到的图像信息进行处理，分析每个切割平台侧边的导正机构是否位于同一条直线，以及同一侧边的导正机构的连线是否与下料端部垂直：

如果同一侧边的导正机构的连线不是直线或者连线虽然为一直线但不与下料端部垂直，则根据预设的调整策略对导正机构的位置进行调节，直至所有导正机构满足要求后，驱使导正机构沿Y方向移动，对待切割工料进行导正处理，当工料导正后，驱使其余定位气缸沿X方向移动，使所有定位气缸抵接在待切割工料的顶端；

所述处理装置根据导正机构和定位气缸的移动距离计算得到定位气缸、导正机构的位置坐标，将计算得到的发送至激光切割机的控制平台，以构建待切割工料的形态信息；

所述M和N为大于1的正整数。

进一步地，所述预设的调整策略包括：

选择每一侧边上距离工料最近的导正机构作为标准点，绘制两个标准点至切割平台下料端部的垂线；

移动其余导正机构至对应垂线或垂线的延长线上，将移动后的位置作为该导正机构调整后的初始位置。

进一步地，所述根据导正机构和定位气缸的移动距离计算得到定位气缸、导正机构的位置坐标的过程包括以下步骤：

根据定位气缸、导正机构所对应的步进电机的运行参数计算得到本次移动距离；

对于定位气缸，采用下述公式计算得到定位气缸的实时位置坐标

：

式中，

是第i个定位气缸的初始位置坐标，

是第i个定位气缸的实时移动距离值，i=1,2,…,M；

对于导正机构，采用下述公式计算得到导正机构的实时位置坐标

：

式中，

是第j个导正机构的初始位置坐标，

是第j个导正机构的实时移动距离值，j=1,2,…,N。

进一步地，所述导正机构包括第一步进电机、第一丝杆、第一直线导轨和第一归料挡板；

所述第一直线导轨的延伸方向为Y方向，第一归料挡板安装在第一直线导轨上，通过第一丝杆与第一步进电机连接，在第一步进电机的作用下沿第一直线导轨移动，以抵接在工料侧边或者从工料侧边移开。

进一步地，所述定位气缸包括第二归料挡板、第二直线导轨、第二步进电机、第三步进电机和升降机构；

所述第二直线导轨的延伸方向与工料移动方向一致；所述第二归料挡板安装在第二直线导轨上，通过传动机构与第二步进电机连接，在第二步进电机的作用下沿第二直线导轨移动，以抵接在工料端部上或者从工料端部移开；

所述第二直线导轨安装在升降机构上；所述升降机构与第三步进电机连接，在第三步进电机的作用下携带第二直线导轨和第二归料挡板升降，以使第二归料挡板位于切割平台上方或者收纳在切割平台下方。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

采用机器视觉算法作为辅助手段，在每次工件导正之前，首先对导正机构进行定位，使同一侧的导正机构位于同一条直线上且连线与切割平台端部垂直，在导正工件的同时，建立切割坐标系，结合移动距离计算得到每个工件的形态特征和位置信息，使激光切割机能够根据待切割工料的形状调整切割路径，尽可能减少废料产生量。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的基于机器视觉的激光切割机导正系统的结构示意图。

图2是本发明的导正机构结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1，本发明提出一种基于机器视觉的激光切割机导正系统，所述激光切割机的切割平台50包括一定量平行设置的导辊40，待切割工料30借助导辊40自切割平台50的上料端部向与之相对的下料端部移动。

所述导正系统包括分布设置在切割平台50两侧的N个导正机构10、安装在切割平台50下料端部的前定位装置、安装在切割平台50上方的拍摄装置和安装有图像处理软件的处理装置。本发明可以采用现有技术中应用在机器人上的视觉图像处理软件，处理过程包括：生成切割平台端部基线，从图像上抓取导正机构，依次连接相邻的导正机构，针对每一侧生成对用的导正机构连线，判断同一侧的导正机构是否位于同一条直线上且连线与切割平台端部垂直。

优选的，所述导正机构10包括第一步进电机、第一丝杆、第一直线导轨和第一归料挡板。

所述第一直线导轨的延伸方向为Y方向，第一归料挡板安装在第一直线导轨上，通过第一丝杆与第一步进电机连接，在第一步进电机的作用下沿第一直线导轨移动，以抵接在工料30侧边或者从工料30侧边移开。

所述前定位装置包括M个定位气缸20，所述M个定位气缸20均匀分布在下料端部上，M个定位气缸20的连线为一直线且垂直于待切割工料30的移动方向。

本发明采用独立设置导正机构10的结构方式，其中一个重要原因在于，对于某些侧边不规整的工料30，能够实现精确定位，通过各自对应的步进电机和传动机构将归料挡板沿Y轴移动，以抵接在工料30侧面或从工料30侧面移开。

优选的，所述定位气缸20包括第二归料挡板、第二直线导轨、第二步进电机、第三步进电机和升降机构。

所述第二直线导轨的延伸方向与工料30移动方向一致；所述第二归料挡板安装在第二直线导轨上，通过传动机构与第二步进电机连接，在第二步进电机的作用下沿第二直线导轨移动，以抵接在工料30端部上或者从工料30端部移开。

所述第二直线导轨安装在升降机构上；所述升降机构与第三步进电机连接，在第三步进电机的作用下携带第二直线导轨和第二归料挡板升降，以使第二归料挡板位于切割平台50上方或者收纳在切割平台50下方。

设置升降机构的目的在于，对于某些切割工艺特殊的大型工件，通过降下升降机构，可以使无需切割的部分移动至切割平台50外侧。例如，某大型工件需要分批次分区域的执行激光切割操作，则可以将已完成的部分暂时移至切割平台50外侧，避免造成机构干扰。优选的，升降机构可以采用竖直导轨和气缸的结构方式，例如将第二直线导轨安装在竖直导轨上，通过气缸驱动第二直线导轨沿竖直导轨移动等，也可以采用在第二直线导轨下方安装伸缩杆的方式，只要是能够实现携带第二直线导轨升降的方式均可采用。

所述处理装置以切割平台50的下料端部的任意一个顶点为原点建立切割坐标系，切割坐标系为一平面坐标系，其中，待切割工料30的移动方向为X方向，切割平台50的下料端部的延伸方向为Y方向。

所述处理装置响应于任意一个定位气缸20与待切割工料30接触，停止工料30移动，驱使N个导正机构10恢复初始位置，并且采用拍摄装置拍摄N个导正机构10的图像信息，对拍摄得到的图像信息进行处理，分析每个切割平台50侧边的导正机构10是否位于同一条直线，以及同一侧边的导正机构10的连线是否与下料端部垂直：

如果同一侧边的导正机构10的连线不是直线或者连线虽然为一直线但不与下料端部垂直，则根据预设的调整策略对导正机构10的位置进行调节，直至所有导正机构10满足要求后，驱使导正机构10沿Y方向移动，对待切割工料30进行导正处理，当工料30导正后，驱使其余定位气缸20沿X方向移动，使所有定位气缸20抵接在待切割工料30的顶端。

所述处理装置根据导正机构10和定位气缸20的移动距离计算得到定位气缸20、导正机构10的位置坐标，将计算得到的发送至激光切割机的控制平台，以构建待切割工料30的形态信息。

所述M和N为大于1的正整数。

优选的 ，所述预设的调整策略包括：S1，选择每一侧边上距离工料30最近的导正机构10作为标准点，绘制两个标准点至切割平台50下料端部的垂线。S2，移动其余导正机构10至对应垂线或垂线的延长线上，将移动后的位置作为该导正机构10调整后的初始位置。从而可以尽可能地减少导正机构10的移动距离，节约调试时长。

在导正机构10精确定位的前提下，我们可以根据导正机构10和定位气缸20的移动距离快速计算得到定位气缸20、导正机构10的位置坐标，其过程包括：

S01，根据定位气缸20、导正机构10所对应的步进电机的运行参数计算得到本次移动距离。

S02，对于定位气缸20，采用下述公式计算得到定位气缸20的实时位置坐标

：

式中，

是第i个定位气缸20的初始位置坐标，

是第i个定位气缸20的实时移动距离值，i=1,2,…,M。

S03，对于导正机构10，采用下述公式计算得到导正机构10的实时位置坐标

：

式中，

是第j个导正机构10的初始位置坐标，

是第j个导正机构10的实时移动距离值，j=1,2,…,N。

优选的，所述拍摄装置还用于拍摄工料30图片，当工料30导正完成时，处理装置驱动拍摄装置拍摄工料30图片，将工料30图片连同导正机构10和定位气缸20的实时位置坐标一起发送至激光切割机的控制平台。

所述切割机的控制平台采用导正机构10和定位气缸20的实时位置坐标对接收到的工料30图片进行形态修正，构建得到待切割工料30的形态信息。具体的，通过导正机构10和定位气缸20的实时位置坐标调整拍摄图像上对应点位的距离比例，使拍摄坐标系和切割坐标系一致，从而实现待切割工料30的精确定位和形态获取。拍摄装置还可以为激光扫描仪，此时拍摄得到的是待切割工料30的三维点云和对应的三维模型，通过导正机构10和定位气缸20的实时位置坐标可以调整三维模型的相关参数。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种基于机器视觉的激光切割机导正系统，其特征在于，所述激光切割机的切割平台包括一定量平行设置的导辊，待切割工料借助导辊自切割平台的上料端部向与之相对的下料端部移动；

所述导正系统包括分布设置在切割平台两侧的N个导正机构、安装在切割平台下料端部的前定位装置、安装在切割平台上方的拍摄装置和安装有图像处理软件的处理装置；

所述前定位装置包括M个定位气缸，所述M个定位气缸均匀分布在下料端部上，M个定位气缸的连线为一直线且垂直于待切割工料的移动方向；

所述处理装置以切割平台的下料端部的任意一个顶点为原点建立切割坐标系，切割坐标系为一平面坐标系，其中，待切割工料的移动方向为X方向，切割平台的下料端部的延伸方向为Y方向；

所述处理装置响应于任意一个定位气缸与待切割工料接触，停止工料移动，驱使N个导正机构恢复初始位置，并且采用拍摄装置拍摄N个导正机构的图像信息，对拍摄得到的图像信息进行处理，分析每个切割平台侧边的导正机构是否位于同一条直线，以及同一侧边的导正机构的连线是否与下料端部垂直：

如果同一侧边的导正机构的连线不是直线或者连线虽然为一直线但不与下料端部垂直，则根据预设的调整策略对导正机构的位置进行调节，直至所有导正机构满足要求后，驱使导正机构沿Y方向移动，对待切割工料进行导正处理，当工料导正后，驱使其余定位气缸沿X方向移动，使所有定位气缸抵接在待切割工料的顶端；

所述处理装置根据导正机构和定位气缸的移动距离计算得到定位气缸、导正机构的位置坐标，将计算得到的定位气缸、导正机构的位置坐标发送至激光切割机的控制平台，以构建待切割工料的形态信息；

所述M和N为大于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的激光切割机导正系统，其特征在于，所述预设的调整策略包括：

选择每一侧边上距离工料最近的导正机构作为标准点，绘制两个标准点至切割平台下料端部的垂线；

移动其余导正机构至对应垂线或垂线的延长线上，将移动后的位置作为该导正机构调整后的初始位置。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的激光切割机导正系统，其特征在于，所述根据导正机构和定位气缸的移动距离计算得到定位气缸、导正机构的位置坐标的过程包括以下步骤：

根据定位气缸、导正机构所对应的步进电机的运行参数计算得到本次移动距离；

对于定位气缸，采用下述公式计算得到定位气缸的实时位置坐标

：

式中，

是第i个定位气缸的初始位置坐标，

是第i个定位气缸的实时移动距离值，i=1,2,…,M；

对于导正机构，采用下述公式计算得到导正机构的实时位置坐标

：

式中，

是第j个导正机构的初始位置坐标，

是第j个导正机构的实时移动距离值，j=1,2,…,N。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的激光切割机导正系统，其特征在于，所述导正机构包括第一步进电机、第一丝杆、第一直线导轨和第一归料挡板；

所述第一直线导轨的延伸方向为Y方向，第一归料挡板安装在第一直线导轨上，通过第一丝杆与第一步进电机连接，在第一步进电机的作用下沿第一直线导轨移动，以抵接在工料侧边或者从工料侧边移开。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的激光切割机导正系统，其特征在于，所述定位气缸包括第二归料挡板、第二直线导轨、第二步进电机、第三步进电机和升降机构；

所述第二直线导轨的延伸方向与工料移动方向一致；所述第二归料挡板安装在第二直线导轨上，通过传动机构与第二步进电机连接，在第二步进电机的作用下沿第二直线导轨移动，以抵接在工料端部上或者从工料端部移开；

所述第二直线导轨安装在升降机构上；所述升降机构与第三步进电机连接，在第三步进电机的作用下携带第二直线导轨和第二归料挡板升降，以使第二归料挡板位于切割平台上方或者收纳在切割平台下方。

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