CN112381888A - 一种h型钢切割路径的动态补偿方法 - Google Patents

一种h型钢切割路径的动态补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种H型钢切割路径的动态补偿方法,该动态补偿方法包括如下步骤:步骤1:相机内参标定,标定出相机的内参矩阵;步骤2:光平面标定,计算出激光线垂直方向的光平面方程;步骤3:机床标定,建立相机坐标系与机械坐标系之间的转换矩阵;步骤4:中心线提取,提取激光线上的“中心线”;步骤5:H型钢关键部位测量,提取中心线上的目标点集,并对其进行测量;步骤6:切割路径动态补偿,切割系统根据上述测量结果对切割路径进行补偿校正。本发明主要使用图像处理技术实时测量H型钢的三维尺寸和位置信息,切割系统根据视觉测量结果对切割路径进行修正补偿,解决了传统方法依靠传感器来定位带来的效率低、定位不准等问题。

Description

一种H型钢切割路径的动态补偿方法
技术领域
本发明属于数控切割技术领域,具体的说是一种H型钢切割路径的动态补偿方法。
背景技术
在H型钢切割过程中,需要对H型钢进行定位以及关键部位的尺寸进行测量,传统的办法是在切割枪头部安装一个“碰撞传感器”,通过接触的方式来获取H型钢的位置,这种方法需要多次碰撞钢体表面,十分耗时,由于在检测过程中会和型钢发生接触,可能导致型钢位置发生变化,从而影响后续的切割工序。针对尺寸测量常用到激光传感器,首先将其安装在切割枪头部,然后枪体带动激光传感器进行扫描,由于激光传感器每次只能获取一个点坐标,扫描出完整的轮廓需要耗费大量的时间,并且由于切割枪运动过程中会发生抖动,可能导致该方法扫描出来的轮廓与实际轮廓不符合。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供了一种H型钢切割路径的动态补偿方法,该方法使用“机器视觉”技术对H型钢进行定位和测量的方法,该方法无接触、测量精度高、效率高。
为了达到上述目的,本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明是一种H型钢切割路径的动态补偿方法,该动态补偿方法包括如下步骤:
步骤1:相机内参标定,标定出相机的内参矩阵;
步骤2:光平面标定,计算出激光线垂直方向的光平面方程;
步骤3:机床标定,建立相机坐标系与机械坐标系之间的转换矩阵;
步骤4:中心线提取,提取激光线上的“中心线”;
步骤5:H型钢关键部位测量,提取“中心线”上的目标点集,并对其进行测量;
步骤6:切割路径动态补偿,切割系统根据上述测量结果对切割路径进行补偿校正。
本发明的进一步改进在于:所述步骤1中,相机的内参矩阵的标定方法包括如下步骤:
(1)将一块标定板放置在相机视野内,调整曝光和焦距使得成像清晰;
(2)调整标定板角度,进行拍照并存储,一共取不少于12张图片;
(3)利用上述图片和张正友标定法计算出相机的内参矩阵和畸变系数。
本发明的进一步改进在于:所述步骤2中的激光线垂直方向的光平面方程的计算包括如下步骤:
步骤(1):将棋盘格标定板放置在激光线下,调整曝光至可以清楚地拍摄出标定板,先关闭激光器,然后进行拍照并保存该图片;
步骤(2):保持标定板位置不动,打开激光器,调整曝光至背景“黑暗”,只留一条清晰的激光线在图片上,然后进行拍照并保存该图片;
步骤(3):调整标定板在激光线垂直方向的位置,重复步骤(1)和步骤(1),一共记录12组照片,每组照片分别为一张有激光线一张无激光线;
步骤(4):对每组照片做以下处理,先对无激光线的照片进行角点直线拟合,再对有激光线的照片进行直线拟合,最后求出若干条“角点线”和一条“激光线”的交点在相机坐标系下的坐标点集,对12组照片进行相同处理,坐标点存放在一个点集中,采用奇异值分解算法对点集进行拟合求解其平面方程,即激光线所在平面的方程。
本发明的进一步改进在于:步骤3:相机坐标系到机械坐标系的转换矩阵的计算方法如下:
(1)在机械坐标系下取不少于3个点,计算其在机械坐标系下的坐标;
(2)拍照,计算步骤一所述的点在像素坐标系下的坐标;
(3)使用步骤一和步骤二的点集,利用pnp算法计算出相机坐标系到机械坐标系的转换矩阵。
本发明的进一步改进在于:所述步骤4的中心线提取方法包括如下步骤:
(1)对包含激光线的图片进行均值滤波;
(2)按列对图像进行遍历,对于每列又按照“灰度重心法”进行像素提取;
(3)将每列提取的像素进行保存,完成激光线上的“中心线”提取任务。
本发明的进一步改进在于:所述步骤5的测量步骤包括:
(1)根据高度范围对目标区域进行分割,去除背景;
(2)使用形态学滤波算法去除噪点;
(3)对目标进行测量,比如:腹板的高度、腹板的斜率、两侧翼板的高度和斜率、两侧翼板的间距。
本发明的进一步改进在于:步骤6中补偿校正步骤包括:
(1)调用视觉API,获取H型钢的轮廓信息和重要部位的尺寸信息;
(2)根据视觉检测结果对切割路径进行补偿校正。
本发明的有益效果是:本发明使用一个线激光器和一个2D的工业相机完成激光线上三维坐标的提取;相机和激光器之间成一定角度,通常被一起固定安装在一个横杆上;使用该方法进行测量时,检测部位无需和H型钢发生接触,检测效率和测量精度都大幅提高。
该方法主要包括相机标定、图像处理等相关技术,采用单目工业相机加一个线激光的方案,完成从二维图像坐标到三维世界坐标的转换。
附图说明
图1是本发明的算法流程图。
图2是本发明3D相机的结构示意图。
图3是本发明光平面标定激光器关闭时照片。
图4是本发明光平面标定激光器打开时照片。
图5是本发明包含H型钢的待测图片。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的实施方式,为明确说明起见,许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而,应了解到,这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说,在本发明的部分实施方式中,这些实务上的细节是非必要的。此外,为简化图式起见,一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
如图1所示,本发明是一种H型钢切割路径的动态补偿方法,该动态补偿方法包括如下步骤:
步骤1:相机内参标定,标定出相机的内参矩阵;
步骤2:光平面标定,计算出激光线垂直方向的光平面方程;
步骤3:机床标定,建立相机坐标系与机械坐标系之间的转换矩阵;
步骤4:中心线提取,提取激光线上的“中心线”;
步骤5:H型钢关键部位测量,提取“中心线”上的目标点集,并对其进行测量;
步骤6:切割路径动态补偿,切割系统根据上述测量结果对切割路径进行补偿校正。
实施例一
如图2所示,
先将相机固定在机床的合适位置,然后调整相机角度,保证相机视野可以拍全H型钢,相机安装好后,先进行相机内参标定,标定出的内参矩阵会在后面的光平面标定中用到,具体的相机内参矩阵的标定方法包括如下步骤:
(1)将一块标定板放置在相机视野内,调整曝光和焦距使得成像清晰;
(2)调整标定板角度,进行拍照并存储,一共取不少于12张图片;
(3)利用上述图片和张正友标定法计算出相机的内参矩阵和畸变系数。
再进行光平面标定,该步骤是为了计算光平面方程,激光线垂直方向的光平面方程的计算包括如下步骤:
步骤(1):将棋盘格标定板放置在激光线下,调整曝光至可以清楚地拍摄出标定板,先关闭激光器,然后进行拍照并保存该图片;
步骤(2):保持标定板位置不动,打开激光器,调整曝光至背景“黑暗”,只留一条清晰的激光线在图片上,然后进行拍照并保存该图片;
步骤(3):调整标定板在激光线垂直方向的位置,重复步骤(1)和步骤(1),一共记录12组照片,每组照片分别为一张有激光线一张无激光线;
步骤(4):对每组照片做以下处理,先对无激光线的照片进行角点直线拟合,再对有激光线的照片进行直线拟合,最后求出若干条“角点线”和一条“激光线”的交点在相机坐标系下的坐标点集,计算该坐标时,需要用到步骤1计算的内参矩阵,对12组照片进行相同处理,坐标点存放在一个点集中,采用奇异值分解(SVD)算法对点集进行拟合求解其平面方程,即激光线所在平面的方程。
光平面标定完成以后,便可以求出激光线上任意一点在相机坐标系下的坐标,在后续的操作中,只要保证激光器和相机相对位置不变,都不需要再重新进行上述标定。为了计算出激光线上的点在机械坐标系下的坐标,还需要进行“机床标定”,该标定是为了求出相机坐标系到机械坐标系的转换矩阵,该相机坐标系到机械坐标系的转换矩阵的计算方法如下:
(1)在机械坐标系下取不少于3个点,计算其在机械坐标系下的坐标;
(2)拍照,计算步骤一所述的点在像素坐标系下的坐标;
(3)使用步骤一和步骤二的点集,利用pnp算法计算出相机坐标系到机械坐标系的转换矩阵。
至此,所有标定便全部完成,在以后的使用中,只要相机位置不动,都无需再进行标定,只要输入激光线在二维图像上的坐标点,便可输出其在机械坐标系下的三维坐标,然后进行中心线提取,提取激光线上的“中心线”,中心线提取方法包括如下步骤:
(1)对包含激光线的图片进行均值滤波;
(2)按列对图像进行遍历,对于每列又按照“灰度重心法”进行像素提取;
(3)将每列提取的像素进行保存,完成激光线上的“中心线”提取任务。
中心线提取完成以后,需要提取出检测目标-H型钢,并对其进行测量,测量步骤包括:
(1)根据高度范围对目标区域进行分割,去除背景;
(2)使用形态学滤波算法去除噪点;
(3)对目标进行测量,比如:腹板的高度、腹板的斜率、两侧翼板的高度和斜率、两侧翼板的间距。
经过以上步骤,便完成了对H型钢的定位和尺寸测量,所有的视觉相关操作都封装成API供系统调用,系统根据检测结果对切割路径进行补偿,具体步骤如下:
(1)调用视觉API,获取H型钢的轮廓信息和重要部位的尺寸信息;
(2)根据视觉检测结果对切割路径进行补偿校正。
本发明主要使用图像处理技术实时测量H型钢的三维尺寸和位置信息,切割系统根据视觉测量结果对切割路径进行修正补偿,解决了传统方法依靠传感器来定位带来的效率低、定位不准等问题。
以上所述仅为本发明的实施方式而已,并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种H型钢切割路径的动态补偿方法,其特征在于:所述动态补偿方法包括如下步骤:
步骤1:相机内参标定,标定出相机的内参矩阵;
步骤2:光平面标定,计算出激光线垂直方向的光平面方程;
步骤3:机床标定,建立相机坐标系与机械坐标系之间的转换矩阵;
步骤4:中心线提取,提取激光线上的“中心线”;
步骤5:H型钢关键部位测量,提取“中心线”上的目标点集,并对其进行测量;
步骤6:切割路径动态补偿,切割系统根据上述测量结果对切割路径进行补偿校正。
2.根据权利要求1所述一种H型钢切割路径的动态补偿方法,其特征在于:所述步骤1中,相机的内参矩阵的标定方法包括如下步骤:
(1)将一块标定板放置在相机视野内,调整曝光和焦距使得成像清晰;
(2)调整标定板角度,进行拍照并存储,一共取不少于12张图片;
(3)利用上述图片和张正友标定法计算出相机的内参矩阵和畸变系数。
3.根据权利要求1所述一种H型钢切割路径的动态补偿方法,其特征在于:所述步骤2中的激光线垂直方向的光平面方程的计算包括如下步骤:
步骤(1):将棋盘格标定板放置在激光线下,调整曝光至可以清楚地拍摄出标定板,先关闭激光器,然后进行拍照并保存该图片;
步骤(2):保持标定板位置不动,打开激光器,调整曝光至背景“黑暗”,只留一条清晰的激光线在图片上,然后进行拍照并保存该图片;
步骤(3):调整标定板在激光线垂直方向的位置,重复步骤(1)和步骤(1),一共记录12组照片,每组照片分别为一张有激光线一张无激光线;
步骤(4):对每组照片做以下处理,先对无激光线的照片进行角点直线拟合,再对有激光线的照片进行直线拟合,最后求出若干条“角点线”和一条“激光线”的交点在相机坐标系下的坐标点集,对12组照片进行相同处理,坐标点存放在一个点集中,采用奇异值分解算法对点集进行拟合求解其平面方程,即激光线所在平面的方程。
4.根据权利要求1所述一种H型钢切割路径的动态补偿方法,其特征在于:步骤3:相机坐标系到机械坐标系的转换矩阵的计算方法如下:
(1)在机械坐标系下取不少于3个点,计算其在机械坐标系下的坐标;
(2)拍照,计算步骤一所述的点在像素坐标系下的坐标;
(3)使用步骤一和步骤二的点集,利用pnp算法计算出相机坐标系到机械坐标系的转换矩阵。
5.根据权利要求1所述一种H型钢切割路径的动态补偿方法,其特征在于:所述步骤4的中心线提取方法包括如下步骤:
(1)对包含激光线的图片进行均值滤波;
(2)按列对图像进行遍历,对于每列又按照“灰度重心法”进行像素提取;
(3)将每列提取的像素进行保存,完成激光线上的“中心线”提取任务。
6.根据权利要求1所述一种H型钢切割路径的动态补偿方法,其特征在于:所述步骤5的测量步骤包括:
(1)根据高度范围对目标区域进行分割,去除背景;
(2)使用形态学滤波算法去除噪点;
(3)对目标进行测量。
7.根据权利要求1所述一种H型钢切割路径的动态补偿方法,其特征在于:步骤6中补偿校正步骤包括:
(1)调用视觉API,获取H型钢的轮廓信息和重要部位的尺寸信息;
(2)根据视觉检测结果对切割路径进行补偿校正。
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