CN113634915A - 基于视觉的切割装置及其切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉的切割装置及其切割方法，属于切割技术领域。包括：传送机构，用于实现工件自动化进料和出料；视觉识别单元，用于实现获取工件图像信息；计算机处理单元，用于实现接收、分析和储存信息，以及发出指令；切割机构，用于实现工件的切割。本发明通过视觉识别技术将工件以及切割区域的图案信息转化为坐标点信息，并在切割前反复比较识别获得的数据信息与预定数据是否一致，当两者数据一致时启动切割机构工作，保证了切割机构每一点的切割都在预定点上，提高了切割精度，保证了切割正确率。

Description

基于视觉的切割装置及其切割方法

技术领域

本发明涉及切割技术领域，具体涉及一种基于视觉的切割装置及其切割方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对产品多样性的需求也越来高，例如在金属材料或者非金属材料上切割不同种类的花纹或者将材料切割不同的形状。

但现有的激光切割机只是基于固定样式进行切割，并不能满足现有的生产需求，而且有些基于机器视觉的激光切割机也普遍存在切割精度不高、智能化程度不高的问题，进而导致了切割出图案与需求图案误差较大的问题。

发明内容

发明目的：本发明为了解决上述技术问题，提供了一种基于视觉的切割装置及其切割方法

技术方案：一种基于视觉的切割装置，包括：

传送机构，用于实现工件自动化进料和出料；

视觉识别单元，用于实现获取工件图像信息；

计算机处理单元，用于实现接收、分析和储存信息，以及发出指令；

切割机构，用于实现工件的切割；切割时，计算机处理单元基于视觉识别单元获取的工件图像信息分析当前工件的形状特征，基于形状特征和待切割的信息输出执行指令。

一种采用如上述的基于视觉的切割装置的切割方法，包括：

步骤一：工件达到视觉识别区域时，视觉识别单元获取工件图像信息，并将工件图像信息传送至计算机处理单元；

步骤二：计算机处理单元接收、处理和存储信息，并与预设数据进行比较，根据比较结果，发出对应类型的执行指令；

步骤三：切割组件接收到执行指令，按照执行指令进行切割。

在进一步的实施例中，所述步骤一中所述视觉识别区域包括第一视觉识别区域以及第二视觉识别区域，分别获取非切割区域工件的图像信息以及待切割区域的图像信息。

在进一步的实施例中，所述步骤二包括对获取的图像信息进行坐标化处理，所述坐标化处理为：

设定以视觉识别区域的中心点C为原点设置x-y二维坐标轴，设定N为视觉识别区域的任意一点，其空间坐标为（x，y），D1、D2为视场交汇的两个CCD摄像机，其光轴汇聚点与y轴相交，交点为原点C，两个CCD摄像机相对于识别区域的中心点C对称放置，则光轴与y轴的夹角相等，设夹角为µ；S为基线长度，N点两个CCD摄像机上成像点坐标分别为x₁，x₂，则N点的坐标（x，y）满足以下公式：

f为摄像机焦距。

在进一步的实施例中，所述步骤二中得到获取的坐标点信息与预设数据比较，具体为：

设定预设数据为O、预设第一区域信息为O1、预设第二区域信息为O2，获取坐标点信息为P、第一区域信息为P1、第二区域信息为P2；

第一视觉识别区域获取的非切割区域工件图像信息经坐标化后为第一区域信息；第二视觉识别区域获得的待切割区域的图像信息为第二区域信息；

O、 O1 、O2、P、P1、P2满足以下关系：O= O1 +O2，P=P1+P2；

判断P与O是否相同：若P与O相同，表示视觉识别单元获取的图像信息完整，第一视觉识别区域和第二视觉识别区域不需要再进行获取图像信息；

若P与O不同，表示视觉识别单元获取的图像信息不完整，则进一步判断P1与O1是否相同：若P1与O1相同，表示第一视觉识别区域获取的信息完整，则判断第二视觉识别区域获取的信息不完整，第一视觉识别区域不需要重新获取信息，第二视觉识别区域重新获取信息；

若P1与O1不同，表示第一视觉识别区域获取的信息不完整，进一步判断P2与O2是否相同：若P2与O2相同，表示第二视觉识别区域获取的信息完整，则第一视觉识别区域需要重新获取信息，第二视觉识别区域不需要重新获取信息；若P2与O2不同，表示第二视觉识别区域获取的信息不完整，则第一视觉识别区域和第二视觉识别区域皆需要重新获取信息。

在进一步的实施例中，所述步骤二还包括：将获取到的曲线坐标点进行样条曲线拟合，将两个相邻的曲线坐标点连线设定为弧线，曲线坐标点都落在局部的微小圆弧上；求出每个曲线坐标点的曲率，设定曲率临界值k，将曲率超过k的坐标点设定为轮廓关键点，根据确定的轮廓关键点形成平滑曲线轮廓信息。

在进一步的实施例中，所述计算机处理单元将未进行曲线拟合的坐标点以及平滑曲线轮廓信息形成指令，将指令发送至切割机构上，激光切割头根据指令进行切割。

在进一步的实施例中，所述步骤二包括图像预处理，所述图像预处理包括对通过CCD摄像机获取进来的RGB真彩色图像进行灰度处理，然后对图像进行滤波处理。

有益效果：本发明中通过视觉识别技术将工件以及切割区域的图案信息转化为坐标点信息，并在切割前反复比较识别获得的数据信息与预定数据是否一致，当两者数据一致时启动切割机构工作，保证了切割机构每一点的切割都在预定点上，提高了切割精度，保证了切割正确率。

附图说明

图1是本发明中切割方法的流程图。

图2是本发明的坐标化的示意图。

图3是本发明中的切割装置的结构示意图。

图4是本发明中切割机构的结构示意图。

图3至图4中的标注为：传送机构1、遮光箱柜体、移料机构3、激光切割头4、第三移动组件5。

具体实施方式

为了解决现有技术中存在的问题，申请人对现有各种方案进行了深入地分析，具体如下：

现有技术中基于机器视觉的激光切割机如公开号CN108687855A公开的一种节能的且具有机器视觉的切割机，包括定位相机、镜头以及光源，定位相机对工件进行识别，获取工件的位置信息以及外部轮廓等相关信息，并将识别信息反馈给控制系统；在加工过程中还不断对工件进行拍照和识别，并将识别信息反馈给控制系统，控制系统将获得信息与所要切割出的图案或形状进行对比，时刻调整切割刀的走向。然而相机获取出来的图像为RGB真彩色图像，在图像获取过程中会有噪声干扰，导致图片不清晰，轮廓不平滑，从而影响控制系统的分析对比。而且在加工过程中不断调整切割刀的走向将提高工作量，因为相机获取的信息不准确，而导致切割错误是不能通过调整切割刀的走向所能弥补的，这直接导致该工件材料作废，增加了成本。

为此申请人提出了以下解决方案，如图1至4所示，本实施例提供了一种基于视觉的切割装置，包括传送机构1、遮光箱柜体、移料机构3、识别视觉单元、计算处理单元以及切割机构。传送机构1是利用传送带传输，用于实现工件自动化进料和出料，传送机构1由三个独立的传送带组件组成，传送带组件包括机架、支撑辊、传送皮带以及伺服电机。传送机构1的区域分为三个区域：进料区域、出料区域以及加工区域（或者视觉识别区域）。视觉识别单元、切割机构以及部分传送机构1设于遮光箱柜体内。为了提高进料的自动化，在进料传送组件上，设置有移料机构3，移料机构3包括支架，设于支架侧面的第一横向移动组件，设在第一横向移动组件的第一滑动板，设在第一滑动板的第一竖向移动组件，设于第一竖向移动组件的第二滑动板，以及设于第二滑动板下方的多组真空吸盘。第一横向移动组件包括两组设于支架侧面的两组滑轨，在一滑轨的两端设置转动轮，通过皮带传动实现第一滑动板的横向滑动。第一竖向移动组件为设在第一滑动板侧面的竖向电动丝杆模组，从而实现第二滑动板的竖向滑动。真空吸盘对工件吸附，第一横向移动组件和第一竖向移动组件工作带动工件横向竖向移动，从而放置在进料传送组件上。

当工件进入视觉识别区域，视觉识别单元对工件进行图像信息获取，视觉识别区域包括第一视觉识别单元以及第二视觉识别单元。视觉识别单元包括至少四个CCD摄像机、光源以及遮光罩，CCD摄像机和光源设置在遮光罩内。计算机处理单元用于接收、分析和储存视觉识别单元获取的图像信息，并根据分析计算的结构，发出指令。计算机处理单元包括计算机处理设备、显示设备以及存储设备。计算机处理设备需要完成的任务有：控制摄像头获取图像、将获取的图像存储设备上、执行软件处理算法、将结果传送到显示设备输出、控制切割组件执行指令，如此繁琐的工作内容，需要选择一台运算能力强的设备，在设计中选用了ThinkCentre E96x型号计算机。切割机构设于视觉识别区域上侧，包括激光切割头4以及第三移动组件5，第三移动组件5采用传送带传动以及滑轨滑槽滑动，实现激光切割头4能平行于视觉识别区域进行两个方向上移动，或者说以视觉识别区域中心C为原点，设置x-y轴，激光切割头4能平行于x轴或y轴移动。

基于上述实施例中的一种基于视觉的切割装置，本发明还提供另一种实施例：一种基于视觉的切割装置的切割方法：

在计算机处理设备先输入需要工件的原始数据包括工件的形状、长度、宽度、面积、周长等等几何数据以及待切割区域的形状、颜色、长度、宽度等等数据，并将这些数据处理成点坐标预设数据。

工件达到视觉识别区域时，视觉识别单元对获取采样信息，具体为第一视觉识别区域对非切割区域工件的图像信息获取；第二视觉识别区域对待切割的区域（在加工前对工件部分区域设定的切割模板例如图案、花纹等，与工件其他部分有明显差异）的图像信息获取。工件上的待切割区域与非切割区域的颜色、形状等物理性质，甚至在特定工况下，材质也具有不同，反光程度也差异，所以设定第一视觉识别区域和第二视觉识别区域，分别对待切割区域与非切割区域进行图像获取，使得图像获取过程有针对性，提高获取的效率以及获取质量。

在进一步的实施例中，获取图像信息完毕后，视觉识别单元将信息传送至计算机处理单元；计算机处理单元接收、处理和储存信息，其中包括对获取信息的坐标化处理。

坐标化处理具体为：设定以视觉识别区域的中心点C为原点设置x-y二维坐标轴，设定N为视觉识别区域的任意一点，其空间坐标为（x，y），D1、D2为视场交汇的两个CCD摄像机，其光轴汇聚点与y轴相交，交点为原点C，两个CCD摄像机相对于识别区域的中心点C对称放置，则光轴与y轴的夹角相等，设夹角为µ；S为基线长度，N点两个CCD摄像机上成像点坐标分别为x1，x2，f为摄像机焦距；则N点的坐标（x，y）满足以下公式：

在进一步的实施例中，设定预设数据为O、预设第一区域信息为O1、预设第二区域信息为O2，采集获取坐标点信息为P、第一区域信息为P1、第二区域信息为P2；第一视觉识别区域获取的非切割区域工件图像信息经坐标化后为第一区域信息；第二视觉识别区域获得的待切割区域的图像信息为第二区域信息；

O、 O1 、O2、P、P1、P2满足以下关系：O= O1 +O2，P=P1+P2；

判断P与O是否相同：若P与O相同，表示视觉识别单元采集获取的图像信息完整，第一视觉识别区域和第二视觉识别区域不需要再进行采集获取图像信息；

若P与O不同，表示视觉识别单元采集获取的图像信息不完整（也即信息缺失），则进一步判断P1与O1是否相同：若P1与O1相同，表示第一视觉识别区域采集获取的信息完整，则判断第二视觉识别区域采集获取的信息不完整，第一视觉识别区域不需要重新采集获取信息，第二视觉识别区域重新采集获取信息；

若P1与O1不同，表示第一视觉识别区域采集获取的信息不完整，进一步判断P2与O2是否相同：若P2与O2相同，表示第二视觉识别区域采集获取的信息完整，则第一视觉识别区域需要重新采集获取信息，第二视觉识别区域不需要重新采集获取信息；若P2与O2不同，表示第二视觉识别区域采集获取的信息不完整，则第一视觉识别区域和第二视觉识别区域皆需要重新采集获取信息。换言之，比较结果为以下三种情况：

第一种情况（无数据差异）：第一区域信息以及第二区域信息与预设数据相同（或者在设定的误差范围内），计算机处理设备发出第一指令，也即将处理后的采样坐标化数据转化成焊接头运动轨迹指令，并发送至切割组件上，激光切割头4对工件进行切割。

第二种情况（两区域数据皆有差异）：第一区域信息以及第二区域信息皆与预设数据不同，也即第一区域信息和第二区域信息有缺失，计算机处理设备发出第二指令，也即对根据采样数据与预设数据的差异，向视觉识别单元发出指令，对第一区域信息以及第二区域信息继续重新获取信息，计算机处理单元再次接收、处理、储存信息以及与预设数据比较。

第三种情况（仅一个区域数据有差异）：仅第一区域信息或第二区域信息用于预设数据不同，也即第一区域信息或第二区域信息有缺失，计算机处理设备发出第三指令，也即对根据采样数据与预设数据的差异，向视觉识别单元发出指令，对第一区域信息或第二区域信息继续重新获取信息，计算机处理单元再次接收、处理、储存信息以及与预设数据比较。在启动切割机构工作前，将获取的图像信息全部转化成坐标信息，并将坐标信息与预设数据反复比较，直至获取信息与预设数据一致再进行切割，使得激光切割头4每一次的切割点都与预定点相同，提高了切割的精准度，避免切割过程中因切割有误而造成的不能补正的损失。

在一些工况下，待切割区域的图案由直线与曲线组成，计算机处理单元将图像信息提取成若干个坐标点，由两两坐标点相连的线段，组成的曲线图案是不平滑的，为了进一步提高切割的精准度，设计以下技术方案：

在进一步的实施例中，在步骤二还包括：将提取到的部分坐标点信息，也即曲线部分的坐标点信息进行样条曲线拟合，将两个相邻的曲线坐标点连线设定为弧线，曲线坐标点都落在局部的微小圆弧上；求出每个曲线坐标点的曲率kj，计算过程采用近似法求解，设第j个坐标点处的曲率半径为Wj，可近似为3个相邻数据点Rj-1，Rj和Rj+1的圆弧半径，则满足以下计算公式：

因此可得第j个坐标点的曲率为：

。

设定曲率临界值k，将曲率超过k的曲线坐标点设定为轮廓关键点，根据确定的轮廓关键点形成平滑曲线轮廓信息。k值若较小，将会产生较多的轮廓关键点，k值若较大，则难以控制曲线形状，为了能反应曲线的形状以及尽可能减少关键点的数量，k值取曲率平均值为临界值。

在进一步的实施例中，计算机处理单元将未进行曲线拟合的采样坐标点以及平滑曲线轮廓信息形成指令，将指令发送至切割机构上，激光切割头4根据指令进行切割。

在进一步的实施例中，图像预处理包括对CCD摄像机获取进来RGB真彩色图像，先进行灰度处理，然后对图像进行滤波处理，还需要对图像继续进行边缘检测、图像分割和形态学处理等预处理。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于视觉的切割装置，其特征在于，包括：

传送机构，用于实现工件自动化进料和出料；

视觉识别单元，用于实现获取工件图像信息；

计算机处理单元，用于实现接收、分析和储存信息，以及发出指令；

切割机构，用于实现工件的切割；切割时，计算机处理单元基于视觉识别单元获取的工件图像信息分析当前工件的形状特征，基于形状特征和待切割的信息输出执行指令。

2.一种采用如权利要求1所述基于视觉的切割装置的切割方法，其特征在于，包括：

步骤一：工件达到视觉识别区域时，视觉识别单元获取工件图像信息，并将工件图像信息传送至计算机处理单元；

步骤二：计算机处理单元接收、处理和存储信息，并与预设数据进行比较，根据比较结果，发出对应类型的执行指令；

步骤三：切割组件接收到执行指令，按照执行指令进行切割。

3.根据权利要求2所述的一种基于视觉的切割装置的切割方法，其特征在于：

所述步骤一中所述视觉识别区域包括第一视觉识别区域以及第二视觉识别区域，分别获取非切割区域工件的图像信息以及待切割区域的图像信息。

4.根据权利要求3所述的一种基于视觉的切割装置的切割方法，其特征在于：

所述步骤二包括对获取的图像信息进行坐标化处理，所述坐标化处理为：

设定以视觉识别区域的中心点C为原点设置x-y二维坐标轴，设定N为视觉识别区域的任意一点，其空间坐标为（x，y），D1、D2为视场交汇的两个CCD摄像机，其光轴汇聚点与y轴相交，交点为原点C，两个CCD摄像机相对于识别区域的中心点C对称放置，则光轴与y轴的夹角相等，设夹角为µ；S为基线长度，N点两个CCD摄像机上成像点坐标分别为x₁，x₂，则N点的坐标（x，y）满足以下公式：

f为摄像机焦距。

5.根据权利要求4所述的一种基于视觉的切割装置的切割方法，其特征在于：

所述步骤二中得到获取的坐标点信息与预设数据比较，具体为：

设定预设数据为O、预设第一区域信息为O1、预设第二区域信息为O2，获取坐标点信息为P、第一区域信息为P1、第二区域信息为P2；

第一视觉识别区域获取的非切割区域工件图像信息经坐标化后为第一区域信息；第二视觉识别区域获得的待切割区域的图像信息为第二区域信息；

O、 O1 、O2、P、P1、P2满足以下关系：O= O1 +O2，P=P1+P2；

判断P与O是否相同：若P与O相同，表示视觉识别单元获取的图像信息完整，第一视觉识别区域和第二视觉识别区域不需要再进行获取图像信息；

若P与O不同，表示视觉识别单元获取的图像信息不完整，则进一步判断P1与O1是否相同：若P1与O1相同，表示第一视觉识别区域获取的信息完整，则判断第二视觉识别区域获取的信息不完整，第一视觉识别区域不需要重新获取信息，第二视觉识别区域重新获取信息；

若P1与O1不同，表示第一视觉识别区域获取的信息不完整，进一步判断P2与O2是否相同：若P2与O2相同，表示第二视觉识别区域获取的信息完整，则第一视觉识别区域需要重新获取信息，第二视觉识别区域不需要重新获取信息；若P2与O2不同，表示第二视觉识别区域获取的信息不完整，则第一视觉识别区域和第二视觉识别区域皆需要重新获取信息。

6.根据权利要求4所述的一种基于视觉的切割装置的切割方法，其特征在于：

所述步骤二还包括：将获取到的曲线坐标点进行样条曲线拟合，将两个相邻的曲线坐标点连线设定为弧线，曲线坐标点都落在局部的微小圆弧上；求出每个曲线坐标点的曲率，设定曲率临界值k，将曲率超过k的坐标点设定为轮廓关键点，根据确定的轮廓关键点形成平滑曲线轮廓信息。

7.根据权利要求6所述的一种基于视觉的切割装置的切割方法，其特征在于：

所述计算机处理单元将未进行曲线拟合的坐标点以及平滑曲线轮廓信息形成指令，将指令发送至切割机构上，激光切割头根据指令进行切割。

8.根据权利要求2所述的一种基于视觉的切割装置的切割方法，其特征在于：

所述步骤二包括图像预处理，所述图像预处理包括对通过CCD摄像机获取进来的RGB真彩色图像进行灰度处理，然后对图像进行滤波处理。

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