CN115194290A - 一种数控火焰切割机参数控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及火焰切割机的参数控制技术领域，具体涉及一种数控火焰切割机参数控制方法，该方法采集火焰切割机喷出火焰的火焰图像；获取每张火焰图像的暗通道图像，以得到喷嘴区域和火花区域，对暗通道图像进行超像素分割，得到分割后的第一图像，分析第一图像得到喷嘴运动方向，对火花区域进行边缘检测，根据边缘像素点与喷嘴区域的中心点之间的连接线确认火花方向；结合喷嘴运动方向和火花方向的夹角确认火焰切割机的切割速度是否进行调整。通过图像监测火焰切割机的切割速度，以进行切割速度的实时调整，保障了切割效率及切割质量。

Description

一种数控火焰切割机参数控制方法

技术领域

本发明涉及火焰切割机的参数控制技术领域，具体涉及一种数控火焰切割机参数控制方法。

背景技术

目前在进行切割的时候，需要实时控制好切割机的各项参数，以避免由于切割材料的分布不均，使得在切割过程中导致所需切割参数的变化，进而使得实际参数与预设参数不符，进而导致切割效果不好，从而使得生产出带有质量缺陷的产品。

选取工艺参数时，切割的速度与工件厚度、割嘴型号、燃气种类等有关，切割的速度会随着工件的厚度变慢。通常情况，工作者需要与实际情况相结合选取切割速度，切割速度太快或者太慢都直接影响着切割的质量，甚至造成切割不透与母板粘连，故亟需一种可以实时调整切割速度的数控火焰切割机参数方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种数控火焰切割机参数控制方法，所采用的技术方案具体如下：

采集火焰切割机喷出火焰的两张火焰图像，所述两张火焰图像是由两个相互垂直的图像采集设备进行采集的；

获取每张火焰图像的暗通道图像，以得到喷嘴区域和火花区域；对每张暗通道图像进行超像素分割，得到分割后的第一图像，基于相邻帧的第一图像中的喷嘴区域，使用三步搜索法获取喷嘴运动方向；对火花区域进行边缘检测，根据边缘像素点与喷嘴区域的中心点之间的连接线确认火花方向；

结合喷嘴运动方向和火花方向的夹角确认火焰切割机的切割速度是否进行调整。

进一步的，所述喷嘴运动方向的获取方法，包括：

自适应根据第一图像中喷嘴区域的火焰调整超像素块的大小，得到优选超像素块的大小；

在优选超像素块的大小下，获取当前第一图像的相邻帧的最优第一图像，根据最优第一图像和当前第一图像中喷嘴区域的运动矢量，得到所述喷嘴运动方向。

进一步的，所述最优第一图像的获取方法，包括：

在最优超像素块的大小下使用三步搜索法在一对火焰图像中所获取的喷嘴区域的运动矢量，得到最大运动矢量，利用最大运动矢量得到对应火焰图像对应的位移指标，当位移指标大于位移指标阈值时，变换相邻帧数量，再计算位移指标；当位移指标小于位移指标阈值时，确认对应火焰图像的第一图像为最优第一图像。

进一步的，所述火花方向的获取方法，包括：

获取当前火花边缘线上每个边缘像素点与喷嘴区域的中心点之间的连线，得到对应边缘像素点的连线与水平方向之间的第一夹角；获取当前火花边缘线的两端点所形成的直线，得到直线与水平方向之间的第二夹角；

分别计算第一夹角与第二夹角之间的差值，根据差值得到当前火花边缘线为弹射火花的可能性指标，当可能性指标大于可能性阈值时，将当前火花边缘线进行删除，得到目标火花边缘线；

计算每个目标火花边缘线的平均灰度值和密度，将平均灰度值与密度之间的乘积作为对应目标火花边缘线的权重，对每个目标火花边缘线所对应的第二夹角进行加权求和得到火花方向。

进一步的，所述密度是指以当前目标火花边缘线的中心为窗口中心所对应的滑窗内，所包含火花边缘像素点的数量。

进一步的，所述结合喷嘴运动方向和火花方向的夹角确认火焰切割机的切割速度是否进行调整的方法，包括：

以喷嘴为原点o，以两个图像采集设备所对应的方向分别为X、Y轴，垂直X、Y轴为Z轴，构建o-XYZ直角坐标系,获取喷嘴运动方向与o-XYZ直角坐标系的水平方向之间的角度值，以及火花方向与o-XYZ直角坐标系的水平方向之间的角度值，计算这两个角度值之间的差值，当差值在阈值范围内，确认火焰切割机的切割速度为正常速度，否则，对所述切割速度进行调整。

本发明实施例至少具有如下有益效果：通过使用暗通道图像增加火焰图像所需内容对比度，使得获取火焰图像中高亮区域更加方便，使用自适应调节大小的超像素分割算法，使得在获取图像相邻帧时，可以保证图像的相邻帧图像可以明显观测到像素块的运动矢量，并且一定程度上减少计算量，最后通过图像监测火焰切割机的切割速度，保障了切割效率及切割质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明一个实施例提供的一种数控火焰切割机参数控制方法的步骤流程图；

图2为本发明所提供的火焰切割机的切割场景示意图；

图3为本发明所提供的o-xyz直角坐标系的示意图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种数控火焰切割机参数控制方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种数控火焰切割机参数控制方法的具体方案。

本发明所针对的具体场景为：在数控火焰切割机进行切割时，根据实时获取的图像调整切割速度。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种数控火焰切割机参数控制方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S001，采集火焰切割机喷出火焰的多对火焰图像，一对火焰图像是由两个相互垂直的图像采集设备进行采集的。

具体的，参照附图2，将相机放置到与切割板材同一水平位置，使得相机在拍摄时，即能拍摄到喷嘴喷出的火焰，又能拍摄到切割时产生的切割火花。其中，为了避免在一定角度下检测不出喷嘴位移的情况，使用相互在水平方向上相互垂直的两台摄像机同步进行上述拍摄，即每次拍摄获取两张火焰图像。

步骤S002，获取火焰图像的暗通道图像，以得到喷嘴区域和火花区域；对暗通道图像进行超像素分割，得到分割后的第一图像，基于第一图像中的碰嘴区域，使用三步搜索法获取第一图像的运动矢量，以得到喷嘴运动方向；对火花区域进行边缘检测，根据边缘像素点与喷嘴区域的中心点之间的连接线确认火花方向。

具体的，根据切割过程中产生的火花方向调整切割速度，即火焰切割机的切割速度可以根据切割产生的火焰方向进行判断，故需要根据连续图像，确定喷射火焰切割方向，进而判断火花方向与切割方向是否一致，从而判断切割速度是否需要调整。

根据采集的多对火焰图像，从火焰图像中获取切割区域，即喷嘴喷焰的高亮区域，结合相邻帧火焰图像进一步确定火焰图像中的高亮区域的运动方向，其实分析火焰图像得到火花喷射的方向信息，根据高亮区域的运动方向和火花喷射的方向信息确定火焰图像中火焰切割机的切割速度是否需要调整，具体操作为：

（1）获取火焰图像的暗通道图像，以得到高亮区域。

本方案是通过喷嘴区域、喷嘴火焰形成的高亮区域确定火焰图像中的喷嘴位置，但是由于喷嘴区域过亮，使得火焰图像中的机器本身以及切割板材等会因为高亮火焰产生高亮区域，进而导致在以此特征下进行寻找时，不易找到喷嘴区域。而在暗通道图像中，仅有一些表现为白色的像素点的暗通道像素点的灰度值为较高灰度值，而本方案中，切割时使用的火焰及产生的火花在拍摄获取的RGB图像中，对应三个通道中每个通道的颜色值都较高，故可以通过将获取的火焰图像转换成暗通道图像的方法，将绝大部分的干扰像素点进行去除，以便获取本方案仅需的喷嘴喷焰处的像素点信息以及火花处的像素点信息。故使用暗通道图像进行分析，极大的减少了火焰图像中获取喷嘴区域和火花区域的难度，使得在进行检测时，一定程度提高了检测的准确率。

其中，暗通道图像的获取方法为公知技术，本方案中不再赘述。

根据每张火焰图像的暗通道图像，获取该图像中的高亮区域：获取暗通道图像的灰度分布直方图，使用大津阈值法获取灰度阈值，利用灰度阈值对火焰图像进行分割，其中大于灰度阈值的像素点所组成的区域即为高亮区域。

（2）获取高亮区域中的喷嘴区域和火花区域。

使用语义分割分别获取高亮区域中的喷嘴区域和火花区域。其中，语义分割网络获取喷嘴区域使用ResNet神经网络模型：输入暗通道图像，输出为喷嘴图像即喷焰处的图像；打标签的方式为：将暗通道图像分为背景和喷焰两个区域，背景区域标记为0，喷焰区域标记为1。

同理，获取高亮区域中的火花区域。

（3）根据火焰图像中的喷嘴区域获取喷嘴运动方向。

喷嘴移动方向使用三步搜索法进行获取，并且在进行运动矢量的获取时，可以根据当前帧火焰图像的切割方向，对邻近帧火焰图像的切割方向进行初步预测，进而减少三步搜索法进行搜索的时间成本。

使用三步搜索法需要对大量像素点进行分析，故为了减少计算量，将获取的暗通道图像使用超像素分割，获取分割后的第一图像，然后使用三步搜索法获取第一图像的运动矢量，根据获取的运动矢量，确定喷嘴的运动方向。

需要说明的是，使用合适的超像素块尺度大小进行分割，使得获取的喷嘴区域在第一图像中尽量为一小簇像素块，此时再进行块匹配时，便可直接进行块匹配；为了使第一图像中喷嘴区域的像素块尽可能的少，故而需要调整超像素分割的尺度，使得喷嘴区域在进行块匹配时，有更高的匹配效率。

当第一图像中出现的喷嘴区域的超像素块越大，那么噪声像素块的干扰就越小，那么求得的超像素块的运动矢量就越真实。考虑到喷嘴区域进行超像素分割后，在其相邻帧对应的第一图像中不再能明显获取喷嘴区域的运动矢量，故需要更改进行超像素块的参考相邻帧图像，即需要参考时间间隔大的图像帧获取可以检测到运动的第一图像，但是所参考的图像帧越长，说明该系统反映时间越长，故考虑到实时性，所参考相邻帧图像越少越好。故选取相邻帧的优选第一图像的方法为：

i.自适应根据第一图像中喷嘴区域的火焰调整超像素块的大小，其中优选调整大小的计算公式为：

，其中，

为判断值，当

越小时，说明对应超像素的大小越可能为优选超像素大小，

为超像素块的大小，

为参考相邻帧的相邻时间，也即是参考相邻帧的时间间隔。

选取的超像素块越大，噪声对图像的影响越小，说明对应的超像素块的大小越好，并且后续图像再进行超像素分割时，使用与此同样的块大小进行分割，不用在进行重新选取优选分割大小。

ii.在超像素块的大小

下，获取相邻帧的最优第一图像的方法为：

其中，

为位移指标；

为在参考相邻h帧第一图像后，两个第一图像中获取的喷嘴的最大位移量；

表示向量

的模，即所求位移量越大，说明此时对应选取时间间隔越好。

位移指标越大，在进行检测时所获取的位移越可参考，因此设置阈值ψ=0.1，当W小于阈值ψ时，认为此时对应的相邻帧为优选相邻帧，若W大于阈值ψ时，则变换相邻帧数量，直至满足位移指标W小于阈值ψ的条件为止，其中，相邻帧数量的变换方法为：从h=1开始，每次变换相邻帧数量加一。

需要说明的是，时间间隔也即是参考相邻帧的数量。

其中，喷嘴区域的运动矢量

的计算公式为：

其中，

为在超像素块的大小

下使用三步搜索法在同时刻的一对火焰图像中所获取的喷嘴区域的运动矢量。然而考虑到在同一时刻下，火焰切割机的切割方向在一个角度下所检测得到的运动矢量小或检测不到运动情况，故需要获取同一时刻下两个角度中的最大运动矢量作为上述计算时的最终运动矢量。

需要说明的是，根据三步搜索法获取像素块的运动矢量为现有公知技术，本方案不再赘述。

（4）基于火花区域的边缘线确定火焰图像中的火花方向。

根据获取的暗通道图像，获取火花区域，对火花区域使用边缘检测，获取边缘图像，根据边缘图像获取火花方向：首先获取喷嘴区域的中心点，将此点标定在边缘图像中，然后获取每个边缘像素点与中心点的连线，以及边缘像素点所属火花边缘的两端点所形成的直线，计算连线与直线之间的角度差异，角度差异越小，说明此火花边缘越能代表火花方向，即由于火花在迸发时会因为碰到切割板材或机器进行反弹，这些火花是干扰火花，因此需要进行排除，则火花边缘为弹射火花的可能性指标

为：

其中，m表示火花边缘的像素点数量，

表示第i个边缘像素点与喷嘴区域的中心点的连线与水平方向的夹角；

为根据火花边缘线的两端像素点所获取两端像素点形成直线与水平方向的夹角。

设置阈值μ=0.5，当可能性指标

大于阈值μ时，便可将对应的火花边缘进行剔除，进而得到目标火花边缘。

由于火花是分散的，故需要根据火花方向以及火花密度确定能够代表火花方向的火花，以便能够获取图像中的火花的方向，则火花方向

的获取方法为：

其中，

表示目标火花边缘的数量，

表示第i个目标火花边缘线的两端像素点所形成直线与水平方向的角度，

表示为第i个目标火花边缘线所占权重，

与火花边缘灰度值以及密集程度相关。

权重

的获取方法为：

其中，

表示第i个目标火花边缘线的平均灰度值，即目标火花边缘线的平均灰度值越大，则说明其角度越能代表火花角度；

表示第i个目标火花边缘线的密度，其密度越大，说明其越能代表火花角度。

第i个目标火花边缘线的密度的获取方法为：通过计算边缘中心在一定窗口下所含像素块的数量的多少决定，本发明设置窗口大小为U*U，其中U=20，即在以第i个目标边缘线的中线为中点，周围大小U*U的窗口内所包含的火花边缘像素点的数量，即为密度，包含数量越多，说明此边缘线所处位置越密集。

步骤S003，结合喷嘴运动方向和火花方向的夹角确认火焰切割机的切割速度是否进行调整。

具体的，根据上述获取的喷嘴运动方向，以及火花相对于喷嘴的散射方向，即火花方向，通过比较喷嘴运动方向与火花方向是否垂直或稍稍向前进行判断，也即是判断火花方向与运动方向的夹角是否接近90度，其中具体判断方法如下：

参照附图3，根据火焰图像，以喷嘴为原点o，以两个相机互相垂直的两个角度分别为X、Y轴，垂直X、Y轴为Z轴，构建o-XYZ直角坐标系,其中oA即为喷嘴运动方向，oB即为火花方向，以点o、A、B三点构建平面o-AB，其中，

即为直线OA与该平面水平方向夹角的角度值，

即为直线OB与该平面水平方向夹角的角度值，计算

与

之间的差值，设置阈值范围为[75,95],当差值在阈值范围内，便可认为此时火焰切割机的切割速度为正常速度，否则，则说明火焰切割机的切割速度需要进行调整。

综上所述，本发明实施例提供了一种数控火焰切割机参数控制方法，该方法采集火焰切割机喷出火焰的火焰图像；获取每张火焰图像的暗通道图像，以得到喷嘴区域和火花区域，对暗通道图像进行超像素分割，得到分割后的第一图像，分析第一图像得到喷嘴运动方向，对火花区域进行边缘检测，根据边缘像素点与喷嘴区域的中心点之间的连接线确认火花方向；结合喷嘴运动方向和火花方向的夹角确认火焰切割机的切割速度是否进行调整。通过图像监测火焰切割机的切割速度，以进行切割速度的实时调整，保障了切割效率及切割质量。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种数控火焰切割机参数控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

采集火焰切割机喷出火焰的两张火焰图像，所述两张火焰图像是由两个相互垂直的图像采集设备进行采集的；

获取每张火焰图像的暗通道图像，以得到喷嘴区域和火花区域；对每张暗通道图像进行超像素分割，得到分割后的第一图像，基于相邻帧的第一图像中的喷嘴区域，使用三步搜索法获取喷嘴运动方向；对火花区域进行边缘检测，根据边缘像素点与喷嘴区域的中心点之间的连接线确认火花方向；

结合喷嘴运动方向和火花方向的夹角确认火焰切割机的切割速度是否进行调整。

2.如权利要求1所述的一种数控火焰切割机参数控制方法，其特征在于，所述喷嘴运动方向的获取方法，包括：

自适应根据第一图像中喷嘴区域的火焰调整超像素块的大小，得到优选超像素块的大小；

在优选超像素块的大小下，获取当前第一图像的相邻帧的最优第一图像，根据最优第一图像和当前第一图像中喷嘴区域的运动矢量，得到所述喷嘴运动方向。

3.如权利要求2所述的一种数控火焰切割机参数控制方法，其特征在于，所述最优第一图像的获取方法，包括：

在优选超像素块的大小下使用三步搜索法在一对火焰图像中所获取的喷嘴区域的运动矢量，得到最大运动矢量，利用最大运动矢量得到对应火焰图像对应的位移指标，当位移指标大于位移指标阈值时，变换相邻帧数量，再计算位移指标；当位移指标小于位移指标阈值时，确认对应火焰图像的第一图像为最优第一图像。

4.如权利要求1所述的一种数控火焰切割机参数控制方法，其特征在于，所述火花方向的获取方法，包括：

获取当前火花边缘线上每个边缘像素点与喷嘴区域的中心点之间的连线，得到对应边缘像素点的连线与水平方向之间的第一夹角；获取当前火花边缘线的两端点所形成的直线，得到直线与水平方向之间的第二夹角；

分别计算第一夹角与第二夹角之间的差值，根据差值得到当前火花边缘线为弹射火花的可能性指标，当可能性指标大于可能性阈值时，将当前火花边缘线进行删除，得到目标火花边缘线；

计算每个目标火花边缘线的平均灰度值和密度，将平均灰度值与密度之间的乘积作为对应目标火花边缘线的权重，对每个目标火花边缘线所对应的第二夹角进行加权求和得到火花方向。

5.如权利要求4所述的一种数控火焰切割机参数控制方法，其特征在于，所述密度是指以当前目标火花边缘线的中心为窗口中心所对应的滑窗内，所包含火花边缘像素点的数量。

6.如权利要求1所述的一种数控火焰切割机参数控制方法，其特征在于，所述结合喷嘴运动方向和火花方向的夹角确认火焰切割机的切割速度是否进行调整的方法，包括：

以喷嘴为原点o，以两个图像采集设备所对应的方向分别为X、Y轴，垂直X、Y轴为Z轴，构建o-XYZ直角坐标系,获取喷嘴运动方向与o-XYZ直角坐标系的水平方向之间的角度值，以及火花方向与o-XYZ直角坐标系的水平方向之间的角度值，计算这两个角度值之间的差值，当差值在阈值范围内，确认火焰切割机的切割速度为正常速度，否则，对所述切割速度进行调整。

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