CN115781060A - 一种基于图像自动识别的激光智能切割设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于图像自动识别的激光智能切割设备及方法，包括激光器、激光器外光路部分、切割头部分、工件夹具、第一摄像机、第二摄像机、XY二维移动模组、第一Z轴移动模组、第二Z轴移动模组和控制系统，第一摄像机固定在切割头部分上，切割头部分固定在第一Z轴移动模组上，用于安装待加工工件的工件夹具固定在XY二维移动模组上，第二摄像机设置在工件夹具的侧面并安装在第二Z轴移动模组上，第一摄像机和第二摄像机分别将拍摄的工件在XY平面内和竖直方向上的数据信息传输给控制系统。本发明可得到工件的全面三维数据，得到优化的切割控制数据，在提高切割效率的同时，可最大限度地提高原材料的利用率，减小材料损耗，且无过多的人工干预。

Description

一种基于图像自动识别的激光智能切割设备及方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种一种基于图像自动识别的激光智能切割设备及方法。

背景技术

激光切割技术由于切割速度快、切割质量好、噪音低，且可以无接触切割等优点，被广泛应用于金属和非金属材料的加工中，特别适用于不锈钢、铝合金、硬质合金、宝石等硬质材料的加工。激光切割加工时一般是激光切割设备先将加工成形的成品目标CAD图导入设备软件中，激光切割设备再根据该CAD图对材料进行加工，但该方法存在以下问题：（1）导图严重依赖人工，出错率高，效率低下；（2）毛坯利用率低，原材料损耗严重，尤其是贵重材料的激光切割加工，如钻石。因而需要自动化智能化程度更高的激光切割设备，根据材料的实际状况以及加工目标来进行切割的合理规划。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种通过引入两台摄像机获得工件的完整三维信息，更智能化和自动化，可减小材料损耗的基于图像自动识别的激光智能切割设备，以及使用该激光智能切割设备的方法。

一种基于图像自动识别的激光智能切割设备，包括激光器、激光器外光路部分、切割头部分、工件夹具、第一摄像机、第二摄像机、XY二维移动模组、第一Z轴移动模组、第二Z轴移动模组和控制系统，所述第一摄像机固定在所述切割头部分上，所述切割头部分固定在所述第一Z轴移动模组上并在第一Z轴移动模组的驱动下上下移动；所述工件夹具固定在所述XY二维移动模组上并在XY二维移动模组的驱动下在X轴和Y轴方向上移动，工件夹具用于安装待加工的工件，激光器产生的激光依次经所述激光器外光路部分和切割头部分后形成激光束对工件夹具上的工件进行加工，激光器外光路部分射出可用于切割加工的高斯光束。所述第二摄像机设置在所述工件夹具的侧面，并安装在所述第二Z轴移动模组上并在第二Z轴移动模组的驱动下上下移动；所述控制系统分别与所述激光器、切割头部分、工件夹具、第一摄像机、第二摄像机、XY二维移动模组、第一Z轴移动模组和第二Z轴移动模组相连以进行控制，所述第一摄像机和第二摄像机分别将拍摄的工件在XY平面内和竖直方向上的数据信息传输给所述控制系统。

进一步优化的技术方案是，所述切割头部分包括全反射镜、分色镜和聚焦镜，所述全反射镜与分色镜呈45°角设置且相互平行，所述聚焦镜水平设置且位于所述分色镜的正下方，所述激光器外光路部分竖直射出的光线依次经全反射镜反射、分色镜分光后到达所述聚焦镜处聚焦成高能量密度的激光束。分色镜在反射光线的同时，第一摄像机也可以透过镜头观察加工工件的状态而不受分色镜的影响。

进一步优化的技术方案是，所述第一摄像机设置在所述分色镜的正上方，镜头一般为圆形，第一摄像机的镜头与聚焦镜同轴设置，第一摄像机除了用于扫描工件在XY平面内的数据信息，还用于寻找激光聚焦后的焦点位置，可辅助判断激光聚焦的焦点位置。设备工作时可通过第一摄像机寻找工件上参考面/点最清晰的位置将其定义为激光焦点位置，激光束在焦点处加工时效果最佳。

进一步优化的技术方案是，所述工件夹具包括安装座、第一旋转电机、旋转支架、第二旋转电机和治具，所述第一旋转电机和旋转支架安装在所述安装座上，所述第一旋转电机与旋转支架驱动连接，第一旋转电机驱动旋转支架相对于安装座摆动，所述第二旋转电机和治具安装在旋转支架上，第二旋转电机与治具驱动连接，第二旋转电机驱动治具相对于旋转支架转动，待加工工件安装在所述治具上，并在第一旋转电机和第二旋转电机的驱动下在三维方向上运动。第一旋转电机、第二旋转电机、XY二维移动模组和第二Z轴移动模组的相互配合，可以获取工件的完整三维数据。

进一步优化的技术方案是，所述旋转支架的转轴垂直于所述治具的转轴。

进一步优化的技术方案是，还包括冷却系统和气源系统，所述冷却系统包括冷却水箱，所述冷却水箱通过水管与所述激光器相连，用于对激光器进行冷却，保证激光器的正常工作；所述气源系统提供干燥清洁的压缩空气，并通过气管将压缩空气引至工件夹具处，对工件的切割部位进行冷却，并及时排出切割产生的碎屑。

进一步优化的技术方案是，还包括抽尘系统，所述抽尘系统用于及时将切割产生的粉尘排到设备外部，保持设备内部的清洁。

进一步优化的技术方案是，所述控制系统包括图像识别模块、数据重构模块和切割规划模块，所述图像识别模块用于根据第一摄像机和第二摄像机传输的数据生成待加工工件的三维数据信息；所述数据重构模块用于将生成待加工工件的三维数据信息与目标成品的三维数据信息对比，生成待加工工件的切片信息，满足原材料损耗小的需求；所述切割规划模块用于根据生成的切片信息，自动规划生成激光的切割轨迹数据。除此之外，还包括常规的控制模块，控制模块包括控制各运动轴（XY二维移动模组、第一Z轴移动模组、第二Z轴移动模组）的动作、控制激光器发射和关闭激光、冷却水箱的工作与否、气源系统的开启和关闭、抽尘系统的开启和关闭、设备照明灯的开启与关闭、摄像机（第一摄像机和第二摄像机）光源的开启和关闭。

进一步优化的技术方案是，所述切割轨迹数据主要是对激光和工件进行控制，主要包括激光控制数据和工件运动控制数据。激光控制数据主要有激光的脉冲宽度、脉冲频率、占空比、输入电流等，控制器将激光控制数据发送给激光器，激光器按照设定的程序射出对应的激光束。工件运动控制数据包括对XY二维移动模组、第一Z轴移动模组、第一旋转电机和第二旋转电机的控制数据，通过对这些设备的控制，使得激光切割点和工件按照程序到达规划的位置。

一种采用上述基于图像自动识别的激光智能切割设备的方法，包括如下步骤：

S1、将待加工工件装夹在工件夹具上，通过第一Z轴移动模组调节第一摄像机的位置，使工件在第一摄像机的工作范围内，再通过XY二维移动模组调节工件的水平位置，进一步使工件位于第一摄像机的工作范围内，然后通过XY二维移动模组的移动，第一摄像机获取工件在XY平面内的图像数据并上传至控制系统；同时，通过XY二维移动模组、第二Z轴移动模组和工件夹具的运动，使工件侧面的不同角度位于第二摄像机的工作范围内，第二摄像机获取工件在Z轴方向上的图像数据上传至控制系统；

S2、控制系统对获得的在Y平面内和Z轴方向上的图像数据进行自动识别与处理，生成工件的三维数据信息，将工件的三维数据信息与目标成品的三维数据信息对比，生成待加工工件的切片信息，满足原材料损耗小的需求；

S3、控制系统根据工件的切片信息，自动规划生成激光的切割轨迹数据；

S4、根据切割轨迹数据对工件自动进行加工。

本发明激光智能切割设备通过引入视觉系统，且该视觉系统包括可拍摄水平面的第一摄像机和可拍摄竖直面的第二摄像机，并配合可在三维方向上运动的工件夹具以及XY二维移动模组，可得到工件的全面三维数据，通过将其与目标三维数据比对，得到切割控制数据，在提高切割效率的同时，可最大限度地提高原材料的利用率，减小材料损耗，且无过多的人工干预，成品的准确率也可极大提高。

附图说明

图1为本发明实施例的结构框图。

图2为本发明实施例中工件夹具的结构示意图。

图3为本发明实施例切割方法的流程示意图。

附图标记：1-激光器；2-激光器外光路部分；3-第一Z轴移动模组；4-切割头部分；5-第一摄像机；6-XY二维移动模组；7-工件夹具；8-第二摄像机；9-第二Z轴移动模组；10-工件；11-控制系统；12-冷却系统；13-气源系统；14-抽尘系统；41-全反射镜；42-分色镜；43-聚焦镜；71-安装座；72-第一旋转电机；73-旋转支架；74-第二旋转电机；75-治具；751-工件固定面。

具体实施方式

一种基于图像自动识别的激光智能切割设备，如图1所示，包括激光器1、激光器外光路部分2、切割头部分4、工件夹具7、第一摄像机5、第二摄像机8、XY二维移动模组6、第一Z轴移动模组3、第二Z轴移动模组9和控制系统11，所述第一摄像机5固定在所述切割头部分4上，所述切割头部分4固定在所述第一Z轴移动模组3上并在第一Z轴移动模组3的驱动下上下移动；所述工件夹具7固定在所述XY二维移动模组6上并在XY二维移动模组6的驱动下在X轴和Y轴方向上移动，工件夹具7用于安装待加工的工件10，激光器1产生的激光依次经所述激光器外光路部分2和切割头部分4后形成激光束对工件夹具7上的工件10进行加工，激光器外光路部分射出可用于切割加工的高斯光束。所述第二摄像机8设置在所述工件夹具7的侧面，并安装在所述第二Z轴移动模组9上并在第二Z轴移动模组9的驱动下上下移动；所述控制系统11分别与所述激光器1、切割头部分4、工件夹具7、第一摄像机5、第二摄像机8、XY二维移动模组6、第一Z轴移动模组3和第二Z轴移动模组9相连以进行控制，所述第一摄像机5和第二摄像机8分别将拍摄的工件在XY平面内和竖直方向上的数据信息传输给所述控制系统11。XY二维移动模组6、第一Z轴移动模组3和第二Z轴移动模组9可采用现有的直线移动模组，如电缸、电机皮带结构、气缸等结构形式，其中XY二维移动模组6包括两个垂直设置的直线模组。XY二维移动模组6上可安装多个工件夹具7，一个工件夹具7上也可安装多个工件，通过XY二维移动模组6可将多个工件一一移动至切割位置进行拍摄和加工。

作为其中一种实施方式，本实施例中，所述切割头部分4包括全反射镜41、分色镜42和聚焦镜43，所述全反射镜41与分色镜42呈45°角设置且相互平行，所述聚焦镜43水平设置且位于所述分色镜42的正下方，所述激光器外光路部分2竖直射出的光束依次经全反射镜41反射、分色镜42分光后到达所述聚焦镜43处，由聚焦镜43聚焦成落在工件上的高能量密度的激光束。分色镜42在反射光线的同时，第一摄像机5也可以透过镜头观察加工工件的状态而不受分色镜42的影响。

本实施例中，所述第一摄像机5设置在所述分色镜42的正上方，镜头一般为圆形，第一摄像机5的镜头与聚焦镜43同轴设置，第一摄像机5除了用于扫描工件在XY平面内的数据信息，还用于寻找激光聚焦后的焦点位置，可辅助判断激光聚焦的焦点位置。设备工作时可通过第一摄像机5寻找工件上参考面/点最清晰的位置将其定义为激光焦点位置，激光束在焦点处加工时效果最佳。

为了对工件的各个面进行拍摄和加工，需将工件夹具7设置成可运动结构，作为其中一种实施方式，如图2所示，所述工件夹具7包括安装座71、第一旋转电机72、旋转支架73、第二旋转电机74和治具75，所述第一旋转电机72和旋转支架73安装在所述安装座71上，所述第一旋转电机72与旋转支架73驱动连接，第一旋转电机72驱动旋转支架73相对于安装座71摆动，所述第二旋转电机74和治具75安装在旋转支架73上，第二旋转电机74与治具75驱动连接，第二旋转电机74驱动治具75相对于旋转支架73转动，待加工工件10安装在所述治具75上，并在第一旋转电机72和第二旋转电机74的驱动下在三维方向上运动。治具75上设置工件固定面751，工件10可通过粘贴、夹爪、吸盘等形式固定在工件固定面751上。第一旋转电机72、第二旋转电机74、XY二维移动模组6和第二Z轴移动模组9的相互配合，可以获取工件的完整三维数据。

本实施例中，第一旋转电机72和第二旋转电机74的输出轴相互垂直，第二旋转电机74可通过齿轮或同步带的形式与治具驱动连接，使得所述旋转支架73的转轴垂直于所述治具75的转轴，使得工件的不同部位均可转至切割位置处进行加工。

本实施例的激光智能切割设备还包括冷却系统12、气源系统13和抽尘系统14，所述冷却水箱通过水管与所述激光器1相连，用于对激光器1进行冷却，保证激光器1的正常工作。所述气源系统13提供干燥清洁的压缩空气，并通过气管将压缩空气引至工件夹具7处，对工件的切割部位进行冷却，并及时排出切割产生的碎屑。所述抽尘系统14用于及时将切割产生的粉尘排到设备外部，保持设备内部的清洁。

所述控制系统11包括图像识别模块、数据重构模块和切割规划模块，所述图像识别模块用于根据第一摄像机5和第二摄像机8传输的数据生成待加工工件的三维数据信息；所述数据重构模块用于将生成待加工工件的三维数据信息与目标成品的三维数据信息对比，生成待加工工件的切片信息，满足原材料损耗小的需求；所述切割规划模块用于根据生成的切片信息，自动规划生成激光的切割轨迹数据。

除此之外，还包括常规的控制模块，控制模块包括控制各运动轴（XY二维移动模组、第一Z轴移动模组、第二Z轴移动模组）的动作、控制激光器发射和关闭激光、冷却水箱的工作与否、气源系统的开启和关闭、抽尘系统的开启和关闭、设备照明灯的开启与关闭、摄像机（第一摄像机和第二摄像机）光源的开启和关闭。

所述切割轨迹数据主要是对激光和工件进行控制，主要包括激光控制数据和工件运动控制数据。激光控制数据主要有激光的脉冲宽度、脉冲频率、占空比、输入电流等，控制器将激光控制数据发送给激光器，激光器按照设定的程序射出对应的激光束。工件运动控制数据包括对XY二维移动模组、第一Z轴移动模组、第一旋转电机和第二旋转电机的控制数据，通过对这些设备的控制，使得激光切割点和工件按照程序到达规划的位置。

一种采用上述基于图像自动识别的激光智能切割设备的方法，如图3，包括如下步骤：

S1、将待加工工件装夹在工件夹具7上，通过第一Z轴移动模组3调节第一摄像机5的位置，使工件在第一摄像机5的工作范围内，再通过XY二维移动模组6调节工件的水平位置，进一步使工件位于第一摄像机5的工作范围内，然后通过XY二维移动模组6的移动，第一摄像机5获取工件在XY平面内的图像数据并上传至控制系统11；同时，通过XY二维移动模组6、第二Z轴移动模组9和工件夹具7的运动，使工件侧面的不同角度位于第二摄像机8的工作范围内，第二摄像机8获取工件在Z轴方向上的图像数据上传至控制系统11；

S2、控制系统11对获得的在Y平面内和Z轴方向上的图像数据进行自动识别与处理，生成工件的三维数据信息，将工件的三维数据信息与目标成品的三维数据信息对比，生成待加工工件的切片信息，满足原材料损耗小的需求；

S3、控制系统11根据工件的切片信息，自动规划生成激光的切割轨迹数据；

S4、根据切割轨迹数据对工件自动进行加工。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种基于图像自动识别的激光智能切割设备，其特征在于，包括激光器、激光器外光路部分、切割头部分、工件夹具、第一摄像机、第二摄像机、XY二维移动模组、第一Z轴移动模组、第二Z轴移动模组和控制系统，所述第一摄像机固定在所述切割头部分上，所述切割头部分固定在所述第一Z轴移动模组上并在第一Z轴移动模组的驱动下上下移动；所述工件夹具固定在所述XY二维移动模组上并在XY二维移动模组的驱动下在X轴和Y轴方向上移动，工件夹具用于安装待加工的工件，激光器产生的激光依次经所述激光器外光路部分和切割头部分后形成激光束对工件夹具上的工件进行加工；所述第二摄像机设置在所述工件夹具的侧面，并安装在所述第二Z轴移动模组上并在第二Z轴移动模组的驱动下上下移动；所述控制系统分别与所述激光器、切割头部分、工件夹具、第一摄像机、第二摄像机、XY二维移动模组、第一Z轴移动模组和第二Z轴移动模组相连以进行控制，所述第一摄像机和第二摄像机分别将拍摄的工件在XY平面内和竖直方向上的数据信息传输给所述控制系统。

2.根据权利要求书1所述的一种基于图像自动识别的激光智能切割设备，其特征在于，所述切割头部分包括全反射镜、分色镜和聚焦镜，所述全反射镜与分色镜呈45°角设置且相互平行，所述聚焦镜水平设置且位于所述分色镜的正下方，所述激光器外光路部分竖直射出的光线依次经全反射镜反射、分色镜分光后到达所述聚焦镜处聚焦成高能量密度的激光束。

3.根据权利要求书2所述的一种基于图像自动识别的激光智能切割设备，其特征在于，所述第一摄像机设置在所述分色镜的正上方，且其镜头与聚焦镜同轴设置，第一摄像机工作时还用于寻找激光聚焦后的焦点位置。

4.根据权利要求书1所述的一种基于图像自动识别的激光智能切割设备，其特征在于，所述工件夹具包括安装座、第一旋转电机、旋转支架、第二旋转电机和治具，所述第一旋转电机和旋转支架安装在所述安装座上，所述第一旋转电机与旋转支架驱动连接，第一旋转电机驱动旋转支架相对于安装座摆动，所述第二旋转电机和治具安装在旋转支架上，第二旋转电机与治具驱动连接，第二旋转电机驱动治具相对于旋转支架转动，待加工工件安装在所述治具上，并在第一旋转电机和第二旋转电机的驱动下在三维方向上运动。

5.根据权利要求书4所述的一种基于图像自动识别的激光智能切割设备，其特征在于，所述旋转支架的转轴垂直于所述治具的转轴。

6.根据权利要求书1所述的一种基于图像自动识别的激光智能切割设备，其特征在于，还包括冷却系统和气源系统，所述冷却系统包括冷却水箱，所述冷却水箱通过水管与所述激光器相连，用于对激光器进行冷却，保证激光器的正常工作；所述气源系统提供干燥清洁的压缩空气，并通过气管将压缩空气引至工件夹具处，对工件的切割部位进行冷却，并及时排出切割产生的碎屑。

7.根据权利要求书1所述的一种基于图像自动识别的激光智能切割设备，其特征在于，还包括抽尘系统，所述抽尘系统用于及时将切割产生的粉尘排到设备外部，保持设备内部的清洁。

8.根据权利要求书1所述的一种基于图像自动识别的激光智能切割设备，其特征在于，所述控制系统包括图像识别模块、数据重构模块和切割规划模块，所述图像识别模块用于根据第一摄像机和第二摄像机传输的数据生成待加工工件的三维数据信息；所述数据重构模块用于将生成待加工工件的三维数据信息与目标成品的三维数据信息对比，生成待加工工件的切片信息，满足原材料损耗小的需求；所述切割规划模块用于根据生成的切片信息，自动规划生成激光的切割轨迹数据。

9.根据权利要求书8所述的一种基于图像自动识别的激光智能切割设备，其特征在于，所述切割轨迹数据包括激光控制数据和工件运动控制数据，所述激光控制数据包括激光的脉冲宽度、脉冲频率、占空比和输入电流，所述工件运动控制数据包括对XY二维移动模组、第一Z轴移动模组、第一旋转电机和第二旋转电机的控制数据。

10.一种采用权利要求1至9任一项所述的基于图像自动识别的激光智能切割设备的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将待加工工件装夹在工件夹具上，通过第一Z轴移动模组调节第一摄像机的位置，使工件在第一摄像机的工作范围内，再通过XY二维移动模组调节工件的水平位置，进一步使工件位于第一摄像机的工作范围内，然后通过XY二维移动模组的移动，第一摄像机获取工件在XY平面内的图像数据并上传至控制系统；同时，通过XY二维移动模组、第二Z轴移动模组和工件夹具的运动，使工件侧面的不同角度位于第二摄像机的工作范围内，第二摄像机获取工件在Z轴方向上的图像数据上传至控制系统；

S2、控制系统对获得的在Y平面内和Z轴方向上的图像数据进行自动识别与处理，生成工件的三维数据信息，将工件的三维数据信息与目标成品的三维数据信息对比，生成待加工工件的切片信息，满足原材料损耗小的需求；

S3、控制系统根据工件的切片信息，自动规划生成激光的切割轨迹数据；

S4、根据切割轨迹数据对工件自动进行加工。

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