CN116652419B - 一种基于视觉图像的盲孔加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于视觉图像的盲孔加工方法，涉及激光旋切钻孔以及盲孔反面对位穿孔加工领域，其技术方案要点是：通过相机识别技术，识别圆孔特征，结合XY轴二维移动平台，将盲孔特征准确定位到加工头下方要穿孔位置，进行激光穿孔。本发明解决了预制好的盲孔,激光反面穿孔过程中深小孔和异性孔对位问题，旋切加工孔的锥度可控问题，可在预制孔基础上高效率定位利用旋切激光束从工件反面进行微孔或异型孔加工，可加工零锥度，正负锥度异型孔，可加工小至1微米孔，且能够无视盲孔底孔的位置误差，提升了盲孔反面穿孔的精准度，简化了传统工艺流程，提升工作效率和产品质量，同时激光突破传统工艺，可加工高硬度和脆性材料。

Description

一种基于视觉图像的盲孔加工方法
技术领域
本发明涉及激光旋切钻孔以及盲孔反面对位制微孔和异型孔领域，更具体地说，它涉及一种基于视觉图像的盲孔加工方法。
背景技术
精密微孔加工涉及工艺过程极其复杂，不断挑战制造工具技术的极限。几毫米直径预制孔，且孔底部不平，在孔底部要钻一个几微米至几十微米的圆孔或异型孔，传统工艺方法无法做到。加工微孔过程中容易断刀，传统工艺采用人工钻微孔。圆微孔我们传统工艺通过人工手动钻孔，效率低，人工成本高。复杂异型孔传统电火花根本无法加工。
针对金属或非金属零件预制盲孔的穿微孔加工，目前市面上常用的盲孔加工方法包括人工手动钻孔，数控机床钻孔，电火花加工和超快激光加工，人工手动钻孔、电火花加工效率低，且电火花反面无法对中加工，数控机床钻孔易断刀深孔底部加工盲孔加长刀柄，加长刀柄稳定性差，超快激光加工反面无法对中以及正面加工远距离无法实现精密聚焦微细加工，非旋切加工形成不了可控锥度；微孔加工传统工艺效率低，人工成本高，异型孔难加工；电火花对小于50微米异型孔，加工工艺很难突破。
因此发明一种基于视觉图像的盲孔中穿微孔的加工方法，配合上激光旋切钻孔的超高效率，降低对中加工难度，进一步提升盲孔加工的效率，同时可开发出丰富的异型孔。解决了传统工艺效率低，人员培训难，复杂孔型难加工等一系列问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种基于视觉图像的盲孔背面激光快速穿孔的加工方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于视觉图像的盲孔加工方法，包括以下步骤：
S1、建立盲孔加工操作台，所述加工操作台包括激光器和加工头、加工平台、XY轴二维移动平台、工件以及相机，所述激光器与加工头可拆卸连接，所述加工头可上下移动，所述XY轴二维移动平台包括X轴滑台和Y轴滑台，所述工件一侧设有盲孔，所述相机嵌设于加工平台内部，所述相机可上下移动，所述加工平台、X轴滑台和Y轴滑台一侧均设有通孔，所述通孔位于相机上方；
S2、针对所述相机的视野中心建立平面坐标系，所述相机的视野中心点坐标为(0,0)；
S3、将所述工件放置于XY轴二维移动平台上方，所述盲孔位于通孔上方出现在相机的视野范围内，但工件盲孔中心并不在相机视野中心，使用相机采集工件图像，并通过相机轮廓识别并捕捉工件盲孔圆心，确定工件盲孔圆心坐标a(Xa,Ya)，同时计算出加工头中心坐标与相机视野中心坐标偏差值(ΔXb,ΔYb)；
S4、通过工件盲孔圆心坐标a(Xa,Ya)，计算出工件盲孔圆心距离相机视野中心偏差值ΔXa，ΔYa，并将计算出的偏差值(ΔXa，ΔYa)和偏差值(ΔXb,ΔYb)传输到XY轴二维移动平台，通过XY平台微调工件位置，可以准确的将工件移动到加工头下方实现对中加工。
本发明进一步设置为：所述激光器采用超快激光器，所述加工头采用激光旋切加工头。
本发明进一步设置为：所述步骤S3中加工头中心坐标与相机视野中心坐标偏差值(ΔXb,ΔYb)计算方法，包括以下步骤：
L1、将所述工件放置于XY轴二维移动平台上方，使用激光器发射激光束在工件预穿孔M；
L2、若孔M在相机视野范围内，使用相机采集并记录孔M当前坐标点b(Xm,Ym)，根据b点(Xm,Ym)至相机视野中心点(0,0)的距离计算出相机视野中心与旋切加工头的中心位偏差值(ΔXb,ΔYb)；
L3、若孔M不在相机视野范围内，使用XY轴二维移动平台将孔M移至相机视野范围内c点(Xc,Yc),根据c点(Xc,Yc)至相机视野中心点(0,0)的距离，再加上XY轴二维移动平台移动的距离计算出相机视野中心与旋切加工头的中心位偏差值(ΔXb,ΔYb)。
本发明进一步设置为：步骤S3中，所述圆心坐标a(Xa,Ya)获取采用的算法步骤如下：
M1、通过相机提供的API函数抓取图像。图像为BMP格式的位图文件；
M2、采用高斯模糊算法对图像进行降噪处理，滤除图像中本身存在的高频噪声，防止后续边缘提取算法计算得到错误的边缘；
M3、利用Canny边缘检测算法提取钻头刀痕曲线，所述Canny边缘检测的计算步骤如下：
1)用一阶偏导的有限差分来计算图像梯度的幅值和方向；
2)对梯度进行非极大值抑制；
3)用双阈值算法检测和连接边缘
M4、获取初步的边缘信息，设定边缘长度阀值，采用遍历计算法，筛选边缘长度大于阀值且形状为圆弧状的边缘曲线；
M5、筛选保留的边缘信息，采用最小二乘法对每个边缘采用圆弧进行拟合，并根据拟合的圆弧计算出该圆弧的圆心和半径；
M6、对计算出的每个圆弧的圆心求平均值，求得平均值后再剔除掉偏离平均值较大的圆弧，减小误差，然后再计算一次剩下的圆弧的圆心平均值，得到最终的圆心坐标值a(Xa,Ya)，其坐标以图片像素坐标系来表达。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明基于视觉图像的盲孔加工方法解决了激光加工盲孔过程中深小孔和异型孔对位问题，以及旋切加工锥度可控，可高效率定位对中从工件反面进行微孔或异型孔加工，可加工零锥度，正负锥度异型孔，可加工小至1微米孔，且能够无视盲孔底孔的位置误差，大大提升提升精准度。
附图说明
图1是本发明实施例结构示意图；
图2是本发明实施例截面示意图；
图3是本发明实施例相机的视野中心平面坐标系示意图；
图4是本发明实施例相机采集图像示意图；
图5是本发明实施例经过Canny边缘检测处理的图像示意图；
图6是本发明实施例经过遍历计算筛选后的图像示意图；
图7是本发明实施例经过圆弧拟合的图像示意图；
图8是本发明实施例圆心识别图像示意图。
图中：1、激光器；2、工件；201、盲孔；3、加工平台；4、X轴滑台；5、Y轴滑台；6、通孔；7、相机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的实施例及附图，对本发明的技术方案进行进一步详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
实施例：
如图1-图8所示，一种基于视觉图像的盲孔201加工方法，包括以下步骤：
S1、建立盲孔201加工操作台，所述加工操作台包括激光器1和加工头、加工平台3、XY轴二维移动平台、工件2以及相机7，所述激光器1与加工头可拆卸连接，所述加工头可上下移动，所述XY轴二维移动平台包括X轴滑台4和Y轴滑台5，所述工件2一侧设有盲孔201，所述相机7嵌设于加工平台3内部，所述相机7可上下移动，所述加工平台3、X轴滑台4和Y轴滑台5一侧均设有通孔6，所述通孔6位于相机7上方；
S2、针对所述相机7的视野中心建立平面坐标系，所述相机7的视野中心点坐标为(0,0)；
S3、将所述工件2放置于XY轴二维移动平台上方，所述盲孔201位于通孔6上方出现在相机7的视野范围内，但工件2盲孔201中心并不在相机7视野中心，使用相机7采集工件2图像，并通过相机7轮廓识别并捕捉工件2盲孔201圆心，确定工件2盲孔201圆心坐标a(Xa,Ya)，同时计算出加工头中心坐标与相机7视野中心坐标偏差值(ΔXb,ΔYb)；
S4、通过工件2盲孔201圆心坐标a(Xa,Ya)，计算出工件2盲孔201圆心距离相机7视野中心偏差值ΔXa，ΔYa，并将计算出的偏差值(ΔXa，ΔYa)和偏差值(ΔXb,ΔYb)传输到XY轴二维移动平台，通过XY平台微调工件2位置，可以准确的将工件2移动到加工头下方实现对中加工。
在本实施例中，相机7与XY轴二维移动平台电性连接，相机7拍摄视野会投放在XY轴二维移动平台操作终端，捕捉到工件2盲孔201外形轮廓，并通过相机7视野中心的平面坐标系，确定工件2盲孔201圆心坐标a(Xa,Ya)，再通过XY平台微调工件2位置；本发明不仅可以解决中深小孔对中，还可以解决异形孔对中问题，同时还能实现群孔对中，加工头的上下移动用于控制加工深度，相机7的上下运动为相机7自带功能，自动调节焦距，便于成像清晰；
图像采集原理：通过相机7自带的光源照射进工件2盲孔201内，反射后回到相机7成像，从而实现盲孔201内部图像的采集，采集图像如图4。
在实际生产加工过程中，工件2盲孔201初始加工时，刀头接触工件2前定位已经十分精准，但由于刀头接触到工件2转孔过程中，刀头会产生变形，导致工件2盲孔201内部会存在非常小的偏移，产生初始误差，本发明对已经产生初始误差的工件2盲孔201，可以无视其初始误差，仅针对盲孔201口圆心对中。
激光器1采用超快光纤激光器1，加工头采用旋切加工头。
在本实施例中，采用超快激光技术，能够实现微孔小于30微米和各类异型孔加工，旋切加工头可克服传统非旋切加工锥度不可控的问题；
激光器1配合旋切加工头，实现激光旋切，可改变激光光束与材料夹角，同时激光光束可围绕自身高速旋转，以达到消除传统激光垂直钻孔有锥度，以及孔壁粗糙度高等缺陷。
步骤S3中加工头中心坐标与相机7视野中心坐标偏差值(ΔXb,ΔYb)计算方法，包括以下步骤：
L1、将所述工件2放置于XY轴二维移动平台上方，使用激光器1发射激光束在工件2预穿孔M；
L2、若孔M在相机7视野范围内，使用相机7采集并记录孔M当前坐标点b(Xm,Ym)，根据b点(Xm,Ym)至相机7视野中心点(0,0)的距离计算出相机7视野中心与旋切加工头的中心位偏差值(ΔXb,ΔYb)；
L3、若孔M不在相机7视野范围内，使用XY轴二维移动平台将孔M移至相机7视野范围内c点(Xc,Yc),根据c点(Xc,Yc)至相机7视野中心点(0,0)的距离，再加上XY轴二维移动平台移动的距离计算出相机7视野中心与旋切加工头的中心位偏差值(ΔXb,ΔYb)。
在本实施例中，安装加工头时，会将加工头安装在相机7正上方，但是由于是人工安装，可能会存在偏移，因此需要计算此偏差值，避免偏差值影响后续加工作业。
图像存在如下特点：图像中存在转头打盲孔201时留下的刀痕，刀痕呈现位圆形；图形中存在很多的铁屑等污染，对图像质量产生了比较大的影响。
步骤S3中，所述圆心坐标a(Xa,Ya)获取采用的算法步骤如下：
M1、通过相机7提供的API函数抓取图像。图像为BMP格式的位图文件；
M2、采用高斯模糊算法对图像进行降噪处理，滤除图像中本身存在的高频噪声，防止后续边缘提取算法计算得到错误的边缘；
M3、利用Canny边缘检测算法提取钻头刀痕曲线，如图5所示，Canny边缘检测的计算步骤如下：
1)用一阶偏导的有限差分来计算图像梯度的幅值和方向；
2)对梯度进行非极大值抑制；
3)用双阈值算法检测和连接边缘；
M4、如图6所示，此时获得了初步的边缘信息，该边缘信息包含了大量的对定位无用的信息。需要去除无效边缘。这里采用边缘长度来筛选有效边缘。通过遍历计算每个边缘的长度，如果边缘长度大于设定的阈值则认为边缘有效，否则认为无效。经过筛选后，只保留了比较长且为圆弧状的边缘曲线；
M5、如图7所示，筛选保留的边缘信息，采用最小二乘法对每个边缘采用圆弧进行拟合，并根据拟合的圆弧计算出该圆弧的圆心和半径；
M6、如图8所示，对计算出的每个圆弧的圆心求平均值，求得平均值后再剔除掉偏离平均值较大的圆弧，减小误差，然后再计算一次剩下的圆弧的圆心平均值，得到最终的圆心坐标值a(Xa,Ya)，其坐标以图片像素坐标系来表达。
部分图像圆心识别得核心代码
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种基于视觉图像的盲孔加工方法，其特征是：包括以下步骤：
S1、建立盲孔(201)加工操作台，所述加工操作台包括激光器(1)和激光加工头、加工平台(3)、XY轴二维移动平台、工件(2)以及相机(7)，所述激光器(1)与激光加工头可拆卸连接，所述激光加工头可上下移动，所述XY轴二维移动平台包括X轴滑台(4)和Y轴滑台(5)，所述工件(2)一侧设有盲孔(201)，所述相机(7)嵌设于加工平台(3)内部，所述相机(7)可上下移动，所述加工平台(3)、X轴滑台(4)和Y轴滑台(5)一侧均设有通孔(6)，所述通孔(6)位于相机(7)上方；
S2、针对所述相机(7)的视野中心建立平面坐标系，所述相机(7)的视野中心点坐标为(0,0)；
S3、将所述工件(2)放置于XY轴二维移动平台上方，所述盲孔(201)位于通孔(6)上方出现在相机(7)的视野范围内，但工件(2)盲孔(201)中心并不在相机(7)视野中心，使用相机(7)采集工件(2)图像，并通过相机(7)轮廓识别并捕捉工件(2)盲孔(201)圆心，确定工件(2)盲孔(201)圆心坐标a(Xa,Ya)，同时计算出激光加工头中心坐标与相机(7)视野中心坐标偏差值(ΔXb,ΔYb)；
S4、通过激光加工头正下方工件(2)盲孔(201)圆心坐标a(Xa,Ya)，计算出工件(2)盲孔(201)圆心距离相机(7)视野中心偏差值(ΔXa，ΔYa)，并将计算出的偏差值(ΔXa，ΔYa)和偏差值(ΔXb,ΔYb)传输到XY轴二维移动平台，通过XY平台微调工件(2)位置，可以准确的将工件(2)移动到加工头下方实现对位加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉图像的盲孔加工方法，其特征是：所述激光器(1)采用超快激光器，所述激光加工头采用激光旋切加工头。
3.根据权利要求2所述的一种基于视觉图像的盲孔加工方法，其特征是：所述步骤S3中加工头中心坐标与相机(7)视野中心坐标偏差值(ΔXb,ΔYb)计算方法，包括以下步骤：
L1、将所述工件(2)放置于XY轴二维移动平台上方，使用激光器(1)发射激光束经过调制光路至激光加工头在工件(2)预穿孔M；
L2、若孔M在相机(7)视野范围内，使用相机(7)采集并记录孔M当前坐标点b(Xm,Ym)，根据b点(Xm,Ym)至相机(7)视野中心点(0,0)的距离计算出相机(7)视野中心与旋切加工头的中心位偏差值(ΔXb,ΔYb)，由此标定好，相机与激光加工头的相对位置，结合工件群孔自身相对位置特征信息，孔M在视野范围内，可由相机程序和数控系统计算孔中心位置与激光加工头相对位置，实现工件自动化群盲孔激光背面穿孔；
L3、若孔M不在相机(7)视野范围内，使用XY轴二维移动平台将孔M移至相机(7)视野范围内c点(Xc,Yc),根据c点(Xc,Yc)至相机(7)视野中心点(0,0)的距离，再加上XY轴二维移动平台移动的距离计算出相机(7)视野中心与旋切加工头的中心位偏差值(ΔXb,ΔYb)，群孔加工程式同L2。
4.根据权利要求1所述的一种基于视觉图像的盲孔加工方法，其特征是：步骤S3中，所述圆心坐标a(Xa,Ya)获取采用的算法步骤如下：
M1、通过相机提供的API函数抓取图像，图像为BMP格式的位图文件；
M2、采用高斯模糊算法对图像进行降噪处理，滤除图像中本身存在的高频噪声，防止后续边缘提取算法计算得到错误的边缘；
M3、利用Canny边缘检测算法提取钻头刀痕曲线，所述Canny边缘检测的计算步骤如下：
1)用一阶偏导的有限差分来计算图像梯度的幅值和方向；
2)对梯度进行非极大值抑制；
3)用双阈值算法检测和连接边缘
M4、获取初步的边缘信息，设定边缘长度阀值，采用遍历计算法，筛选边缘长度大于阀值且形状为圆弧状的边缘曲线；
M5、筛选保留的边缘信息，采用最小二乘法对每个边缘采用圆弧进行拟合，并根据拟合的圆弧计算出该圆弧的圆心和半径；
M6、对计算出的每个圆弧的圆心求平均值，求得平均值后再剔除掉偏离平均值较大的圆弧，减小误差，然后再计算一次剩下的圆弧的圆心平均值，得到最终的圆心坐标值a(Xa,Ya)，其坐标以图片像素坐标系来表达。
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