CN117242411A - 确定激光切割机的轮廓保真度 - Google Patents

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Abstract

在一个方面中，本发明涉及一种用于计算与激光机床的切割头(10)的目标路径(SB)的路径偏差的轮廓检查装置(1000)。该轮廓检查装置(1000)包括参考纹理界面(100)，该参考纹理界面用于沿着特别地针对切割轮廓而限定的目标路径(SB)读取参考纹理(RT)；控制器(200)，该控制器意在用于将激光机床控制成使得切割头(10)穿越目标路径(SB)；至少一个相机(K)，其中，控制器用于控制所述至少一个相机(K)，相机意在用于沿着穿越的路径连续捕获参考纹理(RT)的重叠帧；处理器(300)，该处理器意在用于执行图像处理算法以用于根据所捕获的参考纹理(RT)的重叠帧重构由切割头穿越的轨迹；并且其中，处理器(300)意在用于计算由切割头所穿越的路径的重构路径与目标路径(SB)之间的偏差。轮廓检查装置(1000)还包括输出界面(400)，该输出界面意在用于输出计算出的偏差。

Description

确定激光切割机的轮廓保真度
技术领域
本发明属于激光切割的技术领域，并且特别地涉及确定轮廓保真度。
背景技术
对激光切割机在生产力和精确性方面的要求不断提高。目标是能够尽可能快速地和尽可能精确地切割工件/部件。然而，这两个目标存在限制，或者目标“尽可能快速地”和“尽可能精确地”甚至是对立的。例如，想要围绕拐角切割得越快，这个拐角切割将在几何上越不精确，这是因为实际的切割轮廓将因由于机器、轴、切割桥和切割头的惯性以及回弹性(质量惯性)造成的过冲而偏离目标轮廓。激光光束的确切位置通常也无法测量，因为驱动轴上的内部编码器测量系统仅间接地测量并且不能考虑到上述惯性矩和/或柔性。
实际切割轮廓与目标切割轮廓之间的偏差的其他原因是龙门系统或加工头所附接至的机器人的振动、或工件或工件支承件的振动，这些振动导致当沿着切割轮廓切割时过冲。轨迹偏差的其他原因还可能是摩擦、静摩擦、间隙、不正确的补偿值等。
为了使被切割的部件在期望的公差(路径偏差/轮廓误差)内，机器的动态极限(特别是在小半径和拐角的区域中)通常受到限制，该限制导致生产力降低。
已知减少“路径精确性”与“切割速度”之间的目标的冲突的各种方法。
DE 10 2018 217 940A1提出了一种利用相机和反射图案来增加轮廓精确度的方法。相机沿着部件轮廓的目标路径移动，该相机以空间分辨的方式捕获重叠子区域中的工件表面的反射图案，并且使用该反射图案来测量所行进的路径与目标路径的偏差。特别地，沿着部件轮廓的位置增量由相似函数的最优值确定，这在DE 10 2005 022 095A1中也进行了描述。
EP 131 4510A1提出了一种根据三维目标焊接线检测偏差的成像方法。该偏差用于对行进的路径进行持续调整(教示)。
还已知DE 10 2011 103 282A1，其使用移动的相机来捕捉工件表面上的高能激光光束的加工区域。将沿着目标路径捕获的图像与代表最佳加工焊接过程的目标图像进行比较。
通过DE 10 2011 003 717A1解决了激光切割过程的类似问题。特别地，在激光切割期间产生的工件边缘被用相机捕获并且用来评估加工质量。
已知用于轮廓误差的基于模型估计的各种方法。存在不同类型的模型来表征机床的运动学特性。所述模型基于微分方程、比如由Zirn和Weikert提出的(Modellbildung undSimulation hochdynamischer Fertigungssysteme,https://www.springer.com/de/book/9783540258179)微分方程。Haas使用了一种双质量模型(Set Point Optimisationfor Machine Tools,https://doi.org/10.3929/ethz-b-000271470)，其中使用四阶微分方程系统描述激光光束的位置。
用于位置估计的机械模型还可以通过有限元模型FEM的模型降阶来创建；例如参见(N.Lanz，D.Spescha，S.Weikert和K.Wegener，“Efficient Static and DynamicModelling of Machine Structures with Large Linear Motions(具有大型线性运动的机器结构的有效静态和动态建模)”International Journal of Automation Technology(国际自动化技术杂志),第12卷，第622-630页,2018年)。
基于模型的轮廓误差估计/补偿仅在模型质量允许的情况下是好的。通常要在模型质量与模型复杂性之间找到折衷。非线性效应几乎不能被映射或根本不能被映射，这就是为什么有必要测量有效轮廓误差。另外，用于轮廓误差估计的大多数模型没有考虑到环境条件、比如使用中的激光切割头、特别是激光切割头的重量分布、喷嘴、致动器等。
发明内容
从该现有技术出发，由本发明解决的目标是确定切割任务的轮廓保真度。特别地，应当在切割之前已经进行用于校正或补偿的轮廓保真度的确定以便减少不正确切割的部件。总的来说，应当改进切割结果的质量。
本目标通过所附专利权利要求书、特别是通过计算机实现的方法、所述方法的用于计算补偿的用途、轮廓检查装置和计算机程序来实现。
根据第一方面，本目标通过用于计算与激光机床的切割头的(限定的或指定的)目标路径的路径偏差的计算机实现的方法来实现。该方法可以包括以下方法步骤：
(1)提供在目标路径上或沿着目标路径运行的参考纹理；
(2)提供第一控制指令，该第一控制指令用于利用切割头穿越目标路径，以及提供第二控制指令，该第二控制指令用于借助于至少一个相机连续地捕获位于所穿越的路径上或沿着所穿越的路径的参考纹理的重叠帧；
(3)借助于图像处理算法根据所捕获的参考纹理的重叠帧重构由切割头穿越的路径；
(4)计算由切割头穿越的路径的重构路径与目标路径之间的偏差。将计算出的(轮廓)偏差优选地在输出界面上输出。
一些优点与本解决方案相关联。因此可以根据当前的环境条件、比如根据激光切割头的驱动机构、驱动机构的加速度和速度、激光切割头的重量或重量分布、所使用的切割喷嘴、轮廓或切割计划(例如，是应当精确地切割精细轮廓，还是应当高公差地切割粗略轮廓)来确定轮廓精度和轮廓保真度。此外，轮廓保真度可以在切割之前确定并且因此不存在可能的错误切割。此外，该解决方案非常精确。
在本文件中所使用的术语将在下面更详细地解释。
参考纹理优选地应用或直接覆盖在激光切割头待穿越的目标路径上或沿着目标路径(例如，与目标路径平行)。参考纹理必须应用或覆盖成使得其可以从相机的视场(FOV)被检测到。参考纹理优选地在目标路径上应用成使得创建重叠区域。参考纹理通常大于被指定为直线或曲线的目标路径。参考纹理可以具有在10μm与10mm之间的范围中的尺寸、特别是高度，这里限定的尺寸或高度垂直于切割头的偏离方向。横向长度或宽度、即偏离方向上的长度或宽度是可变的并且取决于切割计划或轮廓。参考纹理用于图像空间与工件空间之间的局部参考并且用作用于所捕获的图像的图像处理算法、比如图像拼接算法的基础。参考纹理可以优选地设计为一系列数字、特别是作为连续的一系列数字和/或作为字母表的字母的序列、特别是连续的字母的序列，或作为非周期的、非线性的和非重复的图案。参考纹理可以是例如具有对应于目标路径的外部轮廓的金属片材或平的物体。参考纹理可以是沿着(在缓慢穿越时确定的)目标路径的先前应用、例如雕刻至金属片材的图案和/或自然纹理/表面微观结构。
相机可以优选地相对于激光光束光学单元同轴地或中心地布置，并且可以用于检测加工区域。还可以配置多个相机。相机可以联接至照明源。相机还可以偏移地而不是同轴地附接；于是必须知道该偏移并且在由切割头实际穿越的路径的重构中考虑到该偏移。
目标路径对应于待切割的轮廓。目标路径可以从切割计划中读取。目标路径对应于切割计划中限定的所期望的几何形状。
(测量的或重构的)实际位置与目标路径的位置之间的偏差对应于轮廓误差。
图像处理算法可以是应用于重叠区域并且因此是被修改的图像拼接算法和/或基于沿着轮廓或在轮廓上带有重叠区域的帧的特征映射的特征映射算法，所述轮廓与“虚拟的”整体图像进行比较以确定偏差。例如，图像拼接算法仅可以用在存在失真风险的相关区域中，并且然后用于偏差的“高分辨检测”。
必须修改现有技术中已知的图像拼接算法以用于轮廓偏差计算，特别是要对捕获的重叠图像中的伪像素值图案具有鲁棒性。除了静止图像成分之外，重叠区域中的低对比度是另一突出的示例，该低对比度可以完全地或部分地中断特征表面与周围表面之间的轮廓并且导致应用(激光切割)结果不理想。这导致了可以评估的动态像素值信息减少，并且调整了积分差分范数。根据本发明避免了这种情况。另一缺点在于周期性的或准周期性的图像成分(例如，碾磨或滚压痕迹)，在混叠的情况下，所述图像成分可以导致积分差分范数的不期望的最小值。伪像素值图案的其他示例可以是来自光学元件的反射、光学路径(保护玻璃、切割聚焦透镜、相机透镜)的污染、金属片材的表面结构(粗糙度、反射率)、照明电流强度或其他参数。
在本发明的第一实施方式中，对已知的图像拼接算法的修改可以涉及通过使用轴增量来减少重叠区域的数目。由此，可以确定子区域、特别是可变尺寸的子区域，在这些区域中，预期会出现所寻求的积分差分范数的最小值。使用所描述的方法，通常在可能的重叠区域的边缘处获得积分差分范数的低值。这种情况会使寻找积分差分范数的最小值复杂化。因此，在本发明的第二实施方式中，提出的是，通过根据其位置对积分差分范数进行加权来补偿这一点。
根据本发明的优选实施方式，参考纹理可以在配置阶段中从预先限定的一系列图案中选择，所述一系列图案优选地存储在存储器中，和/或经由例如人机界面HMI读取。参考纹理优选地自动确定并且作为HMI上的建议呈现。使用者然后具有接受该建议或修改该建议的选择。附加地或替代地，可以在HMI上设置按钮，使用者经由该按钮可以说是可以自己配置参考纹理。这样做具有的优点是，在例如与带有存储的参考纹理的存储器的数据连接临时中断的情况下，也可以执行轮廓保真度确定方法。
在本发明的优选实施方式中，参考纹理是可配置的并且可以特别地根据所使用的喷嘴(喷嘴宽度)、机械致动器、在其中限定的切割计划或轮廓和/或切割参数(例如，焦点位置)进行配置。
在本发明的另一优选实施方式中，通过在单独的雕刻运行中借助于加工激光器的切割头在工件(宏观结构)上雕刻参考纹理来提供参考纹理。替代地或附加地，可以通过将设置有参考纹理的平的物体安置在加工激光器的切割头下方和(例如，静止的，“非滑动的”)工件(宏观结构)上方来提供参考纹理。平的物体可以是参考材料、特别是例如参考金属片材。不需要特殊的金属片材。例如，可以直接使用接下来待加工的工件。替代地或附加地，待切割的工件的表面结构也可以用作参考纹理(微观结构)。
在本发明的另一有利实施方式中，在不激活激光器的情况下、即在校准运行中并且在不激活激光器且不切割的情况下在步骤(2)中穿越目标路径。
在本发明的另一有利实施方式中，以至少一个可配置的校准速度在步骤(2)中穿越目标路径。附加地和/或替代地，可以使用HMI上的对应的按钮配置加速度和/或加加速度。特别地，所提到的校准运行参数(速度、加速度、加加速度等)可以专门针对轮廓点进行配置。这样做具有的优点是，校准运行可以专门配置在具有轮廓偏差高风险的轮廓区域(例如，在拐角处或小半径处)中。校准运行参数也可以使用算法自动计算并且作为用于使用者确认或拒绝的建议在HMI上显示。
在本发明的另一有利实施方式中，根据切割计划的至少一个轮廓被确定为目标路径，其中，在步骤(2)中至少两次穿越目标路径，即：
1.首先，在至少一个第一校准运行中以至少一个校准速度穿越目标路径，并且
2.其次，在第二校准运行中以生产速度穿越目标路径，其中校准速度低于生产速度、特别地是生产速度的80％至99％。
还在本发明的范围内的是，进行两次以上的校准运行和/或以在每种情况下不同的其他校准运行参数进行校准运行。
在本发明的另一有利实施方式中，为了借助于图像处理算法并且特别是利用图像拼接算法重构由切割头穿越的路径，除了使用所捕获的帧之外，还可以使用所涉及的机器轴的编码器测量值，以使图像处理算法更具有鲁棒性和/或更快。在这种情况下，应当明确强调的是，编码器值仅用于加速算法图像处理并且特别是图像拼接或使算法图像处理更具有鲁棒性。编码器值在此的作用是，图像拼接仅在可信的/合理的图像区域中搜索最佳图像重叠。因此，编码器值也没有必要设置有非常高度的精度。
在本发明的另一有利实施方式中，第二控制指令可以触发照明源的激活或打开，使得例如照明源、特别是照明激光器与帧的捕获同步地打开。这用于优化加工区域的图像捕获和照明。照明源可以定位在相机中或相机上或其他位置处并且直接地或(通过反射)间接地作用在加工区域上。
在本发明的另一有利实施方式中，可以多次和/或以不同的推进和/或以不同的加速度和/或以不同的校准运行参数在步骤(2)中穿越目标路径。生产速度是随后进行生产切割的速度。速度(生产速度和校准速度)目前由切割参数指定。至少校准速度可以由机器的操作者调节。然而，校准速度也可以来自可替代的数据源(云，切割计划，外部存储器等)或从可替代的数据源中读取。
在本发明的另一有利实施方式中，图像处理算法可以是图像拼接算法的形式并且可以根据N个帧的序列重构N-1个位移矢量(路径增量)，其中，N为大于2的自然数。图像拼接算法对在连续帧的搜索区域中的所有重叠上的差分范数进行积分。两个连续的帧(也简称为图像)在搜索区域中相对于彼此移位。因此，实现了不同的重叠变体，直至找到最小值。在这种情况下，搜索区域有利地是重叠区域中所寻求的像素值偏离的最小值的假定附近。例如，在由Prentice Hall出版的、L.Shapiro和G.Stockman著的“Computer Vision”、第251页中描述了所述术语和方法。
这里实现的算法与已发表的图像拼接算法不同的是，本算法也适用于工件表面的最低可能对比度。为此，对已发表的图像拼接算法进行了若干个修改。
首先，为了计算速度的益处，不使用所描述的相关操作，而是使用重叠中的所有像素值的同样常见并且更快的积分差分范数。
在本发明的另一有利实施方式中，其次，图像拼接算法可以对积分差分范数应用局部加权和/或近似函数。再次，可以对差分范数的图像进行加权以减小(特别是在搜索区域的边缘处)与近似函数的偏差。该近似函数可以用于以亚像素精度确定最优图像重叠的最小值。
在本发明的另一有利实施方式中，可以根据计算出的偏差计算偏差模型。附加地或替代地，可以根据计算出的偏差和切割头在切割台上的所捕获的位置坐标(捕获的工作空间)计算偏差模型。
用于轮廓误差确定的路径偏差的计算基本上可以在定位在工作台上的工件上的不同选定区域上进行。例如，这使得可以选择用于轮廓误差确定的关键区域、比如那些带有许多小半径或复杂轨迹要求的区域。这可以例如通过将待切割的材料和/或与根据切割计划的技术参数进行比较、例如考虑到加速度或曲率的大小来进行。这首先是因为与目标增量的偏差也可以沿着直线发生。尽管这些偏差对轮廓精度的影响较小，但是其会导致在加工过程中出现局部不规则。
根据另一方面，通过使用用于计算轮廓误差校正的切割路径的上述方法来实现所述目标。例如，轮廓误差校正的切割路径可以通过计算相对于轮廓上的点的速度或其他切割参数的偏移量来进行，其中，偏移量根据确定的偏差来计算。基本上，在校准运行期间在检测到较大轮廓偏差的地方，速度降低。在现有技术中，提到这样的模型：所述模型也可以用于考虑到捕获的路径偏差并且因此为轴驱动指定更针对性的目标路径，使得因此存在较小的路径偏差。另一方面，本发明更精确地和更具体地解决了所述问题，并且没有复杂的模型计算，其中由于过冲而已经产生的路径偏差、特别是在拐角处的路径偏差通过调整切割头的加速或制动、例如通过提前朝向拐角启动制动来补偿。
已经基于计算机实现的方法描述了问题的解决方案。以这种方式提及的特征、优点或替代实施方式还可以应用于其他要求保护的主题，并且反之亦然。换句话说，本发明的权利要求(例如针对装置、系统或计算机程序产品)也可以利用与本发明的方法有关地描述的和/或要求保护的特征进一步改进，并且反之亦然。方法的对应的功能特征因此由系统或产品的对应的现有模块、特别是由硬件模块或微处理器模块形成，并且反之亦然。通常，在计算机科学中，软件实现等同于对应的硬件实现(例如，作为嵌入式系统)。因此，例如，用于“存储”数据的方法步骤可以利用存储器单元和用于将数据写入至存储器的对应的指令来执行。为了避免冗余，因此不再次明确地描述该装置，尽管也可以在与本方法相关地描述的替代实施方式中使用该装置。因此，本发明的以上与方法有关地描述的优选实施方式没有针对该装置明确地进行重复。
在另一方面中，本发明涉及一种用于计算与激光机床的切割头的目标路径的路径偏差的轮廓检查装置，该轮廓检查装置包括：
-参考纹理界面，该参考纹理界面用于沿着特别地针对切割轮廓而限定的目标路径上或沿着目标路径读取参考纹理；
-控制器，该控制器意在用于将激光机床控制成使得切割头穿越目标路径；
-至少一个相机，其中，所述控制器用于控制所述至少一个相机，所述至少一个相机意在用于在所穿越的路径上或沿着所穿越的路径连续地捕获参考纹理的重叠帧；
-处理器，该处理器意在用于执行图像处理算法以用于根据所捕获的参考纹理的重叠帧来重构由切割头穿越的路径；并且
-其中，处理器意在用于计算由切割头穿越的路径的重构路径与目标路径之间的偏差；并且其中，轮廓校正装置还包括：
-输出界面，该输出界面意在用于输出计算出的偏差。
在另一方面中，本发明涉及一种计算机程序，该计算机程序包括指令，所述指令在所述计算机程序通过计算机被执行导致计算机执行如上述的方法。计算机程序也可以存储在计算机可读介质上。
在附图的以下详细描述中，将参照附图讨论具有其特征和其他优点的非限制性示例性实施方式。
附图说明
图1示出了用于加工工件的切割头的示意图；
图2示出了目标路径和由切割头实际穿越的路径的示例性和简化的表示；
图3示出了目标路径和所捕获的参考纹理的重叠帧；
图4示出了所捕获的重叠帧的序列的示例；
图5以示例的方式示出了过冲、特别是在拐角处的过冲；
图6示出了雕刻在工件上的参考纹理的示例；
图7示出了参考纹理的另一示例；以及
图8示出了使用两种替代的方法来计算路径偏差的方法；
图9示出了使用图像拼接算法的重叠的移位计算的表示；
图10示出了根据本发明的优选实施方式的轮廓检查装置的框图；
图11示出了根据本发明的优选实施方式的轮廓检查方法的流程图。
具体实施方式
这里提出的解决方法用于监测轮廓保真度，并且特别是在进行激光切割加工之前监测轮廓保真度。
图1示出了激光机床的切割头10，切割头10具有适配的相机K，该相机K具有相对于加工激光光束理想地同轴地观察过程的视场(FoV)。通过相机K的这种布置不断地跟踪该过程或切割区域，这使得可以用于检测任何轮廓偏差。为了进一步优化过程监测，还适配有同轴过程照明装置3，该照明装置3照亮工件9上的过程位置8。光学偏转元件5布置在激光光束的光束路径12中。激光源4可以经由合适的光学元件、比如光学透镜7将激光光束聚焦到工件9上。
为了确定可能的路径偏差，提议利用上述切割头10来确定校准过程中(特别是拐角处)的路径偏差，以计算对应的校正变量并且然后在部件的生产加工期间应用这些变量来生产加工部件，这减少了路径偏差和/或在路径偏差保持相同的情况下减少了每个部件的时间。
如图2中示意性地示出的，轮廓偏差特别地发生在拐角处。目标路径在图2中作为虚线示出，并且用箭头标示切割方向。根据速度(切割头的推进)，实际行进的路径(图2中用实线示出)偏离目标路径SB。特别是在高速度和加速时，由切割头实际穿越的实际路径将偏离目标路径。在拐角处，实际路径通常将超过目标路径。
可以根据动力学预期路径偏差。选择的轴加速度和速度越高，则预期的偏差就越大。
为了避免这种情况，基于计算出的轮廓偏差进行自动计算的调节。
图3示意性地示出了参考纹理RT，该参考纹理RT可以沿着目标路径SB雕刻。由相机K捕获的帧重叠并且与用作参考点的图像中心P一起在图3中示出。
可以在一个或更多个校准运行中例如以慢校准速度(P曲线，图3中的左图)和以快校准速度(Q曲线，图3中右图上示出)穿越目标路径SB。结果是不同的穿越路径(P曲线和Q曲线)。
图3示出了可以如何借助于所捕获的相机帧来确定与速度相关的实际路径。如上所述，示出了用于慢运行(P曲线)和用于快运行(Q曲线)的实际路径的示例。在主要由动态引入的原因对于路径偏差是显著原因的情况下，则在本发明的优选实施方式中，P曲线也可以用作目标路径。
利用这里提出的步骤检测到的路径偏差可以包括动态引入的轮廓偏差或静态引入的轮廓偏差。在仅进行一次校准运行的情况下，则不能确定路径偏差是如何/从何处引入的。然而，在以不同的速度进行若干次校准运行的情况下，则可以推导出动态引入的偏差和静态引入的偏差的分离。与速度无关的偏差称作静态偏差，并且其他偏差称作动态偏差。静态引入的偏差是例如轴驱动中的滞后效应和/或间隙。根据有利的改进，可以从两个或更多个连续图像的完全重叠中过滤出静止图像成分。原则上，静止图像成分(例如，喷嘴边缘，污染等)的类型可以从过滤后的图案中推断出来。
在本发明的优选实施方式中，如何进行校准运行可以是可配置的(即，使用哪些校准运行参数、例如进行校准运行的频率、进行校准运行的速度等)。可以在用户界面HMI上设置选择按钮。还可以提供校准运行参数(例如，校准速度)和/或工作空间中的轮廓偏差检查的位置的自动确定。
根本重要的是，相邻的帧(充分地)重叠并且参考纹理RT的雕刻是清晰可见的。因为这确保了可以借助于图像拼接将帧沿着实际路径拼接在一起并且可以因此重构出确切的实际路径。雕刻基本上仅是为了便于图像拼接。图像拼接算法可以根据帧的序列并且特别是根据动态图像成分计算所穿越的路径。原则上，在图像拼接中要考虑到静态图像成分和动态图像成分。移动的(静止的或静态的)图像成分的示例是喷嘴、喷嘴遮蔽效应、切割前部、成像误差或光学单元的污染。反射改变了图像序列上的入射角度并且因此不是静止的(尽管反射表面结构是静止的)。然而，正确的位移矢量仅从动态结构中获得。因此，在图像处理算法中必须采取措施来降低静止的图像成分的影响(例如，通过过滤两个或更多个连续图像中的静止的/静态的或类似的图像成分)。
具体地，在图3中的示例中，可以通过确定例如每个帧的中心来描述实际路径。这导致点P1、P2、……。
点曲线Pn可以例如使用基于最小二乘法的算法拟合至目标路径SB(在直线上预期在目标路径与实际路径之间不存在动态引入的偏差)。路径(特别是在拐角处)的偏差对应于动态引入的轮廓误差。
如果路径不精确主要是由于机器动力学造成的，则作为来自机器控制器的目标路径SB的替代方案，也可以使用从慢运行重构的穿越路径(P1、P2、……Pn)作为目标路径SB。在这种情况下，可以相对于参考点确定点Pn，在这种情况下，参考点可以是雕刻或参考纹理RT的易于识别的起点。当雕刻被快速穿越时，视频记录也是如此，这导致了实际的Q。曲线P和Q可以然后在x-y坐标系中表示。实际路径与目标路径之间的偏差变得明显。相比于替代方法(使用机器目标路径)，其中将慢校准运行用作目标路径SB的方法的优点为不是必须使用机器目标路径。另一方面，不利的是，必须记录具有不同动力学的若干个实际路径。
图4示出了带有可见雕刻或参考纹理RT(这里是数字)的相邻的帧的示例。下述事实是明显的：当已经使用第一控制指令来指示切割头穿越目标路径SB并且已经使用第二控制指令来指示相机K在过程中沿着参考纹理RT捕获图像时，可以使用雕刻的数字很好地拼接两个相邻的图像。测试已经示出的是，为了运行图像拼接算法，连续的或相邻的帧(帧速率为400fps(fps，每秒的帧数)的两个连续的图像)之间必须至少存在至少5％、优选地大于10％并且更优选地大于20％的重叠。在本发明的优选实施方式中，可以经由用户界面上的对应的输入掩码预先配置重叠区域。特别地，可以将重叠区域与可用的硬件资源(处理器性能)进行比较。
图5示出了呈“拐角过冲”的形式的轮廓偏差的示例。在图5中指向左方的箭头指示切割方向并且在X轴和Y轴上绘制的路径是由切割头(实际地)穿越的重构路径。在拐角处和拐角后可以看到路径偏差。图5示出了由切割头实际穿越的(实际)路径的重构，目标路径(未示出)表示直角拐角。实际路径与直角目标路径的偏差、特别是拐角处的过冲是明显的。
图6示出了呈一系列数字的形式的参考纹理RT的示例。
图7示出了在左侧上的作为机器平面图并且在右图中成实际雕刻到金属板中的形式的参考纹理RT。左图和右图中的实线各自代表目标路径SB。在这里可以看到的是，参考纹理RT应用在目标路径SB上或目标路径SB中心上方。替代地，然而，参考纹理RT也可以应用于目标路径附近或以一些其他方式设置(未示出)。然后必须对相机K的视场进行调整并且使其与参考纹理RT的位置匹配，使得相机K可以在校准运行期间完全地或部分地捕获参考纹理RT，以便能够提供空间分辨率。上述替代方案也可以组合。例如，在矩形目标路径SB的情况下，参考纹理RT在第一长支腿上可以直接位于目标路径上，并且在邻接的短支腿上位于目标路径上方，并且在另一邻接第二长支腿上不位于目标路径SB上而是位于目标路径SB附近内侧，并且在另一相邻的第二短支腿中位于目标路径外侧。与目标路径SB的距离可以预先确定或可配置。重要的是，相机的视场(FoV)选择成使得可以至少部分地捕获参考纹理RT。使用上述替代方案还可以更具鲁棒性地进行图像拼接。
根据本发明的优选实施方式，第一方法1可以用于计算轮廓偏差，下面参照图8对该第一方法1进行更详细的解释。
在步骤1.1中确定目标路径。位于参考纹理上方的几何形状在这里理解为目标路径。如果预期参考纹理待应用至的路径与目标路径不匹配(根据切割计划)，则也可以在此限定参考纹理待应用至的路径。
在步骤1.2中限定参考纹理(例如，一系列数字或字母)。这优选地自动完成并且可以作为切割参数(喷嘴宽度等)的函数来计算。针对参考纹理的自动计算建议可以在人机界面HMI上输出，以用于确认或拒绝(随后重新计算)的目的。
在步骤1.3中，可以利用加工激光将预定的或计算的参考纹理应用和/或雕刻在金属板上。例如，可以立即使用接下来要加工的金属板。
在步骤1.4中，在校准运行中穿越目标路径(不进行切割)，其中，相机K连续地记录重叠帧。为了优化相机记录的目的，照明激光器也与图像记录同步地开启。
在步骤1.5中，基于图像捕获(校准运行期间的步骤1.4)，确定轮廓误差或与目标路径的偏差，以用于经由图像处理算法并且特别是经由图像拼接来重构由切割头实际穿越的实际路径。可以使用各种测量和/或根据不同的技术参数来确定轮廓偏差。
在第一变型中，可以通过比较缓慢行进的路径和对应拼接的实际路径与快速行进的路径和对应拼接的(重构的)实际路径来确定误差。
在第二变型中，可以通过使用拼接的实际路径(即，由切割头所穿越的路径的重构)和机器目标路径来确定误差或路径偏差(减法)。
在步骤1.6中，然后可以在补偿轮廓误差的情况下进行切割。
可选地，可以在工作空间中可预先限定的特定位置处和/或针对待切割的所有或选定的工件和/或部件进行上述步骤，以便反映和考虑到轮廓误差确定的位置依赖性(图8中的步骤6)。如果目标路径SB和参考纹理RT在激光工作空间中处于偏离中心的位置处(例如，处于工作台的一个端部处，使得某些轴完全延伸)，则与该位置处于中央并且在工作空间的中间的情况下相比会出现不同的轮廓偏差。因此，可以在工作空间中的不同位置处进行校准运行。为此可以自动预先配置某些位置，然后使用者可以接受或拒绝这些位置。
图8中所示出的方法2涉及与动力学相关的轮廓不精确性。如所预期的，与动力学相关的轮廓不精确性取决于在切割台上的位置。如果使用这里描述的解决方法来在切割台上(即工作空间中)的不同位置处确定轮廓精度或轮廓偏差，则可以创建用于减少整个工作空间上的轮廓误差的通用模型(工作空间相关的机器模型)。在这样的模型的帮助下，可以基于待切割的部件的目标值进行轮廓误差补偿的计算和应用。
方法2的步骤类似于方法1的步骤，都是执行步骤1.1至1.4，但其中修改的是，在工作空间中的不同位置处执行步骤1.1至1.4。这允许创建通用模型来减少轮廓误差。方法2可以包括以下步骤：
2.1在机器的工作空间中的不同位置处执行步骤1.1至1.5；
2.2创建通用的、与工作空间相关的轮廓误差模型；
2.3设置待切割的部件的目标值——该目标值可以特别地从切割计划中获取并且通过考虑到计算出的偏差来优化(例如，通过降低拐角处的速度)；
2.4基于目标值和通用模型来计算轮廓误差补偿；
2.5在优化位置的情况下切割。
创建的通用模型可以应用至具有任何目标路径和路径动力学的任何部件。对于待切割的未来部件不再必须执行轮廓误差确定(利用步骤“提供参考纹理”或进行雕刻、……以及模型创建)。由于创建的模型，因此工作量大幅减少。
图像连结算法或图像拼接算法的核心是对两个或更多个数字图像的像素值分布进行比较。两个连续帧叠加成使得创建所有非空的重叠变体。在每个变体中，将重叠区域的像素值相减，计算出像素值差的绝对值(范数)并求和(积分)。计算出的所有重叠变体的积分差分范数导致小于帧宽度(帧高度)的两倍的值域。通过限定，积分差分范数的值域中的绝对最小值确定了具有最佳对应的重叠变体。最佳重叠变体的帧零点的竖向像素距离和水平像素距离是所寻求的位移矢量的分量。
在关于计算机视觉的教科书(例如，由Prentice Hall出版的、L.Shapiro和G.Stockman著的Computer Vision)中详细描述了相关联的算法。在DE102005022095A1中可以找到专门针对激光材料加工的应用的描述。
各种影响因素决定了所测量的位移矢量在精确性、可重复性和清晰度方面的质量。在现有技术的方法中，即使小的像素值影响也可能导致显著的测量误差。最常见的是低图像对比度、静止图像成分(在图像序列上形状保持相同)、周期性的表面结构(混叠)和成像误差。
根据本发明，提供了一种基于相机的路径测量方法，该方法对于显著的测量误差具有鲁棒性。该方法应当足够精确以能够将测量的偏差与目标位置以及目标图案与测量误差区分开来。这是特别关键的，因为测量的偏差通常在几微米到几十微米的范围中，这意味着一方面测量的偏差在典型的像素尺寸(分辨率限制)的范围中，并且另一方面在用于切割样品所期望的制造公差的范围中。
这是通过利用相机K的多参考表面测量方法实现的，该方法通过最佳组合多参考表面来测量图像序列中的重叠的和连续的图像的位移矢量。
在第一参考(提供参考纹理RT)中，参考纹理RT作为非线性、非周期性和非重复的图案(局部测量参考，校准参考纹理RT)雕刻在工件表面上。这样做具有的优点是，即使在高处理动态性和小重叠图像区域的情况下，动态(移动的)图像成分也与不期望的图像成分更清楚地区分开来，并且减少显著的测量误差。替代雕刻图案地，也可以使用任何其他按比例绘制的轮廓图案、例如模板或黑白印刷图或电子显示图。替代雕刻地，也可以使用其他方法来提供参考纹理RT(例如，应用表面结构金属片材)。
在第二参考(校准运行，不进行激光切割)中，与切割头一起行进的相机K记录非线性和非周期性和非重复的轮廓图案(时间测量参考)。这创建了图像序列，在图像序列中，连续的帧在子区域中重叠。连续的帧之间的空间距离由位移矢量给出。位移矢量的测量精度随着随后的图像之间的重叠区域的增大而增大。这可以通过以非常低的速度参考运行来实现。这也使与计划目标路径SB的偏差最小化。由此，可以借助于目标增量和位移矢量的线性回归将度量像素大小精确地缩放到几个百分点。根据回归还计算出度量像素大小的分布(标准偏差)。
在可选的第三参考(另一校准运行)中，位移矢量在高路径加速度下测量、按长度单位缩放、累积总计到测量的路径位置并且最终与目标路径SB的标称位置进行比较。这导致实际穿越的和测量的路径(根据由切割头穿越的路径的重构)与目标路径SB的偏差。通过从第二参考已知的像素大小的分布，可以确定测量的偏差是否在测量精度内。不言而喻，图像序列记录的参数化对于第二参考和第三参考必须相同(可比性)。
在这三个参考步骤之后，根据现有技术所描述的图像拼接方法将产生较少的显著测量误差。然而，对于实际使用通常仍然保留太多不正确的重叠。这是因为积分差分范数的绝对最小值不是期望的最小值，或者不能找到明显区分的最小值。其原因在于所检查的图像序列的质量。任何错误的最佳值选择都会导致显著的测量误差。
因此，除了参考之外，在本发明中还提出了一种用于寻找正确的最佳值的多阶段步骤。下面将参照图9对该多阶段步骤进行更详细的解释。
使用加权均值的变体而不是积分差分范数来对重叠的子区域进行比较以便在整个位移区域上将相邻像素相等地加权。
位移区域围绕目标路径SB的标称轴位置安置并且根据需要进行缩放。这大幅地增加了找到最优值同时也是所寻求的全局最优值的概率。
经由相邻像素值的关系函数来区分找到的最优值。
加权积分差分范数的变体是位移矢量(Δp，Δq)^T的函数，并且该函数为：
每个变量的含义如下：
g 单位标准化的像素值
f 帧的索引
w 加权函数
Δp 水平位移
Δq 竖向位移
N_p 帧的宽度
N_q 帧的高度
该加权函数用于将位移区域的边缘处的积分差分范数相比于中央区域中的积分差分范数放大。如果选择恒等式作为加权函数，则结果为算术平均值。
利用以下等式给出求和极限：
这里，Δp1和Δp2以及Δq1和Δq2限定了位移区域的位置和大小。位移矢量的Δp和Δq分量在位移范围上根据以下等式水平地变化：
Δp＝1-(Np-2Δp1)...0...Np-2Δp2-1
并且在位移范围上根据以下等式竖向地变化：
Δq＝1-(Nq-2Δq1)...0...Nq-2Δq2-1
关系函数使所找到的最佳值的像素值与相邻的像素值相关。原则上，可以使用关系函数的任何有意义的限定。然而，以下两个关系函数的逻辑与运算已经证明在区分正确的最优值方面特别有效：
1.在邻近半径内，最优值具有最多的像素，所述最多的像素具有大于中央处的像素值的值。
2.减去当前最优值的像素值的邻近半径内的所有像素值的总和大于所找到的所有其他最优值的像素值。
图10是轮廓检查装置1000的框图。轮廓检查装置1000至少包括两个界面：参考纹理界面100，该参考纹理界面100用于沿着目标路径SB读取参考纹理RT，所述目标路径SB特别地针对根据切割计划切割轮廓而限定；以及输出界面400，该输出界面400意在用于输出所计算出的偏差。
轮廓检查装置1000还包括控制器200，该控制器200意在用于将激光机床控制成使得切割头10穿越目标路径SB而作为校准运行的一部分。
轮廓检查装置1000还包括至少一个相机K，其中，控制器用于控制至少一个相机K，所述至少一个相机K意在用于沿着在校准运行中穿越的路径连续捕获参考纹理RT的重叠的帧。
轮廓检查装置1000还包括处理器300，该处理器300意在用于执行图像处理算法以用于根据所捕获的参考纹理RT的重叠的帧重构由切割头穿越的路径。处理器300配置成计算由切割头穿越的路径的重构路径与目标路径SB之间的偏差。
图11示出了根据本发明的优选实施方式的流程图。在用于校准轮廓校正的方法开始之后，在步骤S2中提供参考纹理RT(例如，以雕刻运行的形式雕刻)。在步骤S2a中，提供用于穿越目标路径(第一校准运行)的第一控制指令，并且在步骤S2b中，提供用于控制相机K的第二控制指令。在步骤S3中执行图像处理算法、特别是图像拼接算法。在步骤S4中，基于相机计算轮廓偏差。在步骤S5中，将所计算出的轮廓偏差作为设定在输出界面400上的结果数据输出。在这之后，校准过程可以结束。
明显地，在步骤S2a中，可以例如利用不同的校准运行参数(例如，不同的速度)执行若干个校准运行(不进行激光切割)。这在图11中由步骤S2a处的自指向箭头指示。
在本发明的一个改进中，还可以通过创建机器模型将计算出的基于相机的轮廓偏差传送至不具有相机的激光机床。机器模型可以例如集中地存储在数据库中，大量激光机床经由适当的数据连接访问该数据库。不配备相机的激光机床可以然后访问机器模型，并且在必要时对机器类型进行调整、估计轮廓偏差和采取适当的对策以用于轮廓校正。
用于基于相机的轮廓误差测量的本方法也可以用于创建人工神经网络(ANN)以用于轮廓误差估计。ANN还可以对没有相机系统的机器系统具有改善作用。轮廓误差测量数据和机器数据的连续收集和存储可以用于更新ANN并且将ANN广泛用于没有相机系统的机器系统。
另外，用于计算轮廓偏差的基于相机的方法可以是基于事件(加载新的切割计划或加载其他工件等)和/或根据时间模式、例如周期性地(例如，每月，每半年，……)在机器上自动触发。如果确定的偏差在整个使用寿命上变得更大，则这表明可能的机器磨损/驱动磨损/机器运行不良。捕获并记录这种发展。可以根据所捕获的数据主动启动维护，也可以将所述数据用作预测性维护的一部分。
最后，应当注意的是，本发明的描述和示例性实施方式不应当理解为在本发明的特定物理实现方面是限制性的。可以在根据本发明的主题中以不同的组合的方式提供与本发明的各个实施方式有关地解释和示出的所有特征，以同时地实现这些特征的有利效果。
本发明的保护范围由权利要求书给出并且不受说明书中所说明的或附图中所示出的特征的限制。
对于本领域技术人员特别明显的是，本发明不仅可以用于带有同轴相机的激光机床，而且还可以用于具有不同相机布置并且适合用于在校准运行期间捕获参考纹理RT的激光机床。此外，轮廓检查装置的部件可以在一些物理产品上以分布式方式实现或实施。例如，该方法可以完全在激光机床上执行，或者也可以将资源密集型计算比如借助于图像处理算法所穿越的(实际)路径的重构外包给不同的硬件实体。例如，可以将捕获的帧和第一控制指令外包给执行计算(重构)的中央服务器并且然后仅将计算出的偏差返回至激光机床。

Claims (16)

1.一种用于计算与激光机床的切割头(10)的目标路径(SB)的路径偏差的方法，所述方法包括以下方法步骤：
(1)提供(S1)沿着所述目标路径(SB)运行的参考纹理(RT)；
(2)提供第一控制指令(S2a)，所述第一控制指令用于利用所述切割头(10)穿越所述目标路径(SB)，以及提供第二控制指令(S2b)，所述第二控制指令用于借助于至少一个相机(K)连续地捕获位于所穿越的路径上或沿着所穿越的路径的所述参考纹理(RT)的重叠帧；
(3)借助于图像处理算法根据捕获的所述参考纹理(RT)的所述重叠帧重构由所述切割头(10)穿越的路径(S3)；
(4)计算由所述切割头所穿越的路径的重构路径与所述目标路径(SB)之间的偏差(S4)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在配置阶段中，所述参考纹理(RT)从指定的一系列图案中选择和/或读取。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述参考纹理(RT)通过借助于加工激光器的所述切割头(10)将所述参考纹理(RT)雕刻在工件(9)上来提供，和/或其中，将设置有所述参考纹理(RT)的平的物体安置在加工激光器的所述切割头(10)下方和所述工件(9)上方。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在不激活激光器的情况下在步骤(2)中穿越所述目标路径(SB)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在校准运行中以至少一个能够配置的校准速度和/或能够配置的加速度在步骤(2)中穿越所述目标路径(SB)。
6.根据前述权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，将来自切割计划的至少一个轮廓确定为所述目标路径(SB)，并且其中，在步骤(2)中至少两次穿越所述目标路径(SB)，即：首先在第一校准运行中以校准速度穿越所述目标路径(SB)，并且其次在第二校准运行中以生产速度穿越所述目标路径(SB)，其中，所述校准速度低于所述生产速度、特别地是所述生产速度的80％至99％。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，为了利用所述图像处理算法、特别是利用所述图像拼接算法重构由所述切割头穿越的路径，除了利用捕获的所述帧之外，还使用所涉及的机器轴的编码器测量值，以便加速和/或使所述图像处理算法更具有鲁棒性。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，照明源(3)、特别是照明激光器与所述帧的所述捕获同步地打开。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，多次和/或以不同的校准运行参数、特别是以不同的加速度和/或不同的推进在步骤(2)中穿越所述目标路径(SB)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述图像拼接算法根据N个帧的序列重构N-1个位移矢量，其中，所述N为大于2的自然数。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述图像拼接算法对在连续的帧的搜索区域中的所有重叠上的差分范数进行积分。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述图像拼接算法对经积分的差分范数应用局部加权和/或近似函数。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，根据计算出的偏差来计算偏差模型，和/或其中，根据计算出的偏差和所捕获的所述切割头(10)在切割台上的位置坐标来计算偏差模型。
14.一种根据前述权利要求中的任一项所述的方法的用于计算轮廓误差校正的切割路径的用途。
15.一种用于计算与激光机床的切割头(10)的目标路径(SB)的路径偏差的轮廓检查装置(1000)，所述轮廓检查装置(1000)包括：
-参考纹理界面(100)，所述参考纹理界面(100)用于沿着特别地针对切割轮廓而限定的所述目标路径(SB)读取参考纹理(RT)；
-控制器(200)，所述控制器(200)意在用于将所述激光机床控制成使得所述切割头(10)穿越所述目标路径(SB)；
-至少一个相机(K)，所述控制器用于控制所述至少一个相机(K)，所述至少一个相机(K)意在用于沿着所穿越的路径连续地捕获所述参考纹理(RT)的重叠帧；
-处理器(300)，所述处理器(300)意在用于执行图像处理算法以用于根据所捕获的所述参考纹理(RT)的所述重叠帧来重构由所述切割头穿越的所述路径；并且
-所述处理器(300)意在用于计算由所述切割头穿越的所述路径的重构路径与所述目标路径(SB)之间的偏差；并且轮廓校正装置(1000)还包括：
-输出界面(400)，所述输出界面(400)意在用于输出计算出的所述偏差。
16.一种计算机程序，所述计算机程序包括指令，所述指令在所述计算机程序通过计算机被执行时导致所述计算机执行根据前述方法权利要求中的任一项所述的方法。
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