CN117718589A - 用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统与方法，该系统包括俯仰微动调整机构、俯仰机构驱动电机、旋转微动调整机构、旋转机构驱动电机、水导激光加工头、安装法兰、X向视觉相机、Y向视觉相机、视觉识别组件以及控制系统。俯仰微动调整机构和旋转微动调整机构组合安装构成两自由度的旋转摆动机构。水导激光加工头能够通过两自由度的旋转摆动机构来调整其在X‑Y向的角度；视觉识别组件用于识别水射流沿着X方向和/或Y方向的角度偏差；控制系统可根据角度偏差控制驱动旋转机构驱动电机、所述俯仰机构驱动电机的转动，使得两自由度的旋转摆动机构微调水导激光加工头，补偿消除水射流在X和/或Y方向的角度偏差。

Description

用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统与方法

技术领域

本发明涉及水导激光加工技术领域，具体而言涉及一种用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统与方法。

背景技术

水导激光加工(Water-jet guided laser,WJGL)也叫做激光水射流加工，是指将激光耦合到高压水束内，耦合水束进行加工的技术，通过激光与水束耦合的加工方法会产生平行于切口断面的切缝，其不仅可以保证精密的加工精度，而且还可以确保加工区域保证冷却和干净，同时在加工过程中无需进行激光聚焦和距离控制，能够适用于各种厚度范围、难加工材料的加工，同时还不会产生热影响区和微裂纹等缺陷，满足复杂和精密的加工需求。

激光水射流喷嘴是形成稳定、可靠的“水光纤”的必要条件，喷嘴一般为蓝(红)宝石材料制作，对加工精度要求非常高。由于喷嘴承受着高水压以及未进入水束的激光冲击，造成喷嘴是一个常规耗材零件。每次更换新的喷嘴，不同喷嘴间都有加工差异性，除了喷嘴的加工误差，还包括喷嘴安装的定位误差，高压水冲击造成的误差等，都会导致加工的“水刀”几何位置和尺寸精度有偏差。比如，水束与工件坐标系不垂直；水束直径在不同水压下呈现不同直径等。

现有技术中，通常有两种方法矫正水束的几何关系。第一种方法是采用人工手动测量并调整水束垂直度，矫正精度、效率均较低。第二种方法是使用水束多次在X和Y方向上，不同高度触碰传感器，通过三角函数确定偏差角度，控制微动机构带动加工头偏转，从而进行水束矫正，虽然矫正的可靠性和精度比较高，但是操作比较繁琐，一般需要多次取样比对运算，对传感器的要求比较高，成本较高。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统与方法，基于视觉定位进行水导激光水射流的定位与校正，为水导激光设备的“对刀”、“换刀”以及高压泵重启后对喷嘴的冲击等因素所引起的水束偏斜、水束直径变化等问题提供快速的、有效的定位与校正补偿。

根据本发明目的的第一方面，提出一种用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统，包括俯仰微动调整机构、俯仰机构驱动电机、旋转微动调整机构、旋转机构驱动电机、水导激光加工头、安装法兰、X向视觉相机、Y向视觉相机、视觉识别组件以及控制系统；

所述俯仰微动调整机构和旋转微动调整机构组合安装，构成两自由度的旋转摆动机构，所述俯仰微动调整机构被设置成能够绕Y轴向旋转，所述旋转微动调整机构被设置成能够绕X轴向旋转；

所述水导激光加工头通过所述安装法兰安装在所述旋转微动调整机构上，并能够通过所述两自由度的旋转摆动机构来调整水导激光加工头在X-Y向的角度；

所述X向视觉相机和Y向视觉相机分别布置在水导激光加工头下方对应的X方向与Y方向，并且相机视野均完全覆盖水射流紧密段，用于从X方向与Y方向分别对水射流进行成像输出；

所述视觉识别组件分别与所述X向视觉相机和Y向视觉相机连接，用于根据X向视觉相机和Y向视觉相机输出的水射流图像，识别水射流沿着X方向和/或Y方向的角度偏差；

所述控制系统分别与所述旋转机构驱动电机、所述俯仰机构驱动电机电连接，用于根据所述角度偏差对应控制驱动旋转机构驱动电机、所述俯仰机构驱动电机的转动，以使得对应旋转微动调整机构与俯仰微动调整机构发生相应的微调，补偿消除水射流在X方向和/或Y方向的角度偏差。

作为可选的实施例，所述俯仰微动调整机构和旋转微动调整机构均具有自锁功能。

作为可选的实施例，所述俯仰微动调整机构和旋转微动调整机构具有10″以内的转动分辨率，旋转范围在±10°。

作为可选的实施例，所述X向视觉相机设置于水导激光加工头后方，相机视野面朝X方向。

作为可选的实施例，所述Y向视觉相机设置于水导激光加工头侧面，相机视野面朝Y方向。

作为可选的实施例，所述控制系统基于X方向的角度偏差，通过控制旋转机构驱动电机驱动旋转微动调整机构运动，旋转微动调整机构带动水导激光加工头反向旋转以消除偏差，补偿水射流在X方向的倾斜角度；并且，

基于Y方向的角度偏差，通过控制俯仰机构驱动电机驱动俯仰微动调整机构运动，俯仰微动调整机构带动水导激光加工头反向旋转以消除偏差，补偿水射流在Y方向的倾斜角度。

作为可选的实施例，所述视觉识别组件被设置成以下述方式识别角度偏差：

接收X向/Y向视觉相机采集的水射流图像；

对水射流的关键区域图像进行裁剪和灰度处理，将处理后水束影像近似拟合成一条灰色线段；

比对所述灰色线段与Z轴竖直的参照线之间的角度，获得水射流沿X向/Y向的偏差角度。

作为可选的实施例，所述视觉识别组件被设置成用于根据X向/Y向视觉相机采集的水射流图像，识别定位水射流的实际宽度，获得水导激光加工的激光耦合水束线径以及中心点。

根据本发明目的的第二方面，还提出一种水束射流定位校正方法，包括以下步骤：

步骤1、水导激光加工头开始喷出稳定的高压水射流；

步骤2、X向视觉相机捕捉到高压水射流紧密段的图像，确定水射流沿X方向的角度误差α；

步骤3、控制系统基于角度误差α控制旋转机构驱动电机驱动旋转微动调整机构旋转，带动水导激光加工头反向旋转消除偏差，补偿水射流在X方向的倾斜角度；

步骤4、Y向视觉相机捕捉到高压水射流紧密段的图像，确定水射流沿Y方向的角度误差β；

步骤5、控制系统基于角度误差β控制俯仰机构驱动电机驱动俯仰微动调整机构前后俯仰，带动水导激光加工头反向旋转消除偏差，补偿水射流在Y方向的倾斜角度；

步骤6、X向视觉相机和Y向视觉相机同步摄影，同步提取X和Y向的水射流角度信息，二次确认水射流在空间的垂直度，并基于角度误差α、角度误差β与预设偏差阈值φ₀之间的偏差进行闭环反馈控制，控制系统动态调整直至水射流姿态与理想的参照Z轴平行；

其中，所述角度误差α、角度误差β被设置成按照下述方式获得：

基于X向/Y向视觉相机采集的水射流图像；

对水射流的关键区域图像进行裁剪和灰度处理，将处理后水束影像近似拟合成一条灰色线段；

比对所述灰色线段与Z轴竖直的参照线之间的角度，获得水射流沿X向/Y向的偏差角度。

作为可选的实施例，所述方法更加包括以下步骤：

基于X向/Y向视觉相机采集的水射流图像，识别定位水射流的实际宽度，获得水导激光加工的激光耦合水束线径以及中心点。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

(1)本发明提出的用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统在更换喷嘴、高压水泵重启等条件下，能够自动检测空间的实际水射流与绝对竖直的参考系的偏差角度，并基于偏差角度进行动态反馈控制以补偿抵消偏差，实现对水射流的空间姿态矫正，保证水导激光加工精度；

(2)与现有接触式传感测量水束的空间两点坐标，再计算偏差角相比，本发明提出的用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统的实现结构更加简单、高效、成本低，通过本发明的水束射流定位校正系统对水射流姿态空间矫正时间缩短到1/3，实现高效高精度的校正；

(3)本发明的水束射流定位校正系统，能够快速识别水射流直径，实现对水射流的加工宽度以及加工中心定位，以决定水导激光加工的起点位置以及加工尺寸，对加工刀具补偿和刀具坐标系设定提供精确的参考依据，提高水导激光加工的效率和精度。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例。

图1为本发明实施例提供的水束射流定位校正系统的示意图。

图2为本发明实施例提供的水射流偏差角度示意图。

图3是本发明实施例提供的控制系统原理示意图。

其中，各个附图标记的定义如下：

1为俯仰微动调整机构，101为俯仰机构驱动电机，2为旋转微动调整机构，201为旋转机构驱动电机，3为安装法兰，4为水导激光加工头，5为X向视觉相机，6为Y向视觉相机，7为实际水射流，7为视觉识别组件，8为控制系统。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1、2所示的示例，根据本发明的实施例的用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统，包括俯仰微动调整机构1、俯仰机构驱动电机101、旋转微动调整机构2、旋转机构驱动电机201、安装法兰3、水导激光加工头4、X向视觉相机5、Y向视觉相机6、视觉识别组件7以及控制系统8；

俯仰微动调整机构1和旋转微动调整机构2组合安装，构成两自由度的旋转摆动机构。结合图1所示，俯仰微动调整机构1被设置成能够绕Y轴向旋转，旋转微动调整机构2被设置成能够绕X轴向旋转。

作为可选的示例，俯仰微动调整机构1和旋转微动调整机构2可采用现有设计的具有自锁功能的微动调整机构，具有转动刻度线进行可视化的表征，并且均具有10″以内的转动分辨率精度，旋转范围在±10°，即前后可绕Y轴俯仰范围为±10°，左右可绕X轴俯仰范围为±10°。

结合图1，水导激光加工头4通过安装法兰4安装在旋转微动调整机构上，并能够通过两自由度的旋转摆动机构来调整水导激光加工头在X-Y向的角度。

X向视觉相机5和Y向视觉相机6分别布置在水导激光加工头下方对应的X方向与Y方向，并且相机视野均完全覆盖水射流紧密段，用于从X方向与Y方向分别对水射流进行成像输出.

视觉识别组件7分别与X向视觉相机5、Y向视觉相机6连接，用于根据X向视觉相机和Y向视觉相机输出的水射流图像，识别水射流沿着X方向和/或Y方向的角度偏差.

作为可选的实施例，X向视觉相机5、Y向视觉相机6均采用工业级高精度、高清CCD相机，防水等级达到IP67,实现对水射流紧密段的图像。

控制系统8分别与旋转机构驱动电机201、俯仰机构驱动电机101电连接，用于根据角度偏差对应控制驱动旋转机构驱动电机、俯仰机构驱动电机的转动，以使得对应旋转微动调整机构与俯仰微动调整机构发生相应的微调，补偿消除水射流在X方向和/或Y方向的角度偏差。

作为可选的实施例，X向视觉相机5设置于水导激光加工头后方，相机视野面朝X方向；Y向视觉相机6设置于水导激光加工头侧面，相机视野面朝Y方向，并且，相机视野完全覆盖水射流的紧密段。

作为可选的实施例，控制系统8基于X方向的角度偏差，通过控制旋转机构驱动电机驱动旋转微动调整机构运动，旋转微动调整机构带动水导激光加工头反向旋转以消除偏差，补偿水射流在X方向的倾斜角度；并且，

基于Y方向的角度偏差，通过控制俯仰机构驱动电机驱动俯仰微动调整机构运动，俯仰微动调整机构带动水导激光加工头反向旋转以消除偏差，补偿水射流在Y方向的倾斜角度。

作为可选的实施例，视觉识别组件被设置成以图像识别处理器或者图像识别芯片的形式，与所述控制系统8数据通信，视觉识别组件尤其可被配置成与控制系统集成为一体设计。

结合图2、3所示的示例，视觉识别组件被设置成按照下述方式识别角度偏差：

接收X向/Y向视觉相机采集的水射流图像；

对水射流的关键区域图像进行裁剪和灰度处理，如图2所示，将处理后水束影像近似拟合成一条灰色线段；

比对灰色线段与Z轴竖直的参照线之间的角度，获得水射流沿X向/Y向的偏差角度。

其中，前述裁剪和灰度算法，可基于现有技术的图像处理算法实现，例如本发明使用基于OpenCV的图像处理算法，实现对水射流的关键区域图像(即紧密段图像)的识别与处理。

结合图2，X向视觉相机和Y向视觉相机同步摄影，同步提取X和Y向的水射流角度信息，二次确认水射流在空间的垂直度，并基于角度误差α、角度误差β与预设偏差阈值φ₀之间的偏差进行闭环反馈控制，控制系统动态调整直至水射流姿态与理想的参照Z轴平行。

例如，当检测到的校正后的X方向的角度误差α大于预设偏差阈值φ₀，或者Y方向的角度误差β大于预设偏差阈值φ₀时，控制系统基于角度偏差进行动态的校正补偿，控制旋转机构驱动电机201、俯仰机构驱动电机101带动旋转微动调整机构2、俯仰微动调整机构1分别进行动态调整，直到角度误差α以及角度误差β均小于预设偏差阈值φ₀，达到与Z轴竖直的参照线的平行状态。

作为可选的实施例，在本发明系统设计中，X向视觉相机和Y向视觉相机的位置相对水导激光加工头来说相对固定，且经像素位置标定。假设被标定的水射流真实直径为a，在视觉相机获得图像中识别到的水束线宽为b，则以a/b代表每个在视觉相机采集图像中像素点的实际宽度，完成标定。

结合图2所示，在更换新的喷嘴后，视觉相机识别后的像素宽度为c，则实际水射流宽度为(a/b)×c，由此，通过本发明实施例的定位校正系统可直接获得出水射流的线径，识别定位水射流的实际宽度，获得水导激光加工的激光耦合水束线径以及中心点，实现对水射流的加工宽度以及加工中心定位，以决定水导激光加工的起点位置以及加工尺寸，对加工刀具补偿和刀具坐标系设定提供精确的参考依据，提高水导激光加工的效率和精度。

结合图1、3所示，根据本发明实施例的水射流定位校正系统，利用其进行水导激光加工设备的水射流定位校正的过程包括以下步骤：

步骤1、水导激光加工头开始喷出稳定的高压水射流；

步骤2、X向视觉相机捕捉到高压水射流紧密段的图像，确定水射流沿X方向的角度误差α；

步骤3、控制系统基于角度误差α控制旋转机构驱动电机驱动旋转微动调整机构旋转，带动水导激光加工头反向旋转消除偏差，补偿水射流在X方向的倾斜角度；

步骤4、Y向视觉相机捕捉到高压水射流紧密段的图像，确定水射流沿Y方向的角度误差β；

步骤5、控制系统基于角度误差β控制俯仰机构驱动电机驱动俯仰微动调整机构前后俯仰，带动水导激光加工头反向旋转消除偏差，补偿水射流在Y方向的倾斜角度；

步骤6、X向视觉相机和Y向视觉相机同步摄影，同步提取X和Y向的水射流角度信息，二次确认水射流在空间的垂直度，并基于角度误差α、角度误差β与预设偏差阈值φ₀之间的偏差Δφ进行闭环反馈控制，控制系统动态调整直至水射流姿态与理想的参照Z轴平行。

作为可选的示例，前述角度误差α、角度误差β被设置成按照下述方式获得：

基于X向/Y向视觉相机采集的水射流图像；

对水射流的关键区域图像进行裁剪和灰度处理，将处理后水束影像近似拟合成一条灰色线段；

比对所述灰色线段与Z轴竖直的参照线之间的角度，获得水射流沿X向/Y向的偏差角度。

作为可选的实施例，当检测到的校正后的X方向的角度误差α大于预设偏差阈值φ₀，或者Y方向的角度误差β大于预设偏差阈值φ₀时，控制系统基于角度偏差进行动态的校正补偿，控制旋转机构驱动电机201、俯仰机构驱动电机101带动旋转微动调整机构2、俯仰微动调整机构1分别进行动态调整，直到角度误差α以及角度误差β均小于预设偏差阈值φ₀，达到与Z轴竖直的参照线的平行状态。

作为可选的实施例，通过本发明的方法，基于X向/Y向视觉相机采集的水射流图像，识别定位水射流的实际宽度，获得水导激光加工的激光耦合水束线径以及中心点，由此实现对水射流的加工宽度以及加工中心定位，以决定水导激光加工的起点位置以及加工尺寸，对加工刀具补偿和刀具坐标系设定提供精确的参考依据，提高水导激光加工的效率和精度。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统，其特征在于，包括俯仰微动调整机构、俯仰机构驱动电机、旋转微动调整机构、旋转机构驱动电机、水导激光加工头、安装法兰、X向视觉相机、Y向视觉相机、视觉识别组件以及控制系统；

所述俯仰微动调整机构和旋转微动调整机构组合安装，构成两自由度的旋转摆动机构，所述俯仰微动调整机构被设置成能够绕Y轴向旋转，所述旋转微动调整机构被设置成能够绕X轴向旋转；

所述水导激光加工头通过所述安装法兰安装在所述旋转微动调整机构上，并能够通过所述两自由度的旋转摆动机构来调整水导激光加工头在X-Y向的角度；

所述X向视觉相机和Y向视觉相机分别布置在水导激光加工头下方对应的X方向与Y方向，并且相机视野均完全覆盖水射流紧密段，用于从X方向与Y方向分别对水射流进行成像输出；

所述视觉识别组件分别与所述X向视觉相机和Y向视觉相机连接，用于根据X向视觉相机和Y向视觉相机输出的水射流图像，识别水射流沿着X方向和/或Y方向的角度偏差；

所述控制系统分别与所述旋转机构驱动电机、所述俯仰机构驱动电机电连接，用于根据所述角度偏差对应控制驱动旋转机构驱动电机、所述俯仰机构驱动电机的转动，以使得对应旋转微动调整机构与俯仰微动调整机构发生相应的微调，补偿消除水射流在X方向和/或Y方向的角度偏差。

2.根据权利要求1所述的用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统，其特征在于，所述俯仰微动调整机构和旋转微动调整机构均具有自锁功能。

3.根据权利要求1所述的用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统，其特征在于，所述俯仰微动调整机构和旋转微动调整机构具有10″以内的转动分辨率，旋转范围在±10°。

4.根据权利要求1所述的用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统，其特征在于，所述X向视觉相机设置于水导激光加工头后方，相机视野面朝X方向。

5.根据权利要求1所述的用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统，其特征在于，所述Y向视觉相机设置于水导激光加工头侧面，相机视野面朝Y方向。

6.根据权利要求1所述的用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统，其特征在于，所述控制系统基于X方向的角度偏差，通过控制旋转机构驱动电机驱动旋转微动调整机构运动，旋转微动调整机构带动水导激光加工头反向旋转以消除偏差，补偿水射流在X方向的倾斜角度；并且，

基于Y方向的角度偏差，通过控制俯仰机构驱动电机驱动俯仰微动调整机构运动，俯仰微动调整机构带动水导激光加工头反向旋转以消除偏差，补偿水射流在Y方向的倾斜角度。

7.根据权利要求6所述的用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统，其特征在于，所述视觉识别组件被设置成以下述方式识别角度偏差：

接收X向/Y向视觉相机采集的水射流图像；

对水射流的关键区域图像进行裁剪和灰度处理，将处理后水束影像近似拟合成一条灰色线段；

比对所述灰色线段与Z轴竖直的参照线之间的角度，获得水射流沿X向/Y向的偏差角度。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统，其特征在于，所述视觉识别组件被设置成用于根据X向/Y向视觉相机采集的水射流图像，识别定位水射流的实际宽度，获得水导激光加工的激光耦合水束线径以及中心点。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述用于水导激光加工设备的水束射流定位校正系统的水束射流定位校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、水导激光加工头开始喷出稳定的高压水射流；

步骤2、X向视觉相机捕捉到高压水射流紧密段的图像，确定水射流沿X方向的角度误差α；

步骤3、控制系统基于角度误差α控制旋转机构驱动电机驱动旋转微动调整机构旋转，带动水导激光加工头反向旋转消除偏差，补偿水射流在X方向的倾斜角度；

步骤4、Y向视觉相机捕捉到高压水射流紧密段的图像，确定水射流沿Y方向的角度误差β；

步骤5、控制系统基于角度误差β控制俯仰机构驱动电机驱动俯仰微动调整机构前后俯仰，带动水导激光加工头反向旋转消除偏差，补偿水射流在Y方向的倾斜角度；

步骤6、X向视觉相机和Y向视觉相机同步摄影，同步提取X和Y向的水射流角度信息，二次确认水射流在空间的垂直度，并基于角度误差α、角度误差β与预设偏差阈值φ₀之间的偏差进行闭环反馈控制，控制系统动态调整直至水射流姿态与理想的参照Z轴平行；

其中，所述角度误差α、角度误差β被设置成按照下述方式获得：

基于X向/Y向视觉相机采集的水射流图像；

对水射流的关键区域图像进行裁剪和灰度处理，将处理后水束影像近似拟合成一条灰色线段；

比对所述灰色线段与Z轴竖直的参照线之间的角度，获得水射流沿X向/Y向的偏差角度。

10.根据权利要求9所述的水束射流定位校正方法，其特征在于，所述方法更加包括以下步骤：

基于X向/Y向视觉相机采集的水射流图像，识别定位水射流的实际宽度，获得水导激光加工的激光耦合水束线径以及中心点。