用于基于图像地定位工件加工过程的方法、加工机和计算机程序产品与流程

本发明涉及一种用于在加工机上、尤其在工具机或激光切割机上加工扁平的工件、尤其是板材或者三维的工件的方法，本发明还涉及一种用于实施该方法的合适加工机和一种对应的计算机程序产品。

背景技术：

要实施的工件加工过程的手动定位或之后定位(重新定位)在许多情况下是费时的、不精确的并且容易出错的。首先必须求得构件尺寸，接着手动测量原材料，最后必须例如借助于激光二极管确定起始点。因为这些信息经常不充分，因此常常首先实施干式运转，以便避免在加工机上出现错误生产或损坏。

由JP 11-320143公知，借助于摄像机二维地扫描要加工的板材并且与要切割的工件部分一起显示在屏幕上，以及自动通过其他要切割的工件部分盖住空闲的板材区域。然而，这种方法的前提是，空闲的板材区域被图像处理装置正确识别，否则一些例如污染的板材区域被图像处理装置识别为已被加工并因此不再能够用于叠放其他部分。

技术实现要素：

本发明的任务在于，在用于加工工件的方法中简化要实施的工件加工过程的手动定位或重新定位并提供对应的加工机和对应的计算机程序产品。

根据本发明，该任务通过用于在加工机上、尤其在工具机或激光切割机上加工扁平的工件、尤其是板材或者三维的工件的方法来解决，所述方法具有以下方法步骤：

a)通过用于感测二维图像的图像感测装置来感测要加工工件的实况图像；

b)在工件的实况图像中通过工件加工过程的从三维机器坐标系到二维实况图像坐标系的预给定的正向转换来显示至少一个要实施的工件加工过程；

c)在工件的实况图像中手动重新定位要实施的工件加工过程；和

d)通过重新定位的工件加工过程的从二维实况图像坐标系到三维机器坐标系的预给定的反向转换来实施在工件上的工件加工过程。

根据本发明，要实施的已规划的工件加工过程(例如要实施的激光切割)作为结果预览重叠在工件的实况图像上，即刚好在本应处理工件加工过程、例如切割轮廓的地方被显示。因此对于操作者来说立即可见的是，在良好地利用材料的情况下能否实现无错误生产。操作者可以在需要的情况下在实况图像中手动地重新定位或通过其他轮廓嵌套要处理的轮廓。接着，重新定位的工件加工过程转换回到机器坐标系中并且相应地被处理。一方面对于在机器坐标系中规划的工件加工过程在实况图像中的显示并且另一方面对于在实况图像坐标系中重新定位的工件加工过程在机器坐标系中的实施来说，在机器坐标系和实况图像坐标系之间的正向和反向转换必须是已知的。为此必须相对于三维机器坐标系校准图像感测装置(例如以二维或三维视角视向要加工的工件的摄像机)的二维实况图像。可以实时这样的校准，但不必对于每个新工件提前实施。

根据本发明的方法还提供下面其他优点：

-直观的操作：实况图像中的观看角度对应于习惯的到机器中的观看。所有转换、换算和重新定位自动在后台解决并且以图像示出。

-通过在实况图像中直接分配要实施的加工过程(WYSIWYG，英文“what you see is what you get”，你看到的是你得到的)而实现的简化和直观的操作相比于手动加工工件表面节省了时间。

-直接在加工平面上进行在实况图像中的作为重叠图示的加工结果的预览和简单的优化，例如通过对工件部分平移/转动/镜像。

-通过结果预览和对操作的大程度简化而避免了错误。

-材料效率，因为可以在没有安全裕度的情况下使用工件表面。

-耐用的解决方案，因为定位与在图像拍摄时的不利的曝光关系、反射表面或其他影响无关，这些例如使通过图像处理实现的解决方案变困难。

-优化的加工，因为能够例如根据纤维方向(CFK材料，碳纤维合成材料)或表面质地(薄膜，织物)进行要定位的加工的所希望的定向，因为这些信息都存在于实况图像中。

优选地，在方法步骤a)之前通过图像感测装置感测具有至少三个机器基准点的参考实况图像，这三个机器基准点在机器坐标系中的三维位置分别是已知的，然后在三维机器坐标系和两维实况图像坐标系之间的正向和反向转换根据机器基准点和它们在参考实况图像中对应的参考图像点来确定。通过从至少三个实况图像坐标(参考图像点)到已知机器基准点的校准，加工轮廓(例如要实施的激光切割)可以在实况图像中刚好在本应加工轮廓的地方重叠地被示出。由此，在机器工作空间中的基准点在实况图像中明确地配属于参考图像点，从而校准摄像机。

特别优选地，其在机器坐标系中的三维位置已知的至少一个第四机器基准点被感测，或者尤其用于修正通过图像感测装置引起的视觉失真的失真因数被确定，其中，在三维机器坐标系和二维实况图像坐标系之间的正向和反向转换根据至少四个机器基准点或根据至少三个机器基准点和失真因数，以及根据在参考实况图像中对应的参考图像点来确定。失真因数可以例如间接通过拍摄具有摄像机和图像分析的预给定样本来确定，或者直接通过Shack-Hartmann布置来测量并且通过Zernike多项式的叠加来描述。由此，在机器坐标系和实况图像坐标系之间的正向和反向转换明显更精确地确定，使得在实况图像中手动重新定位要实施的工件加工过程时需要保持到例如工件棱边或其他工件加工部的更小的安全距离。

在变型方案中，至少一些、尤其所有对应于在参考实况图像中的机器基准点的参考图像点由操作者手动配属，例如以操作者在操作界面上通过点击选择参考实况图像中的参考图像点的方式。在另一变型方案中，至少一些、尤其所有对应于在参考实况图像中的机器基准点的参考图像点通过对明显的机器基准点的自动图像识别来配属。有利地，机器基准点中的一个可以通过可移动的机器部件(例如通过激光加工机的激光加工头)来构成，该机器部件在感测至少一个参考实况图像之前已经移动到机器坐标系中已知的位置上。替代地，可以通过加工过程在工件中添加机器基准点，例如通过标记或冲裁圆孔。也可能的是，使用在之前加工的已切割的工件部分的轮廓作为机器基准点。此外，通过将点或几何形状投影到基准面的一个或多个位置上，例如通过一个或多个(可移动的)激光二极管产生一个或多个机器基准点。由此，(面向图像感测装置的)工件表面构成基准平面。

优选地，在方法步骤c)中，手动重新定位包括下面动作中的至少一个：旋转要切割的工件部分；移动要切割的工件部分；对准(嵌套)要切割的工件部分；旋转和/或移动和/或上下调节升降元件或伸缩元件(例如抽吸装置、磁力抓手、电子吸附抓手或钳式抓手或者顶销)；定位分离切口或定位用于其他手动加工过程或装备过程的示教点(teachpunkt)。

特别优选地，在方法步骤b)之前感测工件厚度，以便在方法步骤b)中不在工件的支座平面(下侧)中、而是在工件的面向图像感测装置的上侧(加工平面)上显示在工件的实况图像中的规划的工件加工过程。由此，工件加工过程能够取代在支座平面中而在实况图像中的实际加工平面中定位，这在厚板材的情况下尤其重要。

为了这样示出在实况图像中的工件加工过程，使得该工件加工过程正确地显示(并且之后实施)在三维的工件的表面上，必需的是，对于扁平的工件来说已知的、在扁平的工件的支座平面/工件平面中显示工件加工的正向转换适配于三维的工件表面。优选地，为此由对于在扁平的工件上的工件加工过程来说已知的正向转换和反向转换如下确定在用于三维的工件上的工件加工过程的正向转换和反向转换：

(i)在工件的实况图像中通过所述CAD图示的对于扁平的工件来说已知的从三维CAD坐标系到二维实况图像坐标系的正向转换显示CAD图示、尤其是工件的至少一个部分CAD图示，其中，在实况图像中显示的CAD图示根据它在实况图像中的位置进行不同缩放；和

(ii)将对于扁平的工件来说已知的正向转换和反向转换通过在工件的实况图像中移动工件的与位置有关的CAD图示适配到三维的工件上，直至在实况图像中CAD图示至少部分地、尤其完全重合地与工件重叠。

CAD图示包括至少一个单独线条，该单独线条在至少一个限定点中与基准平面的已知点和工件的至少一个另一限定点重叠。

替代地，工件在支座平面上的部分CAD图示在实况图像中显示，之后在实况图像中由操作者手动(或自动地由另一图像识别装置)移动，直至该部分CAD图示与在实况图像中的实际工件重合。部分CAD图示可以例如仅是工件的下侧，或者在工件的实况图像中显示工件的完整CAD图示。由此能够容易地求得工件在机器坐标系中的定位。

本发明在另一方面中也涉及一种用于加工扁平的工件、尤其是板材的加工机、尤其是工具机或激光切割机，该加工机具有至少一个地点已知的用于二维感测要加工工件的图像的图像感测装置、用于在三维机器坐标系和二维实况图像坐标系之间的正向转换和反向转换的转换单元、用于显示要加工工件的实况图像和要实施的工件加工过程的显示器、用于手动重新定位要实施的工件加工过程的操作单元和被编程的用于根据本发明的方法控制工件加工的机器控制装置。

本发明最后还涉及一种具有编码单元的计算机程序产品，该编码单元在程序在加工机的机器控制装置上运行时适配用于实施根据本发明的加工方法的所有步骤。

本发明主题的其他优点和有利构型可从说明书、附图和权利要求中得到。同样地，上述和进一步提及的特征可以分别用于本身或用于多个任意组合。所示出和描述的实施方式不应理解成最终的列举，而是具有用于描述本发明的示例性特点。

附图说明

附图示出：

图1在工件实况图像中的基于图像定位工件加工过程中的用于实施根据本发明的加工方法的合适的激光切割机；

图2图1的在校准实况图像坐标系时的激光切割机；

图3通过激光切割机的顶销将倾斜工件压出；和

图4a-4e具有三维的工件的所显示的CAD图示的三维的工件的实况图像，其中，该CAD图示在实况图像的不同位置上显示。

具体实施方式

图1中作为平台机被立体示出的激光切割机1包括例如实施为CO₂激光器、二极管激光器或固体激光器的激光束发生器2，该激光切割机还包括可沿X和Y方向移动的激光加工头3和工件支座4。在激光束发生器2中产生激光束5，该激光束借助于(未示出的)光导线缆或(未示出的)偏转镜从激光束发生器2引导至激光加工头3。激光束5借助于布置在激光加工头3中的聚焦镜头指向位于工件支座4上的工件6上(例如板材上)。此外，给激光切割机1供给以过程气体7、例如氧气和氮气。过程气体7被输送给激光加工头3的过程气体喷嘴8，该过程气体与激光束5一起从该过程气体喷嘴中发出。激光切割机1用于从工件6中激光切割工件部分9₁、9₂，其中，对此所需的工件加工过程(切割轮廓)用10₁、10₂表示。三维机器坐标系XYZ全部用11标明。激光加工头或其中的部件可以作为顶销起作用，该顶销为了在适合的部位上卸料而向下挤压被切割的但由于倾斜没有掉落的工件部分9₃，如图3所示。对应的工件加工过程、即通过顶销压出工件部分9₃用10₃标记。

激光切割机1还包括机器侧地点已知地、在这里地点固定地布置的呈用于二维感测工件支座4或位于其上的工件6的图像的摄像机形式的图像感测装置12。图像感测装置12的视野范围用点划线表示。所拍摄的图像在机器1的操作界面13的显示器13a上显示为工件的实况图像14。显示器13a的二维实况图像坐标系XY全部用15标记。最后，激光切割机1还包括用于在三维机器坐标系11和二维实况图像坐标系15之间正向转换和反向转换T、T^-1的转换单元16以及机器控制装置17。

下面描述根据本发明的用于基于图像重新定位(定位)要实施的工件加工过程10₁、10₂、10₃。

首先，通过图像感测装置12(从2D或3D立体图中)拍摄要加工工件6的图像并且在显示器13a中显示为工件6的二维实况图像14。在三维机器坐标系11中例如作为可执行的机器程序(NC程序)存在的要实施的工件加工过程10₁、10₂、10₃在转换单元16中通过预给定的正向转换T从三维机器坐标系11转换到二维实况图像坐标系15中并且同样在显示器13a中(与工件6的实况图像14重叠地)显示。所希望的工件加工过程10₁、10₂作为结果预览显示在工件6的实况图像14中，使得立即可见，在良好利用材料的情况下能否实现无错误生产。必要时，示出的工件加工过程10₁、10₂、10₃当下可以由操作者通过操作界面13的输入设备13b(键盘、鼠标)直接在工件6的实况图像14中重新定位。手动重新定位可以例如是旋转或移动要切割工件9₁、9₂或它的切割轮廓，或者对准(嵌套)多个要切割的工件9₁、9₂或旋转和/或移动和/或上下调节升降元件或伸缩元件(例如抽吸装置、磁力抓手、电子吸附抓手或钳式抓手或者顶销)，或者定位分离切口或定位用于其他手动加工过程或装备过程的示教点。最后，在实况图像14中重新定位的工件加工过程10₁、10₂、10₃在转换单元16中通过预给定的反向转换T^-1从二维实况图像坐标系15转换回到三维机器坐标系11中并且在建立对应的NC程序之后在工件6上被实施。机器控制装置17被编程用于根据本方法控制工件加工。

在显示器13a中重叠显示工件6和工件加工过程10₁、10₂、10₃之前，工件厚度可以通过测定或手动输入来感测，以便不在工件6的支座平面(下侧)中、而是在工件6的面向图像感测装置12的上侧(加工平面)上显示在工件6的实况图像14中规划的工件加工过程10₁、10₂、10₃。由此，工件加工过程10₁、10₂、10₃能够取代在支座平面中而在实况图像中的实际加工平面中定位，这在厚板材的情况下尤其重要。替代地，机器基准点P1至P4可以直接布置在工件6的表面上，例如通过加工过程在工件6中添加机器基准点P1至P4，例如通过标记或冲裁圆孔。也可能的是，使用之前加工的事先被切割的工件部分的轮廓作为机器基准点P1至P4。此外，通过例如用一个或多个(可移动的)激光二极管将点或几何形状投影到工件6的一个或多个位置上来产生一个或多个机器基准点。由此，(面向图像感测装置12的)工件6的表面构成基准平面。

用于基于图像来重新定位工件加工过程10₁、10₂、10₃的所述方法的前提是，确定正向转换和反向转换T、T^-1，用于校准看向工件6的图像感测装置12，以便将实况图像坐标系15或者说实况图像14中的明确图像点配属于机器坐标系11(机器工作空间)中的空间点。

图2示例性示出，如何能够实现校准图像感测装置12。

首先，通过图像感测装置12感测具有至少三个(这里是四个)机器基准点P1至P4的参考图像，这些机器基准点在机器坐标系统11中的位置分别是已知的，并且在显示器13a中显示为参考实况图像18。根据机器基准点P1至P4和它们在参考实况图像18中对应的参考图像点R1至R4可以确定在三维机器坐标系11和二维实况图像坐标系15之间的正向转换和反向转换T、T^-1。对应于参考实况图像18中的机器基准点P1至P4的参考图像点R1至R4可以例如由操作者手动或通过自动图像识别装置19配属。可移动的激光加工头3在它在识别参考实况图像18之前已移动到在机器坐标系11中的已知位置上时可以构成机器基准点P1至P4中的一个。

替代于所示出的一个图像感测装置12，也可以使用具有重叠或分别相邻的视野范围的多个图像感测装置12。但是也可以设置一个或多个可运动的图像感测装置12，例如通过将图像感测装置12布置在加工单元上、例如在激光头3上，或者通过与激光头可分开移动的运动轴线。

由三到四个机器基准点获得的正向转换T足以用于将基于所希望的基准平面(支座平面)的二维和三维图示投影到二维实况图像14中。然而，在实况图像14中投影的图示根据该图示在实况图像14中的哪个位置上显示来进行不同缩放。因此，为了在实况图像14中的正确位置上显示投影的图示，必须事先相应地缩放正向转换T。为了求得对应的缩放因数，三维的工件的CAD图示可以在实况图像14中的支座平面上显示，然后操作者(或另一图像识别装置)移动该CAD图像，直至它在实况图像14中与工件的所显示的图像重合。

更普遍地，CAD图示可以包括至少一个单独线条，该单独线条在至少一个限定点中与基准平面的已知点和工件的至少一个其他限定点重叠。这样例如对于操作者来说可能的是，在实况图像中将倾斜工件6的突出的棱边的棱角与在机器坐标系中垂直走向的线条的限定点重叠，并且将在基准平面中垂直位于该棱角下方的点与另一限定点重叠。线条在两个限定点之间的长度由于线条的已知缩放因数和取向确定了一线段，由此在该情况下可以求得突出的棱角的高度。该高度可以用于例如通过工具将倾斜工件6从支架中敲出，或确保与工具(例如激光头)不存在碰撞风险。因此，该功能是一种卷尺，通过该卷尺可以在实况图像中求得尺寸，以便更准确或更可靠地实施工件加工过程。

在图4a至4e中示例性示出，如何从对于在扁平的工件6上的工件加工过程来说已知的正向转换和反向转换T、T^-1中能够确定用于在三维的工件6’上的工件加工过程的所缩放的正向转换和反向转换T’、T’^-1。

三维的工件6’的通过图像感测装置12拍摄的、这里例如长方体的图像在操作界面13的显示器13a上显示为实况图像14。在工件6’的该实况图像14中，三维的工件6’的CAD图示20通过CAD图示20的对于扁平的工件6来说已知的从三维CAD坐标系到二维实况图像坐标系15中的正向转换T来显示。在实况图像14中显示的CAD图示20根据在实况图像14中的哪个位置上显示CAD图示20来进行不同缩放。工件6’的所显示的CAD图示20手动地由操作者或自动地在工件6的实况图像14中被移动(图4a至4e)，由此改变了作为基础的正向转换。通过各个移动位置也改变了所示出的CAD图示20的大小。当移动的CAD图示20在实况图像14中与工件6’的所显示的图像重合地叠加(图4e)时，得到所寻找的用于三维的工件6’的正向转换T’。由此，之后也可以求得用于三维的工件6’的反向转换T’^-1。

在工件6’的实况图像14中手动或自动地移动三维的工件6’的CAD图示20可以例如通过操作单元13b来进行。

替代于如图4中那样将三维的工件6’显示为实况图像14中的完整CAD图示20，也可以仅将一部分、例如工件6’的下侧显示为实况图像14中的部分CAD图示20，并且移动三维的工件6’，直至在实况图像14中被移动的CAD图示20重合地叠加所显示的工件6’的下侧。

借助于这样求得的正向转换T’可能的是，将在三维机器坐标系11中例如作为可执行的机器程序(NC程序)存在的要实施的工件加工过程10₁、10₂、10₃在转换单元16中通过正向转换T’从三维机器坐标系11转换到二维实况图像坐标系15中并且同样在显示器13a中(与工件6’的实况图像14重叠)显示。所希望的工件加工过程10₁、10₂作为结果预览显示在工件6’的实况图像14中，使得立即可见，在良好利用材料的情况下能否实现无错误生产。因此可以实施在本说明书中用于基本扁平的工件而实施的相同方法步骤。