专利名称：自动寻边激光切割机ccd安装垂直度的检测方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光应用技术领域，特别是涉及一种自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的智能检测方法和系统。
背景技术：
基于计算机视觉的激光切割自动寻边技术是以光学为基础，融合电子学、控制科学、计算机技术及图像处理技术等多门现代科学为一体的综合系统。它通过机器视觉系统获取激光加工对象的图像，然后在计算机中利用图像处理算法对被采集对象的图像进行处理，自动提取出加工对象图像的边缘信息，并根据图像的边缘信息与实际操作对象的对应关系和比例关系，转化为激光切割头运动的控制信息，传给激光切割机的控制系统，实现对目标自动寻边精确剪切。提高自动寻边的精度是激光切割机实现智能化切割、提高自动化水平的关键技术。在激光自动寻边的系统中，目标物体边缘提取的精确度直接影响系统目标物体的切割精度。如果寻边精度达不到加工要求，将会导致切割线与被切图案的实际轮廓存在难于容忍的偏差，造成大量的切割废品。影响机器视觉边缘提取精度具有多方面的因素，除了有效的图像处理算法外，CCD的安装的光轴方向是否与加工面垂直，直接制约着机器视觉系统获取图像的质量，从而影响系统对加工对象边缘的提取精度。一般来说，机器在出厂前，系统安装都要经过严格的检测，但由于激光切割机搬移及工作时振动，往往会造成安装误差，需要在机器运行前对CCD的安装状态进行检测。目前，对CCD安装是否满足其光轴垂直切割床工作面要求，常采用人工目测的方法或利用水准仪进行测量，然后采用CCD 安装装置上的三颗调整螺丝对其进行调整，这些方法不仅烦琐、工作效率低，且精度也难于满足要求，严重影响机器视觉实现自动寻边的精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的智能检测方法和系统，在不添加其它设备及装置的条件下，由计算机控制实现区域激光打出光斑图形进行标记，自动图像采集与处理，精确提取标记点图形的坐标，并利用给定的计算模型计算出CCD安装的垂直度，从而能够解决自动寻边激光切割机CCD安装垂直度检测速度慢，效率低和精度差等问题，提高系统的自动化水平。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种自动寻边激光切割机CCD 安装垂直度的检测方法，包括以下步骤(1)直接利用激光切割机的激光头，在切割床工作面五个不同区域固定铺设的标定纸上打出由激光光斑组成的圆形和圆心标记图案；(2)通过CXD摄取五个不同区域的标记图像；(3)利用图像处理技术，分别提取标记图像的圆周和圆心点坐标；(4)计算出圆心到圆周各点距离的极值，由计算模型求出CCD光轴与切割床的垂直度。
所述的步骤(1)中包括以下子步骤在切割床的四个角及中间位置的五个区域， 分别固定地平铺五张标定纸，控制切割机的激光头在每一张标定纸上打出由激光光斑组成的半径固定的标记圆和圆心进行标记，标记区域尺寸限定在一个CXD成像的视野内，每个标记区的圆心标记点为CXD采图像时的定位对准点，并且在垂直度检测的过程中，五张标定纸的位置保持不变。所述的步骤( 中包括以下子步骤对每一区域标记图形采集，先驱动CCD大致移动到指定的区域，然后动态采集与处理获取视野图像，提取检测区域圆心标记点的坐标，用于控制C⑶位置调整，使圆心标记点调整到CXD采集图像的中心，锁定视野，进行标记图像采集。所述的步骤(3)中包括以下子步骤利用图像处理技术，根据激光光斑的尺寸大小，设计尺寸不同处理模板进行混合噪声滤波处理，并采用亚像素定位算法，精确提取圆周标记点和圆心标记点在图像中的坐标。所述的步骤中包括以下子步骤对采集的每一个标记区域图像，在精确提取标记图形坐标后，计算出圆心标记点到各圆周标记点距离的极值，其中包括不同方向两个相等的最大值和不同方向两个不等的最小值和次最小值，代入计算模型，计算出CCD安装的垂直度；五个区域作同样处理，分别求得五个区域的CCD垂直度，并求平均值作为CCD安装的垂直度。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是还提供一种自动寻边激光切割机 CCD安装垂直度的检测系统，包括切割床，所述的切割床上设有可沿切割床两边平移的安装支架；所述的安装支架上设有可沿安装支架滑动的激光切割机和CCD ；所述的激光切割机和CCD分别与计算机系统相连，所述的计算机系统包括控制模块、图像处理模块和数据处理模块；所述的控制模块用于控制激光切割机在切割床上的五个区域，根据预先指定的位置和半径，在标定纸上精确打出圆形和圆心进行标记，并控制所述的C⑶对标定图形进行采集；所述的图像处理模块用于对采集的图像进行预处理，利用亚像素定位算法，精确提取每帧图像中标记圆心和圆周的各点坐标；所述的数据处理模块用于根据提取标记图形的坐标，计算出所需的参数，并代入计算模型，求出CCD光轴与切割床面的垂直度。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明利用切割机的现有装置，采用图像处理的方法，实现自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的智能检测。本发明可代替人工目测方法或采用水准仪的方法进行CCD垂直度检测，并可克服人工检测速度慢，效率低和精度差等缺点，实现无需人工干预的具有非接触、 高灵敏、高准确、高效率的全自动检测，有助于提高激光切割机的寻边精度和自动化水平。
图1是自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的检测系统结构示意图；图2是检测视野标识图形分布示意图；图3是自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的检测方法的流程图；图4是CXD安装支架调整示意图；图5是投影模型原理图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。如图1所示，本发明实现智能激光切割机器视觉CCD安装垂直度的自动检测，它不需要添加和安装额外的其他设备，仅利用激光切割机固有的设备，即可完成检测。自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的检测系统包括切割床1，所述的切割床1上设有可沿切割床两边平移的安装支架2 ；所述的安装支架2上设有可沿安装支架滑动的激光切割机3和CCD4 ； 所述的激光切割机3和(XD4分别与计算机系统相连。计算机系统包括控制模块、图像处理模块和数据处理模块。所述的控制模块用于控制激光切割机在切割床上的五个区域，根据预先指定的位置和半径，在标定纸上精确打出圆形和圆心进行标记，并控制所述的CCD对标定图形进行采集。所述的图像处理模块用于对采集的图像进行预处理，利用亚像素定位算法，精确提取每帧图像中标记圆心和圆周的各点坐标。所述的数据处理模块用于根据提取标记图形的坐标，计算出所需的参数，并代入计算模型，求出CCD光轴与切割床面的垂直度。该系统采用下列器材=(I)CCD型号为HV1303UM，主要参数分辨率为1观0*10对的CMOS CXD ；光学尺寸为1/1. 8 ；最高130万像素；最高的水平分辨率为1280 ；数模转换精度为IObit ;45dB的高信噪比(AGC OFF)；可开/关的自动增益控制(AGC)，数字增益倍数是*2、*1、*0· 5、*0· 25 ；对于550nm的光源，其灵敏度为2. lV/Lux-s ；可自动跟踪(ATff) / 手动设定的黑白电平衡校正方式；可接受MV AC及12V DC两种电源供应；(2)激光切割机的设备型号V-SPIN-1006-W60CA，控制器型号=CA-II0 X轴传动比1 1，Y轴传动比 2 3 ;X轴驱动器型号为3ND58;3B ；Y轴驱动器型号为3ND58;3B ；X轴电机型号为573S09-L ； Y轴电动机型号为573S15-L ；聚焦镜型号为ZNSE2. OFL ；激光器类型0)2水冷玻璃激光器 (对非金属有效，电压、脉冲双控制)；(3) LED光源=YHFL-100-100-W电气参数24V/11. 5W, 有八档可控变光强，环境温度为25°C时，以50%白色光源亮度连续可靠工作超过30000小时(衰减量为50%时)；(4)计算机系统联想启天M7300 =CPU, Intel酷睿i3550，双核心 /四线程，频率3. 2GHz 二级缓存2 X 256KB，三级缓存4MB ；主板芯片组htel H57，主板内存容量为2GB ；内存类型为DDR31333 ；硬盘容量500GB，转速7200转，SATAII ；显卡类型为独显 AMD Radeon HD4;350，显存容量512MB，显示器尺寸为17英寸。自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的检测系统在系统开机后，先进行相关的初始化，并采用水准仪对激光机的切割床进行水平检测和水平调整，然后由计算机系统控制的激光切割机在切割床的四个角和中间位置的五个区域进行激光精确打点标记，四个角的区域分别记为A区域、B区域、C区域和D区域，中间位置的区域记为E区域，规则打出由激光光斑组成的圆心和半径固定的圆形图形，标记图形分布如图2所示，其尺寸限定在一个 CXD成像的视野内。其中，每个标记区的圆心为CXD采集图像时位置的对准点。对标记图像的采集，由控制模块驱动与激光头绑定一体的CCD完成，将CCD定位到圆心标记点位于采集图像的中心位置后，锁定视野并采集图像，如图1所示。对获取五个标记区域的图像分别进行滤波处理后，对标记点(圆心和圆周)进行亚像素定位，精确提取各标记图形点在图像中的亚像素坐标值。对每一个检测视野，根据图像处理提取的圆心坐标和圆周各点坐标，计算出圆心到圆周各点距离的极值，包括不同方向两个相等的最大值和不同方向两个不等的最小值和次最小值，然后根据计算模型计算出CCD安装的垂直度。自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的智能检测方法，如图3所示，其实现步骤如下(a)启动系统并进行初始化，进行激光切割机切割床的水平校准。(b)开启检测程序，首先根据如图2所示的预先设定的五个区域位置A区域、B区域、C区域、D区域和E区域，分别固定平铺上标定纸，并在检测过程中，其标定纸的位置严格保持不变；再控制切割系统的激光头在每个区域的标定纸上打出半径固定的圆和圆心作为测试标记图形。(c)控制模块将CXD图像传感器分别定位于5个被激光雕刻标记的区域，通过动态图像处理，检测标记视野圆心的位置坐标，并用于控制CXD的位置调整，直到圆心标记点位于图像的中心，此时锁定检测视野，采集标记区域图像。(d)利用滤波去噪和二值化处理，并采用亚像素定位算法，分别提取每一帧图像圆心和圆周各标记点的精确坐标。(e)对每一标记区域，计算出图像中标记圆心到各圆周标记点距离的极值，代入计算模型，求出CXD安装的垂直度。(f)对五个区域分别进行(e)步骤所述方法的处理，计算出每一个区域CCD的安装垂直度，最后求其平均，作为激光切割机CCD安装的垂直度信息。(g)显示检测的CXD安装垂直度信息。根据上述方法，在实际的CCD安装调整过程中，由系统自动检测CCD安装垂直度信息，并根据显示检测信息，操作者可判断CCD的安装状态是否满足要求，当CCD安装垂直度不满足要求时，则可通过图4所示调整机构5对(XD4进行调整，并多次重复检测-调整过程，直到CCD4的安装满足其垂直度的精度要求。在检测过程中，仅需采用五张大于CXD成像视野的标定纸，固定在切割床的五个区域，作为激光打点的标识，供机器视觉采集标记图像。标定纸的位置在检测过程中，必须严格保持不变。为了提高标记图像的检测精度，上述方法先采用图像滤波处理抑制噪声，提高图像的信噪比；在激光标记定位和位置信息的提取过程中，采用亚像素算法，提高标记点图像坐标提取精度。图像去噪的方法有很多，均值滤波和中值滤波是两种常用方法。它们适用不同类型的噪声的图像处理，中值滤波对椒盐噪声有较好的去噪能力，而均值滤波对高斯噪声有较好的去噪能力。但是，由于自动寻边激光切割机的机器视觉成像环境较为复杂，在检测过程中，激光切割机的机器视觉系统获取的图像可能会同时受到两种噪声的干扰，单独的中值滤波或均值滤波均难以达到最好的去噪效果。本方法根据激光光斑的尺寸大小，设计3*3 处理模板进行混合噪声滤波器，相对于传统的滤波算法，去除噪声效果较为理想，有助于实现稳定提取激光标识的精确坐标。在上述方法中考虑到激光光斑所占的像素的尺寸，首先选定滤波处理窗口为3*3尺寸，并采用以下的判别方法对噪声类型进行判别。首先求出滤波窗口内像素的方差Q2， 并设定阀值T。当时Q2 > T时，认为该滤波窗内受到椒盐噪声的污染；当Q2 < T时，则认为该滤波窗内受到高斯噪声的污染。根据上述判断方法，若滤波窗口内像素受椒盐噪声污染， 则求出滤波窗内灰度最大值和最小值，然后去除滤波窗内那些等于最大值和最小值的像素点，如果滤波窗内剩余像素不为零，则求出剩余像素的平均值M,并计算平均像素灰度值与滤波窗口中点像素灰度值差的绝对值E。此绝对值与设定的阈值T比较，若绝对值E大于阈值T，则输出剩余像素均值M,若绝对值E小于阈值T，则输出滤波窗中点像素灰度值。其中阈值T的选择与图像的局部性质相联系。在亮区域可以适当减弱去噪而保存细节；在暗区域，则尽量抑制噪声。若滤波窗口内剩余像素为零，则扩大滤波窗口尺寸为5X5，并重复以上算法。若滤波窗口内未被椒盐噪声污染，则先计算出滤波窗口内像素的梯度绝对值，如果梯度值大于某一给定的阈值T，则直接输出原像素。否则，则输出滤波窗口内像素灰度值均值。重复上述算法，直至完成所有像素点的滤波处理，完成图像除噪处理。为了精确检测CXD安装的垂直度，区域激光标记图形的精确定位是关键。在上述方法中，采用亚像素定位算法提取标识点的坐标，确保其定位的高精度。基于二阶空间矩算子的亚像素定位算法，对激光光斑中心位置进行高精度定位。首先在对图像进行预处理的基础上，对激光光斑的灰度图像进行增强和二值化处理，然后采用LOG算子对图像进行边缘检测，使光斑边缘精确定到单像素精度，然后使用二阶空间矩算子进一步细分，使边缘定位达到亚像素精度，再通过拟合计算得到光斑中心坐标值。由于考虑到激光斑点的尺寸， 以5*5尺寸为采样窗口，设计六个空间矩运算模板，在包含边缘点邻域内，使用这六个模板与组成圆图形的光斑圆进行卷积运算，根据设定的阈值进行判断，得到光斑边缘的亚像素位置，再经拟合计算，得到圆形激光光斑以及圆心激光光斑的亚像素位置坐标。需要说明的是，在实际系统测量中，检测的激光光斑有可能会出现椭圆形或不规则图形，此时，需要将光斑图像按照圆模型进行拟合，以便精确计算光斑中心亚像素位置坐标。上述方法中获取CCD光轴与切割面垂直度的算法是按以下方法确定的。由于实际应用激光切割机机器视觉系统的图像传感器摄像装置都是透视投影成像系统，光轴的变化，会引起景物点在CXD的像平面上运动情况不一致。透射投影会在图像中产生透视效果， 成像实际是三维场景在二维成像平面上的投影。由于成像平面相对于场景的方向改变，会造成光轴方向改变。在透视投影系统中，光轴的变化，会引起投影图像产生非常大的影响。 只有当场景目标离成像孔无限远时，透视投影就成为了平行投影。基于传感器和摄像装置的小孔成像原理，光轴的变化产生的透视的实质是三维空间上的相对观察角度的变化，体现在二维的图像处理中，实际上是三维到二维的仿射变化。所以基于机器视觉的激光切割机，可根据透视投影的共线理论，利用齐次坐标变换建立从激光切割床平面到CCD成像平面的坐标变换关系。在上述方法中先建立3个坐标系(1)激光切割床平面坐标系0ΧΥΖ， 此坐标系为实际操作对象所在的平面，即OXY面，在测量过程中保持不变；(2)视点坐标系 OsXsYsZs,此坐标以视点为坐标原点，Zs指向坐标系OXYZ的原点；(3)(XD成像平面坐标系 0' X' Y'，此系为平面坐标系，CXD成像阵面位于0' X' Y'平面。三个坐标系的关系如图5所示。从激光切割床平面坐标系OX^到C⑶成像平面坐标系0' X' Y'的投影转换关系，可用以下的坐标变换来表示
权利要求
1.一种自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤(1)直接利用激光切割机的激光头，在切割床工作面五个不同区域固定铺设的标定纸上打出由激光光斑组成的圆形和圆心标记图案；(2)通过CXD摄取五个不同区域的标记图像；(3)利用图像处理技术，分别提取标记图像的圆周和圆心点坐标；(4)计算出圆心到圆周各点距离的极值，由计算模型求出CCD光轴与切割床的垂直度。
2.根据权利要求1所述的自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的检测方法，其特征在于，所述的步骤(1)中包括以下子步骤在切割床的四个角及中间位置的五个区域，分别固定地平铺五张标定纸，控制切割机的激光头在每一张标定纸上打出由激光光斑组成的半径固定的标记圆和圆心进行标记，标记区域尺寸限定在一个C⑶成像的视野内，每个标记区的圆心标记点为CCD采图像时的定位对准点，并且在垂直度检测的过程中，五张标定纸的位置保持不变。
3.根据权利要求1所述的自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的检测方法，其特征在于，所述的步骤O)中包括以下子步骤对每一区域标记图形采集，先驱动CCD大致移动到指定的区域，然后动态采集与处理获取视野图像，提取检测区域圆心标记点的坐标，用于控制C⑶位置调整，使圆心标记点调整到C⑶采集图像的中心，锁定视野，进行标记图像采集。
4.根据权利要求1所述的自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的检测方法，其特征在于，所述的步骤(3)中包括以下子步骤利用图像处理技术，根据激光光斑的尺寸大小，设计尺寸不同处理模板进行混合噪声滤波处理，并采用亚像素定位算法，精确提取圆周标记点和圆心标记点在图像中的坐标。
5.根据权利要求1所述的自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的检测方法，其特征在于，所述的步骤(4)中包括以下子步骤对采集的每一个标记区域图像，在精确提取标记图形坐标后，计算出圆心标记点到各圆周标记点距离的极值，其中包括不同方向两个相等的最大值和不同方向两个不等的最小值和次最小值，代入计算模型，计算出CCD安装的垂直度；五个区域作同样处理，分别求得五个区域的CCD垂直度，并求平均值作为CCD安装的垂直度。
6.一种自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的检测系统，包括切割床，所述的切割床上设有可沿切割床两边平移的安装支架；所述的安装支架上设有可沿安装支架滑动的激光切割机和CCD ；所述的激光切割机和CCD分别与计算机系统相连，其特征在于，所述的计算机系统包括控制模块、图像处理模块和数据处理模块；所述的控制模块用于控制激光切割机在切割床上的五个区域，根据预先指定的位置和半径，在标定纸上精确打出圆形和圆心进行标记，并控制所述的CCD对标定图形进行采集；所述的图像处理模块用于对采集的图像进行预处理，利用亚像素定位算法，精确提取每帧图像中标记圆心和圆周的各点坐标; 所述的数据处理模块用于根据提取标记图形的坐标，计算出所需的参数，并代入计算模型， 求出CCD光轴与切割床面的垂直度。
全文摘要
本发明涉及一种自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的检测方法，包括以下步骤直接利用激光切割机的激光头，在切割床工作面五个不同区域固定铺设的标定纸上打出由激光光斑组成的圆形和圆心标记图案；通过CCD摄取五个不同区域的标记图像；利用图像处理技术，分别提取标记图像的圆周和圆心点坐标；计算出圆心到圆周各点距离的极值，由计算模型求出CCD光轴与切割床的垂直度。本发明还涉及自动寻边激光切割机CCD安装垂直度的检测系统，检测系统主要包含三个软件模块，即控制模块、图像处理模块和数据处理模块。本发明能够解决自动寻边激光切割机CCD安装垂直度检测速度慢，效率低和精度差等问题，提高系统的自动化水平。
文档编号G01B11/26GK102353346SQ20111017061
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月23日 优先权日2011年6月23日
发明者叶韬, 涂新星, 王士乐, 钟平 申请人:东华大学