具有自动检测球体最高点位置的激光打孔设备及打孔方法
【专利摘要】具有自动检测球体最高点位置的激光打孔设备及打孔方法。目前在激光打孔还主要停留在人为的操作下，感知系统检测被加工材料的位置，凭借操作者的视觉来感知聚焦位置进而手动的调整运动控制系统到达指定的位置，进行激光打孔。具有自动检测球体最高点位置的激光打孔设备，包括：打孔机，高分辨同轴CCD传感器、图像采集卡构成自动检测系统，所述的自动检测系统连接计算机，所述的计算机装有高精度运动控制卡，所述的高精度运动控制卡连接所述的打孔机的步进电机，所述的计算机装有图像处理软件，通过自动检测系统迅速精确的聚焦球体的最高点位置。本发明位于球体最高点位置的激光打孔。
【专利说明】具有自动检测球体最高点位置的激光打孔设备及打孔方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光打孔系统中球体最高点位置的自动检测的【技术领域】，特别是涉及一种精确的对球体最高点位置自动定位并进行打孔的设备和方法。
【背景技术】
[0002]在激光打孔过程中，为了保证孔的形状及尺寸要求，需要确定激光的聚焦位置，并且保证此聚焦位置的恒定不变。针对球体最高点位置的激光打孔，则激光束焦点聚焦球体最高点的精确程度是保证孔的形状和尺寸要求的关键因素。
[0003]目前在激光打孔的工艺过程中，还主要停留在人为的操作下，感知系统检测被加工材料的位置，凭借操作者的视觉来感知聚焦位置进而手动的调整运动控制系统到达指定的位置，进行激光打孔。这种方法在检测过程中的误差和后续的控制过程的误差很大，很难保持孔的形状和尺寸精度；而且自动化的程度很低，激光打孔的时间长。因此，为解决激光打孔精确聚焦问题，设计一套自动化程度高的激光打孔的系统，提高激光打孔的质量和效率具有重要的现实意义。
[0004]目前应用于激光打孔系统中的自动聚焦方法分为基于物方测距的主动式聚焦方法和基于像检测法的被动式聚焦方法。基于物方测距的主动式聚焦方法主要通过三角测距、红外线测距、超声波测距的方法测量物镜与被加工材料的距离，来达到自动聚焦的目的。但这种方法的缺点在于:针对透明材料会出现严重的散焦现象而造成很大的测量误差；硬件系统的成本高；系统的振动对其的影响比较敏感。故基于像检测法的被动式聚焦方法被广泛的使用，并且计算机图像处理的不断发展也为此方法提供了很好的支持。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种具有自动检测球体最高点位置的激光打孔设备及打孔方法，采用图像处理技术，能够提高激光聚焦的精度，同时还能够解决激光打孔效率低的问题。
[0006]本发明的目的是这样实现的:
一种具有自动检测球体最高点位置的激光打孔设备，包括:打孔机，高分辨同轴CCD传感器、图像采集卡构成自动检测系统，所述的自动检测系统连接计算机，所述的计算机装有高精度运动控制卡，所述的高精度运动控制卡连接所述的打孔机的步进电机，所述的计算机装有图像处理软件，通过自动检测系统迅速精确的聚焦球体的最高点位置。
[0007]所述的具有自动检测球体最高点位置的激光打孔设备，所述的CCD传感器光源与激光束光路与的光路同轴，并且所述的CCD传感器支架应保证其轴线方向与载物台平面垂直，所述的CCD传感器与所述的图像采集卡之间采用USB2.0进行连接，所述的图像采集卡和所述的高精度运动控制卡则直接插入计算机的PCI插槽中，保证检测结果使得采用图像处理得到的球体最高点位置即为激光束聚焦位置。
[0008]一种利用所述的设备进行自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，所述的通过高分辨率同轴CCD传感器的准确识别、图像采集卡的模数转换、计算机图像处理软件的滤波处理及图像增强处理、高精度运动控制系统控制打孔机，实现打孔。
[0009]所述的设备进行自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，所述的通过高分辨率同轴CXD传感器的准确识别，是指手动调整运动控制卡，将被测物体置于CXD传感器的视场范围内，对被测物体进行照射，利用反射光透过物镜与CCD感光部位成像，并使球体二维图像最清晰。
[0010]自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，所述的计算机图像处理软件的滤波处理及图像增强处理是将图像数据通过图像采集卡送入计算机，对二维图像边缘进行边缘点的采集；利用采集的边缘点，根据曲线拟合，拟合被测球体的二维图像边缘；根据所拟合的二维图像边缘求取图像的圆心位置，确定球体二维图像的圆心位置，采用所述的曲线拟合最终确定球体的最高点位置，以控制拟合误差，使得到的球体最高点位置更加精确。
[0011]自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，所述的高精度运动控制系统控制打孔机，实现打孔，是指在控制载物台时，使在X/Y平面到达已经确定的圆心位置；建立针对该被测球体最高点位置的自动聚焦评价函数；控制载物台沿Z轴的聚焦评价函数值增大的方向进行变步长移动，即:开始搜索采用大步长的搜索，逐步减小步长大小进行搜索，连续获得相应位置图像数据，计算相应位置聚焦评价函数的值，直到聚焦评价函数值出现第一次减小为止；采用变步长的搜索方法，有效的减小搜索的时间，控制载物台反向运动，重复以上的搜索过程；取聚焦评价函数值达到最大的位置及其附近的5个位置，利用这些位置进行曲线拟合，根据所得曲线得出聚焦评价函数值最大的位置，将其作为最后的确定的球体最高点位置，从而迅速的确定球体最高点位置。
[0012]所述的设备进行自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，所述的高精度运动控制系统控制打孔机，实现打孔的方法是通过PC机发出触发信号控制运动控制卡X/Y方向，步进电机驱动载物台准确的到达指定的圆心位置；在圆心位置控制载物台Z方向的运动，即给一个步长使得CCD传感器大致聚焦于球体最高点附近，选择相应的聚焦评价函数，沿聚焦评价函数值变大的方向搜索，直到出现聚焦评价函数值减小的情况，在所有的步长都要记录相应的载物台的位置，采用曲线拟合的方式获得载物台Z向位置与聚焦评价函数值之间的曲线，求取曲线的极大点位置则为聚焦点位置，完成聚焦；控制激光器，在聚焦位置进行精确打孔。
[0013]所述的设备进行自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，所述的计算机图像处理软件的滤波处理及图像增强处理是通过PCI接口，将数字图像送入PC机，利用图像处理软件先对图像进行滤波处理、图像增强处理，提高图像与背景之间的对比度；对图像处理后的图像进行智能边缘提取，利用边缘提取的采集点进行曲线拟合，准确的得出球体二维图像的圆心位置。
[0014]有益效果:
本发明提出的具有自动检测球体最高点位置的激光打孔系统具有以下几个特点:
(1)球体二维图像的边缘检测采用了智能边缘提取的方法，在减少检测时间的基础上更好的提取边缘检测点；
(2)对于球体二维图像的圆心位置的检测采用曲线拟合的方法，减小了传统的圆心确定的原理性误差；
(3)球体最高点位置的确定则建立相应聚焦评价函数，采用变步长的搜索方法，保证最高点位置确定的快速性和准确性。
[0015]本发明通过自动检测功能的高分辨率同轴CCD传感器、高精度运动控制系统及检测方法，能够迅速的获得球体二维平面的圆心位置，能够自动的检测球体的最高点位置及进行精确的控制，在尽可能减少加工时间的基础上保证孔的形状和尺寸要求。
[0016]通过高分辨率同轴C⑶传感器的准确识别、图像采集卡的模数转换、计算机图像处理软件的滤波处理及图像增强处理、高精度运动控制系统的协同工作，实现了球体最高点位置的自动检测，并且检测的精度高、控制时间短，真正的实现了自动化程度高的激光打孔过程。同时，该系统中对于球体二维图像的圆心位置的确定，通过高分辨率CCD的硬件支持上，尽可能的减小软件算法拟合误差；对于球体最高点位置的确定，则采用变步长的搜索方法，尽可能的减小调焦的时间。通过硬件的支持和软件的优化，形成了一套响应快、精度高的自动检测球体最高点的激光打孔系统。
[0017]
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1自动检测球体最高点位置的激光打孔系统原理示意图。
[0019]图2自动检测球体二维图像的圆心位置原理示意图。
[0020]图3自动检测球体最高点位置的原理示意图。
[0021]【具体实施方式】:
实施例1:
一种具有自动检测球体最高点位置的激光打孔设备，包括:打孔机，高分辨同轴CCD传感器、图像采集卡构成自动检测系统，所述的自动检测系统连接计算机，所述的计算机装有高精度运动控制卡，所述的高精度运动控制卡连接所述的打孔机的步进电机，所述的计算机装有图像处理软件，通过自动检测系统迅速精确的聚焦球体的最高点位置。
[0022]实施例2:
所述的具有自动检测球体最高点位置的激光打孔设备，所述的CCD传感器光源与激光束光路与的光路同轴，并且所述的CCD传感器支架应保证其轴线方向与载物台平面垂直，所述的CCD传感器与所述的图像采集卡之间采用USB接口进行连接，所述的图像采集卡和所述的高精度运动控制卡则直接插入计算机的PCI插槽中，保证检测结果使得采用图像处理得到的球体最高点位置即为激光束聚焦位置。
[0023]实施例3:
一种利用实施例1或2所述的设备进行自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，所述的通过高分辨率同轴CCD传感器的准确识别、图像采集卡的模数转换、计算机图像处理软件的滤波处理及图像增强处理、高精度运动控制系统控制打孔机，实现打孔。
[0024]实施例4:
实施例3所述的设备进行自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，所述的通过高分辨率同轴CXD传感器的准确识别，是指手动调整运动控制卡，将被测物体置于CXD传感器的视场范围内，对被测物体进行照射，利用反射光透过物镜与CCD感光部位成像，并使球体二维图像最清晰。
[0025]实施例5: 实施例3或4所述的自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，所述的计算机图像处理软件的滤波处理及图像增强处理是将图像数据通过图像采集卡送入计算机，对二维图像边缘进行边缘点的采集；利用采集的边缘点，根据曲线拟合，拟合被测球体的二维图像边缘；根据所拟合的二维图像边缘求取图像的圆心位置，确定球体二维图像的圆心位置，采用所述的曲线拟合最终确定球体的最高点位置，以控制拟合误差，使得到的球体最高点位置更加精确。
[0026]实施例6:
实施例3或4或5所述的自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，所述的高精度运动控制系统控制打孔机，实现打孔，是指在控制载物台时，使在X/Y平面到达已经确定的圆心位置；建立针对该被测球体最高点位置的自动聚焦评价函数；控制载物台沿Z轴的聚焦评价函数值增大的方向进行变步长移动，即:开始搜索采用大步长的搜索，逐步减小步长大小进行搜索，连续获得相应位置图像数据，计算相应位置聚焦评价函数的值，直到聚焦评价函数值出现第一次减小为止；采用变步长的搜索方法，有效的减小搜索的时间，控制载物台反向运动，重复以上的搜索过程；取聚焦评价函数值达到最大的位置及其附近的5个位置，利用这些位置进行曲线拟合，根据所得曲线得出聚焦评价函数值最大的位置，将其作为最后的确定的球体最高点位置，从而迅速的确定球体最高点位置。
[0027]实施例7:
实施例3或4或5所述的设备进行自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，其特征是:所述的高精度运动控制系统控制打孔机，实现打孔的方法是通过PC机发出触发信号控制运动控制卡X/Y方向，步进电机驱动载物台准确的到达指定的圆心位置；在圆心位置控制载物台Z方向的运动，即给一个步长使得CCD传感器大致聚焦于球体最高点附近，选择相应的聚焦评价函数，沿聚焦评价函数值变大的方向搜索，直到出现聚焦评价函数值减小的情况，在所有的步长都要记录相应的载物台的位置，采用曲线拟合的方式获得载物台Z向位置与聚焦评价函数值之间的曲线，求取曲线的极大点位置则为聚焦点位置，完成聚焦；控制激光器，在聚焦位置进行精确打孔。
[0028]实施例8:
实施例3或4或5或6或7所述的设备进行自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，所述的计算机图像处理软件的滤波处理及图像增强处理是通过PCI接口，将数字图像送入PC机，利用图像处理软件先对图像进行滤波处理、图像增强处理，提高图像与背景之间的对比度；对图像处理后的图像进行智能边缘提取，利用边缘提取的采集点进行曲线拟合，准确的得出球体二维图像的圆心位置。
[0029]实施例9:
具有自动检测球体最高点位置的激光打孔系统，包括硬件和软件两大部分。本方案的核心主要包括两个方面:一是球体二维图像的圆心位置的检测；二是球体最高点位置的快速准确的定位。
[0030]硬件系统包括:大功率激光器、激光束与照明光束同轴的高分辨率CCD传感器、图像采集卡、PC机、高精度运动控制卡、步进电机、具有X/Y/Z向运动的载物台、CCD传感器支架。软件系统包括:系统软件、图像处理软件、运动控制软件。其中对于CCD传感器支架应保证其轴线方向与载物台平面严格的垂直，CXD传感器与图像采集卡之间采用USB2.0进行连接，图像采集卡和运动控制卡则直接插入PC机的PCI插槽中。
[0031]所述的具有自动检测球体最高点位置的激光打孔系统的工作原理是通过CCD传感器和图像采集卡将图像送入PC机，图像处理软件对图像进行处理，利用二维图像边缘的采集点进行曲线拟合得到二维图像的圆心位置，运动控制卡调整载物台X/Y方向到该位置。在此基础上，调整载物台Z方向的位置，采用变步长的搜索方法得到球体的最高点位置。
[0032]所述的具有自动检测球体最高点位置的激光打孔系统在自动定位时的包括以下步骤:
(1)手动调整运动控制卡，将被测物体置于CCD传感器的视场范围内，对被测物体进行照射，利用反射光透过物镜与CXD感光部位成像；
(2)将图像送入图像采集卡，进行模拟图像到数字图像的转变；
(3)通过PCI接口，将数字图像送入PC机，利用图像处理软件先对图像进行滤波处理、图像增强处理，提高图像与背景之间的对比度；
(4)对图像处理后的图像进行智能边缘提取，利用边缘提取的采集点进行曲线拟合，准确的得出球体二维图像的圆心位置；
(5)通过PC机发出触发信号控制运动控制卡X/Y方向，步进电机驱动载物台准确的到达指定的圆心位置；
(6)在圆心位置控制载物台Z方向的运动，即给一个较大的步长使得CXD传感器大致聚焦于球体最高点附近，选择相应的聚焦评价函数，沿聚焦评价函数值变大的方向搜索，直到出现聚焦评价函数值减小的情况，在所有的步长都要记录相应的载物台的位置，采用曲线拟合的方式获得载物台Z向位置与聚焦评价函数值之间的曲线，求取曲线的极大点位置则为聚焦点位置，完成聚焦；
(7)控制激光器，在聚焦位置进行精确打孔。
【权利要求】
1.一种具有自动检测球体最高点位置的激光打孔设备，包括:打孔机，其特征是:高分辨同轴CCD传感器、图像采集卡构成自动检测系统，所述的自动检测系统连接计算机，所述的计算机装有高精度运动控制卡，所述的高精度运动控制卡连接所述的打孔机的步进电机，所述的计算机装有图像处理软件，通过自动检测系统迅速精确的聚焦球体的最高点位置。
2.根据权利要求1所述的具有自动检测球体最高点位置的激光打孔设备，其特征是:所述的CCD传感器光源与激光束光路与的光路同轴，并且所述的CCD传感器支架应保证其轴线方向与载物台平面垂直，所述的CCD传感器与所述的图像采集卡之间采用USB接口进行连接，所述的图像采集卡和所述的高精度运动控制卡则直接插入计算机的PCI插槽中，保证检测结果使得采用图像处理得到的球体最高点位置即为激光束聚焦位置。
3.一种利用权利要求1或2所述的设备进行自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，其特征是:所述的通过高分辨率同轴CCD传感器的准确识别、图像采集卡的模数转换、计算机图像处理软件的滤波处理及图像增强处理、高精度运动控制系统控制打孔机，实现打孔。
4.根据权利要求3所述的设备进行自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，其特征是:所述的通过高分辨率同轴CCD传感器的准确识别，是指手动调整运动控制卡，将被测物体置于CCD传感器的视场范围内，对被测物体进行照射，利用反射光透过物镜与CCD感光部位成像，并使球体二维图像最清晰。
5.根据权利要求3或4自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，其特征是:所述的计算机图像处理软件的滤 波处理及图像增强处理是将图像数据通过图像采集卡送入计算机，对二维图像边缘进行边缘点的采集；利用采集的边缘点，根据曲线拟合，拟合被测球体的二维图像边缘；根据所拟合的二维图像边缘求取图像的圆心位置，确定球体二维图像的圆心位置，采用所述的曲线拟合最终确定球体的最高点位置，以控制拟合误差，使得到的球体最高点位置更加精确。
6.根据权利要求3或4自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，其特征是:所述的高精度运动控制系统控制打孔机，实现打孔，是指在控制载物台时，使在X/Y平面到达已经确定的圆心位置；建立针对该被测球体最高点位置的自动聚焦评价函数；控制载物台沿Z轴的聚焦评价函数值增大的方向进行变步长移动，即:开始搜索采用大步长的搜索，逐步减小步长大小进行搜索，连续获得相应位置图像数据，计算相应位置聚焦评价函数的值，直到聚焦评价函数值出现第一次减小为止；采用变步长的搜索方法，有效的减小搜索的时间，控制载物台反向运动，重复以上的搜索过程；取聚焦评价函数值达到最大的位置及其附近的5个位置，利用这些位置进行曲线拟合，根据所得曲线得出聚焦评价函数值最大的位置，将其作为最后的确定的球体最高点位置，从而迅速的确定球体最高点位置。
7.根据权利要求3或4所述的设备进行自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，其特征是:所述的高精度运动控制系统控制打孔机，实现打孔的方法是通过PC机发出触发信号控制运动控制卡X/Y方向，步进电机驱动载物台准确的到达指定的圆心位置；在圆心位置控制载物台Z方向的运动，即给一个步长使得CCD传感器大致聚焦于球体最高点附近，选择相应的聚焦评价函数，沿聚焦评价函数值变大的方向搜索，直到出现聚焦评价函数值减小的情况，在所有的步长都要记录相应的载物台的位置，采用曲线拟合的方式获得载物台Z向位置与聚焦评价函数值之间的曲线，求取曲线的极大点位置则为聚焦点位置，完成聚焦；控制激光器，在聚焦位置进行精确打孔。
8.根据权利要求3或4所述的设备进行自动检测球体最高点位置实现激光打孔方法，其特征是:所述的计算机图像处理软件的滤波处理及图像增强处理是通过PCI接口，将数字图像送入PC机，利用图像处理软件先对图像进行滤波处理、图像增强处理，提高图像与背景之间的对比度；对图像处理后的图像进行智能边缘提取，利用边缘提取的采集点进行曲线拟合，准确的 得出球体二维图像的圆心位置。
【文档编号】B23K26/046GK103785956SQ201410047588
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月11日 优先权日:2014年2月11日
【发明者】杨立军, 王扬, 张宏志, 侯超剑, 刘俊岩, 王懋露 申请人:哈尔滨工业大学