基于视觉识别的钢板坡口切割方法与流程

本发明涉及数控技术领域，更具体地说涉及一种基于视觉识别的钢板坡口切割方法。

背景技术：

金属结构的构件通常由多块钢板拼焊而成，每一块钢板在切割下料后，根据结构计算的要求，其中一些零件周边需制成坡口，以便于焊接后提高构件承载能力。综合生产成本及效率，钢板周边坡口的加工以人工火焰切割方式最普遍。

在数控切割技术普及后，钢板零件在根据要求数控切割下料后，理论上应能同时实现坡口的切割成型，但由于周边余料对割炬运动轨迹的干扰，会造成割炬焰心温度受影响而无法实现良好的切割。因此，实际上坡口成型制作都需将零件单独提取出来再次进行坡口切割。在提取出的零件进行坡口切割时，若使用数控切割方式，需按零件轮廓重新寻找切割轨迹，实现的方式相对麻烦，由于再切割时割炬放置位置的改变也无法使用原有的割料程序，或则需要加以修正。

目前，视觉识别技术应用较为成熟，主要应用于产品缺陷检测、产品型号识别、在线跟踪等，在数控切割领域，采用视觉技术的相关应用目前还比较少。国家知识产权局于2017年3月22日，公开了一件公开号为cn106536128a，名称为“用于基于图像定位工件加工过程的方法、加工机和计算机程序产品”的发明专利，该发明具有如下步骤：a）借助于用于感测二维图像的图像感测装置感测要加工的工件的实况图像；b）在所述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与给定的正向转换显示至少一个要实施的工件加工过程；c）在所述工件的所述实况图像中手动重新定位要实施的所述工件加工过程；d）通过重新定位的所述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所述工件上的所述工件加工过程。

上述现有技术中的基于图像定位工件加工过程的方法的加工精度有所欠缺，对于加工精度较高的工件的加工，该技术不能满足对工件的加工要求。尤其是针对钢板坡口的加工，由于再切割时割炬放置位置的改变也无法使用原有的割料程序，或则需要加以修正。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本申请提供了一种基于视觉识别与在线视觉跟踪技术控制数控切割机切割工件坡口的切割方法，本申请的发明目的在于提供一种将已经成熟的视觉识别与跟踪技术与数控切割机相结合，实现多零件的在线识别与边缘提取，应用规划算法进行加工路径的规划，结合在线视觉跟踪技术实时获取零件边缘，并采用误差补偿的方法进行数控加工，实现自主切割坡口的目的，提高基于图像定位的数控加工的加工精度。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本申请是通过下述技术方案实现的：

基于视觉识别的钢板坡口切割方法，其特征在于：包括输送工件的工作输送平台、第一视觉装置、第一视觉支架、割炬运动执行装置、数控切割机控制器、图像处理器、割炬支架和第二视觉装置，所述第一视觉装置通过第一视觉支架架设在工作输送平台上方，第一视觉装置采集工作输送平台输送的工件图像信息，所述割炬运动执行装置通过割炬支架架设在工作输送平台的上方，且位于第一视觉装置后方，割炬运动执行装置与数控切割机控制器相连，在数控切割机控制器的控制下对工作输送平台上输送的工件进行切割；所述第二视觉装置设置在割炬运动执行装置的执行端，所述割炬运动执行装置的执行端安装有割炬；所述图像处理器设置在工作输送平台上，所述第一视觉装置和第二视觉装置均与图像处理器建立通信连接；第一视觉装置和第二视觉装置将其采集到的工件的图像信息传输至图像处理器进行处理，所述图像处理器与数控切割机控制器建立数据连接；

工作输送平台输送工件至第一视觉装置下方，第一视觉装置采集输送至其采集区域内的工件的图像，并将采集到的图像数据发送至图像处理器，图像处理器利用工件轮廓检测和拟合算法提取工件的位置、轮廓信息，并将提取到的工件信息传输至数控切割机控制器，所述数控切割机控制器获取到图像处理器传输的工件信息后，根据获取到的工件信息进行全局加工路径规划，获得最优或次优的加工路径；

所述数控切割机控制器获取加工路径后，按照其获取的加工路径控制割炬支架带动割炬运动执行装置沿工作输送平台输送方向的前后移动，并控制割炬运动执行装置沿割炬支架方向做往复运动；同时，第二视觉装置实时捕获当前加工零件的边缘信息，通过图像处理器离散处理后发送给数控切割机控制器，数控切割机控制器控制割炬运动执行装置带动割炬做旋转运动，实现工件加工过程中，工件边缘的实时跟踪，直至加工完当前工件。

所述第一视觉装置包括两个图像采集摄像头，所述两个图像采集摄像头分别设置在第一视觉支架的两端，两个图像采集摄像头从两个不同的角度对工件图像进行采集。

所述第一视觉装置包括一个图像采集摄像头，所述图像采集摄像头设置在第一视觉支架中间位置，图像采集摄像头的镜头朝下，采集工作输送平台上的工件图像信息。

所述第二视觉装置包括两个图像采集摄像头，所述两个图像采集摄像头分别设置在割炬的两侧，从两个不同的角度对在加工的工件进行实时图像采集。

所述割炬运动执行装置为多关节机械臂，割炬固设在多关节机械臂的执行端；第二视觉装置与割炬一起固设在多关节机械臂的执行端。

所述割炬支架包括用于安装架设割炬运动执行装置的架体和驱动架体沿工作输送平台输送方向前后移动的驱动机构，所述驱动机构安装在工作输送平台上，所述架体与驱动机构相连，并在驱动机构的带动下沿工作输送平台输送方向的前后移动。

所述驱动装置包括伺服电机、导向柱和丝杠，导向柱水平固设在工作输送平台上，丝杠与伺服电机通过联轴器相连，架体的下端套设在导向柱上，并与丝杠螺纹连接；伺服电机驱动丝杠转动，从而带动架体在导向柱上前后移动；所述伺服电机的伺服控制器与数控切割机的控制器相连。

与现有技术相比，本申请所带来的有益的技术效果表现在：

1、本申请的技术方案与背景技术中引用的专利文件的技术方案相比：

（1）基本原理不同，前述是采用图像测量和坐标变换进行工件加工，而本发明是采用图像识别和边缘检测确定工件分布位置以及基本轮廓参数，然后采用视觉跟踪算法实时检测工件边缘，实现实时在线加工；

（2）采用的方法不同，前者是采用单视觉采集装置获取待加工工件的实况图像，然后采用坐标变换等技术进行加工规划，而本发明则是采用双视觉采集装置，一个视觉采集装置用于捕获工件分布和工件边缘特征，另一个视觉采集装置用于当前加工工件的在线视觉跟踪；

3）实现方法不一样，前者是采用相机固定进行捕获加工工件信息，而本发明中的在线视觉跟踪是采用动态跟踪，相机处于运动状态，相比之下，本发明的加工精度更好。因此，与现有技术相比，本申请的钢板坡口切割方法是首个采用视觉识别与在线视觉跟踪于一体的钢板坡口切割方法，相较于现有技术中的视觉识别的工件加工方法而言，本申请的钢板坡口切割方法的加工精度更高。

2、本申请与现有技术相比的优点是：能够在线跟踪加工工件的边缘，无需预置加工程序，加工程序均由边缘数据采集之后进行实时生成，从而提高整个数控切割机的生产柔性。

附图说明

图1为本发明钢板坡口加工系统的结构示意图；

附图标记：1、割炬支架，2、割炬运动执行装置，3、割炬，4、第二视觉装置，5、第一视觉支架，6、第一视觉装置，7、工件，8、工作输送平台，9、图像处理器，10、数控切割机控制器。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的技术方案作出进一步详细地阐述。

实施例1

作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

基于视觉识别的钢板坡口切割方法，包括输送工件7的工作输送平台8、第一视觉装置6、第一视觉支架5、割炬运动执行装置2、数控切割机控制器10、图像处理器9、割炬支架1和第二视觉装置4，所述第一视觉装置6通过第一视觉支架5架设在工作输送平台8上方，第一视觉装置6采集工作输送平台8输送的工件7图像信息，所述割炬运动执行装置2通过割炬支架1架设在工作输送平台8的上方，且位于第一视觉装置6后方，割炬运动执行装置2与数控切割机控制器10相连，在数控切割机控制器10的控制下对工作输送平台8上输送的工件7进行切割；所述第二视觉装置4设置在割炬运动执行装置2的执行端，所述割炬运动执行装置2的执行端安装有割炬3；所述图像处理器9设置在工作输送平台8上，所述第一视觉装置6和第二视觉装置4均与图像处理器9建立通信连接；第一视觉装置6和第二视觉装置4将其采集到的工件7的图像信息传输至图像处理器9进行处理，所述图像处理器9与数控切割机控制器10建立数据连接；

工作输送平台8输送工件7至第一视觉装置6下方，第一视觉装置6采集输送至其采集区域内的工件7的图像，并将采集到的图像数据发送至图像处理器9，图像处理器9利用工件7轮廓检测和拟合算法提取工件7的位置、轮廓信息，并将提取到的工件7信息传输至数控切割机控制器10，所述数控切割机控制器10获取到图像处理器9传输的工件7信息后，根据获取到的工件7信息进行全局加工路径规划，获得最优或次优的加工路径；

所述数控切割机控制器10获取加工路径后，按照其获取的加工路径控制割炬支架1带动割炬运动执行装置2沿工作输送平台8输送方向的前后移动，并控制割炬运动执行装置2沿割炬支架1方向做往复运动；同时，第二视觉装置4实时捕获当前加工零件的边缘信息，通过图像处理器9离散处理后发送给数控切割机控制器10，数控切割机控制器10控制割炬运动执行装置2带动割炬3做旋转运动，实现工件7加工过程中，工件7边缘的实时跟踪，直至加工完当前工件7。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

基于视觉识别的钢板坡口切割方法，包括视觉装置、支架、图像处理器9、数控切割机控制器10。所述的视觉装置包括视觉识别装置（即第一视觉装置6）与在线视觉跟踪装置（即第二视觉装置4）。所述的支架包括数控切割机割炬支架1和视觉识别装置支架（即第一视觉支架5），所述的数控切割机割炬支架1可以沿着工作台做往复运动。图像处理器9中的图像处理算法主要包括工件7轮廓检测与拟合算法和图像边缘检测与跟踪算法。

基于视觉识别的钢板坡口切割方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：视觉识别装置采集整个工作台的图像，将采集的图像数据发送至图像处理器9，图像处理器9利用工件7轮廓检测与拟合算法提取各个工件7的位置、轮廓等信息，然后将工件7信息传输给智能规划算法；智能规划算法获取各个工件7信息后，进行全局加工路径规划，以获得最优或次优的加工路径；在本实施例中，所述的路径规划在数控切割机控制器10中实现，所述的智能规划算法可以采用现有的路径规划算法；

步骤三：数控切割机获取加工路径后控制数控切割机割炬支架1沿工作台的前后运动以及数控切割机割炬运动执行装置2沿数控切割机割炬支架1方向做往复运动，通过在线视觉跟踪装置实时捕获当前加工零件的边缘信息，通过离散处理后发送给数控切割机控制器10控制数控切割机割炬运动执行装置2做旋转运动，实现零件边缘的实时跟踪；

步骤四：加工完当前零件后，按照步骤二规划的运动路径加工下一工件7，直到所有工件7都被加工；发明与现有技术相比的优点是：能够在线跟踪加工工件7的边缘，无需预置加工程序，加工程序均有边缘数据采集之后进行实时生成，从而提高整个数控切割机的生产柔性。

实施例3

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

基于视觉识别的钢板坡口切割方法，其特征在于：包括输送工件7的工作输送平台8、第一视觉装置6、第一视觉支架5、割炬运动执行装置2、数控切割机控制器10、图像处理器9、割炬支架1和第二视觉装置4，所述第一视觉装置6通过第一视觉支架5架设在工作输送平台8上方，第一视觉装置6采集工作输送平台8输送的工件7图像信息，所述割炬运动执行装置2通过割炬支架1架设在工作输送平台8的上方，且位于第一视觉装置6后方，割炬运动执行装置2与数控切割机控制器10相连，在数控切割机控制器10的控制下对工作输送平台8上输送的工件7进行切割；所述第二视觉装置4设置在割炬运动执行装置2的执行端，所述割炬运动执行装置2的执行端安装有割炬3；所述图像处理器9设置在工作输送平台8上，所述第一视觉装置6和第二视觉装置4均与图像处理器9建立通信连接；第一视觉装置6和第二视觉装置4将其采集到的工件7的图像信息传输至图像处理器9进行处理，所述图像处理器9与数控切割机控制器10建立数据连接；

工作输送平台8输送工件7至第一视觉装置6下方，第一视觉装置6采集输送至其采集区域内的工件7的图像，并将采集到的图像数据发送至图像处理器9，图像处理器9利用工件7轮廓检测和拟合算法提取工件7的位置、轮廓信息，并将提取到的工件7信息传输至数控切割机控制器10，所述数控切割机控制器10获取到图像处理器9传输的工件7信息后，根据获取到的工件7信息进行全局加工路径规划，获得最优或次优的加工路径；

所述数控切割机控制器10获取加工路径后，按照其获取的加工路径控制割炬支架1带动割炬运动执行装置2沿工作输送平台8输送方向的前后移动，并控制割炬运动执行装置2沿割炬支架1方向做往复运动；同时，第二视觉装置4实时捕获当前加工零件的边缘信息，通过图像处理器9离散处理后发送给数控切割机控制器10，数控切割机控制器10控制割炬运动执行装置2带动割炬3做旋转运动，实现工件7加工过程中，工件7边缘的实时跟踪，直至加工完当前工件7。

在本实施例中，图像处理器9中采用的图像处理算法均可以采用现有算法，例如通过第一视觉装置6采集工件7图像对，提取待测工件7图像，去除背景后提取工件7图像对的边缘轮廓关键特征点并进行匹配，工件7的边缘轮廓具有丰富的特征信息，边缘检测的算子有很多，如canny算子、sobel算子、prewitt算子、roberts算子等，或采用多边形逼近法提取工件7轮廓关键特征点，或采用基于极限约束的轮廓关键特征点匹配等；在本实施例中，数控切割机控制器10根据获取到的工件7信息进行全局加工路径规划，获得最优或次优的加工路径；可以采用现有软件实现，通过控制器读取图像处理器9提取出的轮廓特征点，利用控制器系统便携数据处理程序（如softplc系统编写数据处理程序），求解出割炬运动执行装置2沿标定位置达到实际位置需要在基坐标系内的z轴旋转角、y轴旋转角、x轴旋转角，x偏移，y偏移、z偏移，然后传递到割炬运动执行装置2的运动程序中，完成对加工路径的规划。

所述第一视觉装置6包括两个图像采集摄像头，所述两个图像采集摄像头分别设置在第一视觉支架5的两端，两个图像采集摄像头从两个不同的角度对工件7图像进行采集。在本实施例中，所述第一视觉装置6可以采用一个图像采集摄像头，所述图像采集摄像头设置在第一视觉支架5中间位置，图像采集摄像头的镜头朝下，采集工作输送平台8上的工件7图像信息。

所述第二视觉装置4包括两个图像采集摄像头，所述两个图像采集摄像头分别设置在割炬的两侧，从两个不同的角度对在加工的工件7进行实时图像采集。第二视觉装置4也可以采用一个图像采集摄像头。

所述割炬运动执行装置2为多关节机械臂，割炬固设在多关节机械臂的执行端；第二视觉装置4与割炬一起固设在多关节机械臂的执行端。所述割炬支架1包括用于安装架设割炬运动执行装置2的架体和驱动架体沿工作输送平台8输送方向前后移动的驱动机构，所述驱动机构安装在工作输送平台8上，所述架体与驱动机构相连，并在驱动机构的带动下沿工作输送平台8输送方向的前后移动。所述驱动装置包括伺服电机、导向柱和丝杠，导向柱水平固设在工作输送平台8上，丝杠与伺服电机通过联轴器相连，架体的下端套设在导向柱上，并与丝杠螺纹连接；伺服电机驱动丝杠转动，从而带动架体在导向柱上前后移动；所述伺服电机的伺服控制器与数控切割机的控制器相连。