對(duì)激光切割機(jī)的改進(jìn)
2017-1-11 來源：上海工程技術(shù)大學(xué), 作者：劉璐琦 齊東平 李昶
摘要:在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中,激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的加工與改進(jìn),尤其在高精密儀器工件的加工制作方面,有比較大的影響。機(jī)器視覺是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷的技術(shù),具有比人眼測(cè)量和工具測(cè)量更精密更便捷的特點(diǎn)。當(dāng)代激光切割機(jī)的應(yīng)用還存在著一些缺陷,我們?cè)O(shè)想將機(jī)器視覺技術(shù)融入激光切割中,開拓它們的適用區(qū)間,使它可以應(yīng)用于更多方面,也使加工步驟更簡(jiǎn)便。
關(guān)鍵詞:機(jī)器視覺；激光切割；圖像拼接；采集數(shù)據(jù)
1 激光切割技術(shù)與機(jī)器視覺技術(shù)
激光切割是用聚焦鏡將CO2 激光束聚焦在材料表面使材料熔化, 同時(shí)用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而形成一定形狀的切縫。激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中,可大大減少加工時(shí)間,降低加工成本,提高工件質(zhì)量。激光切割設(shè)備通常采用計(jì)算機(jī)化數(shù)字控制技術(shù)(CNC)裝置。采用該裝置后,就可以利用電話線從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(AUTO CAD)工作站來接受切割數(shù)據(jù)。近年來激光切割作為一門發(fā)展極快的高效制造加工技術(shù)受到各個(gè)國(guó)家政府和工業(yè)部門的重視,尤其是激光加工設(shè)備和激光器的發(fā)展成為工程學(xué)的一項(xiàng)重要課題。機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置,分CMOS 和CCD 兩種)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào),傳送給專用的圖像處理系統(tǒng),得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息,根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息,轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)﹔圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征,進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。在此次試驗(yàn)中,圖像信號(hào)提取后會(huì)被轉(zhuǎn)化為CAD 圖形,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入激光切割設(shè)備進(jìn)行切割。
2 對(duì)激光切割機(jī)的改進(jìn)
2.1 基于原有功能的設(shè)想
由計(jì)算機(jī)圖形學(xué)可知,圖像是由圖形元素,即像素組成的二維矩陣。一幅圖像由許多個(gè)象素點(diǎn)組成,每個(gè)象素點(diǎn)包含著反映圖像在該點(diǎn)的明暗和顏色變化等信息,任何字符和復(fù)雜的圖形圖像都可以看做是由點(diǎn)集合而成的像素點(diǎn)陣。目前,使用點(diǎn)陣法獲得圖像的數(shù)控雕刻機(jī)均采取掃描像素點(diǎn)陣的工作方式,讓雕刻頭裝置(激光束或其他可蝕刻、產(chǎn)生點(diǎn)的機(jī)構(gòu))與被雕刻材料之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng),并由計(jì)算機(jī)按照象素點(diǎn)的明暗信息控制雕刻頭裝置“打點(diǎn)”或“不打點(diǎn)”的兩種工作狀態(tài),使得雕刻頭裝置按所需的圖案軌跡進(jìn)行刻畫,從而在被雕刻材料上得到由點(diǎn)或線構(gòu)成的一幅圖像。數(shù)控雕刻機(jī)的掃描一般是以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力, 步進(jìn)電機(jī)將數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為直線位移,通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)雕刻頭裝置作往復(fù)直線、間歇的“步進(jìn)”運(yùn)動(dòng)。[1]因此, 普通激光切割機(jī)在已獲取切割路徑的情況下可以完成復(fù)雜的切割。但是,在擁有實(shí)體而缺失圖紙的情況下,制作完全一樣的個(gè)體是需要突破的問題,我們?cè)O(shè)想用一種方式得到實(shí)體的圖像數(shù)據(jù),并使生成的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為激光切割信息輸出, 最終實(shí)現(xiàn)實(shí)體和切割路徑的轉(zhuǎn)換。獲取圖像數(shù)據(jù),圖像采集是第一步工作。較早人們常采用照相機(jī)作為圖像捕獲的主要手段,由于相片需要掃描才可用于進(jìn)一步處理,所以圖像質(zhì)量不高,直接影響了圖像拼接的結(jié)果。數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用提高了采集圖像的質(zhì)量, 同時(shí)普通攝像機(jī)及CCD 攝像機(jī)采集的實(shí)時(shí)的視頻序列也常用于圖像拼接。圖像獲取方式的不同會(huì)導(dǎo)致輸入圖像的不同,最后的拼接結(jié)果也不同。圖像采集由照相機(jī)拍攝時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定,一般有三種情況：(1)照相機(jī)固定在三角架上,旋轉(zhuǎn)照相機(jī)拍攝﹔(2)照相機(jī)放置與一個(gè)滑軌上,平行移動(dòng)照相機(jī)進(jìn)行拍攝﹔(3)手持照相機(jī)拍攝,站在原地拍攝四周,或者沿著照相機(jī)得光軸垂直方向走動(dòng)拍攝。[2]在本實(shí)驗(yàn)中采用第二種運(yùn)動(dòng)方式。
2.2 改進(jìn)方法與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
要求在達(dá)到目的的同時(shí)減少浪費(fèi)資源,做到快捷高效,我們做出了以下改進(jìn)設(shè)計(jì)。我們?cè)诩す馇懈顧C(jī)主控桿裝置上加裝一臺(tái)小型工業(yè)攝像機(jī),它與激光出射裝置相關(guān)聯(lián), 隨激光出射裝置配合切割路徑進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)。如圖1。
2.3 機(jī)器視覺對(duì)激光加工技術(shù)的完善
一般來說,機(jī)器視覺技術(shù)從大的方面可分為前端的成像技術(shù)和后端的圖像處理技術(shù),一個(gè)完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)由光源、鏡頭、相機(jī)、采集卡及處理軟件構(gòu)成(如圖2)。從某種意義上來看,機(jī)器視覺在一些領(lǐng)域完全可以取代人眼去觀察一個(gè)生產(chǎn)過程的細(xì)節(jié)部分,這也是機(jī)器視覺的功能的重要體現(xiàn)———把某些人眼無法看到的生產(chǎn)加工過程以圖像的形式在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)在生產(chǎn)加工人眼的眼前。如果機(jī)械視覺應(yīng)用得當(dāng)?shù)脑?它將更大程度地提高工作效率,縮短工作時(shí)間,這也更符合當(dāng)今世界的生產(chǎn)理念。
設(shè)置好拍照參數(shù),在拍攝樣品時(shí)使樣品水平放置在操作臺(tái)上,為激光切割機(jī)輸入特定的路徑,使之按照規(guī)定路線進(jìn)行小幅圖像的拍攝(此時(shí)關(guān)閉激光)。
2.4 操作方案
2.4.1 對(duì)樣品切割信息的提取
激光切割機(jī)可以快捷高效的完成對(duì)輸入圖像的切割,但是對(duì)于復(fù)雜且沒有切割信息的樣品,我們首先要完成的是對(duì)樣品切割信息的提取。第一步,獲得清晰的圖像。我們依靠工業(yè)相機(jī)來完成,由于激光切割對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度要求較高,拍攝單幅圖像時(shí)會(huì)發(fā)生圖像邊緣部分發(fā)生細(xì)微形變的情況,或因?yàn)橐暯堑膬A斜程度、拍攝角度等問題產(chǎn)生失真,我們解決的方法是使工業(yè)攝像機(jī)平行于切割面進(jìn)行路線合理的平行移動(dòng),每隔一定的距離進(jìn)行一次拍攝,從而得到一組該樣品的切割面平面圖像。
2.4.2 圖像的編輯與設(shè)置
獲得圖像后開始進(jìn)行圖像的規(guī)范,我們需要把這組圖像經(jīng)過圖像拼接、圖像融合等技術(shù)轉(zhuǎn)化為一幅完整的可以進(jìn)行工作的圖像。本文采用了2004 年David Lowe 改進(jìn)的SIFT[5]算法完成圖像序列特征點(diǎn)的提取。SIFT 算法是一種電腦視覺算法,它在空間尺度中尋找極值點(diǎn)并提取出位置、尺度、旋轉(zhuǎn)不變量。SIFT 算法又稱尺度不變特征點(diǎn)提取方法,其實(shí)現(xiàn)主要包含4 個(gè)步驟：①檢測(cè)尺度空間極值﹔②精煉特征點(diǎn)位置﹔③計(jì)算特征點(diǎn)的描述信息﹔④生成本地特征描述符。得到的特征點(diǎn)具有尺度不變性,能夠正確的提取尺度和視角變化較大的圖像序列中存在的特征點(diǎn),有效地克服了輸入圖像中的噪聲干擾。下一步驟圖像配準(zhǔn)采用的是基于特征點(diǎn)的圖像配準(zhǔn)方法,即通過匹配點(diǎn)對(duì)構(gòu)建圖像序列之間的變換矩陣,從而完成全景圖像的拼接。為了提高圖像配準(zhǔn)的精度,本文采用了RANSAC[6],LM 等算法對(duì)圖像變換矩陣進(jìn)行求解與精煉,達(dá)到了較好的圖像拼接效果。最后進(jìn)行圖像融合,進(jìn)行圖像拼接縫合線處理的方法有很多種,如顏色插值和多分辨率樣條技術(shù)等。有以上過程可以得到完整圖像。
啟用Photoshop 參照激光切割機(jī)操作手冊(cè)進(jìn)行圖像預(yù)處理, 處理完成后選擇“圖像/旋轉(zhuǎn)畫布/水平翻轉(zhuǎn)”將圖形翻轉(zhuǎn),在“文件/存儲(chǔ)副本”中以“BMP”格式保存圖形,圖形處理完畢可以在設(shè)定參數(shù)后輸入激光切割機(jī)進(jìn)行工作,從而得到與樣品一模一樣的成品。對(duì)激光內(nèi)雕機(jī)來說,軟件系統(tǒng)包含三維圖形處理軟件,三維圖形編輯軟件可以導(dǎo)入DXF,BMP,JPG,GIF,PLT 等文件格式進(jìn)行處理,同時(shí)顯示三維圖形在XY,YZ,XZ 平面的投影以及整個(gè)立體圖形。可以手工對(duì)圖形進(jìn)行相關(guān)的處理,以滿足自己的要求
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