一种激光切割机零焦识别方法、标定系统及零焦识别系统

摘要

本发明提供一种激光切割机零焦识别方法、标定系统及零焦识别系统，涉及光纤激光切割机技术领域，控制激光头在板材上依次切割出至少z条平行的切缝,切缝长为m，形成线段阵列；将相机视野中心移动至线段阵列的中心处，并拍照；消除安装相机时导致的镜头偏差角度；对图像进行处理，并计算出最细的切缝，返回上位机对应的焦距；上位机根据反馈数据，对进行焦距的自动回零校正。实现了自动化零焦识别，提高了机械自动化、智能化程度，性能稳定，可重复性效果好。不需要由切割人员观测到痕迹最窄处为焦点位置，把这一点记录下来。进而避免了由切割人员来进行比对，最终只能推算出大致焦距，造成焦距精度低，影响切割质量的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光切割机技术领域，尤其涉及一种应用于光纤激光切割机的零焦识别方法、标定系统及零焦识别系统。

背景技术

在全球智能制造潮流的推动下，激光切割机的发展愈加迅猛。其中，光纤激光切割机是利用光纤激光器作为光源，输出高能量密度的激光束，聚焦在工件表面，使工件上被聚焦的区域瞬间融化和气化，进而通过数控系统控制激光头移动进行切割。

焦距是影响光纤激光切割机性能的一个重要因素，切割过程中激光头的底部喷嘴距离下方工件大约在1mm左右，因此不能通过控制激光头与工件的距离来满足调焦，一般通过激光头自动调焦来实现。由于激光束是不可见光，依靠人眼观察无法寻找到激光束焦点，目前识别激光焦点的方法主要有数控定位打点法、斜面焦点烧灼法以及直线烧灼法。但是采用上述焦点识别方法时需要工作人员进行打孔或灼烧操作后进行人工比对，不仅存在一定的安全隐患而且只能推算出大致焦距，无法判断出精确的焦点，误差较大，易造成焦距精度低，影响切割质量。

发明内容

本发明提供一种安全、高效、高精度的应用于光纤激光切割机的零焦识别方法，方法包括：

S101，控制激光头在板材上依次切割出至少z条平行的切缝,切缝长为m，形成线段阵列，z≥6；

S102，将相机视野中心移动至线段阵列的中心处，并拍照；

S103，消除安装相机时导致的镜头偏差角度；

S104，对图像进行处理，并计算出最细的切缝，返回给上位机；

S105，上位机根据反馈数据，对进行焦距的自动回零校正。

进一步需要说明的是，步骤S101中，控制激光头移动到板材上方，记录激光头切割前的起点坐标；

完成至少z条平行切缝的切割后，记录激光头切割后的终点坐标；

由切割的起点坐标、终点坐标和切缝长度计算出中心点坐标。

进一步需要说明的是，在步骤S102中，

根据激光头与相机在X轴方向的增量、Y轴方向的增量分别与当前中心点坐标的X轴坐标、Y轴坐标相加，即为将相机移动至中心点坐标的增量值

将相机移动至线段阵列中心点，执行拍照。

进一步需要说明的是，在步骤S103中，

获取镜头偏差角度，以此角度作为旋转量对图像进行旋转，在进行图像旋转时，访问图像中每一个坐标，以获得所述坐标对应源图像的坐标，最后获得该坐标对应源图像坐标点处的像素数据，生成消除偏差角度后的图像。

进一步需要说明的是，在步骤S104中的对图像进行处理具体包括：

选择图像中包含z条线段的区域为感兴趣区域；

对图像进行中值滤波；再进行自适应阈值二值化；

对图像进行黑白色反转，令线段为黑色，背景为白色；

对图像黑白色反转之后对每条线段进行分割；

对分割后的线段进行线性求解，求得旋转角度，对每条分割图像进行旋转，令所有线段均为水平；

计算线段像素面积，面积最小的即为最细线段，返回索引t

找出每条线段的最小外接矩形宽、高，计算矩形框大小，矩形框面积最小的即为最细线段，返回一个索引t

求每条线段的平均宽度，平均宽度最小的即为最细线段，返回索引t

建立投票机制，分别赋予t

若出现两个相等索引，视为此索引为输出索引；

若三个索引均不相等，按照权重最大的t

进一步需要说明的是，在步骤S104中

将输出索引对照焦距，上传至上位机，对激光头进行焦距的回零校正，所述索引对照焦距为零焦值。

进一步需要说明的是，方法还包括对图像进行标定方法；

将视觉套件安装在激光头上；

配置十字标定板；

将十字标定板置于切割平面上，并移动激光头到十字标定板的正中心位置，拍照获取图像；

沿着Y轴的正方向或负方向移动Y轴预设距离以及沿着X轴的正方向或负方向移动X轴预设距离，进行拍照获取图像；

选取图像的十字中心为感兴趣区域，感兴趣区域的宽度和高度为预设的宽数据和预设的高数据；

提取感兴趣区域的黑色十字，基于黑色十字像素点计算出黑色十字的中心坐标，并解析出视觉套件安装过程中导致的偏差角度。

进一步需要说明的是，基于黑色十字像素点计算出黑色十字的中心坐标，解析出真实世界与像素世界的比例系数以及激光头与相机的坐标差。

本发明还提供一种应用于光纤激光切割机的标定系统，标定系统包括：激光头和标定控制子系统；激光头侧部安装有用于拍摄摄取图像数据的视觉套件；

标定控制子系统包括：感兴趣区域配置模块、标定数据处理模块以及标定计算解析模块；

感兴趣区域配置模块、标定数据处理模块以及标定计算解析模块可以配置到切割机的储存器内部，在执行标定时，可以由切割机的处理器进行调取使用；

感兴趣区域配置模块用于以正中心位置为基准，根据预设的宽数据和高数据，获取感兴趣区域；

标定数据处理模块用于对十字标定板的正中心位置进行拍照，获取中心图像数据；以及沿着Y轴的正方向或负方向移动Y轴预设距离以及沿着X轴的正方向或负方向移动X轴预设距离，进行拍照并获取感兴趣区域的黑色十字像素点；

标定计算解析模块用于基于黑色十字像素点计算出黑色十字的中心坐标，并解析出视觉套件安装过程中导致的偏差角度。

进一步需要说明的是，配置

由下述公式计算出的黑色十字的中心坐标为

设A黑色十字中心坐标为

h为x轴的感兴趣区域初始坐标， k为y轴的感兴趣区域初始坐标；

同理可得到B的十字中心坐标

若相机安装过程中造成了水平或几何偏差，需要进行补偿，补偿角度即偏差角度为

利用真实世界与像素世界的映射数据计算出比例系数。

本发明还提供一种应用于光纤激光切割机的零焦识别系统，零焦识别系统包括：切缝控制模块、相机控制模块、纠偏模块、图像处理模块以及上位机；

切缝控制模块用于控制激光头在板材上依次切割出至少z条平行的切缝，形成线段阵列，z≥6；

相机控制模块用于将相机视野中心移动至线段阵列的中心处，并拍照；

纠偏模块用于消除安装相机时导致的镜头偏差角度；

图像处理模块用于对图像进行处理，并计算出最细的切缝，返回上位机对应的焦距；

上位机根据反馈数据，对激光头进行焦距的自动回零校正。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

对于本发明提供的标定系统及零焦识别系统，相比较现有技术中的数控定位打点法、斜面焦点烧灼法以及直线烧灼法来讲，实现了自动化零焦识别，提高了机械自动化、智能化程度，性能稳定，可重复性效果好，减少了人为操作造成的误差。

具体的，本发明的零焦识别系统能够适用各种复杂场景，只要激光切割机可正常工作，而且本发明将相机安装到切割头上，并且可以根据实际需要设置到激光头相应的位置，占用空间更小，安装拆卸灵活，且保护到位。

本发明的标定系统及零焦识别系统，不需要通过孔径的比较，避免了通过孔径来判断焦点而产生的误差大、焦距精度低，影响切割质量的问题。本发明也不需要由工作人员人工比对测量实际焦点位置，避免了因人眼精度限制而造成的误判以及效率低的问题，本发明精度可达0.5mm以内，测量更科学、准确。并且本发明提高了操作安全性，避免了传统人工操作时高温、气体和工件可能会对人员造成的伤害。

另外，本发明来讲不局限于标定方系统与零焦识别系统对应使用，可以根据需要只使用标定系统或者仅采用零焦识别系统，或者采用本领域常用的标定系统，而使用本发明提供的零焦识别系统，或者，仅使用本发明提供的标定系统，对于零焦识别系统不做限定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为应用于光纤激光切割机的标定系统示意图；

图2为应用于光纤激光切割机的零焦识别系统示意图；

图3为激光切割机零焦识别方法流程图；

图4为视觉套件安装在激光头左侧位置坐标示意图；

图5为视觉套件安装在激光头左侧位置示意图；

图6为视觉套件安装在激光头右侧位置坐标示意图；

图7为视觉套件安装在激光头右侧位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域普通技术人员可以意识到，本发明提供的应用于光纤激光切割机的零焦识别方法、标定系统及零焦识别系统中，所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本发明提供的应用于光纤激光切割机的零焦识别方法、标定系统及零焦识别系统的附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

在本发明的应用于光纤激光切割机的零焦识别方法、标定系统及零焦识别系统中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

本发明主要目的是为了基于机器视觉的方法，拍摄不同焦距下的切缝，通过图像处理和数据计算来判断零焦位置，并与上位机系统进行数据交互实现激光头自动调焦回零。

具体来讲，本发明提供了一种应用于光纤激光切割机的标定系统，如图1所示，标定系统包括：激光头和标定控制子系统；激光头侧部安装有用于拍摄摄取图像数据的视觉套件；

标定控制子系统包括：感兴趣区域配置模块、标定数据处理模块以及标定计算解析模块；

这里的使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明实施例的说明，其本身并没有特定的意义。因此，"模块"与"部件"可以混合地使用。

感兴趣区域配置模块用于以正中心位置为基准，根据预设的宽数据和高数据，获取感兴趣区域；

标定数据处理模块用于对十字标定板的正中心位置进行拍照，获取中心图像数据以及沿着Y轴的正方向或负方向移动Y轴预设距离以及沿着X轴的正方向或负方向移动X轴预设距离，进行拍照并获取感兴趣区域的黑色十字像素点；

标定计算解析模块用于基于预设数量的黑色十字像素点计算出黑色十字的中心坐标，并解析出视觉套件安装过程中导致的偏差角度。

作为本发明标定系统的一种实施例，为了实现在激光切割前的标定及零焦识别过程，保证切割过程的精度，提高切割质量。

具体来讲，对于本发明的标定方法来讲，集成相机、光源、防护盖于一体，组成整体尺寸较小的视觉套件。本发明中涉及的相机像素在600万以上。

在进行零焦识别前，需要利用棋盘格对集成相机进行去畸变操作。棋盘格由边长为预设长度的黑、白正方形组成，预设长度可以为2cm，4cm等，预设长度的具体数据根据实际情况进行设定。棋盘格也可采用12×9规格，或者16×10等，这里不做限定。

对应于拍摄不同角度、不同位置的棋盘格图像，应遍布图像所有区域，为了保障零焦识别标定的效果，棋盘格内所有方格全部拍到且清晰可见，拍摄数量应至少大于20张，将图像数据输入到畸变校正软件，进行畸变校正。

安装视觉套件在激光头左侧位置，设计线宽约为3mm的黑色十字，白色背景，制作成标准十字标定板。标定控制子系统将标定版置于切割平面上，移动激光头到标定板十字正中心，拍照取图，命名为A；向Y轴负方向移动80mm，拍照取图，命名为B；向X轴正方向移动80mm，拍照取图，命名为C。

选取A、B、C的十字中心为感兴趣区域，区域尺寸固定，分别命名为A1、B1和C1。

以A1为例，首先进行二值化，提取出完整无杂点的黑色十字，通过循环扫描可以找出黑色十字端点的8个像素点，相邻像素点平均值即为黑色十字四个端点的中心坐标，设为

同理可得到B的十字中心坐标

若相机安装过程中造成了水平或几何偏差，需要进行补偿。角度为

利用真实世界与像素世界的映射数据计算出比例系数。

利用真实世界与像素世界的映射数据、比例系数计算出激光头与相机的坐标差。

通过上述步骤进行自动化标定，可以获得相机安装过程中导致的微小偏差角度、真实世界与像素世界的比例系数、激光头与相机的坐标差。

本发明的标定及零焦识别过程是在首次标定后记录参数，如果不需要更换激光头、相机，后续使用不需要再进行标定零焦识别，保证了切割的效率。

对于本发明提供的零焦识别系统来讲，如图2所示，零焦识别系统包括：切缝控制模块、相机控制模块、纠偏模块、图像处理模块以及上位机；

切缝控制模块用于控制激光头在板材上依次切割出至少z条平行的切缝，形成线段阵列，z≥6；

相机控制模块用于将相机视野中心移动至线段阵列的中心处，并拍照；

纠偏模块用于消除安装相机时导致的镜头偏差角度；

图像处理模块用于对图像进行处理，并计算出最细的切缝，返回上位机对应的焦距；

上位机根据反馈数据，对激光头进行焦距的自动回零校正。

本发明相比较现有技术中的数控定位打点法、斜面焦点烧灼法以及直线烧灼法来讲，实现了自动化零焦识别，提高了机械自动化、智能化程度，性能稳定，可重复性效果好，减少了人为操作造成的误差。

具体的，本发明的零焦识别系统能够适用各种复杂场景，只要激光切割机可正常工作，而且本发明将相机安装到切割头上，并且可以根据实际需要设置到激光头相应的位置，占用空间更小，安装拆卸灵活，且保护到位。

本发明的标定系统及零焦识别系统，不需要通过孔径的比较，避免了通过孔径来判断焦点而产生的误差大、焦距精度低，影响切割质量的问题。本发明也不需要由工作人员人工比对测量实际焦点位置，避免了因人眼精度限制而造成的误判以及效率低的问题，本发明精度可达0.5mm以内，测量更科学、准确。并且本发明提高了操作安全性，避免了传统人工操作时高温、气体和工件可能会对人员造成的伤害。

另外，本发明来讲不局限于标定方系统与零焦识别系统对应使用，可以根据需要只使用标定系统或者仅采用零焦识别系统，或者采用本领域常用的标定系统，而使用本发明提供的零焦识别系统，或者，仅使用本发明提供的标定系统，对于零焦识别系统不做限定。

基于上述标定系统及零焦识别系统，本发明还提供了一种激光切割机零焦识别方法，如图3至7所示，方法包括：

S101，控制激光头在板材上依次切割出至少z条平行的切缝,切缝长为m，形成线段阵列，z≥6；

具体来讲，控制激光头移动到板材上方，记录激光头切割前的起点坐标

本发明中激光切割机依次逐行切割出z条平行的切缝，这些切缝在x轴方向上的坐标是一样的，在y轴方向坐标等间隔增加。因此这里的起点坐标和终点坐标在x轴方向上是一样的，xs1=xe1。

S102，将相机视野中心移动至线段阵列的中心处，并拍照；

其中，根据激光头与相机的坐标差即激光头与相机在X轴方向的增量zlx

将相机移动至线段阵列中心点，执行拍照。

S103，消除安装相机时导致的镜头偏差角度；

对于获取镜头偏差角度

S104，对图像进行处理，选择图像中包含z条切缝的区域为感兴趣区域。对图像进行滤波及二值化处理，再进行线条分割，对分割后的线段进行线性求解，求得旋转角度，并对每条分割图像进行旋转，令所有线段均为水平，判断最细割线并输出对应索引；

也就是将输出索引对照焦距，上传至上位机，对激光头进行焦距回零校正，所述索引对照焦距为零焦值。

S105，上位机根据反馈数据，进行焦距的自动回零校正。

当然对于本发明来讲还涉及了对图像进行标定方法，下面以具体的实施例说明本发明的方法及系统。

本实施例为机械坐标系以左下角为机械零点，即，面向切割机，向右为X轴正方向，向前为Y轴正方向。

相机标定步骤如下：

步骤1P1：集成相机、光源、防护盖于一体，组成整体尺寸较小的视觉套件，相机像素600万。

步骤1P2：利用边长2cm的黑、白正方形组成尺寸为12×9规格的标准棋盘格，拍摄不同角度、不同位置的棋盘格图像，应遍布图像所有区域，棋盘格内所有方格必须全部拍到且清晰可见，拍摄数量应至少大于20张，将图像数据输入到畸变校正软件，进行畸变校正。

步骤1P3：安装视觉套件在激光头左侧位置。

步骤1P4：设计线宽约为3mm的黑色十字，白色背景，制作成标准十字标定板。将标定版置于切割平面上，移动激光头到标定板十字正中心，拍照取图，命名为A；向Y轴负方向移动80mm，拍照取图，命名为B；向X轴正方向移动80mm，拍照取图，命名为C。

步骤1P5：选取A、B、C的十字中心为感兴趣区域。

步骤1P6：以A1为例，首先进行二值化，提取出完整无杂点的黑色十字，通过循环扫描可以找出黑色十字端点的8个像素点，相邻像素点平均值即为黑色十字四个端点的中心坐标，

同理可得到B的十字中心坐标，C的十字中心坐标。

步骤1P7：若相机安装过程中造成了微小水平或几何偏差，需要进行补偿。

步骤1P8：利用真实世界与像素世界的映射数据计算出比例系数。

步骤1P9：利用真实世界与像素世界的映射数据及比例系数计算出激光头与相机的坐标差。

通过上述步骤进行自动化标定，可以获得相机安装过程中导致的微小偏差角度、真实世界与像素世界的比例系数、激光头与相机的坐标差。

上述完成了对图像进行标定之后，在进行零焦识别步骤如下：

步骤1Q1：假设当前聚焦镜默认焦距为100mm，焦距精度需求1mm，需切割6条线段进行判断。令激光头在板材上切割出6条平行线段，每条线段长100mm，相邻线段间隔8mm，记录激光头切割的起点坐标

步骤1Q2：计算六条平行线段组成的矩阵的中心点坐标，将相机中心移动至坐标正上方。具体地：由切割的起点坐标

步骤1Q3:通过步骤1P9求得的激光头与相机在X轴方向的增量zlx

步骤1Q4：将相机移动至线段阵列中心点，进行拍照。

步骤1Q5：读取步骤1P7求得的镜头偏差角度

步骤1Q6：按照步骤1Q5的公式将图像进行旋转后，进行图像处理。

步骤1Q7：选择图像中包含6条线段的区域为感兴趣区域。

步骤1Q8：对图像进行中值滤波。

步骤1Q9：对图像进行自适应阈值二值化。

步骤1Q10：对图像进行黑白色反转，令线段为黑色，背景为白色。

步骤1Q11：对图像的每条线段进行分割。

步骤1Q12：对分割后的线段进行线性求解，求得旋转角度，带入步骤1Q5的公式对每条分割图像进行旋转，令所有线段均为水平。

步骤1Q13：计算线段像素面积，面积最小的即为最细线段，返回索引t

步骤1Q14：找出每条线段的最小外接矩形宽、高，计算矩形框大小，矩形框面积最小的即为最细线段，返回一个索引t

步骤1Q15：求每条线段的平均宽度，平均宽度最小的即为最细线段，返回索引t

步骤1Q16：建立投票机制，分别赋予t

若出现两个相等索引，视为此索引为输出索引；

若三个索引均不相等，按照权重最大的t

步骤1Q17：将输出索引对照焦距，上传至上位机，对激光头进行焦距的回零校正，以此焦距为零焦值。

基于上述方法使得标定及零焦识别能够适应多种设备及激光头，满足不同厚度、不同材料的板材标定及零焦识别过程的使用，不需要手动设置特征匹配点，由系统自动运行解析出相应的角点及板材边，避免由手动设置特征匹配点消耗大量时间进行标定测试的问题。相机和光源分隔设置具有相对的放置空间，避免在切割过程中会导致相机损坏的弊端。

本发明提供的标定系统及零焦识别系统，相比较现有技术中的数控定位打点法、斜面焦点烧灼法以及直线烧灼法来讲，实现了自动化零焦识别，提高了机械自动化、智能化程度，性能稳定，可重复性效果好，减少了人为操作造成的误差。

本发明的激光切割机零焦识别方法、标定系统及零焦识别系统是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。