對(duì)激光切割機(jī)的改進(jìn)

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(jué)是用機(jī)器代替人眼來(lái)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(jué)技術(shù)融入激光切割中，開(kāi)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(jué)；激光切割；圖像拼接；采集數(shù)據(jù)

【Abstract】In the current industrial production， laser cutting technology is widely used in process and product improvement. Especially in the precision of work piece machining or production， has a relatively large impact. Machine vision is the technology to use machines instead of human eyes， There are more sophisticated and convenient than the human eye measurements or measurement tools. Contemporary applications of laser cutting machines still exist some defects. We envisage the integration of Machine Vision Technique in laser cutting. So that it can be applied in more areas， Processing steps are becoming easier， too.

【Key words】Machine vision； Laser cutting； Image mosaic； Acquisition data

1 激光切割技術(shù)與機(jī)器視覺(jué)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(lái)接受切割數(shù)據(jù)。近年來(lái)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(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)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(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)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(huà)，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(guò)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(wèn)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(jué)對(duì)激光加工技術(shù)的完善

一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)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(jué)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(lái)看，機(jī)器視覺(jué)在一些領(lǐng)域完全可以取代人眼去觀察一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的細(xì)節(jié)部分，這也是機(jī)器視覺(jué)的功能的重要體現(xiàn)——把某些人眼無(wú)法看到的生產(chǎn)加工過(guò)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(jué)應(yīng)用得當(dāng)?shù)脑挘鼘⒏蟪潭鹊靥岣吖ぷ餍剩s短工作時(shí)間，這也更符合當(dāng)今世界的生產(chǎn)理念。

2.4 操作方案

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）。

2.4.1 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(méi)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(lái)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(wèn)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(kāi)始進(jìn)行圖像的規(guī)范，我們需要把這組圖像經(jīng)過(guò)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(jué)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(guò)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(guò)程可以得到完整圖像。[3]

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(huà)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(lái)說(shuō)，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。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邱潤(rùn)生.數(shù)控雕刻加工中的圖像數(shù)據(jù)處理及其應(yīng)用[D].寧夏大學(xué)，2006.

[2]李曉娟.圖像拼接技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2007.

[3]李寒，牛紀(jì)楨，郭禾.基于特征點(diǎn)的全自動(dòng)無(wú)縫圖像拼接方法[M].大連理工大學(xué)，2007.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]