視覺識別在激光切管機切割定位中的設計與制作

黃誠壬

（廣東省機械技師學院，廣東廣州，510450）

0 引言

全自動激光切管機，是實現上料、送料、切割、開孔到最后分裝高自動化的專業激光切管機，市場上常用的機型可對材料為標準6米長的邊長為20～200mm方管和直徑20～200mm的圓管或波紋管進行切割或開孔。

本文針對自動化激光切管機在切割方管和波紋管時，出現定位偏差，需要人工較對的問題，采用以樹莓派為控制主體的視覺識別進行切割定位，實現全程無需要人工校對自動切割大口徑方管和波紋管功能。現從設計方案、硬件設計、系統設計、設備安裝、調試方面作介紹。

1 設計方案

■1.1 全自動切管機切割定位采用視覺識別的必要性

全自動切管機實現了從上料到切割或打孔全過程自動化，自動化高，減少了人工成本，大大提高了生產效率，滿足大部分切管客戶的需求。但是在切割方管時，自動上料會出現方管被傾斜抓取的情況。特別是大口徑方管在重力作用下出現傾斜抓取的概率大大增加。始切割如果落在直角邊緣，由于激光切割系統Z軸的跟隨系統檢測誤差和響應時間的綜合作用，原點處會出現較大的首切割毛刺。

全自動切管機不適合切割像波紋管之類的特殊管材。因為此類特殊管材為特殊面，凸凹無規律性，始切割如果落在凸凹邊緣，由于激光切割系統Z軸的跟隨系統檢測誤差和響應時間的綜合作用，原點處會出現較大的首切割毛刺。

這些首切割毛刺，在一些切割要求不高的情況下，是可以接受的，但在切割要求較高的情況下，客戶是無法接受的。特別是精密打孔或精密拼裝原材料加工應用方面，是無法接受的。所以在這個環節必須采用人工較對。也就是自動送料到激光頭處準備切割前，需要人工檢查，是否出現方管被傾斜抓取的情況，波紋管類特殊管材就要避免原點落在凸凹邊緣處。所以說全自動切管機實現了從上料到簡單分裝自動化，但中間環節還需要人工檢查，并不是真正的全自動化設備。誤切割率和工作效率都需要進一步提升。

所以很多公司目前的做法是減少全自動切管機切割對象適用范圍，如方管的邊長控制在6米長的邊長為20—200mm。波紋管類特殊管材因為人工檢查，校對次數多，無法實現自動化，取消波紋管類特殊管材切割或打孔功能。但隨著市場的發展，客戶提出更高的要求，要求設備切割效果更佳，切割范圍更廣。其中是對擴大方形管切割邊長，以及對特殊形狀管形的切割的需求呼聲最高。

■1.2 樹莓派視覺識別設計方案的確定

經過多方面改進方案的嘗試，都無法解決大口徑方管和波紋管特殊管材的切割或打孔問題。實際上，無論是改變機械結構或加入各種測量線路，都比較難解決無規律管形的切割或打孔問題。所以公司決定采用視覺識別方案。

視覺識別方案，采用視覺識別技術，實時監控切割管形，通過視覺對比，反饋調節，實現精準定位。無論是被傾斜抓取的方管，還是無規律的特殊管材，都可以通過視覺識別找到最合適的切割原點，從而避免定位誤差造成的切割毛刺。全程無需人工較正，滿足客戶高精度切割要求。

目前的視覺識別實現方式多種多樣，有二維的，有三維的，有集成度很高的工業視覺識別相機，有基于工業電腦運算速度極快的動態識別系統，更有可以定制的軟件和硬件識別組件。不同的識別對象，不同的識別對象數量，不同的速度要求，不同的精度要求，對應著不同的價格，從幾萬到幾十萬不等。

這里的識別對象只需要在切割前根據切割要求進行原點二次校正，也就是無需要全程實時動態視覺識別，只需要進行若干組或若干次圖片比較。速度由于識別對象單一，只需要達到毫秒級，甚至幾秒級都可以接受。識別精度方面，只需進行大口徑管材的定位，也就是大物件的形狀識別級別。綜合考慮識別對象、速度、精度和價格，我們決定采用基于樹莓派開發的視覺識別系統來解決全自動切管機方管和波紋管智能定位問題。樹莓派，Raspberry Pi系統基于Linux，為開源系統。比較單片機，樹莓派具有更友好的識別模塊開發基礎，開發周期短，運行速度快，運行穩定等特點。比較基于工業電腦的識別系統，樹莓派具有超低的價格優勢，超方便的安裝優勢，無需額外增加電腦，更方便跟激光切割系統進行通信。所以基于樹莓派的識別系統具有開發周期短，硬件成本低，安裝方便，運行穩定，后期維護方便等優點。圖1為樹莓派視覺識別系統方框圖。

圖1 樹莓派視覺識別系統方框圖

2 硬件設計

■2.1 樹莓派硬件資源

根據系統的運行速度以及識別要求，只要采用市場上樹莓派2B+以上型號就可以滿足。硬件的設計主要落在接口外圍線路上。

■2.2 外圍、通信線路設計

圖1是樹莓派視覺識別系統方框圖所示，需要根據樹莓派的接口、激光切割系統以及自動上料系統進行外圍線路、通信端口線路硬件設計以及原理圖和PCB圖繪制，如圖2是制作好的外圍通信板和樹莓派實物圖。

3 系統設計

系統控制流程圖，如圖3所示。

■3.1 樹莓派視覺識別程序

在樹莓派上安裝Open CV,通過調用識別模塊進行組合、優化以及閥值的設置是樹莓派視覺識別程序的主要內容。

■3.2 上位機軟件識別采樣

上位機軟件是在開源樹莓派通信測試軟件基礎上通過更改通信端口和設置參數來實現的。可以進行32組視覺識別設置以及采樣。這里主要對傾斜被抓取方放和像波紋類特殊管材進行多次圖片采樣，以及設置閥值。組成了兩組比對圖片。分別是第1組，專門對比方管是否被傾斜抓取;第二組，原點是否落在凸凹面。這里借用了激光切割機器上激光頭用于數控系統原點校對的紅光，用于輔助識別，大大減少了視覺識別的對校次數。

圖2 識圖 外圍、通信線路實物板（左）和樹莓派板

如圖4所示，采樣為激光頭落在邊緣或凸凹面上，則拍攝圖片，如圖4左圖所示，樹莓派輸出Pass。其它情況都輸出Fail.如圖4右圖所示。

4 安裝調試

■4.1 單機調試

首先是獨立給任意管料進行識別測試，然后直接給人工送料，并按照傾斜放料，對準凸凹面放料。用按鈕來代替通信信號。先在上位機上參數設置，進行單機調試。調試結束后，無論是精度、速度還有識別正確率都達到滿意效果。特別要提醒，識別區域的設置尤為重要，設置過大，Pass率低，設置小，又受到識別精度的制約，需要反反復復調試，才能達到滿意效果。

圖3 系統控制流程圖

圖4 與采樣圖形比較界面圖

■4.2 運行測試

運行測試，主要測試整機運行的穩定性。主要分三種情況，一種是普通管材切割運行測試；一種是大混合口徑方形管材切割，一種是波紋管類特殊管材切割。為了讓方形管材高頻出現傾斜抓取的情況，需要對自動送料系統的機械結構作人為改變。經過各種形狀和不同尺寸材料的測試，系統運行穩定，誤差在接受范圍。

5 結語

通過對全自動切管機方管和波紋管智能定位改造,達到從送料到切割結束全程自動化，無需人工校對的效果。特別是擴大了切割管材的適用范圍：材料為標準長度為6米，邊長為20—200mm方管和直徑20—200mm的圓管提升為材料為標準長度為6米，邊長為20—800mm方管和直徑20—200mm的圓管和波紋管。甚至對無規則大角度凸凹面的直徑20—200mm特殊圓管材的切割也達到了無表面毛刺，低誤切割的要求。