机器视觉技术对激光切割机的改进

1 激光切割技术与机器视觉技术

    激光切割是用聚焦镜将CO2 激光束聚焦在材料表面使材料熔化， 同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术（CNC）装置。采用该装置后，就可以利用电话线从计算机辅助设计（AUTO CAD）工作站来接受切割数据。近年来激光切割作为一门发展极快的高效制造加工技术受到各个国家政府和工业部门的重视，尤其是激光加工设备和激光器的发展成为工程学的一项重要课题。机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。在此次试验中，图像信号提取后会被转化为CAD 图形，进而实现导入激光切割设备进行切割。

2 对激光切割机的改进

2.1 基于原有功能的设想

    由计算机图形学可知，图像是由图形元素，即像素组成的二维矩阵。一幅图像由许多个象素点组成，每个象素点包含着反映图像在该点的明暗和颜色变化等信息，任何字符和复杂的图形图像都可以看做是由点集合而成的像素点阵。目前，使用点阵法获得图像的数控雕刻机均采取扫描像素点阵的工作方式，让雕刻头装置（激光束或其他可蚀刻、产生点的机构）与被雕刻材料之间做相对运动，并由计算机按照象素点的明暗信息控制雕刻头装置“打点”或“不打点”的两种工作状态，使得雕刻头装置按所需的图案轨迹进行刻画，从而在被雕刻材料上得到由点或线构成的一幅图像。数控雕刻机的扫描一般是以步进电机为动力， 步进电机将数控系统的数字脉冲信号转换为直线位移，通过传动机构带动雕刻头装置作往复直线、间歇的“步进”运动。因此， 普通激光切割机在已获取切割路径的情况下可以完成复杂的切割。但是，在拥有实体而缺失图纸的情况下，制作完全一样的个体是需要突破的问题，我们设想用一种方式得到实体的图像数据，并使生成的图像数据转化为激光切割信息输出， 最终实现实体和切割路径的转换。获取图像数据，图像采集是第一步工作。较早人们常采用照相机作为图像捕获的主要手段，由于相片需要扫描才可用于进一步处理，所以图像质量不高，直接影响了图像拼接的结果。数码相机的应用提高了采集图像的质量， 同时普通摄像机及CCD 摄像机采集的实时的视频序列也常用于图像拼接。图像获取方式的不同会导致输入图像的不同，最后的拼接结果也不同。图像采集由照相机拍摄时的运动状态决定，一般有三种情况：（1）照相机固定在三角架上，旋转照相机拍摄；（2）照相机放置与一个滑轨上，平行移动照相机进行拍摄；（3）手持照相机拍摄，站在原地拍摄四周，或者沿着照相机得光轴垂直方向走动拍摄。在本实验中采用第二种运动方式。

2.2 改进方法与结构设计

    要求在达到目的的同时减少浪费资源，做到快捷高效，我们做出了以下改进设计。我们在激光切割机主控杆装置上加装一台小型工业摄像机，它与激光出射装置相关联， 随激光出射装置配合切割路径进行平面运动。如图1。
 

图1 实物图