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      【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)器代替人眼來做測量和判斷的技術(shù),具有比人眼測量和工具測量更精密更便捷的特點。當(dāng)代激光切割機(jī)的應(yīng)用還存在著一些缺陷,我們設(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運動,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算機(jī)輔助設(shè)計(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)受到各個國家政府和工業(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)的一項重要課題。機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。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,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﹔圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運算來抽取目標(biāo)的特征,進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。在此次試驗中,圖像信號提取后會被轉(zhuǎn)化為CAD 圖形,進(jìn)而實現(xiàn)導(dǎo)入激光切割設(shè)備進(jìn)行切割。
 
      2 、對激光切割機(jī)的改進(jìn)
 
     2.1 基于原有功能的設(shè)想
 
      由計算機(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。一幅圖像由許多個象素點組成,每個象素點包含著反映圖像在該點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集合而成的像素點陣。目前,使用點陣法獲得圖像的數(shù)控雕刻機(jī)均采取掃描像素點陣的工作方式,讓雕刻頭裝置(激光束或其他可蝕刻、產(chǎn)生點的機(jī)構(gòu))與被雕刻材料之間做相對運動,并由計算機(jī)按照象素點的明暗信息控制雕刻頭裝置“打點”或“不打點”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)為動力, 步進(jìn)電機(jī)將數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為直線位移,通過傳動機(jī)構(gòu)帶動雕刻頭裝置作往復(fù)直線、間歇的“步進(jìn)”運動。[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,在擁有實體而缺失圖紙的情況下,制作完全一樣的個體是需要突破的問題,我們設(shè)想用一種方式得到實體的圖像數(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, 最終實現(xiàn)實體和切割路徑的轉(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, 同時普通攝像機(jī)及CCD 攝像機(jī)采集的實時的視頻序列也常用于圖像拼接。圖像獲取方式的不同會導(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)拍攝時的運動狀態(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)放置與一個滑軌上,平行移動照相機(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)得光垂直方向走動拍攝。[2]在本實驗中采用第二種運動方式。
 
      2.2 改進(jìn)方法與結(jié)構(gòu)設(shè)計
   
      要求在達(dá)到目的的同時減少浪費資源,做到快捷高效,我們做出了以下改進(jìn)設(shè)計。我們在激光切割機(jī)主控桿裝置上加裝一臺小型工業(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)行平面運動。如圖1。
  
  

      
       圖1 實物圖
     
       2.3 機(jī)器視覺對激光加工技術(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,縮短工作時間,這也更符合當(dāng)今世界的生產(chǎn)理念。

        
      圖2 機(jī)器視覺組成結(jié)構(gòu)圖
   
      2.4 操作方案
   
      設(shè)置好拍照參數(shù),在拍攝樣品時使樣品水平放置在操作臺上,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(此時關(guān)閉激光)。
 
      2.4.1 對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輸入圖像的切割,但是對于復(fù)雜且沒有切割信息的樣品,我們首先要完成的是對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,由于激光切割對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度要求較高,拍攝單幅圖像時會發(fā)生圖像邊緣部分發(fā)生細(xì)微形變的情況,或因為視角的傾斜程度、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,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提取方法,其實現(xiàn)主要包含4 個步驟：①檢測尺度空間極值﹔②精煉特征點位置﹔③計算特征點的描述信息﹔④生成本地特征描述符。得到的特征點具有尺度不變性,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,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的圖像配準(zhǔn)方法,即通過匹配點對構(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。
  

     
  
      圖3 圖像處理流程
 
 
      啟用Photoshop 參照激光切割機(jī)操作手冊進(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)DXF,BMP,JPG,GIF,PLT 等文件格式進(jìn)行處理,同時顯示三維圖形在XY,YZ,XZ 平面的投影以及整個立體圖形。可以手工對圖形進(jìn)行相關(guān)的處理,以滿足自己的要求。