视觉识别在激光切管机切割定位中的设计与制作

黄诚壬

（广东省机械技师学院，广东广州，510450）

0 引言

全自动激光切管机，是实现上料、送料、切割、开孔到最后分装高自动化的专业激光切管机，市场上常用的机型可对材料为标准6米长的边长为20～200mm方管和直径20～200mm的圆管或波纹管进行切割或开孔。

本文针对自动化激光切管机在切割方管和波纹管时，出现定位偏差，需要人工较对的问题，采用以树莓派为控制主体的视觉识别进行切割定位，实现全程无需要人工校对自动切割大口径方管和波纹管功能。现从设计方案、硬件设计、系统设计、设备安装、调试方面作介绍。

1 设计方案

■1.1 全自动切管机切割定位采用视觉识别的必要性

全自动切管机实现了从上料到切割或打孔全过程自动化，自动化高，减少了人工成本，大大提高了生产效率，满足大部分切管客户的需求。但是在切割方管时，自动上料会出现方管被倾斜抓取的情况。特别是大口径方管在重力作用下出现倾斜抓取的概率大大增加。始切割如果落在直角边缘，由于激光切割系统Z轴的跟随系统检测误差和响应时间的综合作用，原点处会出现较大的首切割毛刺。

全自动切管机不适合切割像波纹管之类的特殊管材。因为此类特殊管材为特殊面，凸凹无规律性，始切割如果落在凸凹边缘，由于激光切割系统Z轴的跟随系统检测误差和响应时间的综合作用，原点处会出现较大的首切割毛刺。

这些首切割毛刺，在一些切割要求不高的情况下，是可以接受的，但在切割要求较高的情况下，客户是无法接受的。特别是精密打孔或精密拼装原材料加工应用方面，是无法接受的。所以在这个环节必须采用人工较对。也就是自动送料到激光头处准备切割前，需要人工检查，是否出现方管被倾斜抓取的情况，波纹管类特殊管材就要避免原点落在凸凹边缘处。所以说全自动切管机实现了从上料到简单分装自动化，但中间环节还需要人工检查，并不是真正的全自动化设备。误切割率和工作效率都需要进一步提升。

所以很多公司目前的做法是减少全自动切管机切割对象适用范围，如方管的边长控制在6米长的边长为20—200mm。波纹管类特殊管材因为人工检查，校对次数多，无法实现自动化，取消波纹管类特殊管材切割或打孔功能。但随着市场的发展，客户提出更高的要求，要求设备切割效果更佳，切割范围更广。其中是对扩大方形管切割边长，以及对特殊形状管形的切割的需求呼声最高。

■1.2 树莓派视觉识别设计方案的确定

经过多方面改进方案的尝试，都无法解决大口径方管和波纹管特殊管材的切割或打孔问题。实际上，无论是改变机械结构或加入各种测量线路，都比较难解决无规律管形的切割或打孔问题。所以公司决定采用视觉识别方案。

视觉识别方案，采用视觉识别技术，实时监控切割管形，通过视觉对比，反馈调节，实现精准定位。无论是被倾斜抓取的方管，还是无规律的特殊管材，都可以通过视觉识别找到最合适的切割原点，从而避免定位误差造成的切割毛刺。全程无需人工较正，满足客户高精度切割要求。

目前的视觉识别实现方式多种多样，有二维的，有三维的，有集成度很高的工业视觉识别相机，有基于工业电脑运算速度极快的动态识别系统，更有可以定制的软件和硬件识别组件。不同的识别对象，不同的识别对象数量，不同的速度要求，不同的精度要求，对应着不同的价格，从几万到几十万不等。

这里的识别对象只需要在切割前根据切割要求进行原点二次校正，也就是无需要全程实时动态视觉识别，只需要进行若干组或若干次图片比较。速度由于识别对象单一，只需要达到毫秒级，甚至几秒级都可以接受。识别精度方面，只需进行大口径管材的定位，也就是大物件的形状识别级别。综合考虑识别对象、速度、精度和价格，我们决定采用基于树莓派开发的视觉识别系统来解决全自动切管机方管和波纹管智能定位问题。树莓派，Raspberry Pi系统基于Linux，为开源系统。比较单片机，树莓派具有更友好的识别模块开发基础，开发周期短，运行速度快，运行稳定等特点。比较基于工业电脑的识别系统，树莓派具有超低的价格优势，超方便的安装优势，无需额外增加电脑，更方便跟激光切割系统进行通信。所以基于树莓派的识别系统具有开发周期短，硬件成本低，安装方便，运行稳定，后期维护方便等优点。图1为树莓派视觉识别系统方框图。

图1 树莓派视觉识别系统方框图

2 硬件设计

■2.1 树莓派硬件资源

根据系统的运行速度以及识别要求，只要采用市场上树莓派2B+以上型号就可以满足。硬件的设计主要落在接口外围线路上。

■2.2 外围、通信线路设计

图1是树莓派视觉识别系统方框图所示，需要根据树莓派的接口、激光切割系统以及自动上料系统进行外围线路、通信端口线路硬件设计以及原理图和PCB图绘制，如图2是制作好的外围通信板和树莓派实物图。

3 系统设计

系统控制流程图，如图3所示。

■3.1 树莓派视觉识别程序

在树莓派上安装Open CV,通过调用识别模块进行组合、优化以及阀值的设置是树莓派视觉识别程序的主要内容。

■3.2 上位机软件识别采样

上位机软件是在开源树莓派通信测试软件基础上通过更改通信端口和设置参数来实现的。可以进行32组视觉识别设置以及采样。这里主要对倾斜被抓取方放和像波纹类特殊管材进行多次图片采样，以及设置阀值。组成了两组比对图片。分别是第1组，专门对比方管是否被倾斜抓取;第二组，原点是否落在凸凹面。这里借用了激光切割机器上激光头用于数控系统原点校对的红光，用于辅助识别，大大减少了视觉识别的对校次数。

图2 识图 外围、通信线路实物板（左）和树莓派板

如图4所示，采样为激光头落在边缘或凸凹面上，则拍摄图片，如图4左图所示，树莓派输出Pass。其它情况都输出Fail.如图4右图所示。

4 安装调试

■4.1 单机调试

首先是独立给任意管料进行识别测试，然后直接给人工送料，并按照倾斜放料，对准凸凹面放料。用按钮来代替通信信号。先在上位机上参数设置，进行单机调试。调试结束后，无论是精度、速度还有识别正确率都达到满意效果。特别要提醒，识别区域的设置尤为重要，设置过大，Pass率低，设置小，又受到识别精度的制约，需要反反复复调试，才能达到满意效果。

图3 系统控制流程图

图4 与采样图形比较界面图

■4.2 运行测试

运行测试，主要测试整机运行的稳定性。主要分三种情况，一种是普通管材切割运行测试；一种是大混合口径方形管材切割，一种是波纹管类特殊管材切割。为了让方形管材高频出现倾斜抓取的情况，需要对自动送料系统的机械结构作人为改变。经过各种形状和不同尺寸材料的测试，系统运行稳定，误差在接受范围。

5 结语

通过对全自动切管机方管和波纹管智能定位改造,达到从送料到切割结束全程自动化，无需人工校对的效果。特别是扩大了切割管材的适用范围：材料为标准长度为6米，边长为20—200mm方管和直径20—200mm的圆管提升为材料为标准长度为6米，边长为20—800mm方管和直径20—200mm的圆管和波纹管。甚至对无规则大角度凸凹面的直径20—200mm特殊圆管材的切割也达到了无表面毛刺，低误切割的要求。