[發明專利]一種基于視覺引導的玻璃加工裝置及方法

有效

• 申請號: 201810040973.6
• 申請日: 2018-01-16
• 公開（公告）號: CN108107837B
• 公開（公告）日: 2023-07-11
• 發明（設計）人: 徐道猛
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: G05B19/401
• 分類號: G05B19/401;G01B11/00;G01B11/06;B24B9/10
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 吳思高

1.基于視覺引導的玻璃加工方法，其特征在于：包括玻璃加工裝置，該裝置包括第一攝像機(1)、第二攝像機(2)、三維運動加工機(3)、半導體激光器(4)、圖像采集卡(5)、數控加工平臺(6)、控制器(7)、計算機(8)；

所述第一攝像機(1)安裝在待加工玻璃的正上方，其鏡頭的視軸與玻璃上表面垂直，用于獲取待加工玻璃的位置、角點和邊界信息；

所述第二攝像機(2)、三維運動加工機(3)安裝在待加工玻璃的上方，第二攝像機(2)的鏡頭視軸和半導體激光器(4)的光軸與玻璃平面呈一定的夾角傾斜；

所述第一攝像機(1)、第二攝像機(2)與圖像采集卡(5)連接；

所述圖像采集卡(5)、控制器(7)連接計算機(8)；

所述三維運動加工機(3)連接控制器(7)，控制器(7)用于接收計算機(8)發出的指令，控制三維運動加工機(3)完成加工；

玻璃加工方法包括以下步驟：

步驟1：基于視覺技術的玻璃厚度信息的提取，包括：

步驟1.1：打開半導體激光器(4)，產生玻璃厚度測量所需要的光源，并采用兩個正交的柱面鏡，將半導體激光器(4)產生橢圓形光斑轉化為線結構光后，照射到待加工玻璃上產生折射和漫反射；

步驟1.2：通過第二攝像機(2)對經過玻璃折射后光源進行采集，然后對平板玻璃上下表面發生漫反射的兩個點在第二攝像機(2)中成像間距與玻璃厚度之間建立線性關系，即對檢測系統中玻璃厚度與雙光帶中心像素差之間的關系進行設定；

步驟1.3：對進入第二攝像機(2)的漫反射光帶進行處理與分析；

步驟1.3.1：將第二攝像機(2)獲取的圖像傳輸到計算機(8)中進行圖像處理，首先將采集到的光帶圖像采用4層小波分解與重構實現對含噪灰度圖像的去噪；

步驟1.3.2：由于上一步獲得的光帶較弱特征不夠明顯，將采用線性灰度變換對圖像數字特征進行增強；

步驟1.3.3：對上一步處理后的光帶采用Canny算子進行邊緣檢測，并選取閾值119的部分將光帶和背景區域分離開來，再采用灰度重心法來確定光帶中心位置并獲取兩光帶中心的像素差；

步驟2：基于視覺技術的實際玻璃厚度的測量：

利用玻璃厚度與雙光帶中心間距的線性關系來完成玻璃厚度信息的獲取，即玻璃的實際厚度可由以下公式獲得：

其中H為玻璃的實際厚度，l為單位像元間距，λ²為系統放大率與鏡頭放大倍率的乘積，系統放大率與鏡頭放大倍率相等，n為折射率，a為光線從玻璃上表面到下表面再返回外界的入射角，b為光線從玻璃上表面到下表面的折射角，L為兩光帶中心像素之差；

步驟3：基于視覺技術的玻璃的輪廓、邊緣、角點檢測，包括：

步驟3.1：通過第一攝像機(1)對玻璃的整個平面進行圖像獲取；并將獲取的圖像傳輸到計算機中進行圖像處理，并對實際玻璃與圖像玻璃之間建立線性關系；

步驟3.1.1：將獲取的玻璃圖像采用Canny算子并設置第一和第二滯后性閾值為260和350進行邊緣檢測；

步驟3.1.2：將邊緣檢測后的圖像轉化為灰度圖，采用累計概率霍夫線變換并設置累加平面閾值參數為50來找出二值圖像中的直線；

步驟3.1.3：通過控制直線的長度和傾斜角度作為指標來去除一些背景中參雜進入的直線，最后對直線所圍成的連通域進行填充，得到邊界平滑，角點標準的玻璃圖像；

步驟3.1.4：獲取玻璃的中心坐標及邊界(角點)坐標；其中中心坐標O(x,y)可由以下公式獲得：

O.x＝(x₁+x₂+...+x_n)/size?(2)

O.y＝(y₁+y₂+...+y_n)/size?(3)

其中x₁,x₂...x_n表示玻璃連通域中所有像素點的橫坐標，y₁,y₂...y_n表示玻璃連通域中所有像素點的縱坐標，size表示玻璃連通域中的所有像素；

步驟4：基于視覺技術的玻璃上表面邊界、角點的實際位置坐標獲取：

步驟4.1：以第一攝像機(1)的中心點為原點建立相機坐標系，選取一塊已加工的玻璃作為模板放上工作臺，測得其厚度為H，將第一攝像機(1)固定，測得相機中心與該模板玻璃的距離為S，同時以第一攝像機(1)的中心點為原點建立世界坐標系，即讓相機坐標系的原點與世界坐標系的原點重合Z軸也重合，則在世界坐標中Z坐標值為S，設圖像坐標系中圖像中心像素坐標(u₀,v₀)，像平面坐標(x_c,y_c)則：

其中dx與dy分別表示每個像素在橫軸x和縱軸y上的物理尺寸；

設相機坐標系中坐標為(X_c,Y_c,Z_c)，則相機坐標系與像平面坐標系的轉換關系為：

其中，f為相機焦距；

設世界坐標系中坐標為(X,Y,Z)，世界坐標系與相機坐標系的轉換關系為：

其中R為3×3旋轉矩陣，T為3×1位移矩陣；

由式(4)(5)(6)得像素坐標與世界坐標的轉換關系為：

由于相機坐標系的原點與世界坐標系的原點重合、Z軸也重合且在世界坐標(X,Y,Z)中Z＝S,則可求得Z_c,X,Y的值；當玻璃厚度H改變時，設其為H'則Z＝S+(H-H')；在獲取到所有數據后將其儲存到計算機中作為玻璃數控加工的指令。

2.根據權利要求1所述基于視覺引導的玻璃加工方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟5.1：計算機(8)通過對儲存的玻璃邊界、角點和位置坐標信息進行分析處理后對控制器(7)發出指令，然后控制三維運動系統和玻璃打磨機動作；

步驟5.2：控制器(7)接受指令后，首先控制玻璃打磨機刀片轉動，并根據獲得的玻璃厚度信息后，控制機械臂調整好打磨角度和打磨深度后，再控制三維動系統在X或Y方向運動將玻璃打磨機送到玻璃邊界或角點初始打磨處的正上方，再控制Z方向運動使刀片下沉；

步驟5.3：待玻璃打磨機運動到初始打磨位置后，再沿整塊玻璃的邊界及角點進行打磨，直到完成加工為止。