一种基于双目视觉的砂线切割空间线弓夹角测控方法及系统

一、本发明属于砂线(金刚石线)切割加工中的视觉检测与伺服控制，具体涉及一种基于双目视觉的砂线切割空间线弓夹角测控方法及系统。

背景技术：

0、二、背景技术

1、砂线切割技术广泛应用于光伏、半导体、工程陶瓷等硬脆性材料的精密加工。当前随着新能源、数据中心、高功率器件等产业的快速发展，对硬脆材料精密形状切割的要求也日益增长。由于砂线是柔性切割工具，在切割过程中受到进给阻力作用发生弯曲，形成“线弓”。线弓大小及其变化是反应切割状态的关键参数：当线弓过大时，会导致切割轨迹偏离理论路径，降低形状精度并引发表面缺陷；当线弓过小时，则影响切割效率。因此，实时监测并控制线弓，对保证砂线加工质量具有重要意义。目前，线弓的检测方法主要包括以下几类：

2、(1)、接触式力学检测法，现有技术(见论文，wire bow in situ measurement formonitoring the evolution of sawing capability of diamond wire saw duringslicing sapphire，doi：10.3390/ma17092134)借助线弓引起的砂线受力或位移量变化，通过接触式力学传感器或位移传感器测量后，经过力学模型换算为线弓大小。该方法需要传感器与高速运动的导轮或线材接触，容易磨损，并受到工作液和切屑污染；此外传感器安装空间受限，维护成本高，多为静态或准静态测量，难以反映动态线弓变化。

3、(2)、电磁学检测法，现有技术(见专利，一种基于辅助平行电极的线切割弯丝检测方法，zl 2019107452110)提供了一种在切割线的切割方向正后方，放置一条与切割线平行的丝状或带状辅助电极，通过测量切割线与辅助电极之间电阻的变化，即可判断出切割线弯曲程度的方法，但该方法仅能定性分析线弓是否存在，无法实现定量精确检测。另有技术(见论文，fixed abrasive diamond wire machining-part i：process monitoring andwire tension force，doi：10.1016/s0890-6955(02)00215-8)通过电容式传感器测量线弓角度，但影响电容输出电压的因素较多，传感器容易受到工业现场污染，且没有在检测出弯丝后做出进一步的反馈控制。

4、(3)、光照投影法，现有技术(见论文，test research on wire deflectiondetection of a diamond wire saw，doi：10.1007/s00170-016-9787-6)提出了基于光投影的砂线弯丝检测法，并据此反馈控制进给。但该方法为直接检测线弓的数值，仅通过检测光通量的变化触发启停，且工业现场环境对光照度的检测干扰显著。

5、(4)、单相机检测法，现有技术(见论文，measurement and simulationcalculation of wire bow angle during the diamond wire saw process，doi：10.1007/s00170-022-09233-w)利用单台高速相机拍摄线弓形态，通过图像处理提取线弓幅度或角度，并用于离线调整工艺参数。但高速相机成本高，且单相机仅能获得二维投影角度，无法反映线弓在三维空间中的真实方向；并且检测结果仅用于评价工艺参数的合理性，未对加工过程进行实时调节。

6、(5)、双相机平面投影角度法，现有技术(见专利，一种基于视觉检测的砂线切割弯丝伺服控制方法，zl 202411773428x)，采用两台相机分别检测各自图像平面内的线弓投影角，以投影角作为控制依据。但该方法未能实现双目协同的三维融合，所测角度为二维投影角而并非空间真实角度；当砂线直径更细(如200μm以下)或工作距离更远时，砂线在图像中呈现亚像素宽度，测量精度下降，同时通讯计算量大，实时性不足。

7、(6)、双目视觉三维点重构法。已有研究尝试通过双目视觉重建线弓上两个空间点的三维坐标，计算两点连线方向与参考方向的夹角。该方法在理论上可获得空间角度，但在实际应用中存在以下不足：依赖特征点的精确匹配，且如100微米以下直径的碳钢砂线或小直径的钨丝线，在图像中定位精度为亚像素级，难以稳定提取特征点；另外，需要完成耗时的特征点立体匹配和三角化重建两点坐标计算。虽然配合双阈值事件触发控制，可以实现对形状切割中砂线进给的启停控制，但由于其单帧处理时间较长，工业现场适配性能相对不足。

8、综上，现有线弓检测方法主要存在以下共性问题：接触式、电磁学式以及光照投影法容易受到污染和干扰，造成响应滞后，难以实现实时闭环控制；单相机视觉法仅能获得二维投影角，无法反映空间真实线弓方向，且未形成闭环调节控制。双相机平面投影角度法未能实现三维融合，在细线径和远工作距离条件下精度受限，而双目视觉三维点重构法，依赖于特征点的精确匹配，计算量大，实时性差，限制了其在工业现场的实时部署。因此，当前迫切需要一种能够获得三维空间真实线弓角度、无需特征点匹配、计算量低、硬件要求不高，并且适用于直线切割和形状切割多种加工场景的实时测控方法。以满足工业现场降低部署成本的要求，提高测控系统的实用性和可推广性。

技术实现思路

0、三、 技术实现要素：

1、(一)发明目的

2、针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于双目视觉的砂线切割空间线弓夹角测控方法及系统。该方法的核心思路是：利用双目相机同步采集砂线图像，从左右图像中分别提取砂线的直线方程，通过将左右图像中检测到的直线方程反投影为空间平面，利用两个空间平面的法向量叉积直接求解砂线空间直线的方向向量，最后计算线弓与给定参考方向的真实空间夹角。该方法计算量低，可采用普通工业相机和通用微处理器实现有效测控，适用于直线切割和形状切割场景。

3、(二)技术方案

4、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于双目视觉的砂线切割空间线弓夹角测控方法，包括以下步骤：

5、s1.对左相机和右相机进行立体标定，获取左相机内参矩阵kl、右相机内参矩阵kr，以及左相机与右相机之间的旋转矩阵r和平移向量根据标定结果构建左相机投影矩阵pl和右相机投影矩阵其中，i为3×3单位矩阵，为旋转矩阵r与平移向量构成的3×4外参矩阵；

6、s2.预设进给停止角度阈值和进给恢复角度阈值，所述进给停止角度阈值大于所述进给恢复角度阈值，两个阈值之间形成回差区间；

7、s3.在砂线切割加工过程中，通过左相机和右相机同步采集包含砂线的左图像和右图像；

8、s4.分别对所述左图像和右图像进行预处理，所述预处理包括提取单色通道进行灰度转换、频域滤波，以及基于立体标定参数进行极线校正，使左右图像满足极线约束条件；

9、s5.在经预处理的左图像和右图像中分别设定感兴趣区域(roi)，采用边缘检测算法分别提取砂线的左图像直线方程ll和右图像直线方程lr，所述直线方程以齐次坐标表示：

10、ll＝(al，bl，cl)t，lr＝(ar，br，cr)t，其中(a，b，c)为直线方程ax+by+c＝0的系数；

11、s6.根据投影矩阵与图像直线的射影几何关系，分别计算左图像直线ll在左相机坐标系下定义的空间平面πl，以及右图像直线lr在右相机坐标系下定义的空间平面πr：

12、πl＝plt·ll，πr＝prt·lr；

13、s7.提取所述空间平面πl的法向量和空间平面πr的法向量通过法向量叉积计算，得到砂线空间直线的方向向量其中，“×”表示向量叉积；

14、s8.根据所述空间方向向量与给定参考方向的单位向量的夹角，计算线弓夹角θ：

15、其中，“·”表示向量点积，“||||”表示向量的模长；

16、s9.将所述空间线弓夹角θ，与所述进给停止角度阈值和所述进给恢复角度阈值进行比较，当θ≥所述进给停止角度阈值时，控制进给停止，运丝系统保持工作；当θ≤所述进给恢复角度阈值时，控制进给恢复；当所述进给恢复角度阈值＜θ＜所述进给停止角度阈值时，保持当前进给状态不变；

17、s10.持续采集、分析、处理砂线图像，根据分析结果控制进给的启停，直至加工完成。

18、本发明还提供一种基于双目视觉的砂线切割空间线弓夹角测控系统，包括：

19、a)、双目视觉单元，包含左相机和右相机，用于同步采集砂线切割过程中的左图像和右图像；

20、b)、标定模块，用于对左相机和右相机进行立体标定，获取相机内参矩阵pl、pr，以及左相机与右相机之间的旋转矩阵r和平移向量构建左相机投影矩阵和右相机投影矩阵

21、c)、图像预处理模块，用于对采集的左图像和右图像进行预处理，所述预处理包括提取单色通道进行灰度转换、频域滤波，以及基于立体标定参数进行极线校正；

22、d)、直线检测模块，用于在经预处理的左图像和右图像中分别设定感兴趣区域(roi)，采用边缘检测算法提取砂线的左图像直线方程ll和右图像直线方程lr；

23、e)、空间线弓夹角计算模块，用于根据投影矩阵与图像直线的射影几何关系计算空间平面。πl＝plt·ll，πr＝prt·lr，提取法向量和通过法向量叉积计算得到砂线空间直线的方向向量进而计算空间线弓夹角其中为给定参考方向的单位向量；

24、f)、伺服控制单元，用于将空间线弓夹角θ作为反馈信号，当θ≥进给停止角度阈值时，控制进给停止，运丝系统保持工作；当θ≤进给恢复角度阈值时，控制进给恢复；当进给恢复角度阈值＜θ＜进给停止角度阈值时，保持当前进给状态不变。

25、(三)有益效果

26、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

27、(1)、无需特征点匹配。本发明通过将左、右图像中检测到的砂线直线方程，反投影为空间平面，获取两个空间平面的法向量后，计算它们的叉积，从而直接求解砂线空间直线的方向向量。本发明无需在左、右图像中寻找特征点，相比于双目视觉三维点重构法，规避了细线场景下特征点难以提取和匹配的难题。

28、(2)、计算量低，实时性强。本发明仅涉及矩阵乘法和向量叉积运算，不涉及密集立体匹配或迭代优化。配合普通工业相机即可实时运行，无需高速相机或高性能工控机。

29、(3)、硬件门槛低，成本可控。本发明可采用普通工业相机和通用微处理器实现，无需昂贵的传感器、高速相机或高性能微处理器等计算平台，适合工业现场的部署。

30、(4)、测量精度高。本发明重建的是砂线在三维空间中的真实线弓夹角，不受单相机投影畸变影响。相比于两个相机各自测量二维投影角的方法，在形状切割等非直线切割工况下具有显著优势。

31、(5)、适用性强。本发明通过选择不同的给定参考方向(立式切割为竖直方向，卧式切割为水平方向)，可同时适用于立式切割和卧式切割两种工况，覆盖直线切割和形状切割两种加工场景。