管材上料方向识别方法、管材加工方法和激光加工机床与流程

本发明涉及管材加工领域，更具体地涉及管材上料方向识别方法、管材加工方法和激光加工机床。

背景技术：

1、在激光切割、激光焊接等管材加工领域，管材通常通过自动上料机构送入加工机床的卡盘进行夹持固定。上料后被夹持固定的管材如果与其对应的图纸方向不一致，即，实际上料后的管材的方向与其理论图纸上的方向存在偏差，则将直接影响加工精度，甚至可能因为加工孔位、切槽或特征结构的位置和方向出现错误而最终造成管材报废或返工。

2、因此，在管材上料后需要确定该上料后管材的实际位姿与理论图纸位姿之间的偏差，并据此进行位置校正。这在业界也被称为“寻中”。然而，对于管截面为非常规类型的异型管，由于其管截面的不确定性，在上料后需要人为判断管材夹持的方向与图纸是否匹配、是否存在上反管材的情形，非常麻烦且耗时。

3、现有技术中有时会采用基于单目视觉的方案来代替人工判断，该方案采用 2d工业相机在管材前端拍摄管材截面图像，提取截面轮廓特征并与图纸进行模板匹配。但该方案适用场景较为狭窄，在保证分辨率的情况下视野受限，不能识别大管，因此难以兼顾视野与精度。而且，在管材前方拍摄会对相机造成风险，相机的安装方案需要考虑避让管材，切割过程中的火花也会损伤相机，需要设计结构实现保护或者避开污染，这就会增加设备复杂度和维护成本。此外，基于单目视觉的方案在拍摄时也受到管材本身厚度与视野内其他干扰的影响。

4、现有技术中还会采用另一种基于电容的方案，其中通过电容跟随来探测管材截面的轮廓，然后与图纸进行匹配。该方案的精度不高，尤其当探测小管时，电容的精度不足以识别小管上的特征。

5、因此，亟需一种新的技术能安全、方便且精确地识别各种上料后管材的方向。

技术实现思路

1、本发明就旨在克服现有技术中的上述和/或其它问题。通过本发明，可以十分方便且准确地对各种上料管材—尤其是异型管—的上料方向与图纸方向的偏差角度进行识别，并根据该识别结果进行调整，以使上料管材的方向与图纸方向匹配，由此可以显著地提高管材的加工精度和加工效率。

2、根据本发明的第一方面，提供一种用于识别管材上料方向的方法，其可包括如下步骤：a）通过视觉感测装置对上料后的管材采集轮廓点云；b）基于所述轮廓点云和与所述管材对应的图纸点云执行配准，以得到所述轮廓点云相对于所述图纸点云的点云偏差角度；c）判定所述点云偏差角度是否满足阈值偏差要求；d）若所述点云偏差角度满足所述阈值偏差要求，则将所述点云偏差角度确定为所述上料后的管材相对于其对应的图纸在方向上的实际偏差角度；以及e）若所述点云偏差角度不满足所述阈值偏差要求，则对所述轮廓点云或所述图纸点云执行镜像处理，并再次执行所述步骤b）和所述步骤c），且在所述点云偏差角度满足所述阈值偏差要求时将所述点云偏差角度确定为所述上料后的管材反向安装后相对于其对应的图纸在方向上的实际偏差角度。

3、上述本发明的管材上料方向识别方法通过视觉感测装置采集管材的轮廓点云，并将其与对应的图纸点云执行配准，由此无需人工干预就可自动获得该管材上料方向相对于理论图纸方向的实际偏差角度，显著提高了识别效率和准确性。不仅如此，本发明的上述识别方法在首次配准结果不满足阈值偏差要求时，通过镜像处理后再次配准，从而能够有效区分管材的正向安装和反向安装两种状态，尤其适用于具有非对称特征的异型管材，可及时发现管材被上反而在后续作出纠正。

4、可选地，上述步骤b）可包括：b1）设置n个初始旋转角度，n为≥4的整数；b2）使所述采集的轮廓点云或所述图纸点云分别旋转所述n个初始旋转角度中的每一个，并在每次旋转后基于该旋转后的轮廓点云和所述图纸点云执行配准以得到该旋转后的轮廓点云相对于所述图纸点云的旋转后点云偏差角度，或在每次旋转后基于该旋转后的图纸点云和所述采集的轮廓点云执行配准以得到所述采集的轮廓点云相对于所述旋转后的图纸点云的旋转后点云偏差角度；以及b3）从所有得到的n个旋转后点云偏差角度中选出误差最小的那一个作为最优旋转后点云偏差角度，并对该最优旋转后点云偏差角度叠加对应的初始旋转角度后作为点云偏差角度输出。

5、管材上料后可能会出现与图纸初始角度偏差过大的情况，这会导致寻中配准算法难以收敛或者产生错误结果。上述b1）~b3）的子步骤巧妙地使采集的管材轮廓点云或图纸点云先旋转多个初始角度再进行配准，并从这些配准结果中选出误差最小的那一个来叠加其对应的旋转初始角度作为最终得到的偏差角度，从而可避免上料管材（尤其是异型管）与图纸初始偏差角度过大而导致配准结果仅仅满足局部最优而非整体最优，进一步提高了识别的准确性。

6、此外，上述步骤a）既可采用单帧采集，也可采用扫描采集，可灵活地适配于不同场景。

7、当采用单帧采集，所述步骤a）可包括：a11）使所述上料后的管材旋转m次，每次旋转360/m度，且在每次旋转后停顿并通过所述视觉感测装置对所述管材采集一次点云，m为≥3的整数；以及a12）将所述m次旋转后采集到的点云帧拼接起来作为所述管材的轮廓点云。

8、当采用扫描采集，所述步骤a）可包括：a21）使所述上料后的管材连续旋转一周，并在该旋转过程中通过所述视觉感测装置连续地对所述管材采集点云；以及a22）将所述连续采集的点云拼接在一起形成所述管材的轮廓点云。

9、另外，上述步骤e）还可包括：在所述点云偏差角度不满足所述阈值偏差要求时，提示所述管材与其对应的图纸不符。

10、根据本发明的第二方面，提供一种管材加工方法，其可包括：通过本发明的用于识别管材上料方向的方法来得到所述上料后的管材相对于其对应的图纸在方向上的实际偏差角度；根据所述得到的实际偏差角度修正所述管材的方向、反向重新上料所述管材或使与所述管材对应的图纸镜像；以及基于所述图纸对方向被修正的管材或反向重新上料后方向被修正的管材进行加工，或基于被镜像后的所述图纸对方向被修正的管材进行加工。

11、如果上料管材装反了，那么上述得到的实际偏差角度可以理解为步骤e中得到的点云偏差角度再加上180度。

12、如果上料管材没有装反，只要基于得到的实际偏差角度就可将该管材修正至与图纸方向一致。如果上料管材装反了，则可以选择重新反向上料管材后基于得到的实际偏差角度进行修正；或者也可以选择将图纸镜像，而基于得到的实际偏差角度将管材修正至与镜像后图纸的方向一致。本发明的管材加工方法能够对方向被修正后的管材进行加工，这显著地提高了加工精度。

13、根据本发明的第三方面，提供一种激光加工机床，其包括激光加工头、卡盘和控制单元。在该激光加工头上可安装视觉感测装置，该视觉感测装置用于对上料后的管材采集轮廓点云。所述卡盘用于夹持所述上料后的管材。所述控制单元用于控制所述激光加工头、所述视觉感测装置和所述卡盘，并可配置为执行根据本发明的用于识别管材上料方向的方法或管材加工方法。

14、上述视觉感测装置可以例如为线激光传感器、激光测距设备或3d相机。

15、根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上记录有经编码的指令，当执行该指令时实现根据本发明的用于识别管材上料方向的方法或管材加工方法。

16、根据本发明的第五方面，提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，当执行该计算机程序时实现根据本发明的用于识别管材上料方向的方法或管材加工方法。

17、通过下面结合附图的详细描述，本发明的其它特征和方面会变得更加清楚。