機(jī)器視覺和激光切割技術(shù)在異形吸塑包裝中的應(yīng)用研究

　　吸塑成型又稱真空成型，吸塑包裝制品屬于熱成型包裝制品的范疇，它是種將次加工成型的塑料片材，經(jīng)預(yù)熱和真空吸塑在一定的模具上，形成一種有定形狀的包裝制品1.裁切是吸塑包裝制作工程中重要的工藝環(huán)節(jié)，裁切的主要目的是吸塑包裝個(gè)體的切割分離或吸塑包裝的去邊剪切，即對(duì)加工好的整片吸塑包裝進(jìn)行切割分離以獲得單個(gè)的包裝產(chǎn)品，或?qū)λ璧奈馨b產(chǎn)品進(jìn)行修整、去除廢邊處理。

　　異形吸塑包裝是采用吸塑包裝技術(shù)對(duì)不規(guī)則形狀的物體進(jìn)行包裝，由于異形物體的三維空間形狀和平面投影形狀均表現(xiàn)為不規(guī)則形狀，從而導(dǎo)致個(gè)體的裁切邊界為不規(guī)則圖形。

　　目前，吸塑包裝制品的裁切大多采用機(jī)械裁切的方式，即按照事先設(shè)計(jì)好的圖形或模具進(jìn)行制作成模型刀版或成型刀具進(jìn)行裁切。傳統(tǒng)裁切生產(chǎn)用模切刀根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的圖樣組合成裁切刃版，在壓力的作用下（多采用沖床）對(duì)包裝制品進(jìn)行裁切，實(shí)現(xiàn)切割分離或去邊處理。傳統(tǒng)的裁切方法需要定制專用的模型刀具，而對(duì)于形狀復(fù)雜的吸塑包裝或異形吸塑包裝，裁切模版的制作相當(dāng)復(fù)雜，且制作周期較長，一套模具只能對(duì)應(yīng)一套產(chǎn)品，系統(tǒng)柔性程度低，有些特殊的形狀（如小角度銳角），使用模切的方式無法實(shí)現(xiàn)頂?shù)扰穗蛐g(shù)娜及愚中咖研究B117裁切0.同時(shí)，由于壓力裁切工藝的限制，裁切過程中存在著包裝邊緣發(fā)生彎折皺折、切邊有毛刺等問題。隨著激光加工技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，在裁切工藝中引入激光切割，將很好地解決傳統(tǒng)工藝存在的問題。文中針對(duì)異形吸塑包裝裁切的激光切割方法進(jìn)行研究，利用機(jī)器視覺替代傳統(tǒng)的模切刀版，通過工業(yè)相機(jī)采集吸塑包裝的圖像，應(yīng)用圖像處理獲得包裝個(gè)體的裁切輪廓或邊界。同時(shí)研究了吸塑包裝的激光切割路徑的生成方法。

　　1異形吸塑包裝中激光切割的應(yīng)用1.1激光切割原理激光切割是利用經(jīng)聚焦后的高功率密度激光束照射工件，此時(shí)光束輸入由光能轉(zhuǎn)換的熱量大大超過被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散的部分，使被照射處的材料迅即熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，工件被刺穿形成小孔，隨著光束與材料沿一定軌跡相對(duì)線性移動(dòng)，使這些小孔連起來形成切縫，同時(shí)借與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)割開工件的種熱切割方激光切割是熔化與汽化相結(jié)合的過程，影響其切割質(zhì)量的因素主要包括硬件因素和軟件因素。硬件因素主要指機(jī)床、加工材料等，而軟件因素主要是計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，具體包括：切割初始位置或打孔點(diǎn)的選擇；主要切割路徑的設(shè)置；輔助切割路徑的設(shè)置；激光束半徑補(bǔ)償和空行程處理；加工工件的優(yōu)化排樣；考慮實(shí)際加工因素后的路徑優(yōu)化。

　　1.2激光切割異形吸塑包裝的原理異形吸塑包裝的材料包括ABS，PVC，PP，PE，PS等熱塑性塑料片材，裁切過程中采用激光進(jìn)行切割屬于激光切割非金屬材料，切割機(jī)理為汽化切割。非金屬材料是波長為10.6的C2激光束的良好吸收體。由于材料的導(dǎo)熱率小，熱量的傳導(dǎo)損失很小，能吸收絕大部分入射光束能量，并很快使材料蒸發(fā)，由光斑照射處形成起始孔洞，進(jìn)入切割過程。汽化切割是指當(dāng)高功率密度的激光照射到工件表面，材料在極短的時(shí)間內(nèi)被加熱到汽化點(diǎn)，部分材料化作蒸汽逸去，形成割縫。大部分有機(jī)材料和陶瓷均采用汽化切割的方式H.針對(duì)異形吸塑包裝的塑料材料的切割，激光切割利用其高能量密度汽化膠合劑，迅速破壞聚合體材料的聚合鏈，實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料制品的激光切割。對(duì)于低熔點(diǎn)熱塑材料，控制好激光切割工藝，可以獲得無毛刺的底邊，切縫光滑、平整。對(duì)PVC材料的吸塑包裝進(jìn)行切割時(shí)需注意防護(hù)切割過程中生成的有害氣體。

　　1.3激光切割異形吸塑包裝的優(yōu)勢(shì)激光切割作為工業(yè)切割加工中較為先進(jìn)的切割方法，同時(shí)也是激光加工技術(shù)中最為成熟的技術(shù)之將其應(yīng)用在異形吸塑包裝的裁切工藝中，替代傳統(tǒng)的機(jī)械裁切方式，能夠體現(xiàn)出眾多優(yōu)勢(shì)，具體如下所述。

　　激光切割作為種無接觸切割，切割過程中無機(jī)械擠壓和沖切，不會(huì)對(duì)吸塑包裝造成擠壓和彎折，吸塑包裝無機(jī)械變形、邊緣無褶皺。

　　激光切割的功率密度高，切縫寬度小，切割邊界整齊，無毛刺。由于激光作用時(shí)間短，工件周邊的熱影響區(qū)小。同時(shí)針對(duì)不同的材料，均可進(jìn)行切割，適應(yīng)性強(qiáng)。

　　激光切割異形吸塑包裝時(shí)，不存在傳統(tǒng)裁切中的刀具磨損問題，故可以省去刀具維護(hù)和換刀的步驟。

　　激光切割時(shí)只需定位，不需要加緊、劃線等準(zhǔn)備工序，因而吸塑包裝無機(jī)械應(yīng)力及表面損傷。

　　采用激光切割對(duì)異形吸塑包裝進(jìn)行裁切，可以方便地與自動(dòng)化裝備進(jìn)行結(jié)合，提高裁切系統(tǒng)的柔性，無需定制模具。既可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)切割，也可以進(jìn)行單個(gè)體、小數(shù)量吸塑包裝的去邊、整形切割。

　　采用激光切割對(duì)異形吸塑包裝進(jìn)行裁切，可使裁切脫離模具的限制，將切割系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)和CAD軟件相結(jié)合，能夠完全自主地控制切割路徑，可以裁切任意復(fù)雜形狀的包裝邊界，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方式無法切割的邊界或形狀，具有無限的仿形切割能力。

　　尤其針對(duì)異形吸塑包裝，由于包裝外形的不規(guī)則、多變化與復(fù)雜性，同時(shí)可能存在單件、小批量的試切，傳統(tǒng)的模具裁切方式難以實(shí)現(xiàn)裁切的精確性與復(fù)雜適應(yīng)性，這使得激光切割的優(yōu)勢(shì)在異形吸塑包裝的裁切中體現(xiàn)得更加淋漓盡致。

　　2機(jī)器視覺輔助激光切割傳統(tǒng)的吸塑包裝的裁切方式均要依賴模具刀版，尤其是異形吸塑包裝，由于其外形不規(guī)則，邊緣形狀復(fù)雜，為模具刀版的制作造成了很大的困難，并且有些特殊形狀的裁切是無法完成的。在采用激光切割的方式代替吸塑包裝傳統(tǒng)的機(jī)械裁切的過程中，可采用機(jī)器視覺技術(shù)替代傳統(tǒng)的模板，進(jìn)而使裁切脫離對(duì)模板的依賴，使得異形吸塑包裝的裁切更加的靈活，大大提高裁切系統(tǒng)的柔性。

　　在激光切割吸塑包裝板料的過程中，激光頭的運(yùn)動(dòng)路徑主要包括2部分：根據(jù)待加工零件輪廓生成的加工軌跡（即激光切割路徑）和各個(gè)切割路徑間的輔助連接路徑（包括起始、結(jié)束的輔助路徑以及各零件輪廓間的連接路徑）5.在機(jī)器視覺輔助激光進(jìn)行異形吸塑包裝裁切的過程中，既要應(yīng)用機(jī)器視覺和圖像處理準(zhǔn)確的生成待加工零件的輪廓切割軌跡，又要根據(jù)待加工零件的排布情況，自動(dòng)生成各輔助連接軌跡，并保證各連接軌跡的合理有效。

　　2.1異形吸塑包裝產(chǎn)品裁切輪廓的生成異形吸塑包裝的裁切包括對(duì)加工好的整片多個(gè)吸塑包裝進(jìn)行切割分離以獲得單個(gè)的包裝產(chǎn)品的整版裁切，和對(duì)所需的單個(gè)吸塑包裝產(chǎn)品進(jìn)行修整、去除廢邊處理的單體去邊裁切。在2種裁切方，均需要在激光切割前獲得需要裁切產(chǎn)品的輪廓軌跡，以便生成激光切割的加工軌跡。文中根據(jù)異形吸塑包裝裁切的特點(diǎn)，對(duì)激光切割系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在系統(tǒng)中加入機(jī)器視覺系統(tǒng)，通過工業(yè)相機(jī)獲取待切割工件的圖像，以此為基礎(chǔ)，通過對(duì)圖像進(jìn)行相關(guān)處理，獲得工件的輪廓軌跡，此即為激光實(shí)際切割路徑。

　　圖像處理中邊界輪廓提取算法包括很多種，包括Sobel算子、Log算子、Lapalce變換、Robert算子、Can-ny算子等，這些算子均以二維離散微分為核心，并輔以相關(guān)濾波和處理來實(shí)現(xiàn)邊緣的提取。

　　通過實(shí)驗(yàn)和處理結(jié)果比對(duì)，選取Canny算子作為異形吸塑包裝裁切中激光切割輪廓軌跡的生成算法。Canny算法具有既能濾去噪聲又能保持邊緣特性的邊緣檢測(cè)最優(yōu)濾波器，其采用一階微分濾波器。此算法采用二維高斯函數(shù)的任意方向上的階方向?qū)?shù)作為噪聲濾波器，通過與圖像卷積進(jìn)行濾波；然后對(duì)濾波后的圖像尋找圖像梯度的局部最大值，以此來確定圖像邊緣。根據(jù)對(duì)信噪比與定位乘積進(jìn)行測(cè)度，得到最優(yōu)化逼近算子63.同時(shí)對(duì)得到的所有輪廓軌跡進(jìn)行篩選處理，只保留包裝制品的最外層輪廓，此即為激光的實(shí)際切割路徑。

　　由于激光的實(shí)際切割路徑為閉合輪廓曲線，所以對(duì)每個(gè)輪廓軌跡的切割均從其上的某一點(diǎn)開始，沿閉合的輪廓軌跡切割周后再次回到這點(diǎn)。這點(diǎn)作為切割起始點(diǎn)，亦是每個(gè)單獨(dú)輪廓軌跡的切割終止點(diǎn)。這樣，這點(diǎn)也成為了每個(gè)輪廓軌跡的個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，即可以通過某一個(gè)切割起始點(diǎn)來確定一個(gè)輪廓軌跡，而切割起始點(diǎn)也表征著該輪廓與其他輪廓的位置關(guān)系。在對(duì)圖像進(jìn)行獲取輪廓軌跡的處理后，根據(jù)加工工藝需要自動(dòng)生成每個(gè)輪廓軌跡的起始切割點(diǎn)。2.2輔助連接路徑的生成在自動(dòng)生成切割路徑的過程中，既要準(zhǔn)確地生成待加工零件的輪廓切割軌跡，又要根據(jù)待加工零件的排布情況，自動(dòng)生成各輔助連接軌跡，并保證各連接軌跡的合理性。對(duì)于普通平面板料的切割，輔助連接路徑的生成相對(duì)容易，通常將問題轉(zhuǎn)化為旅行商TSP（TravelingSalesmanProblem）問題7-8，遵循最短路徑原則進(jìn)行求解，以保證加工效率。而對(duì)于異形吸塑包裝制品，由于塑料板材經(jīng)過吸塑加工后，會(huì)形成空間凸起，形狀、高低各異，故除了最短路徑原則外，還必須考慮激光頭避開物料的凸起部位，即刀具避障問題。

　　文中應(yīng)用人工智能領(lǐng)域中的A算法實(shí)現(xiàn)激光切割輔助連接路徑的生成和自動(dòng)避障。

　　A算法屬于人工智能領(lǐng)域中一種啟發(fā)式搜索算法。啟發(fā)式搜索是對(duì)狀態(tài)空間搜索方法中的寬度優(yōu)先搜索進(jìn)行的改進(jìn)，其主要思路是在寬度優(yōu)先搜索的同時(shí)，先將下一層的所有節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)估價(jià)函數(shù)進(jìn)行過濾，然后再?zèng)Q定搜索的方向8.啟發(fā)式搜索算法的核心是估價(jià)函數(shù)/U）：f（始狀態(tài)到當(dāng)前狀態(tài)的實(shí)際代價(jià)；h（n）為狀態(tài)空間中從當(dāng)前狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的估計(jì)代價(jià)。擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的估價(jià)函數(shù)f（n），然后選擇估價(jià)函數(shù)f（n）最小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。如果一個(gè)搜索算法一定能找到最佳求解路徑，稱之為可采納性。

　?。╪）為估價(jià)函數(shù)；g（n）為狀態(tài)空間中從初始狀態(tài)到當(dāng)前狀態(tài)的實(shí)際代價(jià)；h（n）為狀態(tài)空間中從當(dāng)前狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的估計(jì)代價(jià)。由于f無法預(yù)先知道，因此，用前面的估價(jià)函數(shù)f（n）作近似；g（n）用g（n）作近似，但要求g（n）g（n）；h（n）用h（n）作近似，但要求h（n）>h（n）。數(shù)學(xué)上已經(jīng)證明，滿足這些條件的估價(jià)函數(shù)可以找到最短路徑，也就是說它是可采納的，故A算法是可采納的。

　　對(duì)于異形吸塑包裝裁切中的整版分離裁切和單體去邊裁切，應(yīng)用A算法均可實(shí)現(xiàn)輔助連接路徑的自動(dòng)生成。同時(shí)，對(duì)于單體去邊裁切，采用激光切割與A算法輔助處理，既可以一次切割一個(gè)包裝制品，也可以人工將多個(gè)單體包裝隨機(jī)擺放在切割工作臺(tái)上，進(jìn)行次切割多個(gè)單體包裝，提高加工效率。

　　應(yīng)用A算法可以生成整版中各個(gè)包裝單體輪廓軌跡間和隨機(jī)擺放的單體包裝輪廓軌跡間的輔助連接路徑，此輔助連接路徑的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為先后切割的2個(gè)輪廓軌跡的各自的切割起始點(diǎn)。這2個(gè)切割起始點(diǎn)同樣是A算法中的起始節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

　　故只需已知起始節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過A算法，即可自動(dòng)生成2個(gè)包裝單體輪廓軌跡間的輔助連接路徑，同時(shí)保證自動(dòng)生成的連接路徑為最優(yōu)解，并且與包裝凸起區(qū)域無干涉。

　　3異形吸塑包裝的激光裁切系統(tǒng)組成與加工根據(jù)應(yīng)用激光切割異形吸塑包裝的工藝特點(diǎn)，同時(shí)輔以機(jī)器視覺設(shè)備，整體異形吸塑包裝的激光裁切系統(tǒng)組成框圖見。

　　此激光裁切系統(tǒng)中，圖像采集系統(tǒng)為信息輸入系統(tǒng)，通過工業(yè)相機(jī)采集需要加工的異形吸塑包裝制品的圖像信息。加工處理系統(tǒng)為輸入信息的處理系統(tǒng)，通過圖像處理、邊界提取、軌跡生成等算法的處理，生成激光數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別和讀取的加工軌跡數(shù)據(jù)。激光控制系統(tǒng)為此系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工軌跡的后處理、加工參數(shù)的配置與優(yōu)化和系統(tǒng)的實(shí)際控制等功能。激光切割系統(tǒng)為此系統(tǒng)的執(zhí)行部分，通過激光切割實(shí)現(xiàn)對(duì)異形吸塑包裝制品的裁切。

　　選取需要進(jìn)行單體去邊裁切的異形吸塑包裝制品進(jìn)行加工，見-3.其中，為圖像采集系統(tǒng)采集到的異形吸塑包裝制品單體排布圖像，黑色區(qū)域即為異形吸塑包裝邊界及內(nèi)部覆蓋區(qū)域（經(jīng)過了前期處理），為應(yīng)用Canny算法和A算法獲得的激光切割軌跡（包括輪廓實(shí)際邊緣和輔助加工軌跡，為避免混淆，中未表示出退刀軌跡；2幅圖片外圍的黑色邊框?yàn)榱孙@示圖片的邊界，并非加工軌跡）。

　　4結(jié)語對(duì)應(yīng)用機(jī)器視覺和激光切割對(duì)異形吸塑包裝進(jìn)行裁切進(jìn)行了研究，提出了采用圖像處理與A算法相結(jié)合的方法替代傳統(tǒng)裁切中對(duì)模板的依賴，能夠很好地解決具有復(fù)雜輪廓和不規(guī)則輪廓的異形吸塑包裝制品的裁切問題，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。在不同工業(yè)環(huán)境和噪聲干擾下，對(duì)采集到的吸塑包裝圖像進(jìn)行處理的方法仍需進(jìn)一步研究，以提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和加工的精度。