機器視覺和激光切割技術在異形吸塑包裝中的應用研究

　　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，經預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節，裁切的主要目的是吸塑包裝個體的切割分離或吸塑包裝的去邊剪切，即對加工好的整片吸塑包裝進行切割分離以獲得單個的包裝產品，或對所需的吸塑包裝產品進行修整、去除廢邊處理。

　　異形吸塑包裝是采用吸塑包裝技術對不規則形狀的物體進行包裝，由于異形物體的三維空間形狀和平面投影形狀均表現為不規則形狀，從而導致個體的裁切邊界為不規則圖形。

　　目前，吸塑包裝制品的裁切大多采用機械裁切的方式，即按照事先設計好的圖形或模具進行制作成模型刀版或成型刀具進行裁切。傳統裁切生產用模切刀根據產品設計要求的圖樣組合成裁切刃版，在壓力的作用下（多采用沖床）對包裝制品進行裁切，實現切割分離或去邊處理。傳統的裁切方法需要定制專用的模型刀具，而對于形狀復雜的吸塑包裝或異形吸塑包裝，裁切模版的制作相當復雜，且制作周期較長，一套模具只能對應一套產品，系統柔性程度低，有些特殊的形狀（如小角度銳角），使用模切的方式無法實現頂等潘腧術娜及愚中咖研究B117裁切0.同時，由于壓力裁切工藝的限制，裁切過程中存在著包裝邊緣發生彎折皺折、切邊有毛刺等問題。隨著激光加工技術的不斷發展和成熟，在裁切工藝中引入激光切割，將很好地解決傳統工藝存在的問題。文中針對異形吸塑包裝裁切的激光切割方法進行研究，利用機器視覺替代傳統的模切刀版，通過工業相機采集吸塑包裝的圖像，應用圖像處理獲得包裝個體的裁切輪廓或邊界。同時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用1.1激光切割原理激光切割是利用經聚焦后的高功率密度激光束照射工件，此時光束輸入由光能轉換的熱量大大超過被材料反射、傳導或擴散的部分，使被照射處的材料迅即熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，工件被刺穿形成小孔，隨著光束與材料沿一定軌跡相對線性移動，使這些小孔連起來形成切縫，同時借與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，從而實現割開工件的種熱切割方激光切割是熔化與汽化相結合的過程，影響其切割質量的因素主要包括硬件因素和軟件因素。硬件因素主要指機床、加工材料等，而軟件因素主要是計算機輔助工藝設計的相關內容，具體包括：切割初始位置或打孔點的選擇；主要切割路徑的設置；輔助切割路徑的設置；激光束半徑補償和空行程處理；加工工件的優化排樣；考慮實際加工因素后的路徑優化。

　　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行切割屬于激光切割非金屬材料，切割機理為汽化切割。非金屬材料是波長為10.6的C2激光束的良好吸收體。由于材料的導熱率小，熱量的傳導損失很小，能吸收絕大部分入射光束能量，并很快使材料蒸發，由光斑照射處形成起始孔洞，進入切割過程。汽化切割是指當高功率密度的激光照射到工件表面，材料在極短的時間內被加熱到汽化點，部分材料化作蒸汽逸去，形成割縫。大部分有機材料和陶瓷均采用汽化切割的方式H.針對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，實現對塑料制品的激光切割。對于低熔點熱塑材料，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PVC材料的吸塑包裝進行切割時需注意防護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勢激光切割作為工業切割加工中較為先進的切割方法，同時也是激光加工技術中最為成熟的技術之將其應用在異形吸塑包裝的裁切工藝中，替代傳統的機械裁切方式，能夠體現出眾多優勢，具體如下所述。

　　激光切割作為種無接觸切割，切割過程中無機械擠壓和沖切，不會對吸塑包裝造成擠壓和彎折，吸塑包裝無機械變形、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。由于激光作用時間短，工件周邊的熱影響區小。同時針對不同的材料，均可進行切割，適應性強。

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

　　激光切割時只需定位，不需要加緊、劃線等準備工序，因而吸塑包裝無機械應力及表面損傷。

　　采用激光切割對異形吸塑包裝進行裁切，可以方便地與自動化裝備進行結合，提高裁切系統的柔性，無需定制模具。既可以進行大規模生產切割，也可以進行單個體、小數量吸塑包裝的去邊、整形切割。

　　采用激光切割對異形吸塑包裝進行裁切，可使裁切脫離模具的限制，將切割系統與計算機和CAD軟件相結合，能夠完全自主地控制切割路徑，可以裁切任意復雜形狀的包裝邊界，實現傳統方式無法切割的邊界或形狀，具有無限的仿形切割能力。

　　尤其針對異形吸塑包裝，由于包裝外形的不規則、多變化與復雜性，同時可能存在單件、小批量的試切，傳統的模具裁切方式難以實現裁切的精確性與復雜適應性，這使得激光切割的優勢在異形吸塑包裝的裁切中體現得更加淋漓盡致。

　　2機器視覺輔助激光切割傳統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，由于其外形不規則，邊緣形狀復雜，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的機械裁切的過程中，可采用機器視覺技術替代傳統的模板，進而使裁切脫離對模板的依賴，使得異形吸塑包裝的裁切更加的靈活，大大提高裁切系統的柔性。

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

　　2.1異形吸塑包裝產品裁切輪廓的生成異形吸塑包裝的裁切包括對加工好的整片多個吸塑包裝進行切割分離以獲得單個的包裝產品的整版裁切，和對所需的單個吸塑包裝產品進行修整、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品的輪廓軌跡，以便生成激光切割的加工軌跡。文中根據異形吸塑包裝裁切的特點，對激光切割系統進行改進，在系統中加入機器視覺系統，通過工業相機獲取待切割工件的圖像，以此為基礎，通過對圖像進行相關處理，獲得工件的輪廓軌跡，此即為激光實際切割路徑。

　　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，并輔以相關濾波和處理來實現邊緣的提取。

　　通過實驗和處理結果比對，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最優濾波器，其采用一階微分濾波器。此算法采用二維高斯函數的任意方向上的階方向導數作為噪聲濾波器，通過與圖像卷積進行濾波；然后對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。根據對信噪比與定位乘積進行測度，得到最優化逼近算子63.同時對得到的所有輪廓軌跡進行篩選處理，只保留包裝制品的最外層輪廓，此即為激光的實際切割路徑。

　　由于激光的實際切割路徑為閉合輪廓曲線，所以對每個輪廓軌跡的切割均從其上的某一點開始，沿閉合的輪廓軌跡切割周后再次回到這點。這點作為切割起始點，亦是每個單獨輪廓軌跡的切割終止點。這樣，這點也成為了每個輪廓軌跡的個標記點，即可以通過某一個切割起始點來確定一個輪廓軌跡，而切割起始點也表征著該輪廓與其他輪廓的位置關系。在對圖像進行獲取輪廓軌跡的處理后，根據加工工藝需要自動生成每個輪廓軌跡的起始切割點。2.2輔助連接路徑的生成在自動生成切割路徑的過程中，既要準確地生成待加工零件的輪廓切割軌跡，又要根據待加工零件的排布情況，自動生成各輔助連接軌跡，并保證各連接軌跡的合理性。對于普通平面板料的切割，輔助連接路徑的生成相對容易，通常將問題轉化為旅行商TSP（TravelingSalesmanProblem）問題7-8，遵循最短路徑原則進行求解，以保證加工效率。而對于異形吸塑包裝制品，由于塑料板材經過吸塑加工后，會形成空間凸起，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。

　　文中應用人工智能領域中的A算法實現激光切割輔助連接路徑的生成和自動避障。

　　A算法屬于人工智能領域中一種啟發式搜索算法。啟發式搜索是對狀態空間搜索方法中的寬度優先搜索進行的改進，其主要思路是在寬度優先搜索的同時，先將下一層的所有節點通過一個估價函數進行過濾，然后再決定搜索的方向8.啟發式搜索算法的核心是估價函數/U）：f（始狀態到當前狀態的實際代價；h（n）為狀態空間中從當前狀態到目標狀態的估計代價。擴展狀態節點時，首先計算每個節點的估價函數f（n），然后選擇估價函數f（n）最小的節點進行擴展。如果一個搜索算法一定能找到最佳求解路徑，稱之為可采納性。

　　（n）為估價函數；g（n）為狀態空間中從初始狀態到當前狀態的實際代價；h（n）為狀態空間中從當前狀態到目標狀態的估計代價。由于f無法預先知道，因此，用前面的估價函數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）。數學上已經證明，滿足這些條件的估價函數可以找到最短路徑，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，應用A算法均可實現輔助連接路徑的自動生成。同時，對于單體去邊裁切，采用激光切割與A算法輔助處理，既可以一次切割一個包裝制品，也可以人工將多個單體包裝隨機擺放在切割工作臺上，進行次切割多個單體包裝，提高加工效率。

　　應用A算法可以生成整版中各個包裝單體輪廓軌跡間和隨機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和終點分別為先后切割的2個輪廓軌跡的各自的切割起始點。這2個切割起始點同樣是A算法中的起始節點和目標節點。

　　故只需已知起始節點和目標節點的坐標，通過A算法，即可自動生成2個包裝單體輪廓軌跡間的輔助連接路徑，同時保證自動生成的連接路徑為最優解，并且與包裝凸起區域無干涉。

　　3異形吸塑包裝的激光裁切系統組成與加工根據應用激光切割異形吸塑包裝的工藝特點，同時輔以機器視覺設備，整體異形吸塑包裝的激光裁切系統組成框圖見。

　　此激光裁切系統中，圖像采集系統為信息輸入系統，通過工業相機采集需要加工的異形吸塑包裝制品的圖像信息。加工處理系統為輸入信息的處理系統，通過圖像處理、邊界提取、軌跡生成等算法的處理，生成激光數控系統能夠識別和讀取的加工軌跡數據。激光控制系統為此系統的控制核心，實現對加工軌跡的后處理、加工參數的配置與優化和系統的實際控制等功能。激光切割系統為此系統的執行部分，通過激光切割實現對異形吸塑包裝制品的裁切。

　　選取需要進行單體去邊裁切的異形吸塑包裝制品進行加工，見-3.其中，為圖像采集系統采集到的異形吸塑包裝制品單體排布圖像，黑色區域即為異形吸塑包裝邊界及內部覆蓋區域（經過了前期處理），為應用Canny算法和A算法獲得的激光切割軌跡（包括輪廓實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為了顯示圖片的邊界，并非加工軌跡）。

　　4結語對應用機器視覺和激光切割對異形吸塑包裝進行裁切進行了研究，提出了采用圖像處理與A算法相結合的方法替代傳統裁切中對模板的依賴，能夠很好地解決具有復雜輪廓和不規則輪廓的異形吸塑包裝制品的裁切問題，并在實際應用中取得了良好的效果。在不同工業環境和噪聲干擾下，對采集到的吸塑包裝圖像進行處理的方法仍需進一步研究，以提高系統的適應性和加工的精度。