基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置及方法制造方法及图纸

基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置及方法，属于焊接自动化领域。该装置及方法采用球面光源照射工件表面，获得灰度均匀的工件表面图像，并采用激光阵列确定焊枪与工件之间的相对位姿，实现强镜面反射工件细窄坡口的自动检测。本发明专利技术采用球面光源照射强镜面反射的工件表面，获得均匀光照的工件表面图像，图像中的坡口特征明显，便于准确提取坡口中心位置，检测精度可达0.03mm；工件与焊枪的相对位姿关系可通过激光阵列快速、准确地获得；系统结构简单，检测精度高，实时性好，成本较低，可应用于强镜面反射表面工件坡口的自动检测，尤其适用于坡口间隙小于0.1mm的细窄坡口工件高能束焊接自动跟踪场合。

【技术实现步骤摘要】
基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置及方法
本专利技术属于焊接自动化领域，特别涉及一种基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置及方法的设计。
技术介绍
航天航空构件的轻量化发展和可靠性要求的提高给焊缝视觉检测和跟踪提出了重大挑战。其一，待焊工件的坡口形式一般为I型对接坡口，坡口间隙极小(一般不超过0.1mm)，焊枪与坡口的相对位姿稍有偏移即可能引起严重的焊接缺陷，对检测和跟踪精度要求极高；其二，航天航空构件材质大多为铝镁合金，反射率可达95％以上，其表面强烈的镜面反射光使图像亮度极不均匀，甚至可能掩盖坡口的主要特征信息。传统的焊缝跟踪方法通过检测结构光条的畸变特征识别待焊区域，这种方法过于依赖坡口的宏观几何结构特征，无法应用于结构光条畸变不明显的细窄坡口检测场合。中国专利文献(公告号为CN101927395B)公开了一种焊缝跟踪检测设备及方法，将具有特定轮廓特征的激光光斑投射在工件表面上，使用CCD相机采集工件表面图像，通过检测光斑内的坡口阴影检测坡口的横向偏移，通过检测光斑的形状、位置和大小变化计算工件表面与焊枪之间的相对位姿。这种方法采集的图像灰度非常不均匀，给光斑边缘的准确提取带来困难，这一方面是因为金属表面对激光产生强烈的镜面反射，造成图像局部饱和；另一方面是因为激光在金属表面形成散斑，加剧了灰度不均匀性。降低曝光时间、减小光圈和使用偏振片消光等方法可在一定程度上降低镜面反射光的影响，但激光散斑现象愈加明显，无法提高图像灰度的均匀性。综上，尚未有检测精度高、实时性强、图像灰度均匀性好、适用于强镜面反射表面工件细窄坡口检测的装置及方法。专利
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已有技术的不足之处，提出一种基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置及方法，该专利技术旨在解决目前技术存在的检测精度受限、因工件表面强烈镜面反射造成的图像灰度不均、焊枪与工件相对位姿难以精确确定等问题，以求实现坡口的自动识别，特别针对坡口间隙小于0.1mm的细窄坡口自动检测场合。本专利技术的技术方案如下：基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置，其特征在于：包括控制单元，传感器外壳，以及安装在传感器外壳内的球面光源、激光阵列、成像元件和滤光元件；所述控制单元分别与所述球面光源、激光阵列和成像元件通过导线相连；所述传感器外壳与焊枪固结；所述球面光源包括发光二极管阵列、球状漫反射壳体和透光孔；所述发光二极管阵列分布在所述球状漫反射壳体底部，其发出的光线经所述球状漫反射壳体反射后投射在工件表面上；或所述发光二极管阵列分布在所述球状漫反射壳体表面上，其发出的光线一部分直接投射在工件表面上，另一部分经所述球状漫反射壳体反射后投射在工件表面上；所述激光阵列包括至少三个激光器；所述激光阵列发出的激光光斑投射在工件表面上；工件表面的反射光经所述透光孔和滤光元件后，摄入所述成像元件成像；基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置，其特征在于：所述成像元件为电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体成像器件、位置敏感器件或电荷注入器件；球面光源的发光波长和激光阵列的发光波长与滤光元件的中心波长一致；滤光元件的中心波长在成像元件的敏感波长范围内；基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：1)建立成像元件坐标系{C}，所述成像元件坐标系{C}的原点为成像元件的光心，竖轴方向与所述成像元件光轴方向相同；在成像元件采集的图像上建立像素坐标系{P}；设所述激光阵列包含N个激光器，N是大于或等于3的正整数；2)对所述成像元件进行标定，获得像素坐标系{P}中任意一点(u,v)T与成像元件坐标系{C}中点(x,y,z)T之间的转换关系：以及在成像元件坐标系{C}中，第i个激光器发出的激光传播路径方程：Xi＝Xi,0+tiSi其中，f1，f2是像素坐标系{P}与成像元件坐标系{C}之间的转换函数；i是大于或等于1，且小于或等于N的正整数；Xi和Xi,0是第i个激光器发出的激光传播路径上的点；Si是第i个激光器发出的激光传播路径的单位方向向量；ti是点Xi和Xi,0之间的有向距离；3)所述控制单元发出触发信号，使所述激光阵列和所述球面光源交替点亮，并使所述成像元件同步拍摄不同光源点亮时的图像；当所述激光阵列点亮时，所述控制单元对所述成像元件采集的图像进行处理，获得第i个激光光斑在像素坐标系{P}中的坐标(ui,vi)T；根据第i个激光光斑在像素坐标系{P}中的坐标(ui,vi)T，计算第i个激光光斑在成像元件坐标系{C}中的坐标Ai：Ai＝[Xi,0+ti,1(ui,vi)·Si+ti,2(ui,vi)·Vi(ui,vi)]/2其中，假设激光光斑投射的工件表面近似为平面，记此平面为W；设平面W的方程为XTα＝1，其中α是平面W的法向量，X为平面W上的任意一点；根据点Ai均在平面W上，有：即：使用线性最小二乘法获得平面W的法向量α；当所述球面光源点亮时，所述控制单元对成像元件采集的图像进行处理，获得坡口中心点在像素坐标系{P}中的坐标(uw,vw)T；根据坡口中心点位于平面W上，获得坡口中心点在成像元件坐标系{C}中的坐标B：B＝Vw(uw,vw)/[αTVw(uw,vw)]其中，Vw(uw,vw)＝[f1(uw,vw),f2(uw,vw),1]T。本专利技术采用球面光源照射工件表面获取坡口位置偏移，并采用激光阵列确定工件表面的位姿信息，实现强镜面反射工件细窄坡口的检测。采用本专利技术的装置及方法可以在坡口检测时满足若干目标要求：图像灰度均匀，坡口特征明显，便于实时、准确地检测坡口位置；能快速、准确地确定焊枪相对于工件表面的位姿信息，包括焊枪的横向偏移、高度方向偏移、横向偏角、纵向偏角等；检测精度高，检测精度可达0.03mm；系统结构简单，成本低，实时性高，适用于强镜面反射工件(如铝合金工件等)坡口自动检测，尤其适用于坡口间隙小于0.1mm的细窄坡口检测场合。附图说明图1为基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置的第一个实施例结构示意图。图2为基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置的第二个实施例结构示意图。图3为本专利技术第一个实施例和第二个实施例中球面光源点亮时成像元件采集的坡口图像。图4为本专利技术第一个实施例和第二个实施例中使用激光阵列确定工件位姿的示意图。图5为本专利技术第一个实施例和第二个实施例中坡口检测的流程图。在图1至图5中：1—控制单元；2—传感器外壳；3—球面光源；31—发光二极管阵列；32—球状漫反射壳体；33—透光孔；4—激光阵列；41—第一激光器；42—第二激光器；43—第三激光器；5—成像元件；6—滤光元件；7—工件；71—母材；72—坡口；8—焊枪。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的结构、原理和工作过程作进一步说明。图1为本专利技术提出的基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置及方法的第一个实施例结构原理示意图，包括控制单元1、传感器外壳2、球面光源3、激光阵列4、成像元件5和滤光元件6。所述控制单元1与所述球面光源3、激光阵列4和成像元件5通过导线相连；所述控制单元1发出触发信号，使球面光源3和激光阵列4交替频闪，并使成像元件5同步采集不同光源照射下的工件7表面图像；所述传感器外壳2与焊枪8固结；所述球面光本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置，其特征在于：包括控制单元(1)，传感器外壳(2)，以及安装在传感器外壳内的球面光源(3)、激光阵列(4)、成像元件(5)和滤光元件(6)；所述控制单元(1)分别与所述球面光源(3)、激光阵列(4)和成像元件(5)通过导线相连；所述传感器外壳(2)与焊枪(8)固结；所述球面光源(3)包括发光二极管阵列(31)、球状漫反射壳体(32)和透光孔(33)；所述发光二极管阵列(31)分布在所述球状漫反射壳体(32)底部，其发出的光线经所述球状漫反射壳体(32)反射后投射在工件(7)表面上；或所述发光二极管阵列(31)分布在所述球状漫反射壳体(32)表面上，其发出的光线一部分直接投射在工件(7)表面上，另一部分经所述球状漫反射壳体(32)反射后投射在工件(7)表面上；所述激光阵列(4)包括至少三个激光器；所述激光阵列(4)发出的激光光斑投射在工件(7)表面上；工件(7)表面的反射光经所述透光孔(33)和滤光元件(6)后，摄入所述成像元件(5)成像。

【技术特征摘要】
1.基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置，其特征在于：包括控制单元(1)，传感器外壳(2)，以及安装在传感器外壳内的球面光源(3)、激光阵列(4)、成像元件(5)和滤光元件(6)；所述控制单元(1)分别与所述球面光源(3)、激光阵列(4)和成像元件(5)通过导线相连；所述传感器外壳(2)与焊枪(8)固结；所述球面光源(3)包括发光二极管阵列(31)、球状漫反射壳体(32)和透光孔(33)；所述发光二极管阵列(31)分布在所述球状漫反射壳体(32)底部，其发出的光线经所述球状漫反射壳体(32)反射后投射在工件(7)表面上；或所述发光二极管阵列(31)分布在所述球状漫反射壳体(32)表面上，其发出的光线一部分直接投射在工件(7)表面上，另一部分经所述球状漫反射壳体(32)反射后投射在工件(7)表面上；所述激光阵列(4)包括至少三个激光器；所述激光阵列(4)发出的激光光斑投射在工件(7)表面上；工件(7)表面的反射光经所述透光孔(33)和滤光元件(6)后，摄入所述成像元件(5)成像。2.如权利要求1所述的基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置，其特征在于：所述成像元件为电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体成像器件、位置敏感器件或电荷注入器件；球面光源的发光波长和激光阵列的发光波长与滤光元件的中心波长一致；滤光元件的中心波长在成像元件的敏感波长范围内。3.采用如权利要求1所述装置的基于球面光源的强镜面反射工件细窄坡口检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：1)建立成像元件坐标系{C}，所述成像元件坐标系{C}的原点为成像元件的光心，竖轴方向与所述成像元件光轴方向相同；在成像元件采集的图像上建立像素坐标系{P}；设所述激光阵列包含N个激光器，N是大于或等于3的正整数；2)对所述成像元件进行标定，获得像素坐标系{P}中任意一点(u,v)T与成像元件坐标系{C}中点(x,y,z)T之间的转换关系：以及在成像元件坐标系{C}中，第i个激光器发出的激光传播路径方程：Xi＝Xi,0+tiSi其中，f1，f2是像素坐标系{P}与成像元件坐标系{C}之间的转换函数；i是大于或等于1，且小于或等于N的正整数；Xi和Xi,0是第i个激光器发出的激光传播路径上的点；Si是第i个激光器发出的激...

【专利技术属性】
技术研发人员：都东，曾锦乐，邹怡蓉，王国庆，潘际銮，王力，常保华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11