一种线激光传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种线激光传感器，能够实时测量焊缝轮廓的三维坐标，其特征在于该装置包括线激光发生模块、图像采集模块和图像处理及控制模块三部分。线激光发生模块对焊缝轮廓进行线激光标记，图像采集模块采集和输出线激光标记图像。图像处理及控制模块接收线激光标记图像数据，对其进行增强、滤波、二值化、特征提取等图像处理，提取出计算所需的图像特征数据，根据特征数据计算出焊缝轮廓的三维坐标数据，从而实现对焊缝轮廓进行三维测量的目标。本发明专利技术具有三维测量精度高达到±0.1mm等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种焊接技术，尤其涉及一种线激光传感器及其三维坐标数据的计算 方法，本专利技术是适用于在自动化焊接，利用激光视觉测量技术对焊缝轮廓实施非接触式三 维测量的应用领域。
技术介绍
随着汽车、机械等行业的生产规模不断扩大，对焊接的精度和效率要也不断提高， 但由于焊接的工作环境恶劣，工作强度大，对工人技术要求高，越来越少人愿意从事手工焊 接这一行业，为满足制造业的需求，自动化和智能化是焊接技术发展的必然趋势。目前的自 动化焊接系统大多是基于可编程的示教再现式机器人系统。"示教编程"指通过下述方式 完成程序的编制：由人工导引机器人末端执行器（如：焊枪）来使机器人完成预期的动作， "任务程序"为一组运动及辅助功能指令，用以确定机器人特定的预期作业。"再现"指机器 人按照示教编程获得任务程序，不断重复再现。示教再现式的自动焊接技术，可以严格按照 规定的运动参数施焊，具有控制精度高，稳定性好，焊接质量高等特点。但是，当工件尺寸较 大，形状复杂且不规则或者焊缝尺寸精度较差时，示教再现技术就很难适用。 为解决上述问题，可以采用激光视觉测量技术实时对焊缝特轮廓进行三维测量， 计算特征点之间的位移偏差，利用偏差值对焊接机器人进行实时焊接控制。激光视觉测量 技术是指通过工业相机将采集目标工件带有激光标记的图像，传送给图像处理系统，根据 像素分布和亮度、颜色等信息，结合装置内部的几何关系，计算出测量对象的三维坐标。但 是，专门针对自动化焊接领域的通过激光视觉测量技术对焊缝轮廓进行三维测量以控制自 动化焊接装备进行自动跟踪焊接的传感器在国内却未见出现，采用激光视觉测量技术实时 对焊缝特轮廓进行三维测量成为了亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种线激光传感器，该 线激光传感器是一种面向自动化焊接装备的专用线激光传感器，也是一种基于激光视觉测 量技术的面向自动化焊接装备的线激光传感器，通过此传感器，能实时获得目标焊缝轮廓 离散点的三维坐标，使得焊接机器人能从焊缝轮廓离散点中检测出特征点，然后根据前后 检测到的特征点的三维坐标偏差值确定焊缝位置的偏差量，最后通过偏差量控制焊接机器 人进行跟踪焊接，从而实现自动化焊接目的。 本专利技术的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于线激光传感 器的三维坐标数据的计算方法。 本专利技术的首要目的通过以下技术方案实现：一种线激光传感器，包括：线激光发 生模块、图像采集模块和图像处理及控制模块。 线激光发生模块包括半导体激光发生器和鲍威尔线性棱镜。半导体激光发生器功 率为30mW，用于产生足够亮度的波长为650nm的激光束。鲍威尔线性棱镜为高透光性组合 透镜，发散角度为45°。激光束通过鲍威尔线性棱镜形成线激光，线激光投射在焊缝表面形 成表征焊缝轮廓特征的激光线。焊接环境中，440-480、610-700、850-950nm三个波段的弧光 光谱强度最弱，可见光波长越长穿透烟尘能力越强，650nm波长的线激光配合滤光镜可有效 减少弧光和烟尘干扰。 图像采集模块包括工业相机、定焦镜头和滤光镜。其中，工业相机采用德国BASLER 公司生产的ACA型CMOS黑白工业相机，分辨率为1282x1026像素，像素尺寸水平方向为 5. 3um，垂直方向为5. 3um，具有较强的抗电磁干扰能力；定焦镜头采用日本C0MPUTAR公 司的M0814型号百万像素定焦镜头，焦距8mm。滤光镜直径30mm，中心波长650nm，透光率 90%，截止深度为（350nm-610nm&690-1100nm)〈0. 1 %，能有效减少弧光对相机成像干扰。 图像处理及控制模块包括控制电路、操作系统和控制系统： 控制电路的主要单元包括：美国TI公司的DM3730双核处理器，处理器集成IGHz 的ARM Cortex?-A8内核和800Hz的DSP核，具有强大的运算能力，可快速地执行图像处理 算法；512MB 32位DDR SDRAM ;512MB 16位NAND Flash;双千兆级工业以太网接口；触控显 不屏；电源；LED指不灯等。 操作系统为嵌入式实时操作系统，操作系统用于管理控制电路，提供基本的用户 界面，为控制系统的开发提供必要的服务和相应的接口。操作系统基于微软公司的Windows Embedded Compact 6.0嵌入式实时系统，根据实际需求对系统内核进行重新裁剪。 控制系统用于管理相机、激光器等硬件资源以及执行图像处理、数据分析和计算 等任务。控制系统运行在嵌入式实时系统之上，基于Microsoft Visual Studio 2005平台 开发。控制系统结构分为四个层次，第一个层次为驱动程序库，由各设备供应商提供；第二 个层次为通讯与监控程序，它负责应用程序各模块之间的实时通讯与运行监控；第三个层 次为控制程序层，它由图像采集控制模块、图像处理控制模块、测量计算模块和人机交互 模块四个部分组成，它是整个控制系统的核心。第四层为主控程序层，它由主控模块和文件 与数据管理模块两部分组成。其中，第一、第二和第三层为实时控制模块，第四层为协调程 序，是非实时控制程序。 第三个层次中的四个模块功能为： 图像采集控制模块：通过ACA型相机的驱动程序接口控制相机的采集频率、图像 尺寸和图像格式等参数；通过控制电压控制线半导体激光发生器的功率从而控制激光亮 度。 图像处理控制模块：该模块集成若干套图像处理算法流程，针对特定类型焊缝图 像调用相应的算法流程对其进行处理，获得测量计算所需的数据。 测量计算模块：接收来自图像处理模块的数据，由这些数据计算出焊缝轮廓离散 点的三维坐标。 人机交互模块：通过人机交互界面可提供系统参数设置，实时显示图像采集处理 信息，控制的开启和关闭和数据保存等操作。 本专利技术的另一目的通过以下技术方案实现：一种应用于线激光传感器的三维坐标 数据的计算方法，包括以下步骤： (1)采用30mm X 30mm标准标定板标定工业相机，获得工业相机内参数和外参数。 (2)焊接工件放置于工作台面，工业相机镜头正对焊缝如图3a所示。 (3)人机交互界面设置焊缝类型、工业相机参数和半导体激光发生器参数。 (4)图像采集控制模块根据人机界面设定初始化相机和激光器，控制工业相机开 始采集图像。工业相机通过千兆以太网接口把图像数据传输给控制电路。 (5)图像处理控制模块接收来自相机的图像数据后将数据写入指定的内存空间， 然后控制DSP核对该内存空间内的图像数据进行处理。处理方法根据设定的焊缝类型、激 光功率等参数不同而有所区别，但总体上包括增强、滤波、二值化、去噪、特征提取等操作。 (6)经图像处理后得到了测量计算所需的数据。调用测量计算模块，利用这些数据 计算出焊缝轮廓离散点的三维坐标。 (7)通过以太网接口输出三维测量数据。 (8)调用人机交互模块，在人机界面上显示测量结果。 本专利技术相对于现有技术具有如下优点和有益效果： 自动化焊接装备已经在国内的汽车、工程机械、以及集装箱生产等许多领域逐步 得到了应用。在焊接环境和焊接要求复杂程度不断加大的情况下，示教式的自动化焊接技 术已经很难满足某些领域的生产要求。通过激光视觉技术实时测量焊缝轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线激光传感器，其特征在于，包括：线激光发生模块、图像采集模块和图像处理及控制模块；所述线激光发生模块包括半导体激光发生器和鲍威尔线性棱镜；所述半导体激光发生器产生特定波长的激光束，所述鲍威尔线性棱镜将激光束改变成亮度和宽度均匀的激光线；所述图像采集模块包括工业相机、定焦镜头和滤光镜，所述工业相机和所述定焦镜头，用于采集所述激光线的图像数据，所述滤光镜用于过滤特定波长范围的弧光；所述图像处理及控制模块包括控制电路、操作系统和控制系统；所述控制电路包括双核处理器和以太网接口；所述控制系统包含基于数学形态学的增强、滤波、去噪、特征提取等图像处理单元和基于三角测量原理的测量单元；所述线激光发生模块对焊缝轮廓进行标记，所述图像采集模块用于采集和输出被标记的焊缝轮廓图像数据，所述图像处理及控制模块用于计算并输出三维坐标数据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邹焱飚，龚国基，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44