[发明专利]基于条形光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接自动化领域，特别涉及一种基于条形光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置及方法。

背景技术

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。

中国专利文献授权公告号为CN101927395B的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。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提出一种基于条形光源的强镜面反射工件细窄坡口检测装置及方法，该发明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，以求事先坡口的自动识别，特别针对坡口间隙小于0.1mm的细窄坡口自动检测场合。

本发明的技术方案如下：

基于条形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条形光源阵列、激光阵列、成像元件和滤光元件；所述控制单元与所述条形光源、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；所述条形光源阵列包含至少两个条形光源，各条形光源发出的光线互成角度投射在工件表面上；所述条形光源包括发光二极管阵列和条形光源外壳；所述发光二极管阵列安装在所述条形光源外壳的矩形区域内，矩形区域的长边与坡口切线方向平行；所述激光阵列包括N个激光器，N是大于或等于3的正整数；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滤光元件后，摄入所述成像元件成像。

基于条形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；条形光源阵列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单元的敏感波长范围内。

基于条形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：