專利名稱：一種基于線結(jié)構(gòu)光的視覺焊縫表面質(zhì)量檢測傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接質(zhì)量自動檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種基于計算機視覺測量原
理，通過視覺傳感器獲取焊縫圖像，采用圖像處理技術(shù)實現(xiàn)焊縫表面質(zhì)量缺陷識別的傳感器。該傳感器可以廣泛應(yīng)用于機器人自動化焊接等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
制造業(yè)中，焊接是許多加工制造方法的基礎(chǔ)，焊接質(zhì)量的好壞直接決定著產(chǎn)品的可靠性，因此，焊縫質(zhì)量檢測是保證焊接質(zhì)量的重要手段，在焊接領(lǐng)域有著廣泛的需求。
目前現(xiàn)有的焊縫質(zhì)量檢測實現(xiàn)方案主要包括破壞性檢測與非破壞性檢測，其中，杯突、拉伸、腐蝕、金相等破壞性檢測雖然可靠性高，但是工件會受到破壞，另外也無法實時在線檢測。非破壞性檢測中傳統(tǒng)的人工視覺檢測是通過人工視覺進行焊縫質(zhì)量的檢測判斷，由于人工視覺檢測者的疲勞和非一致性，使得很多檢測任務(wù)對于人工來說費時和費力，而且也增加了不合格品的數(shù)量，在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，據(jù)報道人工檢測最多只能夠達到80%的有效性，另外，在一些特定的應(yīng)用場合人工視覺也難以滿足要求。非破壞性檢測中的超聲波檢測和X射線檢測方法雖然能夠避免上述問題，但是也無法實現(xiàn)實時在線連續(xù)性檢測。 相比之下，非破壞性檢測中的計算機視覺檢測方法可靠性高，可以保證檢測的一致性，同時可以在焊接過程中實時在線檢測焊縫質(zhì)量，實現(xiàn)對焊接生產(chǎn)過程中質(zhì)量的監(jiān)控，還可以提高焊接機器人焊接過程的自主化和智能化水平。應(yīng)用計算機視覺進行焊縫表面質(zhì)量檢測的典型系統(tǒng)如加拿大ServoRobot公司的焊縫表面質(zhì)量檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光三角測量原理識別焊縫質(zhì)量，由于僅僅能獲取反映焊縫幾何輪廓的激光條紋，因此無法檢測等厚對接板材的焊縫寬度。瑞士Soutec公司的焊縫表面質(zhì)量檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時獲取激光條紋及焊縫表面灰度圖像，但價格較貴。目前，一種成本較低、能得到包括激光條紋的焊縫表面灰度圖像的焊縫表面質(zhì)量檢測傳感器未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于計算機視覺檢測原理的焊縫表面質(zhì)量檢測傳感器，可以實現(xiàn)成本低、能得到包括激光條紋的焊縫表面灰度圖像，焊接過程中焊縫的實時在線質(zhì)量檢測，尤其在等厚窄間隙對接焊縫的質(zhì)量檢測中具有明顯優(yōu)勢。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下 由兩個傳感單元和一個圖像處理單元組成，兩個傳感單元分別安裝于焊縫的上下表面兩側(cè)，且與焊接工件表面垂直，兩個傳感單元與圖像處理單元電連接；其中所述傳感單元結(jié)構(gòu)包括 —攝像機，接收形成在焊接工件上的包括激光條紋的焊縫表面灰度圖像信息，與圖像處理單元通訊； 至少一個一字線形激光器，產(chǎn)生激光結(jié)構(gòu)光條紋于焊接工件上，激光器的安裝使其發(fā)射的結(jié)構(gòu)光平面和攝像機的光軸中心線成20。 55°角，45°角為佳；
濾光片，加裝在攝像機鏡頭前方； LED環(huán)形光源，作為背景光源，與攝像機同軸安裝，加裝于濾光片前方。 其中，所述攝像機、一字線形激光器、濾光片、LED環(huán)形光源封裝在傳感單元的機殼
內(nèi)，下方裝有透明擋板；機殼上部設(shè)有用于傳送攝像機、激光器、LED環(huán)形光源線纜的接口 ；
所述機殼靠近焊接頭的一側(cè)下部安裝有防濺擋板；所述LED環(huán)形光源的波長與一字線形激
光器相同。 本發(fā)明工作原理利用一字線形激光器分別投射在焊縫的上表面、下表面上產(chǎn)生
一條或多條激光條紋，攝像頭采集獲取包括激光條紋的焊縫表面灰度圖像，并將所采集的
圖像傳送給圖像處理單元，由圖像處理單元完成焊縫缺陷的識別與判定，包括焊縫輪廓幾
何缺陷和表面缺陷，最終實現(xiàn)焊縫上下表面的質(zhì)量自動檢測。本發(fā)明能夠測量焊縫上下表
面的幾何缺陷和表面缺陷。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點 1.具有實時在線質(zhì)量檢測特點。本發(fā)明通過視覺傳感獲取包括激光條紋的焊縫表
面灰度圖像，采用圖像處理技術(shù)實現(xiàn)焊縫表面質(zhì)量缺陷識別，具有非破壞性檢測特性的同
時使焊接過程中焊縫的實時在線質(zhì)量檢測成為可能；同時，采用本發(fā)明可以實現(xiàn)對焊接生
產(chǎn)過程中質(zhì)量的監(jiān)控，可以提高焊接機器人焊接過程的自主化和智能化水平。 2.可靠性高。采用本發(fā)明不僅使檢測任務(wù)省時和省力，還能保證檢測的一致性和
有效性。 3.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。 4.應(yīng)用范圍廣。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于機器人自動化焊接等領(lǐng)域，可以應(yīng)用于特定的人工視覺難以滿足要求的場合，并在等厚窄間隙對接焊縫的質(zhì)量檢測中具有明顯優(yōu)勢。


面)；
面)；
圖1為基于線結(jié)構(gòu)光的視覺焊縫質(zhì)量檢測傳感器組成示意圖；圖2為基于線結(jié)構(gòu)光的視覺焊縫質(zhì)量檢測傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為基于線結(jié)構(gòu)光的視覺焊縫質(zhì)量檢測傳感器原理框圖4-l為本發(fā)明一個實施例采集到的待檢測焊縫圖像(不等厚對接焊縫上表
圖4-2為本發(fā)明一個實施例采集到的待檢測焊縫圖像(不等厚對接焊縫下表
圖4-3為本發(fā)明一個實施例采集到的待檢測焊縫圖像(等厚對接焊縫上表面)；圖4-4為本發(fā)明一個實施例采集到的待檢測焊縫圖像(等厚對接焊縫下表面)。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。 如圖1所示為本發(fā)明焊縫質(zhì)量檢測傳感器的組成示意圖，該傳感器由兩個傳感單元(第一 二傳感單元1 2)和一個圖像處理單元3組成。兩個傳感單元分別位于焊縫5的上下表面兩側(cè)，且與焊接工件4的兩個表面垂直，每次采集獲取的焊縫表面圖像大小為圖像視場6和圖像視場7。傳感單元與處理單元3電連接。 圖2為本發(fā)明焊縫質(zhì)量檢測傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖。兩個傳感單元結(jié)構(gòu)相同，下面以其中一個傳感單元為例展開結(jié)構(gòu)性說明。傳感單元包括攝像機8、至少一個一字線形激光器9、LED環(huán)形光源12、濾光片11、透明隔板14、防濺擋板15等。 一字線形激光器(StockerYale SNF701L) 9發(fā)出的激光束產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光面，照射到焊接工件4表面，形成焊縫5的結(jié)構(gòu)光特征條紋13。激光器波長為660nm，展開角為10° ，最大功率為100mW且可以通過信號線10輸出標準模擬信號調(diào)整，激光光紋最小線寬為40um。 LED環(huán)形光源(OSE環(huán)形LED光源)12作為背景光源，中心波長為660nm，其功率可以通過信號線17輸出標準模擬信號調(diào)整。由攝像機8獲取結(jié)構(gòu)光特征光紋13圖像，同時獲取焊縫5的表面灰度圖像，獲取圖像大小為圖像視場6所示，其中，攝像機8采用黑白工業(yè)相機，千兆網(wǎng)接口 ，帶有激光光紋13的焊縫5灰度圖像6通過網(wǎng)線20傳送給圖像處理單元3。攝像機8和LED環(huán)形光源12同軸安裝。攝像機8鏡頭前方加裝濾光片11，透過波長為660nm，帶寬為40nm。攝像機8、一字線形激光器9、濾光片11、LED環(huán)形光源12封裝在傳感單元的機殼16內(nèi)，下方裝有透明擋板14，可以阻擋焊接飛濺污染機殼內(nèi)元器件。機殼16上部有傳感器電纜接口 18，所有線纜(10、 17、20)均通過此接口延伸到機殼16外部，機殼16靠近焊接頭的一側(cè)下部安裝有防濺擋板15，可以防止焊接飛濺影響獲取圖像的質(zhì)量。 一字線形激光器9的位置和角度可調(diào)，調(diào)整激光器9的角度，使激光器9發(fā)射的結(jié)構(gòu)光平面和攝像機8的光軸中心線成20。 55°角，本實例中角度為45。。 傳感器的工作過程可以參閱圖3的原理框圖。第一 二傳感單元1 2中的攝像機8分別采集獲取焊縫5上下表面的圖像，為帶有激光條紋13的焊縫5灰度圖像6和7。圖像6、7分別經(jīng)網(wǎng)線20、21傳到圖像處理單元3的工控機25上，通過調(diào)用焊縫檢測圖像處理模塊24，提取出激光條紋13的特征點信息以及焊縫5表面灰度圖像信息，依據(jù)缺陷識別算法計算出缺陷在圖像坐標系下的位置及尺寸，由激光光紋13的形變特征點可以計算出焊縫的幾何輪廓缺陷，例如錯配、咬邊、凸凹度、過熔等，由灰度圖像6、7的灰度圖像信息可以計算出焊縫的表面質(zhì)量缺陷，如裂紋19、表面小孔等。由于攝像機8已經(jīng)過精確標定，同時結(jié)構(gòu)光面同攝像機也經(jīng)過精確標定，根據(jù)標定關(guān)系，由缺陷在圖像坐標系下的位置和尺寸可以計算得出其在焊縫5上的實際位置和尺寸，依據(jù)焊接質(zhì)量國際標準對缺陷進行判定，可以判定各缺陷是否在焊接質(zhì)量標準的允許范圍內(nèi)，最終判定焊縫5的質(zhì)量是否合格。檢測結(jié)果可以顯示在工控機25的監(jiān)視器上，同時可以通過現(xiàn)場總線28傳給上位PLC 26，或是通過現(xiàn)場總線或串口 29傳給焊接機器人27，同時也可以接收上位PLC 26或焊接機器人27傳回的命令參數(shù)。第一 二傳感單元1 2中的攝像機8，一字線形激光器9，LED光源12參數(shù)均可調(diào)，由圖像處理單元3的工控機25通過網(wǎng)線20和21分別調(diào)整攝像機8的參數(shù)，通過信號線10和23分別調(diào)整一字線形激光器9的參數(shù)，通過信號線17和22分別調(diào)整LED光源12的參數(shù)。工控機25上的圖像處理模塊24可以進行不同類型焊縫的輪廓幾何缺陷和表面缺陷的檢測，可以實現(xiàn)檢測參數(shù)的設(shè)置、焊縫缺陷的識別與判定，并可以根據(jù)實際需要，增加新的焊縫類型，具有后續(xù)擴展功能。 如圖4-1 4-4所示為傳感器獲取的激光焊接對接焊縫的圖像，其中圖4-1為激光焊接不等厚對接焊縫上表面檢測圖像；圖4-2為激光焊接不等厚對接焊縫下表面檢測圖像；圖4-3為激光焊接等厚對接焊縫上表面檢測圖像；圖4-4為激光焊接等厚對接焊縫下表面檢測圖像。 其中，所述攝像機為CCD、 CMOS等任意工業(yè)攝像機，該攝像機的接口形式可以為Cameralink或千兆網(wǎng)口 。攝像機成像單元相對于焊縫工件坐標系的位置和姿態(tài)可以通過標定精確獲得，由灰度圖像上像素的坐標經(jīng)處理單元計算出其在焊縫工件坐標系下的實際坐標。 所述一字線形激光器的數(shù)目可以依據(jù)檢測精度要求、焊接速度要求及處理單元的處理能力決定；所述一字線形激光器的結(jié)構(gòu)光平面與攝像機經(jīng)過標定，可以由結(jié)構(gòu)光特征點的坐標經(jīng)圖像處理單元計算出焊縫的實際特征尺寸；所述LED環(huán)形光源的波長與一字線形激光器相同。 所述濾光片，能夠透過LED環(huán)形光源與一字線形激光器的光波。 所述圖像處理單元，包括工控機及其外圍部件、圖像處理模塊。如果采用
Cameralink接口的攝像機需要在工控機上加裝Cameralink圖像采集卡，攝像機與圖像采
集卡電連接。 綜上，本發(fā)明基于線結(jié)構(gòu)光的視覺焊縫表面質(zhì)量檢測傳感器，能夠采集、處理包括激光條紋的焊縫表面灰度圖像，并進行焊縫缺陷的識別與判定，以實現(xiàn)焊縫上下表面的表面質(zhì)量自動檢測。采用本發(fā)明使檢測任務(wù)省時和省力，且能保證檢測的一致性，檢測可靠性高。
權(quán)利要求
一種基于線結(jié)構(gòu)光的視覺焊縫表面質(zhì)量檢測傳感器，其特征在于由兩個傳感單元和一個圖像處理單元組成，兩個傳感單元分別安裝于焊縫的上下表面兩側(cè)，且與焊接工件表面垂直，兩個傳感單元與圖像處理單元電連接；其中所述傳感單元結(jié)構(gòu)包括一攝像機，接收形成在焊接工件上的包括激光條紋的焊縫表面灰度圖像，與圖像處理單元通訊；至少一個一字線形激光器，產(chǎn)生激光結(jié)構(gòu)光條紋于焊接工件上，激光器的安裝使其發(fā)射的結(jié)構(gòu)光平面和攝像機的光軸中心線成20°～55°角；濾光片，加裝在攝像機鏡頭前方；LED環(huán)形光源，作為背景光源，與攝像機同軸安裝，加裝于濾光片前方。
2. 按權(quán)利要求1所述傳感器，其特征在于所述圖像處理單元通過現(xiàn)場總線與焊接機 器人或PLC電連接。
3. 按權(quán)利要求1所述傳感器，其特征在于所述攝像機、一字線形激光器、濾光片、LED 環(huán)形光源封裝在傳感單元的機殼內(nèi)，下方裝有透明擋板；機殼上部設(shè)有用于傳送攝像機、激 光器、LED環(huán)形光源線纜的接口 。
4. 按權(quán)利要求1所述傳感器，其特征在于所述機殼靠近焊接頭的一側(cè)下部安裝有防 濺擋板。
5. 按權(quán)利要求1所述傳感器，其特征在于所述激光器的安裝使其發(fā)射的結(jié)構(gòu)光平面 和攝像機的光軸中心線成45。角。
6. 按權(quán)利要求1所述傳感器，其特征在于所述LED環(huán)形光源的波長與一字線形激光 器相同。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于線結(jié)構(gòu)光的視覺焊縫表面質(zhì)量實時在線檢測傳感器，由傳感單元和圖像處理單元組成，兩個傳感單元分別垂直安裝于焊縫的上下表面兩側(cè)，并與圖像處理單元連接；傳感單元結(jié)構(gòu)接收形成在焊接工件上的包括激光條紋的焊縫表面灰度圖像的攝像機；產(chǎn)生激光結(jié)構(gòu)光條紋于焊接工件上的一字線形激光器；在攝像機鏡頭前方的濾光片；與攝像機同軸安裝且位于濾光片前方的LED環(huán)形光源。本發(fā)明利用一字線形激光器分別投射在焊縫的上表面、下表面上產(chǎn)生激光條紋，攝像頭采集獲取包括激光條紋的焊縫表面灰度圖像，最終實現(xiàn)焊縫上下表面的質(zhì)量自動檢測，提高了焊縫表面質(zhì)量檢測的精度，可廣泛應(yīng)用于機器人自動化焊接等領(lǐng)域。
文檔編號G01N21/88GK101750416SQ200810229989
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者姜春英, 康永軍, 許敏, 鄒媛媛 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所