本發(fā)明屬于焊接自動(dòng)化領(lǐng)域，特別涉及一種基于條形光源的強(qiáng)鏡面反射工件細(xì)窄坡口檢測裝置及方法。

背景技術(shù)：
航天航空構(gòu)件的輕量化發(fā)展和可靠性要求的提高給焊縫視覺檢測和跟蹤提出了重大挑戰(zhàn)。其一，待焊工件的坡口形式一般為I型對接坡口，坡口間隙極小(一般不超過0.1mm)，焊槍與坡口的相對位姿稍有偏移即可能引起嚴(yán)重的焊接缺陷，對檢測和跟蹤精度要求極高；其二，航天航空構(gòu)件材質(zhì)大多為鋁鎂合金，反射率可達(dá)95％以上，其表面強(qiáng)烈的鏡面反射光使圖像亮度極不均勻，甚至可能掩蓋坡口的主要特征信息。傳統(tǒng)的焊縫跟蹤方法通過檢測結(jié)構(gòu)光條的畸變特征識別待焊區(qū)域，這種方法過于依賴坡口的宏觀幾何結(jié)構(gòu)特征，無法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)光條畸變不明顯的細(xì)窄坡口檢測場合。中國專利文獻(xiàn)授權(quán)公告號為CN101927395B的焊縫跟蹤檢測設(shè)備及方法，將具有特定輪廓特征的激光光斑投射在工件表面上，使用CCD相機(jī)采集工件表面圖像，通過檢測光斑內(nèi)的坡口陰影檢測坡口的橫向偏移，通過檢測光斑的形狀、位置和大小變化計(jì)算工件表面與焊槍之間的相對位姿。這種方法采集的圖像灰度非常不均勻，給光斑邊緣的準(zhǔn)確提取帶來困難，這一方面是因?yàn)榻饘俦砻鎸す猱a(chǎn)生強(qiáng)烈的鏡面反射，造成圖像局部飽和；另一方面是因?yàn)榧す庠诮饘俦砻嫘纬缮?，加劇了灰度不均勻性。降低曝光時(shí)間、減小光圈和使用偏振片消光等方法可在一定程度上降低鏡面反射光的影響，但激光散斑現(xiàn)象愈加明顯，無法提高圖像灰度的均勻性。綜上，尚未有檢測精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、圖像灰度均勻性好、適用于強(qiáng)鏡面反射表面工件細(xì)窄坡口檢測的裝置及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于條形光源的強(qiáng)鏡面反射工件細(xì)窄坡口檢測裝置及方法，該發(fā)明旨在解決目前技術(shù)存在的檢測精度受限、因工件表面強(qiáng)烈鏡面反射造成的圖像灰度不均、焊槍與工件相對位姿難以精確確定等問題，以求事先坡口的自動(dòng)識別，特別針對坡口間隙小于0.1mm的細(xì)窄坡口自動(dòng)檢測場合。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：基于條形光源的強(qiáng)鏡面反射工件細(xì)窄坡口檢測裝置，其特征在于：包括控制單元，傳感器外殼，以及安裝在傳感器外殼內(nèi)的條形光源陣列、激光陣列、成像元件和濾光元件；所述控制單元與所述條形光源陣列、激光陣列和成像元件通過導(dǎo)線相連；所述傳感器外殼與焊槍固結(jié)；所述條形光源陣列包含至少兩個(gè)條形光源，各條形光源發(fā)出的光線互成角度投射在工件表面上；所述條形光源包括發(fā)光二極管陣列和條形光源外殼；所述發(fā)光二極管陣列安裝在所述條形光源外殼的矩形區(qū)域內(nèi)，矩形區(qū)域的長邊與坡口切線方向平行；所述激光陣列包括N個(gè)激光器，N是大于或等于3的正整數(shù)；所述激光陣列發(fā)出的激光光斑投射在工件表面上；工件表面的反射光經(jīng)所述濾光元件后，攝入所述成像元件成像?；跅l形光源的強(qiáng)鏡面反射工件細(xì)窄坡口檢測裝置，其特征在于：所述成像元件為電荷耦合器件、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體成像器件、位置敏感器件或電荷注入器件；條形光源陣列的發(fā)光波長和激光陣列的發(fā)光波長與濾光元件的中心波長一致；濾光元件的中心波長在成像元件的敏感波長范圍內(nèi)?；跅l形光源的強(qiáng)鏡面反射工件細(xì)窄坡口檢測方法，其特征在于該方法包括以下步驟：1)建立成像元件坐標(biāo)系{C}，所述成像元件坐標(biāo)系{C}的原點(diǎn)為成像元件的光心，豎軸方向與所述成像元件光軸方向相同；在成像元件采集的圖像上建立像素坐標(biāo)系{P}；設(shè)所述激光陣列包含N個(gè)激光器，N是大于或等于3的正整數(shù)；2)對所述成像元件進(jìn)行標(biāo)定，獲得像素坐標(biāo)系{P}中任意一點(diǎn)(u,v)T與成像元件坐標(biāo)系{C}中點(diǎn)(x,y,z)T之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：以及在成像元件坐標(biāo)系{C}中，第i個(gè)激光器發(fā)出的激光傳播路徑方程：Xi＝Xi,0+tiSi其中，f1，f2是像素坐標(biāo)系{P}與成像元件坐標(biāo)系{C}之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)；i是小于或等于1，且小于或等于N的正整數(shù)；Xi和Xi,0是第i個(gè)激光器發(fā)出的激光傳播路徑上的點(diǎn)；Si是第i個(gè)激光器發(fā)出的激光傳播路徑的單位方向向量；ti是點(diǎn)Xi和Xi,0之間的有向距離；3)所述控制單元發(fā)出觸發(fā)信號，使所述激光陣列和所述條形光源陣列以一定頻率交替點(diǎn)亮，并使所述成像元件同步拍攝不同光源點(diǎn)亮?xí)r的圖像；當(dāng)所述激光陣列點(diǎn)亮?xí)r，所述控制單元對所述成像元件采集的圖像進(jìn)行處理，獲得第i個(gè)激光光斑在像素坐標(biāo)系{P}中的坐標(biāo)(ui,vi)T；根據(jù)第i個(gè)激光光斑在像素坐標(biāo)系{P}中的坐標(biāo)(ui,vi)T，計(jì)算第i個(gè)激光光斑在成像元件坐標(biāo)系{C}中的坐標(biāo)Ai：Ai＝[Xi,0+ti,1(ui,vi)·Si+ti,2(ui,vi)·Vi(ui,vi)]/2其中，Vi(ui,vi)＝[f1(ui,vi),f2(ui,vi),1]T假設(shè)激光光斑投射的工件表面近似為平面，記此平面為W；設(shè)平面W的方程為XTα＝1，其中α是平面W的法向量，X為平面W上的任意一點(diǎn)；根據(jù)點(diǎn)Ai均在平面W上，即：使用線性最小二乘法獲得平面W的法向量α；當(dāng)所述條形光源陣列點(diǎn)亮?xí)r，所述控制單元對成像元件采集的圖像進(jìn)行處理，獲得坡口中心點(diǎn)在像素坐標(biāo)系{P}中的坐標(biāo)(uw,vw)T；根據(jù)坡口中心點(diǎn)位于平面W上，獲得坡口中心點(diǎn)在成像元件坐標(biāo)系{C}中的坐標(biāo)B：B＝Vw(uw,vw)/[αTVw(uw,vw)]其中，Vw(uw,vw)＝[f1(uw,vw),f2(uw,vw),1]T。本發(fā)明采用條形光源陣列照射工件表面獲取坡口位置偏移，并采用激光陣列確定工件表面的位姿信息，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)鏡面反射工件細(xì)窄坡口的檢測。采用本發(fā)明的裝置及方法可以在坡口檢測時(shí)滿足若干目標(biāo)要求：圖像灰度均勻，坡口特征明顯，便于實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測坡口位置；能快速、準(zhǔn)確地確定焊槍相對于工件表面的位姿信息，包括焊槍的橫向偏移、高度方向偏移、橫向偏角、縱向偏角等；檢測精度高，檢測精度可達(dá)0.03mm；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，實(shí)時(shí)性高，適用于強(qiáng)鏡面反射工件(如鋁合金工件等)坡口自動(dòng)檢測，尤其適用于坡口間隙小于0.1mm的細(xì)窄坡口檢測場合。附圖說明圖1為基于條形光源的強(qiáng)鏡面反射工件細(xì)窄坡口檢測裝置及方法的實(shí)施例結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中條形光源陣列點(diǎn)亮?xí)r成像元件采集的坡口圖像。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中使用激光陣列確定工件位姿的示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例中坡口檢測的流程圖。在圖1至圖4中：1—控制單元；2—傳感器外殼；3—條形光源陣列；31—第一條形光源；311—第一發(fā)光二極管陣列；312—第一條形光源外殼；32—第二條形光源；321—第二發(fā)光二極管陣列；322—第二條形光源外殼；4—激光陣列；41—第一激光器；42—第二激光器；43—第三激光器；5—成像元件；6—濾光元件；7—工件；71—母材；72—坡口；8—焊槍。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、原理和工作過程作進(jìn)一步說明。圖1為本發(fā)明提出的基于條形光源的強(qiáng)鏡面反射工件細(xì)窄坡口檢測裝置及方法的實(shí)施例結(jié)構(gòu)原理示意圖，包括控制單元1、傳感器外殼2、條形光源陣列3、激光陣列4、成像元件5和濾光元件6。所述控制單元1與所述條形光源陣列3、激光陣列4和成像元件5通過導(dǎo)線相連；所述控制單元1發(fā)出觸發(fā)信號，使條形光源陣列3和激光陣列4交替頻閃，并使成像元件5同步采集不同光源照射下的工件7表面圖像；所述傳感器外殼2與焊槍8固結(jié)；所述條形光源陣列3包括至少兩個(gè)條形光源，本實(shí)施例中條形光源陣列包含兩個(gè)條形光源，分別為第一條形光源陣列31和第二條形光源陣列32；每個(gè)條形光源分別包含發(fā)光二極管陣列(第一發(fā)光二極管陣列311和第二發(fā)光二極管陣列321)和條形光源外殼(第一條形光源外殼312和第二條形光源外殼322)，第一條形光源陣列31和第二條形光源陣列32對稱地分布在坡口72兩側(cè)，發(fā)出的光線互成一定角度投射在工件7表面上；所述發(fā)光二極管陣列安裝在所述條形光源外殼上，且分布在狹長的矩形區(qū)域(112mm×22mm)內(nèi)；所述激光陣列4包括至少三個(gè)激光器；所述激光陣列發(fā)出的激光光斑投射在工件7表面上；工件7表面的反射光經(jīng)所述透光孔33和濾光元件6后，攝入所述成像元件5成像；本實(shí)施例中激光器的數(shù)量為三個(gè)，分別為第一激光器41、第二激光器42和第三激光器43，波長為635nm；所述成像元件5為1024×1024的CCD相機(jī)，視場范圍為30mm×30mm，檢測精度為0.03mm；所述發(fā)光二極管陣列31出射光的波長范圍為635～645nm；所述濾光元件6為窄帶濾光片，中心波長為635nm，半高寬為10nm；電弧弧光在635～645nm處的光強(qiáng)相對較弱，因此選用的濾光元件6能有效地濾除弧光干擾。在本實(shí)施例中，兩個(gè)條形光源對稱地排布在工件上方，條形光源的長邊方向與坡口切線方向近似平行，其發(fā)出的光線以一定的角度投射在工件7表面上，使投射在工件7表面的光強(qiáng)均勻，不存在陰影區(qū)域；發(fā)光二極管陣列的出射光為非相干光，不存在激光光源存在的散斑問題，光強(qiáng)均勻性較好。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中條形光源陣列3點(diǎn)亮?xí)r成像元件5采集的坡口原始圖像。母材71和坡口72在光學(xué)反射特征上存在極大的差異：母材71表面由于強(qiáng)烈的鏡面反射，灰度接近飽和；投射在坡口72上的光線經(jīng)坡口72側(cè)壁反射，未能攝入成像元件5，在圖像中表現(xiàn)為一條灰度接近于零的曲線。母材71和坡口72灰度的強(qiáng)烈差異為坡口72位置的快速、準(zhǔn)確提取提供保障。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中使用激光陣列確定工件位姿的示意圖。由于條形光源陣列3投射在工件表面上的光斑無明顯的邊緣輪廓特征，因此難以確定焊槍8相對于工件7的位姿。本發(fā)明使用激光陣列4確定焊槍8相對于工件7的位姿。假設(shè)激光陣列4由N個(gè)激光器組成，N是正整數(shù)。在成像元件5采集的圖像上建立像素坐標(biāo)系{P}，像素坐標(biāo)系{P}上的任意一點(diǎn)表示成像元件5圖像的像素坐標(biāo)值；建立成像元件坐標(biāo)系{C}，成像元件坐標(biāo)系{C}的原點(diǎn)為成像元件5的光心，豎軸方向與成像元件5光軸方向相同。圖4為本發(fā)明實(shí)施例中坡口檢測的流程圖。當(dāng)激光陣列4點(diǎn)亮，條形光源陣列3熄滅時(shí)，焊槍8相對于工件7表面的位姿可通過計(jì)算獲得；當(dāng)條形光源陣列3點(diǎn)亮，激光陣列4熄滅時(shí)，結(jié)合坡口中心點(diǎn)在成像元件5圖像中的像素坐標(biāo)，以及前述的焊槍8相對于工件7表面的位姿關(guān)系，可通過計(jì)算獲得坡口中心點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。控制單元1負(fù)責(zé)觸發(fā)條形光源陣列3、激光陣列4和成像元件5，對成像元件5采集的圖像進(jìn)行處理，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果自動(dòng)調(diào)整焊槍8與工件7的相對位姿，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。當(dāng)激光陣列4點(diǎn)亮，條形光源陣列3熄滅時(shí)，設(shè)第i個(gè)激光器發(fā)出的激光傳播路徑在成像元件坐標(biāo)系{C}中的方程為：Xi＝Xi,0+tiSi(1)其中，Xi和Xi,0為第i個(gè)激光器發(fā)出的激光傳播路徑上的點(diǎn)，Si為第i個(gè)激光器發(fā)出的激光傳播路徑的單位方向向量，ti是點(diǎn)Xi與點(diǎn)Xi,0的有向距離。使用張正友等方法標(biāo)定后，可獲得式(1)中的Xi,0和Si，以及像素坐標(biāo)系{P}上的任意一點(diǎn)(u,v)T與對應(yīng)于成像元件坐標(biāo)系{C}上的點(diǎn)(x,y,z)T之間的關(guān)系，即：其中，函數(shù)f1和f2可經(jīng)標(biāo)定獲得。假設(shè)第i個(gè)激光器投射在工件7上的光斑在成像元件5圖像中的像素坐標(biāo)為(ui,vi)T，其對應(yīng)于成像元件坐標(biāo)系{C}上的點(diǎn)為Ai＝(xi,yi,zi)T，1≤i≤N，且i為正整數(shù)，根據(jù)式(2)可得：Ai＝ti,2(ui,vi)Vi(ui,vi)(3)其中，Vi(ui,vi)＝[f1(ui,vi),f2(ui,vi),1]T，ti,2(ui,vi)是取決于ui和vi的待定參數(shù)。式(3)表明，點(diǎn)Ai位于式(3)表示的直線上，該直線經(jīng)過成像元件坐標(biāo)系{C}的原點(diǎn)，且方向向量為Vi(ui,vi)。由于點(diǎn)Ai在式(1)表示的直線上，因此：Ai＝Xi,0+ti,1(ui,vi)Si(4)其中，ti,1(ui,vi)是取決于ui和vi的待定參數(shù)。點(diǎn)Ai為式(3)和式(4)表示的兩條直線的交點(diǎn)，且向量Si和Vi(ui,vi)不平行，否則點(diǎn)Ai將不存在。但由于測量誤差、干擾噪聲等原因，式(3)和式(4)表示的直線一般為異面直線，此時(shí)取點(diǎn)Ai為兩條直線公垂線的中點(diǎn)。由于兩條異面直線的公垂線段長是分別連接兩條異面直線上兩點(diǎn)的線段中最短的一條，因此建立目標(biāo)函數(shù)：，并求目標(biāo)函數(shù)g的最小值，即可確定ti,1(ui,vi)和ti,2(ui,vi)，從而確定點(diǎn)Ai的坐標(biāo)值。令即：式(7)方程組的系數(shù)行列式：其中，<Si,Vi(ui,vi)>表示向量Si和Vi(ui,vi)的夾角。由于向量Si和Vi(ui,vi)不平行，因此式(8)的行列式大于零，式(7)方程組存在唯一解，且其解為：由于點(diǎn)Ai為式(3)和式(4)表示的直線的公垂線的中點(diǎn)，因此：Ai＝[Xi,0+ti,1(ui,vi)·Si+ti,2(ui,vi)·Vi(ui,vi)]/2(11)可以證明，當(dāng)式(3)和式(4)表示的直線不是異面直線時(shí)，其交點(diǎn)坐標(biāo)仍然滿足式(11)。至此，第i個(gè)激光器投射在工件7表面上的光斑相對于成像元件坐標(biāo)系{C}的坐標(biāo)由式(11)給出。實(shí)際檢測時(shí)，保證所有激光光斑均投射在坡口72附近，并假定激光光斑投射的工件表面近似為平面，設(shè)該平面為W，其方程為XTα＝1，其中α為平面W的法向量。由于點(diǎn)Ai均在平面W上，因此：即：只有當(dāng)N≥3時(shí)，式(13)才有唯一的最小二乘解，平面W的方程方可確定，因此本發(fā)明中要求激光陣列4至少包含三個(gè)激光器。當(dāng)條形光源陣列3點(diǎn)亮，激光陣列4熄滅時(shí)，成像元件5采集工件表面的灰度圖像。對成像元件5采集的圖像做閾值分割后獲得二值圖像I，并僅保留二值圖像I中灰度為零且面積最大的連通域，并將其識別為坡口72。此時(shí)，在圖像I中母材71處的灰度值為一，坡口72處的灰度值為零。對于成像元件5圖像的第j行，坡口中心點(diǎn)在像素坐標(biāo)系{P}中的坐標(biāo)為：uw＝j(luò)(14)其中，I(j,v)表示圖像I第j行、第v列像素點(diǎn)的灰度值，#{v:I(j,v)＝0}表示滿足I(j,v)＝0的像素點(diǎn)總數(shù)，sum{v:I(j,v)＝0}表示滿足I(j,v)＝0的像素點(diǎn)列號之和。工件表面局部區(qū)域可近似為平面W，且點(diǎn)(uw,vw)對應(yīng)的成像元件坐標(biāo)系{C}中的點(diǎn)B在平面W上。根據(jù)式(2)及平面W的方程XTα＝1可知，點(diǎn)B滿足：B＝tw(uw,vw)Vw(uw,vw)(16)BTα＝1(17)其中，tw(uw,vw)是取決于uw和vw的待定參數(shù)，且：Vw(uw,vw)＝[f1(uw,vw),f2(uw,vw),1]T(18)由式(16)和式(17)可計(jì)算坡口中心點(diǎn)B在成像元件坐標(biāo)系{C}中的坐標(biāo)：B＝Vw(uw,vw)/[αTVw(uw,vw)](19)根據(jù)坡口中心點(diǎn)的坐標(biāo)和工件表面的法向量，即自動(dòng)調(diào)整焊槍與工件的相對位姿，以實(shí)現(xiàn)細(xì)窄坡口的自動(dòng)識別與跟蹤。應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明描述的方案；因此，盡管本說明書參照以上的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，仍然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換，如條形光源陣列3包含的條形光源數(shù)量可以是3個(gè)或3個(gè)以上以進(jìn)一步提高圖像灰度均勻性、激光陣列4包含的激光器數(shù)量可以大于3個(gè)以提高焊槍與工件表面相對位姿的檢測精度、可采用更高分辨率的成像元件以提高坡口檢測精度、濾光元件6可采用單色儀等分光元件等；而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。本發(fā)明采用條形光源陣列、陣列激光陣列、成像元件等實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)鏡面反射工件細(xì)窄坡口檢測；檢測方法不依賴于坡口的宏觀幾何結(jié)構(gòu)特征，檢測精度可高達(dá)0.03mm；采用條形光源陣列照射工件表面，使工件表面亮度均勻，母材部分灰度接近飽和，坡口區(qū)灰度接近于零，一方面能保證準(zhǔn)確地提取圖像中的坡口位置，另一方面降低了圖像處理的難度和算法的復(fù)雜性；采用激光陣列確定工件表面的位姿信息，檢測方法簡單，可快速、準(zhǔn)確地計(jì)算焊槍相對于工件表面的位姿偏移；使用濾光元件消除環(huán)境光和弧光等對成像元件的干擾，提高系統(tǒng)對實(shí)際焊接作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，檢測精度高，實(shí)時(shí)性好，成本較低，適用于強(qiáng)鏡面反射工件坡口檢測，尤其適用于坡口間隙小于0.1mm的細(xì)窄坡口工件高能束焊接(激光焊、電子束焊、等離子弧焊等)自動(dòng)跟蹤場合。