使用側(cè)向光構(gòu)建光影特征的蓋面焊前焊縫檢測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于焊接自動(dòng)化領(lǐng)域，特別涉及一種使用側(cè)向光構(gòu)建光影特征的蓋面焊前 焊縫檢測(cè)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 蓋面焊前焊縫軌跡在線檢測(cè)在焊接過(guò)程實(shí)時(shí)跟蹤等應(yīng)用場(chǎng)合具有重要意義。目 前，結(jié)構(gòu)光方法被廣泛應(yīng)用于焊縫檢測(cè)領(lǐng)域，然而在蓋面焊前焊縫軌跡檢測(cè)場(chǎng)合，特別在焊 縫與母材表面高度差低至Imm甚至更低的場(chǎng)合，焊縫表面的幾何結(jié)構(gòu)特征變得十分微弱， 結(jié)構(gòu)光光條畸變特征的缺失將導(dǎo)致無(wú)法有效準(zhǔn)確識(shí)別焊縫軌跡。目前，尚未有一種能適用 于以上場(chǎng)合的焊縫軌跡檢測(cè)裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)的不足之處，提出一種使用側(cè)向光構(gòu)建光影特征的 蓋面焊前焊縫檢測(cè)裝置及方法，該發(fā)明旨在解決目前技術(shù)存在的過(guò)分依賴焊縫宏觀幾何結(jié) 構(gòu)特征、檢測(cè)精度和適用性受限等問(wèn)題，以求實(shí)現(xiàn)蓋面焊前焊縫軌跡自動(dòng)識(shí)別，特別針對(duì)焊 縫與母材表面高度差低至Imm甚至更低的蓋面焊前焊縫軌跡自動(dòng)檢測(cè)場(chǎng)合。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0005] 一種使用側(cè)向光構(gòu)建光影特征的蓋面焊前焊縫檢測(cè)裝置，其特征在于：包括面光 源陣列、成像元件和處理控制單元；所述面光源陣列包含至少兩個(gè)面光源，所述面光源分別 放置在待檢測(cè)焊縫兩側(cè)，同側(cè)的面光源發(fā)出的光線投射在另一側(cè)的待檢測(cè)焊縫與母材的邊 緣處；所述面光源、待檢測(cè)焊縫與所述成像元件的相對(duì)位置滿足：成像元件采集每個(gè)面光 源的主軸光線經(jīng)坡口側(cè)壁的鏡面反射光，且成像元件不采集每個(gè)面光源的主軸光線經(jīng)母材 和待檢測(cè)焊縫表面的鏡面反射光；所述面光源陣列與處理控制單元通過(guò)導(dǎo)線相連；所述成 像元件與處理控制單元通過(guò)導(dǎo)線相連，或通過(guò)無(wú)線傳輸方式通訊；所述處理控制單元處理 成像元件采集的圖像；
[0006] 本發(fā)明所述的蓋面焊前焊縫檢測(cè)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；所述成像元件的敏感 波長(zhǎng)范圍大于或等于所述面光源的發(fā)光波長(zhǎng)范圍；
[0007] 本發(fā)明提供的一種使用側(cè)向光構(gòu)建光影特征的蓋面焊前焊縫檢測(cè)方法，其特征在 于該方法包括以下步驟：
[0008] 1)將位于待檢測(cè)焊縫兩側(cè)的所有面光源同時(shí)點(diǎn)亮，或位于待檢測(cè)焊縫不同側(cè)的面 光源交替點(diǎn)亮；
[0009] 2)所述面光源發(fā)出的光線投射在待檢測(cè)焊縫邊緣處，所述處理控制單元控制所述 成像元件采集圖像，所述成像元件將采集的焊縫表面灰度圖像傳輸至所述處理控制單元， 處理控制單元對(duì)所述焊縫表面灰度圖像進(jìn)行預(yù)處理：
[0010] a)若將位于待檢測(cè)焊縫兩側(cè)的所有面光源同時(shí)點(diǎn)亮，所述處理控制單元控制成像 元件在所述面光源陣列點(diǎn)亮?xí)r采集焊縫表面灰度圖像，記為I (X，y)，其中X，y分別是焊縫 表面灰度圖像的行坐標(biāo)值和列坐標(biāo)值，所述成像元件將焊縫表面灰度圖像傳輸至所述處理 控制單元；處理控制單元使用閾值分割方法，將所述焊縫表面灰度圖像I (x，y)轉(zhuǎn)換為二值 圖像B(x，y);處理控制單元提取所述二值圖像B(x，y)中面積最大的兩個(gè)連通域，記為札和 R2;
[0011] b)若位于待檢測(cè)焊縫不同側(cè)的面光源交替點(diǎn)亮，所述處理控制單元發(fā)出觸發(fā)信 號(hào)，使成像元件分別在不同側(cè)的面光源點(diǎn)亮?xí)r采集焊縫表面灰度圖像，分別記為I1 (X，y)和 I2(X，y)，其中X，y分別是焊縫表面灰度圖像的行坐標(biāo)值和列坐標(biāo)值，所述成像元件將焊縫 表面灰度圖像傳輸至所述處理控制單元；處理控制單元使用閾值分割方法，分別將所述焊 縫表面灰度圖像I 1 (X，y)和I2 (X，y)轉(zhuǎn)換為二值圖像B1 (X，y)和B2 (X，y);所述處理控制單 元分別提取所述二值圖像B1 (X，y)和B2 (X，y)中面積最大的連通域，記為札和R 2;
[0012] 3)設(shè)連通域札和R2包含的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為#R i和#R2，連通域R1中的第i個(gè)像 素點(diǎn)坐標(biāo)為（xn，y n)，連通域R2中的第j個(gè)像素點(diǎn)坐標(biāo)為（x2j, y2j)，其中WR1和#R2均是正 整數(shù)，i為大于零且小于或等于SR 1的正整數(shù)，j為大于零且小于或等于#R 2的正整數(shù)；所述 處理控制單元對(duì)所述連通域RdP R 2進(jìn)行處理，提取焊縫與母材的邊緣坐標(biāo)：
[0013] a)若焊縫軌跡與焊縫表面灰度圖像列坐標(biāo)軸夾角大于45°，則計(jì)算連通域RJPR2 [0014]所有像素點(diǎn)的平均列坐標(biāo)另和艿：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種使用側(cè)向光構(gòu)建光影特征的蓋面焊前焊縫檢測(cè)裝置，其特征在于：包括面光源 陣列（1)、成像元件（2)和處理控制單元（3);所述面光源陣列（1)包含至少兩個(gè)面光源，所 述面光源分別放置在待檢測(cè)焊縫（4)兩側(cè)，同側(cè)的面光源發(fā)出的光線投射在另一側(cè)的待檢 測(cè)焊縫（4)與母材的邊緣處；所述面光源、待檢測(cè)焊縫與所述成像元件（2)的相對(duì)位置滿 足：成像元件（2)采集每個(gè)面光源的主軸光線經(jīng)坡口側(cè)壁的鏡面反射光，且成像元件（2)不 采集每個(gè)面光源的主軸光線經(jīng)母材和待檢測(cè)焊縫（4)表面的鏡面反射光；所述面光源陣列 (1)與處理控制單元通過(guò)導(dǎo)線相連；所述成像元件（2)與處理控制單元（3)通過(guò)導(dǎo)線相連， 或通過(guò)無(wú)線傳輸方式通訊；所述處理控制單元（3)處理成像元件（2)采集的圖像。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種使用側(cè)向光構(gòu)建光影特征的蓋面焊前焊縫檢測(cè)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；所述成像元件的敏感波長(zhǎng)范圍大于或等于所述面光源的發(fā)光波長(zhǎng)范圍。
3. 采用如權(quán)利要求1或2所述裝置的一種使用側(cè)向光構(gòu)建光影特征的蓋面焊前焊縫檢 測(cè)方法，其特征在于該方法包括以下步驟： 1) 將位于待檢測(cè)焊縫兩側(cè)的所有面光源同時(shí)點(diǎn)亮，或位于待檢測(cè)焊縫不同側(cè)的面光源 交替點(diǎn)亮； 2) 所述面光源發(fā)出的光線投射在待檢測(cè)焊縫邊緣處，所述處理控制單元控制所述成像 元件采集圖像，所述成像元件將采集的焊縫表面灰度圖像傳輸至所述處理控制單元，處理 控制單元對(duì)所述焊縫表面灰度圖像進(jìn)行預(yù)處理： a) 若將位于待檢測(cè)焊縫兩側(cè)的所有面光源同時(shí)點(diǎn)亮，所述處理控制單元控制成像元件 在所述面光源陣列點(diǎn)亮?xí)r采集焊縫表面灰度圖像，記為I(x，y)，其中x，y分別是焊縫表面 灰度圖像的行坐標(biāo)值和列坐標(biāo)值，所述成像元件將焊縫表面灰度圖像傳輸至所述處理控制 單元；處理控制單元使用閾值分割方法，將所述焊縫表面灰度圖像I(x，y)轉(zhuǎn)換為二值圖像 B(X，y);處理控制單元提取所述二值圖像B(X，y)中面積最大的兩個(gè)連通域，記為&和R2; b) 若位于待檢測(cè)焊縫不同側(cè)的面光源交替點(diǎn)亮，所述處理控制單元發(fā)出觸發(fā)信號(hào)， 使成像元件分別在不同側(cè)的面光源點(diǎn)亮?xí)r采集焊縫表面灰度圖像，分別記為IiUy)和 I2 (x，y)，其中x，y分別是焊縫表面灰度圖像的行坐標(biāo)值和列坐標(biāo)值，所述成像元件將焊縫 表面灰度圖像傳輸至所述處理控制單元；處理控制單元使用閾值分割方法，分別將所述焊 縫表面灰度圖像L(X，y)和12 (X，y)轉(zhuǎn)換為二值圖像& (X，y)和B2 (X，y);所述處理控制單 元分別提取所述二值圖像& (X，y)和B2 (X，y)中面積最大的連通域，記為札和R2; 3) 設(shè)連通域札和R2包含的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為#R:和#R2，連通域札中的第i個(gè)像素點(diǎn) 坐標(biāo)為（xu,yu)，連通域R2中的第j個(gè)像素點(diǎn)坐標(biāo)為（x2j,y2j)，其中和#R2均是正整數(shù)， i為大于零且小于或等于的正整數(shù)，j為大于零且小于或等于#R2的正整數(shù)；所述處理 控制單元對(duì)所述連通域&和R2進(jìn)行處理，提取焊縫與母材的邊緣坐標(biāo)： a)若焊縫軌跡與焊縫表面灰度圖像列坐標(biāo)軸夾角大于45°，則計(jì)算連通域&和1?2所 有像素點(diǎn)的平均列坐標(biāo)滅和艿：
若乃<y2，則將連通域Ri記為焊縫左邊緣區(qū)域，將連通域r2記為焊縫右邊緣區(qū)域；若 艿，則將連通域Ri記為焊縫右邊緣區(qū)域，將連通域R2記為焊縫左邊緣區(qū)域；記所述焊 縫左邊緣區(qū)域?yàn)閁，所述焊縫右邊緣區(qū)域?yàn)長(zhǎng)2;設(shè)所述焊縫左邊緣區(qū)域L:第m行像素點(diǎn)的 列坐標(biāo)值組成的集合為Qlm，所述焊縫右邊緣區(qū)域。第m行像素點(diǎn)的列坐標(biāo)值組成的集合為 Q2m，其中m為大于零且小于或等于所述焊縫表面灰度圖像總行數(shù)的正整數(shù)；逐行掃描所述 焊縫左邊緣區(qū)域Q和焊縫右邊緣區(qū)域L2，計(jì)算第m行焊縫左邊緣點(diǎn)的列坐標(biāo)Ylm和右邊緣 點(diǎn)的列坐標(biāo)Y2m: Ylm=max(Qlm) Y2m=min(Q2m) 其中，max(Qlm)表示集合Qlm的最大元素，min(Q2m)表示集合Q2m的最小元素；b)若焊縫軌跡與焊縫表面灰度圖像列坐標(biāo)軸夾角小于或等于45°，則計(jì)算連通域札 和R2所有像素點(diǎn)的平均行坐標(biāo)寫(xiě)和毛：
若巧<12，則將連通域Rl記為焊縫上邊緣區(qū)域，將連通域R2記為焊縫下邊緣區(qū)域；若 $ ,則將連通域Rl記為焊縫下邊緣區(qū)域，將連通域1?2記為焊縫上邊緣區(qū)域；記所述焊縫 上邊緣區(qū)域?yàn)锳，所述焊縫下邊緣區(qū)域?yàn)閁2;設(shè)所述焊縫上邊緣區(qū)域U:第k列像素點(diǎn)的行 坐標(biāo)值組成的集合為Plk，所述焊縫下邊緣區(qū)域％第k列像素點(diǎn)的行坐標(biāo)值組成的集合為 P2k，其中k為大于零且小于或等于所述焊縫表面灰度圖像總列數(shù)的正整數(shù)；逐列掃描所述 焊縫上邊緣區(qū)域Ui和焊縫下邊緣區(qū)域U2，計(jì)算第k列焊縫上邊緣點(diǎn)的行坐標(biāo)乂115和下邊緣 點(diǎn)的行坐標(biāo)X2k: Xlk=max(Plk) X2k=min(P2k) 其中，max(Plk)表示集合Plk的最大元素，min(P2k)表示集合P2k的最小元素。
【專利摘要】一種使用側(cè)向光構(gòu)建光影特征的蓋面焊前焊縫檢測(cè)裝置及方法，屬于焊接自動(dòng)化領(lǐng)域。該發(fā)明采用面光源照射焊縫邊緣，成像元件放置在坡口側(cè)壁鏡面反射光軸附近，并避開(kāi)母材和焊縫表面的鏡面反射光軸，采集焊縫表面灰度圖像，經(jīng)處理控制單元進(jìn)行圖像處理后準(zhǔn)確提取焊縫軌跡。本發(fā)明構(gòu)建的側(cè)向光照條件能有效凸顯焊縫邊緣特征信息，焊縫邊緣灰度接近飽和，便于快速、準(zhǔn)確地提取焊縫軌跡位置；檢測(cè)精度可達(dá)0.04mm，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，實(shí)時(shí)性好，適用于焊縫與母材表面高度差低至1mm甚至更低的蓋面焊前焊縫軌跡自動(dòng)檢測(cè)場(chǎng)合。
【IPC分類】G01B11-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104776799
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510170038
【發(fā)明人】都東, 曾錦樂(lè), 鄒怡蓉, 潘際鑾, 常保華, 韓贊東, 王力
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年4月10日