CN103317241B - 一种基于平凸柱面透镜的激光焊接拼缝测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平凸柱面透镜的激光焊接拼缝测量系统，包括光源、平凸柱面透镜、凸透镜、感光元件和数据采集单元，其中光源用于发出检测光照射至该拼缝并形成反射；平凸柱面透镜、凸透镜和感光元件的光轴相重合，并且该光轴与光源的光学中心线以及拼缝的方向向量均处于同一平面内；当照射至焊接拼缝的检测光形成反射后，反射光沿着光轴依次经过平凸柱面透镜和凸透镜，最后在感光元件上形成图像并由数据采集单元予以采集，相应获得反映拼缝特征的测量结果。本发明还公开了相应的测量方法。通过本发明，能够在拼缝宽度方向上执行几何细节的放大与保留，同时在拼缝长度方向上获得较大的图像采集范围，由此实现对激光焊接拼缝的高精度测量。

Description

一种基于平凸柱面透镜的激光焊接拼缝测量系统及方法

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，更具体地，涉及一种基于平凸柱面透镜的激光焊接拼缝测量系统及方法。

背景技术

激光焊接是指利用激光束作为能源对工件进行熔融焊接的技术。激光焊接属于非接触性焊接，焊接作业过程中不需要加压，具有加热能量可控、热影响区及金相变化范围小、热传导所导致的变形小、可焊接小零件与深宽比大的零件以及焊接范围精确等优点。由于具备以上多方面的特性，激光焊接技术逐渐广泛应用于机械制造、航空航天、汽车工业、造船工业、粉末冶金和微电子等多个工业领域。

然而，激光焊接的聚焦光斑非常小，其光斑直径一般在0.3mm左右，如此小的光斑，导致对焊接过程中的位置精度和拼缝装配质量要求极高。例如，厚度为2mm的薄板，激光焊接所允许的对接焊薄板接口的间隙和错边量均需要小于0.1mm。在这种情况下，激光束的焦点必须准确地沿着待焊对接拼缝的中心轨迹运动。在焊接之前及焊接中，必须对拼缝进行精密测量，得到拼缝宽度、中心和拼缝局部法矢等重要特性参数，以确保焊接质量。概括起来，激光束的聚焦点必须对准拼缝的中心位置，焊接激光束聚焦透镜组的光轴与拼缝的局部法矢有严格的方向约束，换而言之亦即三维曲面上拼缝的激光焊接，激光束方向必须与当前焊点局部区域的表面法矢保持平行或者一定的夹角，以保证拼缝的焊接质量。

现有技术中已经提出了用于对焊接拼缝进行测量的各类方案。这些方案大多基于线结构光三角测量原理，并利用视觉方法来执行测量，其基本工作原理为：用线结构光接近垂直地投射到焊缝局部表并形成与焊缝方向垂直的结构光条纹；使用摄像机采集结构光条纹图像并计算出相应的拼缝表面的三维坐标，然后根据图像上结构光条纹的形状、位置和灰度值特征进行图像处理即可获得焊缝信息的检测。然而，进一步的研究表明，上述测量方案更适用于氩弧焊（其特点是焊缝坡口多呈V形，且焊缝宽度一般大于0.5mm）的测量过程，而对于激光焊接的拼缝而言，不仅其间隙小，而且错边量小或几乎没有错变量，相应造成拼缝的形貌特征不明显，因此通过上述方案采集到的图像将无法反映出拼缝的几何特征和细节。为此，CN102155920A中提出了一种基于微景深的焊接拼缝测量方法，该方法具有较好的识别效果，识别成功率高，但由于传统成像原理的限制，执行焊接测量时的视野范围极为狭窄，特别是当拼缝在其垂直方向的位移大于1mm时，容易导致拼缝中心目标的丢失。相应地，在本领域中亟需寻找更为完善的激光焊接拼缝测量方案，以便精确、方便地获得包括拼缝宽度、中心和拼缝局部法矢等重要特性参数在内的测量结果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于平凸柱面透镜的激光焊接拼缝测量系统及方法，其目的在于通过对关键光学成像组件的设计及利用平凸柱面透镜各向异性的特点，能够在拼缝宽度方向上执行几何细节的放大与保留，同时在拼缝长度/纵向方向上获得较大的图像采集范围，以此方式更好地实现对激光焊接拼缝的测量。

按照本发明的一个方面，提供了一种基于平凸柱面透镜的激光焊接拼缝测量系统，其特征在于，该系统包括光源、平凸柱面透镜、凸透镜、感光元件和数据采集单元，其中：

所述光源设置在作为测量对象的激光焊接拼缝的上方一侧，用于发出检测光照射至该拼缝并形成反射；

所述平凸柱面透镜、凸透镜和感光元件设置在拼缝上方的另外一侧，三者的光轴相重合，并且该光轴与光源的光学中心线以及拼缝的方向向量均处于同一平面内；当照射至焊接拼缝的检测光形成反射后，反射光沿着所述光轴依次经过平凸柱面透镜和凸透镜，最后在感光元件上形成图像；

所述数据采集单元用于对感光元件上所形成的图像予以采集，并基于图像采集数据相应获得反映拼缝特征的测量结果。

作为进一步优选地，所述光源与拼缝之间呈90°以上、优选135°的夹角，并且所述平凸柱面透镜、凸透镜和感光元件三者共有的光轴与拼缝之间呈15°～75°、优选45°的夹角。

作为进一步优选地，形成在感光元件上的图像的光学放大倍数被设定为2倍以上，优选为4倍。

作为进一步优选地，所述感光元件为工业面阵CCD感光元件。

作为进一步优选地，所述数据采集单元的图像采集速度被设定为20帧/秒～40帧/秒，优选为30帧/秒。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的激光焊接拼缝测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）对测量系统进行预标定处理，使得感光元件上所形成图像的各个点分别与世界坐标系中的点一一对应，由此建立拼缝图像在世界坐标系中的三维坐标关系；

（b）移动激光焊接光对拼缝执行焊接，在此过程中，通过光源周期性发出检测光，该检测光照射至作为测量对象的焊接拼缝并形成反射，然后依次经过平凸柱面透镜和凸透镜，最后在感光元件上形成拼缝图像；

（c）采集拼缝图像，相应获得反映拼缝中心和宽度特征的测量结果；此外，采集不同周期所获得的拼缝图像并对利用它们执行平面拟合，相应获得反映拼缝局部表面法矢的测量结果，由此完成整体的测量过程。

作为进一步优选地，在步骤（b）中，所述焊接头的移动速度被设定为6米/分～15米/分。

总体而言，按照本发明的基于平凸柱面透镜的激光焊接拼缝测量系统及方法，其中通过对关键光学成像组件的设计，可以充分利用平凸柱面透镜单向放大的特点，在拼缝宽度方向上执行几何细节的放大与保留，即光学成像时只放大拼缝宽度方向上的拼缝几何细节，由此更为精确地获得拼缝宽度和中心的特征信息；与此同时，在拼缝长度方向上光学放大倍数较小，相应获得更大的测量范围，这样即便在焊接或测量过程中发生晃动等情况也不会使拼缝丢失在成像视野之外。此外，本系统结构紧凑、便于操控，并具备测量精度等特点。

附图说明

图1是按照本发明的的激光焊接拼缝测量的整体操作环境示意图；

图2是按照本发明的激光焊接拼缝测量系统的测量原理示意图；

图3a是由平凸柱面透镜和凸透镜共同组成的透镜组件的光路示意图；

图3b是按照本发明的测量系统的整体光学成像原理图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-光源  2-平凸柱面透镜  3-凸透镜  4-感光元件  5-焊接工件  6-光轴  7-微景深区域  8-曲面带  9-拼缝

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如同背景技术部分所述地，现有技术中的拼缝测量技术通常采用机器视觉技术并利用常规的光学成像系统获得拼缝图像，例如球面凸透镜等。当各向同性的球面凸透镜对物体进行放大（缩小）时，其放大（缩小）倍数在各个方向上是一致的，会对物体的细节无变形地进行很好的保留。对人眼而言，凸透镜成像时获得的图像将具有较小的失真度与畸变，并保留被摄体的几何尺寸及特征。当凸透镜、物体与感光元件的距离在适当位置时，可以利用凸透镜的放大特性对微小物体如激光拼缝进行放大成像。由于拼缝极为狭窄，利用球面凸透镜的特性可以对狭窄拼缝进行放大，得到清晰的放大图像，便于后续图像识别。

然而，由于球面凸透镜具有各向同性的光学特点，在对物体放大成像的同时将使镜头的视野变小，仅仅能覆盖极小的一段拼缝及其周围的区域。例如，对于1/1.8"的CCD感光器件（3：2），当采用球面凸透镜进行4倍光学放大时，仅能成像1.8×1.2mm²左右的矩形区域。一旦焊接拼缝在宽度方向、高度方向或者角度方向上发生较大位移时，在CCD感光元件上的成像范围内极易丢失拼缝，从而导致对拼缝的跟踪测量失败。在对拼缝进行焊接时，测量装置需要沿着焊接加工行进方向对拼缝进行实时测量，由于CCD/CMOS感光元件的成像具有数据量大的特点，需要一段时间进行数据采集处理工作。当测量装置与焊接装置一起以12m/min的速度进行焊接时，假设测量装置以40帧/秒的速度进行图像采集和处理，对于1.8×1.2mm²左右的矩形成像区域，一旦拼缝与测量装置行进方向的夹角超过5.71°，感光元件上的成像区域得到的图像就会丢失拼缝的清晰几何特征，使得后续图像处理无法进行，并造成拼缝检测的失败。

基于以上的分析，在本发明中构建了一种利用平凸柱面透镜和凸透镜相配合的光学组件来执行拼缝成像的方案。其基本原理为：平凸柱面透镜在屈光子午线方向具有凸透镜的汇聚光的特性，从而保持一定的光学放大特性；而在轴向子午线上相当于平板玻璃透镜，具有较大的视野。如果利用平凸柱面透镜的单向汇聚（光学放大）特性，可以得到单向放大的图像；将平凸柱面透镜的光学放大特性用于拼缝宽度方向，保持拼缝延伸方向不放大或放大倍数较小，这样即可实现既保证拼缝宽度方向的拼缝中心及宽度的检测精度，又保证在拼缝局部法矢方向有较大的测量范围。

例如，对于1/1.8"的CCD感光器件，采用平凸柱面透镜进行单向4倍光学放大时，可以得到7.2*1.2的矩形区域，相比球面凸透镜的方式，其成像区域（检测范围）有了较大的提升。由于成像区域较小，拼缝所在的局部表面可视为小平面，即微景深区域与拼缝所在的局部曲面的相交区域近似地认为是平形四边形。所谓微景深区域，是指光学放大倍数大于2倍时可获得清晰成像的空间区域，与镜头主光轴相垂直且穿过微景深区域中心点的平面称之为微景深平面。因此，可以利用平凸柱面透镜在轴向子午线方向对通过的光不弯曲，仅在屈光子午面上对通过的光弯曲（放大）的光学特性，在进行拼缝检测时将平凸柱面透镜的轴向子午线与拼缝所在曲面的法矢成一定夹角、且在拼缝局部表面的投影与拼缝延伸方向平行，从而使屈光子午线与拼缝宽度方向平行。通过平凸柱面透镜的光再通过球面凸透镜聚集在感光元件后，可形成保持拼缝几何特征的清晰的像。

根据以上原理，本发明提出了一种基于平凸柱面透镜的激光焊接拼缝测量系统及方法。如图1中所示，该系统主要包括光源1、平凸柱面透镜2、凸透镜3、感光元件4和数据采集单元等，其中光源1设置在作为测量对象的激光焊接拼缝9的上方一侧，用于发出检测光照射至该拼缝9并形成反射；平凸柱面透镜2、凸透镜3和感光元件4设置在拼缝9上方的另外一侧，三者的光轴相重合，并且该光轴与光源1的光学中心线以及拼缝9的方向向量均处于同一平面内；当照射至焊接拼缝的检测光形成反射后，反射光沿着所述光轴依次经过平凸柱面透镜2和凸透镜3，最后在感光元件4上形成图像；数据采集单元用于对感光元件4上所形成的图像予以采集，并基于图像采集数据相应获得反映拼缝特征的测量结果。

按照本发明的一个优选实施方式，所述光源与拼缝之间呈90°以上、优选135°的夹角，并且所述平凸柱面透镜、凸透镜和感光元件三者共有的光轴与拼缝之间呈15°～75°、优选45°的夹角。按照本发明的另一优选实施方式，形成在感光元件上的图像的光学放大倍数被设定为2倍以上，优选为4倍。所述数据采集单元的图像采集速度被设定为20帧/秒～40帧/秒，优选为30帧/秒。此外，所述感光元件为CCD或CMOS元件，优选为工业面阵CCD感光元件。

通过对这些组成元件的具体设置，可充分利用平凸柱面透镜成像时的各向异性，使狭长的矩形微景深区域与待焊工件表面成一个夹角，而焊接工件表面与微景深区域将相交为一条曲线带，此时待焊工件表面与微景深区域相交的部分，才能被感光元件清晰地拍摄，其余部分的像将会模糊。平凸柱面透镜微景深区域的特点会保证在拼缝跟踪测量时，工件表面一直与微景深区域存在相交的曲线带，夹角的存在使得感光元件可以清晰地获得狭小相交平面上的拼缝信息，单向放大的特点则保证拼缝的宽度方向上得到放大的清晰的像，从而使得拼缝的几何信息的检测十分容易，而在拼缝表面法矢方向上，又具有较大的测量范围。

具体而言，如图3a和3b中所示，用一个平凸柱面透镜与凸透镜的叠加后的组件代替原透镜组，可以得到测量装置的光路和测量原理图。由焊接工件5表面上的一点发射出的光依次通过平凸柱面透镜2和凸透镜3，最终可以在感光元件4上汇聚成一点，其中平凸柱面透镜2与凸透镜3可以共同视为一个透镜组件。设该透镜组件为L，其像方焦距为f；与照相机光圈对应的入射光瞳的直径为D；被摄平面P经精确对焦成像于感光胶片P′上，其物距和像距分别为S′及S′；物点P′₁、P′₂的像点P′₁、P′₂分别位于感光胶片的前后,其成像光束均在感光胶片上截成一个弥散圆。只有在平面P前后某一距离内的物体才能在感光胶片上得到一定清晰度的像，这个纵深距离便是所谓的景深，其计算公式为：

$\mathrm{\ΔS}=\frac{2f^2\mathrm{Fd}(S+f)}{f^4-{\mathrm{\δ}}^2{(S+f)}^2}$

其中：小弥散圆斑的直径限度为δ，f为镜头焦距，F为照相机的光圈指数，其值为相对孔径F=f/D；以P所处平面为界，总景深为△S。

根据以上公式，当容许的弥散圆直径δ＝0.01mm，镜头焦距f＝50mm，F＝1，光学放大倍数为4倍时，则物距L＝62.5mm，则总景深为：

$\mathrm{\ΔS}=\frac{2\×{50}^2\×1\×0.01\×{(62.5+50)}^2}{{50}^4-1^2\×0.01\×{(62.5+50)}^2}\≈0.101\mathrm{mm}$

由上述计算可知，物体能清晰成像的范围为62.399mm～62.601mm，即在与镜头主光点距离为62.5mm处，有一个厚为0.101mm、且与成像系统的主光轴垂直的微景深区域。在这个区域内的物体才能被清晰拍摄，不在这个范围内所成的像均是模糊的。

由于这个可以清晰成像的微景深区域尽管很小，但是足以充满感光元件的分辨率，而且由于得到的图像信息包含整个景深区域，当工件表面完全包含在景深区域内，得到的拼缝信息过长过多。如果不采用适当的方法对测量装置进行巧妙的设计，将会浪费大量的计算在不需要的像素点上，同时在每一帧图像中得到的拼缝信息太多，加大了获得拼缝中心点的难度，将使识别的成功率降低，失去瞬时跟踪的意义。而通过采用如图1所示的布置方式，通过调节平凸柱面透镜2、凸透镜3与感光元件4之间的距离，将在平凸柱面透镜的一侧形成一个可以形成清晰图像的景深区域，当光学放大位数达到2倍及以上时，该景深区域极为狭窄，为微景深区域。当平凸柱面透镜2、凸透镜3、感光元件4组成的成像系统的光轴方向与拼缝呈一定夹角时，该微景深区域7将与工件5相交于一个曲面带8。只有处于曲面带8内的工件表面才会被拍摄下来，形成一个清晰的图像带，在该曲面带8范围之外的工件表面将会因为成像景深的原因，在感光元件4上形成模糊的图像。

此外如图2中所示，当用透镜2、3与感光元件4组成的成像系统拍摄一个与光轴相对倾斜的工件5及拼缝9时，拼缝所在表面与微景深区域7相交于成一个矩形带ABCD，则ABCD范围内的区域能被清晰拍摄，而微景深区域7的其余部分虽然在相机视野内也会成像，但拍摄的效果将会非常模糊。则ABCD在相机CCD/CMOS中将成像成为矩形带A′B′C′D′,则在所拍摄的图像中，只有A′B′C′D′范围内的图像才是清晰的，称为清晰带，其余部分为模糊区域。通过如图2中所示的布置方式，可以将感光元件成像范围比识别拼缝所需图像采集范围大的缺点转为加大测量系统采集范围的优点，同时利用柱面透境轴向子午线方向与屈光子午线方向的光学异性，将拼缝在宽度方向上放大，同时使拼缝延伸方向上的测量范围得到较大保留。

下面将具体描述按照本发明的激光焊接拼缝测量方法，该方法包括下列步骤：

首先，对测量系统进行预标定处理，使得感光元件上所形成图像的各个点分别与世界坐标系中的点一一对应，由此建立拼缝图像在世界坐标系中的三维坐标关系；

接着，移动激光焊接光对拼缝执行焊接，在此过程中，通过光源周期性发出检测光，该检测光照射至作为测量对象的焊接拼缝并形成反射，然后依次经过平凸柱面透镜和凸透镜，最后在感光元件上形成拼缝图像；

最后，采集拼缝图像，相应获得反映拼缝中心和宽度特征的测量结果；此外，采集不同周期所获得的拼缝图像并对利用它们执行平面拟合，相应获得反映拼缝局部表面法矢的测量结果，由此完成整体的测量过程。

在通过上述系统及方法获得拼缝图像之后，可以采用本领域各种已知的适当的图像处理方式及拼缝信息提取算法，相应获得包括拼缝宽度、中心和拼缝局部法矢等重要特性参数在内的测量结果。下面将给出其中一种具体实现方式，以便进一步解释拼缝特性参数的获取过程。

观察所获得的拼缝图像可知，该图像中间有一条明显的清晰带，对应着拼缝所处表面与相机的微景深平面的相交矩形ABCD，其余部分均为模糊区域。每个拼缝中心线上的任一点发出一条射线，经过镜头的光心后，与感光元件上有唯一交点，这个交点即为清晰带中心线上的某一点。感光元件清晰带上每一点的坐标与世界坐标系的该点的三维坐标点一一对应。因此，当提取出清晰带的中心线方程后，就可以求出拼缝局部表面与微景深中心平面的交线上所有点的三维坐标。通过拍摄间隔一定距离的两张图像，并分别求得拼缝局部表面与微景深中心平面的交线上一系列点的三维坐标，将两幅图像所获得的点进行平面拟合，即可得到拼缝局部表面法矢近似值。

具体而言，拼缝处的灰度跟其他地方相比低很多，根据这个特点，可以采用灰度统计法来提取拼缝中心和宽度等信息。在提取拼缝信息前，首先要将清晰区域提取出来，例如采用先对图像中每个像素进行清晰度评价，获得清晰度灰度图后，对清晰度灰度图进行特征提取的方法进行清晰度中心线及清晰带的提取。由于拼缝图像中包含有模糊区域和清晰带区域，其主要目的是将清晰带区域提取出来。例如，可以将M×N像素的拼缝原始图片灰度化后，分为个大小为n×n像素的子图像，然后分别对每个子图像用清晰度评价函数进行清晰度评价，得到所有子图像的清晰度评价值；所有子图像的清晰度评价值归一化到0～255，并将每个归一化后的清晰度评价值作为相应的子图像中各个像素的值，最后将所有子图像按原来的位置进行组合，可得到一个M×N像素大小的灰度图，这里称为清晰度灰度图。观察清晰度灰度图可看到清晰带所对应的区域灰度值较大（即清晰度评价值较大），而模糊区域灰度值较小（即清晰度评价值较小）。

为了更好地将清晰带提取出来，选择合适的清晰评价函数是很重要的，可以将拼缝图像划分为不同大小的子图像，并采用不同清晰度评价函数进行实验，例如采用方差评价函数对图像进行清晰度评价。当获得清晰度灰度图后，为了减少运算量，根据拼缝图像的特点即拼缝清晰带基本成竖直图像带，可以从清晰度灰度图中沿水平方向等距截取出一定高度和宽度的若干条图像带，分别提取出各图像带中清晰带中心点的位置，然后对提取到的若干条条图像带的中心点进行直线拟合，便可得到清晰带中心线。

清晰区域大约120个像素，从中提取出3条宽度为16像素的图像带进行分析。这3条图像带按照其所处的位置可称之为左图像带、中间图像带和右图像带。对这三条图像带分别进行分析，可分别得到三条图像带的上下边界和拼缝中心，现以中间图像带为例进行说明，对中间图像带进行灰度化后，在行方向上进行灰度求和，其公式如下：

$G\left(j\right)=\underset{i=0}{\overset{15}{\mathrm{\Σ}}}g(i,j)$ i＝0,1,…,15；j＝0,1,…,N-1

其中G(j)为灰度投影值，g(i,j)为图像带在点(i,j)处的灰度值，N为图像带的高度。获得G(j)后，可以利用自适应阈值的方法来获得拼缝的上下边界，阈值具体公式如下所示：

$I_G^M=\frac{1}{N}\underset{j}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}G\left(j\right)$ j＝0,1,…,N-1

而灰度投影阈值 $I_G^{\mathrm{th}}=\min G\left(j\right)+k\×(I_G^M-\min G\left(j\right))$ j＝0,1,…,N-1

其中，k为0-1的系数，例如可取0.4。

从G(j)的最小点的位置j_min，往上搜索，第一个满足的点即为拼缝的上边界13纵坐标，记为从G(j)的最小点的位置j_min，往下搜索，第一个满足的点即为拼缝的下边界的纵坐标，记为拼缝中心为将带入清晰带中心线10的方程即可求得上下边界以及中心点的横坐标：

上边界的横坐标

下边界的纵坐标

拼缝中心的纵坐标

这样便可求出拼缝中心点和拼缝上下边界坐标

同理，求出左图像带的拼缝中心点和拼缝上下边界坐标 以及右图像带的拼缝中心点和拼缝上下边界坐标获得三条图像带的拼缝中心后，就可以求出拼缝的中心坐标

令拼缝在图像带方向上的宽度为W_S，W_S取三条图像带在图像带方向上的平均值，计算公式为：

W_S=(W_左S+W_中S+W_右S)/3

设θ_LM为左图像带和中间图像带的拼缝中心连线的倾斜角，θ_MR为中间图像带和右图像带的拼缝中心连线的倾斜角，其计算公式如下：

如果在拼缝信息提取过程中没有出现错误的话，在清晰带范围内的拼缝长度大约0.8mm，拼缝的倾斜角应具有一致性，即θ_LM和θ_MR两个倾斜角大小应比较接近，因此加了限制条件|(θ_LM-θ_MR)|<π/6，若不满足此条件，表明前面的拼缝信息提取出现错误，为本测量方法提供了错误自检功能，实验证明这种自检功能大大减小了测量出错的可能性。

在图像坐标下，设图像中心线的倾斜角为η，η可由清晰带中心线 $\hat{A}u+\hat{B}v+\hat{C}=0$ 的斜率 $\hat{k}=-\frac{A}{B}$ 得到 $\mathrm{\&eta;}=\arctan \hat{k}=\arctan (-\frac{A}{B}).$ 设图像中心线和拼缝的夹角为β，β的计算公式为β=|θ-η|。因此，在拼缝垂直方向上的拼缝像素宽度W_R计算公式如下：

W_R=W_S×sinβ

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于平凸柱面透镜的激光焊接拼缝测量系统，其特征在于，该系统包括光源(1)、平凸柱面透镜(2)、凸透镜(3)、感光元件(4)和数据采集单元，其中：

所述光源(1)设置在作为测量对象的激光焊接拼缝(9)的上方一侧，用于发出检测光照射至该激光焊接拼缝(9)并形成反射；

所述平凸柱面透镜(2)、凸透镜(3)和感光元件(4)依次设置在所述激光焊接拼缝(9)上方的另外一侧，三者的光轴相重合，并且该光轴与所述光源(1)的光学中心线以及所述激光焊接拼缝(9)的方向向量均处于同一平面内；其中，所述平凸柱面透镜(2)和所述凸透镜(3)相互配合共同组成放大倍数达到2倍及以上的成像透镜组件，并且所述平凸柱面透镜(2)的轴向子午线被设定为与所述激光焊接拼缝(9)所在曲面的法矢呈夹角、且其在所述激光焊接拼缝(9)局部表面的投影与该焊接拼缝的延伸方向相平行，所述平凸柱面透镜(2)的屈光子午线则被设定为与所述激光焊接拼缝(9)的宽度方向相平行；以此方式，当照射至所述激光焊接拼缝(9)的检测光形成反射后，反射光沿着所述光轴依次经过平凸柱面透镜(2)和凸透镜(3)，最后在感光元件(4)上形成图像，由此使得在激光焊接拼缝的宽度方向上执行几何细节的放大和保留的同时，还使得在激光焊接拼缝的延伸方向上获得较大的图像采集范围；

所述数据采集单元用于对所述感光元件(4)上所形成的图像予以采集，并基于图像采集数据相应获得反映所述激光焊接拼缝几何特征的测量结果。

2.如权利要求1所述的激光焊接拼缝测量系统，其特征在于，所述光源(1)与所述激光焊接拼缝(9)之间呈135°的夹角(β)，并且所述平凸柱面透镜(2)、凸透镜(3)和感光元件(4)三者共有的光轴与所述激光焊接拼缝(9)之间呈45°的夹角(α)。

3.如权利要求1或2所述的激光焊接拼缝测量系统，其特征在于，所述感光元件(4)为工业面阵CCD感光元件。

4.如权利要求3所述的激光焊接拼缝测量系统，其特征在于，所述数据采集单元的图像采集速度被设定为20帧/秒～40帧/秒。