CN108662980A - 基于侧影技术的焊接螺柱位置检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于侧影技术的焊接螺柱位置检测装置，包括：相机、多个点光源和线激光器，相机的光轴垂直于待测物体所在平面；多个点光源和线激光器均设置于待测物体的侧上方；多个点光源照射时至少有两个点光源照射待测物体形成的影子不在同一条直线上；并公开了焊接螺柱的检测方法，本方法能够计算被测螺柱焊接的位置坐标信息，具有高效、便捷、智能的特点。

Description

基于侧影技术的焊接螺柱位置检测装置及方法

技术领域

本发明涉及视觉测量领域，具体为一种基于侧影技术的焊接螺柱位置检测装置及方法。

背景技术

螺柱焊是一种广泛应用的连接方式，在工件制造领域被广为熟知，如：一辆汽车车身上的焊接螺柱多达上百个，用于连接仪表、内饰等各个组成部件，是汽车制造中十分重要的加工工艺。焊接螺柱位置是否准确将直接影响后续的装配。传统的焊接螺柱位置检测采用人工标尺测量实现，如：百分表，铁片尺，楔形塞尺等，测量效率低、测量精度差，无法满足高效率、高精度的汽车生产线需求。

随着视觉测量技术的发展，也出现了基于结构光测量技术和基于点云扫描技术的焊接螺柱位置检测方法，但分别存在着测量精度低和测量效率低的缺陷。

现有技术方案：由一个线结构光投射器和一个相机组成。检测时线结构光投射器将一条线激光投射至螺柱根部，线激光被螺柱外表面调制成圆弧形，相机对被调制的激光进行拍照，获取含有圆弧特征的图像，采用基于灰度匹配的图像处理方法提取圆弧激光图像的中心，该中心即为螺柱根部的中心，结合结构光测量传感器的三角测量原理，即可实现焊接螺柱的位置测量。

该方案是基于灰度匹配的图像处理方法实现圆弧激光图像中心的提取，需要参考位置的图像作为模板，测量图像与模板图像进行相关性灰度匹配实现特征定位。当焊接螺柱位置与参考位置发生偏移时，图像内的圆弧特征发生较大变化，导致匹配精度急剧下降，所以此检测方法测量精度低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于侧影技术的焊接螺柱位置检测装置及方法，其能够克服现有螺柱位置检测方法测量精度低、效率低的缺陷，可实现高精度、高效率、低成本的焊接螺柱位置检测。

为此，本发明的技术方案如下：

一种基于侧影技术的焊接螺柱位置检测装置，包括：相机、多个点光源和线激光器，所述相机的光轴垂直于待测物体所在平面；所述多个点光源和线激光器均设置于所述待测物体的侧上方；所述多个点光源照射时至少有两个点光源照射待测物体形成的影子不在同一条直线上。

进一步，所述多个点光源高度相同，且其各自形成的光线与相机光轴之间的夹角相同。

进一步，所述多个点光源有两个，分别为一号光源和二号光源。优选，所述一号、二号光源形成的光线与相机光轴之间的夹角为30～60°。

更进一步，所述线激光器的光轴与相机光轴的夹角为25～65°。

一种基于侧影技术的焊接螺柱位置检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)调整视觉传感器的位置，使相机正对焊有螺柱的板材平面；

2)点亮一号光源，用相机拍照获得被测螺柱的影子图像；

3)点亮二号光源，用相机拍照获得被测螺柱另一侧的影子图像；

4)利用步骤2)、3)得到的两幅影子图像，计算被测螺柱根部中心的像面坐标；

5)点亮线激光器，用相机拍照，计算被测螺柱的深度信息；

6)利用步骤4)得到的像面坐标和步骤5)得到的深度信息，根据小孔成像模型，计算被测螺柱根部中心点的三维坐标。

进一步，步骤4)计算被测螺柱根部中心的像面坐标的方法为，将步骤2)、3)得到的两幅影子图像进行处理，得到两条中心线，两条中心线的相交处即为被测螺柱根部中心点的像面坐标。也即确定了被测螺柱根部中心在相机靶面上的成像点。

进一步，步骤5)计算被测螺柱的深度信息的方法为，利用线激光器在焊有被测螺柱的板材平面上投射激光条，基于结构光测量原理得到投射在板材平面上的激光条上点相机坐标系中的Z值；在相机坐标系中，激光条上点的Z值与被测螺柱根部中心的Z值相等，得到被测螺柱的深度数据。

更进一步，步骤6)中计算被测螺柱根部中心点的三维坐标的方法为：

①步骤3)得到被测螺柱的Z值数据；

②记相机靶面上被测螺柱根部中心的成像点和相机光心的连线的延长线与线激光器所产生的光平面的交点为P，基于结构光测量原理计算P点的坐标值，利用三角形相似几何关系计算被测螺柱根部中心在相机坐标系中的X值、Y值。

本发明具有以下特点：

1)采用双侧光源获得两个影子，两个影子相交于一点确定螺柱位置，照射光源更多，更多影子相交时同样可实现检测。

2)通过侧打光源产生影子，影子相交实现能够螺柱的定位。

3)测量精度高，无论螺柱位置相对于参考位置是否发生变化，两个影子的中心线依然通过螺柱，不会引起现有技术的匹配误差，测量精度高。

4)进行螺柱位置测量时，只需要依次点亮光源、激光器，拍摄侧影图像和结构光图像，对图像进行处理即能够实现螺柱位置的测量；该方案拍照数量少，计算量少，计算效率更高。

附图说明

图1为附图1是本发明方案中检测装置构成示意图；

图2是本发明方案中检测装置点亮光源2工作示意图；

图3是本发明方案中检测装置点亮光源3工作示意图；

图4是本发明方案中检测装置开启激光器工作示意图；

图5是本发明方案中螺柱两侧侧影的图像；

图6是本方法的流程图；

图7是测量螺柱根部中心三维坐标的计算原理示意图；

图8是小孔成像示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。

一种基于侧影技术的焊接螺柱位置检测装置，如图1所示，包括：相机1、多个点光源和线激光器4，相机1的光轴垂直于待测物体所在平面；多个点光源和线激光器4均设置于待测物体的侧上方；多个点光源照射时至少有两个点光源照射待测物体形成的影子不在同一条直线上。多个点光源发出的光照投射在相机正前方的工作距位置处。

优选，多个点光源高度相同，且其各自形成的光线与相机光轴之间的夹角相同。多个点光源摆放时，应放置在以相机光轴为中线的一个圆周上，光源斜放，与相机光轴所成角度相同。

作为本发明的一个实施例，多个点光源有两个，分别为一号光源2和二号光源3；一号、二号光源2、3形成的光线与相机光轴之间的夹角为30～60°；线激光器(4)的光轴与相机光轴的夹角为25～65°。

在具体实施时，一号、二号光源2、3形成的光线与相机光轴之间的夹角可分别设定为30°、35°、40°、45°、50°、55°及60°。同时，线激光器(4)的光轴与相机光轴的夹角可分别设定为25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°及65°。

使用时，可采用如下方法检测焊接螺柱的位置，参见图2-8，步骤如下：

1)调整视觉传感器的位置，使相机正对焊有螺柱的板材平面；

2)点亮一号光源，用相机拍照获得被测螺柱的影子图像；

3)点亮二号光源，用相机拍照获得被测螺柱另一侧的影子图像；

4)利用步骤2)、3)得到的两幅影子图像，计算被测螺柱根部中心的像面坐标；

5)点亮线激光器，用相机拍照，计算被测螺柱的深度信息；

6)利用步骤4)得到的像面坐标和步骤5)得到的深度信息，根据小孔成像模型，计算被测螺柱根部中心点的三维坐标。

步骤2)、3)中是依次点亮两个光源，目的是为了获取清晰的影子图像，若两光源同时点亮，在准确度要求不高的情况下，也是可以实现本发明的技术方案的。自然，当光源数量多于两个时，可依次、也可同时或部分同时点亮以获取被测物的影子图像，当光源为一个时，可以通过不同位置的设置来实现螺柱不同角度侧影的获取。

具体来说，如图5，步骤4)计算被测螺柱根部中心的像面坐标的方法为，将步骤2)、3)得到的两幅影子图像进行处理，得到两条中心线，两条中心线的相交处即为被测螺柱根部中心点的像面坐标，即确定了被测螺柱根部中心在相机靶面上的成像点。

步骤5)计算被测螺柱的深度信息的方法为，利用线激光器在焊有被测螺柱的板材平面上投射激光条，基于结构光测量原理得到投射在板材平面上的激光条上点在相机坐标系中的Z值；在相机坐标系中，激光条上点的Z值与被测螺柱根部中心的Z值相等，得到被测螺柱的深度数据。

步骤6)中计算被测螺柱根部中心点的三维坐标的方法为：

②骤3)得到被测螺柱的Z值数据；

②如图7，记相机靶面上被测螺柱根部中心的成像点和相机光心的连线的延长线与线激光器所产生的光平面的交点为P，基于结构光测量原理计算P点的坐标值，利用三角形相似几何关系计算被测螺柱根部中心在相机坐标系中的X值、Y值。

如图7所示，o_c-x_cy_cz_c为相机坐标系，π为线激光器产生的激光平面(以下简称为激光平面)，o_h为螺柱根部中心，其三维坐标记为(x_m,y_m,z_m)，Q可以为激光打在板材平面上的激光条上的任意点，此处选择光条中心点作为Q点，由于相机是正对螺柱拍摄，所以z_m＝z_Q，Q点三维坐标可由结构光测量原理获得，即得到Z_m值，也即得到被测螺柱的深度信息；基于小孔成像原理，记相机靶面上被测螺柱根部中心的成像点和相机光心的连线的延长线与线激光器所产生的光平面的交点为P，基于结构光测量原理计算P点的坐标值，记为(x_P,y_P,z_P)，利用三角形相似几何关系计算被测螺柱根部中心在相机坐标系中的x_m值、y_m值。螺柱根部中心o_h的三维坐标计算公式如下：

为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上”、“下”、“内”和“外”被用于参考附图中所显示的这些特征的位置来描述示例性实施方式的特征。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (8)

1.一种基于侧影技术的焊接螺柱位置检测装置，其特征在于包括：相机(1)、多个点光源和线激光器(4)，所述相机(1)的光轴垂直于待测物体所在平面；所述多个点光源(3)和线激光器(4)均设置于所述待测物体的侧上方；所述多个点光源照射时至少有两个点光源照射待测物体形成的影子不在同一条直线上。

2.如权利要求1所述基于侧影技术的焊接螺柱位置检测装置，其特征在于：所述多个点光源有两个，分别为一号光源(2)和二号光源(3)。

3.如权利要求2所述基于侧影技术的焊接螺柱位置检测装置，其特征在于：所述一号、二号光源(2)(3)形成的光线与相机光轴之间的夹角为30～60°。

4.如权利要求1～3中任意一项所述基于侧影技术的焊接螺柱位置检测装置，其特征在于：所述线激光器(4)的光轴与相机光轴的夹角为25～65°。

5.一种基于侧影技术的焊接螺柱位置检测方法，其特征在于包括如下步骤：

1)调整视觉传感器的位置，使相机正对焊有螺柱的板材平面；

2)点亮一号光源，用相机拍照获得被测螺柱的影子图像；

3)点亮二号光源，用相机拍照获得被测螺柱另一侧的影子图像；

4)利用步骤2)、3)得到的两幅影子图像，计算被测螺柱根部中心的像面坐标；

5)点亮线激光器，用相机拍照，计算被测螺柱的深度信息；

6)利用步骤4)得到的像面坐标和步骤5)得到的深度信息，根据小孔成像模型，计算被测螺柱根部中心点的三维坐标。

6.如权利要求5所述基于侧影技术的焊接螺柱位置检测方法，其特征在于：步骤4)计算被测螺柱根部中心的像面坐标的方法为，将步骤2)、3)得到的两幅影子图像进行处理，得到两条中心线，两条中心线的相交处即为被测螺柱根部中心点的像面坐标。

7.如权利要求5或6所述基于侧影技术的焊接螺柱位置检测方法，其特征在于：步骤5)计算被测螺柱的深度信息的方法为，利用线激光器在焊有被测螺柱的板材平面上投射激光条，基于结构光测量原理得到投射在板材平面上的激光条上点在相机坐标系中的Z值；在相机坐标系中，激光条上点的Z值与被测螺柱根部中心的Z值相等，得到被测螺柱的深度数据。

8.如权利要求7所述基于侧影技术的焊接螺柱位置检测方法，其特征在于步骤6)中计算被测螺柱根部中心点的三维坐标的方法为：

①步骤3)得到被测螺柱的Z值数据；

②记相机靶面上被测螺柱根部中心的成像点和相机光心的连线的延长线与线激光器所产生的光平面的交点为P，基于结构光测量原理计算P点的坐标值，利用三角形相似几何关系计算被测螺柱根部中心在相机坐标系中的X值、Y值。