CN110887787A - 一种窄缝检测和定位的激光测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄缝检测和定位的激光测量装置及其测量方法，涉及激光视觉系统技术领域，本发明的装置包括机械外壳、设于所述机械外壳内部的激光三角测量光路、电路处理单元、辅助照明光源和两块窗口玻璃，本发明的测量方法包括以下步骤：采集缝隙表面图像；提取一字结构光光条的中心点连线和缝隙边缘的中心点连线；计算缝隙中心位置连线与一字结构光中心点连线的交点；根据激光三角测量原理，将缝隙中心点的数据转换为三维物理空间坐标位置并输出该结果。本发明的通过识别并定位窄缝或细微裂纹的三维位置，可用于引导机器人跟踪窄缝，如精细焊缝跟踪，裂纹检测和跟踪，涂胶缝隙跟踪等，解决困扰本行业的技术问题。

Description

一种窄缝检测和定位的激光测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及激光视觉系统技术领域，特别是涉及一种窄缝检测和定位的激光测量装置及其测量方法。

背景技术

在工业制造业中，往往需要对窄缝或细微裂纹进行检测定位，如激光焊接的缝隙定位，某些电子产品的缝隙涂胶跟踪等。这些窄缝或细微裂纹，其缝隙宽度往往不足0.1mm，有的甚至只有10um量级。常规的激光焊缝跟踪传感器或激光轮廓仪可以用于检测并定位较宽的常规缝隙，但对于缝隙宽度不足0.1mm的窄缝，常规激光轮廓仪或激光焊缝跟踪传感器很难检测到；其原因是测量时激光轮廓仪或激光焊缝跟踪传感器的检测激光与窄缝相交，由于窄缝或裂纹的宽度过窄，激光光条图案呈现为连续光条，不能在光条图案上留下明显的光条间断图案，故很难甚至无法识别出窄缝。如果采用机器视觉系统，虽然可以通过打光等手段识别到宽度不足0.1mm的窄缝或裂纹，但该视觉系统主要体现其识别功能，却很难在三维空间中精确跟踪定位窄缝或裂纹。而对于某些工业应用来说，如前述激光焊缝跟踪和涂胶跟踪，在三维空间中精确定位窄缝是必要的。如果采用超声波探测，其空间分辨率不够，仍难以精确定位窄缝的空间位置。

理想情况下，如果有一种方法和设备能准确识别出窄缝或细微裂纹，并精确定位其在空间中的三维位置，则可以用于引导机器人进行精确的后续工序作业，如精密的激光焊接，涂胶等。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种窄缝检测和定位的激光测量装置及其测量方法，本发明通过识别并定位窄缝或细微裂纹的三维位置，可用于引导机器人跟踪窄缝，如精细焊缝跟踪，裂纹检测和跟踪，涂胶缝隙跟踪等，解决困扰本行业的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种窄缝检测和定位的激光测量装置，包括机械外壳、设于所述机械外壳内部的激光三角测量光路、电路处理单元、辅助照明光源和两块窗口玻璃；

所述激光三角测量光路和电路处理单元均设于所述机械外壳内部，两块窗口玻璃分别设于所述机械外壳的激光出射和入射的位置，所述电路处理单元分别与激光三角测量电路和辅助照明光源连接。

优选的，所述激光三角测量光路包括依次设置的反射镜、镜头、窄带滤光片、图像传感器和一字线激光器。

优选的，所述一字线激光器发射的光路方向竖直向下并通过其中一个窗口玻璃；另一个窗口玻璃和反射镜依次位于所述一字线激光器发射的一字线激光经物体表面反射后的反射光路上，所述镜头位于经反射镜反射后的反射光路上，所述图像传感器设于经过所述镜头的投影光路上，所述窄带滤光片安装于所述图像传感器和镜头之间。

优选的，所述辅助照明光源的中心波长与所述一字线激光器发射的激光的波长相同或接近均且在所述窄带滤光片的通光波长带宽范围内。

优选的，所述辅助照明光源设有两个，两个辅助照明光源对称地设于一字线激光器的两侧，且两个辅助照明光源的照射方向对准所述一字激光器主光轴的聚焦位置处。

优选的，所述辅助照明光源的投射光斑为光强分布均匀的圆形、环形或矩形光斑。

另一方面，本发明提供了一种窄缝检测和定位的激光测量方法，包括以下步骤：

S1、开启一字线激光器和辅助照明光源，采集缝隙表面图像；

S2、提取一字结构光光条的中心点连线和缝隙边缘的中心点连线；

S3、计算缝隙中心位置连线与一字结构光中心点连线的交点，即缝隙中心点；

S4、根据激光三角测量原理，将缝隙中心点的数据转换为三维物理空间坐标位置并输出该结果。

有益效果在于：

1、通过识别并定位窄缝或细微裂纹的三维位置，可用于引导机器人跟踪窄缝，如精细焊缝跟踪，裂纹检测和跟踪，涂胶缝隙跟踪等，解决困扰本行业的技术问题；

2、改进了测量装置的结构和功能，使其在具备三维轮廓测量的同时具有二维图像识别和处理的能力。

3、增设辅助照明光源可以提升缝隙轮廓在所采集图像上的对比度，从而提高对图像细节的识别能力。

附图说明

图1是本发明其中一个实施例的测量装置的整体结构示意图；

图2是本发明另外一个实施例的辅助照明光源的布置结构示意图；

图3是本发明实施例中计算代表缝隙中心位置连线的其中一个示意图；

图4是本发明实施例中计算代表缝隙中心位置连线的另外一个示意图。

附图标记：

101、一字结构光光条中心线；102-a、缝隙的一侧边缘；102-b、缝隙的另一侧边缘；103、缝隙中心位置连线；201、机械外壳；202、反射镜；203、镜头；204、窄带滤光片；205、图像传感器；206、一字线激光器；207、电路处理单元；208、辅助照明光源；209、窗口玻璃。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：

如图1所示，本实施例提供了一种窄缝检测和定位的激光测量装置，包括机械外壳201、设于机械外壳201内部的激光三角测量光路、电路处理单元207、辅助照明光源208和两块窗口玻璃209；

激光三角测量光路、电路处理单元207和辅助照明光源208均设于机械外壳201内部，在其他实施例中，辅助照明光源也可以设置在机械外壳外部，在本实施例中，两块窗口玻璃209设于机械外壳201的底部，两块窗口玻璃209分别位于机械外壳201的激光出射和入射的位置，电路处理单元207分别与激光三角测量电路和辅助照明光源208连接。

该电路处理单元207用于驱动激光器和照明光源，并设有微处理器，用于作图像处理运算。

在其中一个实施例中，如图1所示，激光三角测量光路包括依次设置的反射镜202、镜头203、窄带滤光片204、图像传感器205和一字线激光器206。

在其中一个实施例中，如图1所示，一字线激光器206发射的光路方向竖直向下并通过其中一个窗口玻璃209；另一个窗口玻璃209和反射镜202依次位于一字线激光器206发射的一字线激光经物体表面反射后的反射光路上，镜头203位于经反射镜202反射后的反射光路上，图像传感器205设于经过镜头203的投影光路上，窄带滤光片204安装于图像传感器205和镜头203之间。

在其中一个实施例中，辅助照明光源208的中心波长与一字线激光器206发射的激光的波长相同或接近均且在窄带滤光片204的通光波长带宽范围内。如可使用650nm的半导体红光激光器产生的一字结构光作为一字线激光器206206，使用630～660nm的LED光源作为辅助照明光源208，并使用中心波长为650nm，并选用带宽为30nm的窄带滤光片204。如此，可以减少环境光的干扰，提高装置的抗干扰能力和测量稳定性。

在其中一个实施例中，如图2所示，辅助照明光源208设有两个，两个辅助照明光源208对称地设于一字线激光器206的两侧，且两个辅助照明光源208的照射方向对准一字激光器主光轴的聚焦位置处。

如果采用激光轮廓仪，为了减少辅助光照明对激光轮廓仪工作的干扰，可以分时开启激光轮廓仪的结构光和辅助照明光源208，设置两个辅助照明光源208可进一步的提高缝隙轮廓在采集图像上的对比度。

在其中一个实施例中，辅助照明光源208的投射光斑为光强分布均匀的圆形、环形或矩形光斑。

采用一字结构光照明和上述辅助照明，一字激光的三角测量光路可以准确测定缝隙外表面轮廓，而辅助照明可以定位缝隙的准确位置。

本实施例还提供了一种窄缝检测和定位的激光测量方法，包括以下步骤：

S1、开启一字线激光器和辅助照明光源，采集缝隙表面图像；

对于窄缝或微小裂纹，由于激光散斑现象，常规的激光轮廓仪或三角测量光路采集到的光条图像在缝隙处也是连续的，故很难定位缝隙位置。为了解决这一问题，本发明在开启结构光照明的基础上，进一步采用辅助照明光源，提升缝隙轮廓在所采集图像上的对比度。

S2、提取一字结构光光条的中心点连线和缝隙边缘的中心点连线；

需要说明的是，一字结构光光条的中心点连线与缝隙边缘的中心点连线是相交的，因此，在提取光条中心点连线时，应根据光条方向予以区分。

S3、计算缝隙中心位置连线与一字结构光中心点连线的交点，即缝隙中心点；

如图3和图4所示，计算出图像上代表缝隙中心位置的连线的方法。如果缝隙窄，如图3所示，其边缘图像为单光条；如果缝隙宽，如图4所示，其两侧边缘图像为双光条。

在图3中，一字结构光光条中心线101与缝隙中心位置连线103的交点，代表缝隙中心点。

在图4中，102-a、102-b代表缝隙的两侧边缘，102-a和102-b分别与一字结构光光条中心线101相交于点A和点B，则可用A点与B点坐标之间的中点C表示缝隙的中心点位置。

S4、根据激光三角测量原理，将缝隙中心点的数据转换为三维物理空间坐标位置并输出该结果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种窄缝检测和定位的激光测量装置，其特征在于，包括机械外壳、设于所述机械外壳内部的激光三角测量光路、电路处理单元、辅助照明光源和两块窗口玻璃；

所述激光三角测量光路和电路处理单元均设于所述机械外壳内部，两块窗口玻璃分别设于所述机械外壳的激光出射和入射的位置，所述电路处理单元分别与激光三角测量电路和辅助照明光源连接。

2.根据权利要求1所述的窄缝检测和定位的激光测量装置，其特征在于，所述激光三角测量光路包括依次设置的反射镜、镜头、窄带滤光片、图像传感器和一字线激光器。

3.根据权利要求2所述的窄缝检测和定位的激光测量装置，其特征在于，所述一字线激光器发射的光路方向竖直向下并通过其中一个窗口玻璃；另一个窗口玻璃和反射镜依次位于所述一字线激光器发射的一字线激光经物体表面反射后的反射光路上，所述镜头位于经反射镜反射后的反射光路上，所述图像传感器设于经过所述镜头的投影光路上，所述窄带滤光片安装于所述图像传感器和镜头之间。

4.根据权利要求2所述的窄缝检测和定位的激光测量装置，其特征在于，所述辅助照明光源的中心波长与所述一字线激光器发射的激光的波长相同或接近均且在所述窄带滤光片的通光波长带宽范围内。

5.根据权利要求2所述的窄缝检测和定位的激光测量装置，其特征在于，所述辅助照明光源设有两个，两个辅助照明光源对称地设于一字线激光器的两侧，且两个辅助照明光源的照射方向对准所述一字激光器主光轴的聚焦位置处。

6.根据权利要求1所述的窄缝检测和定位的激光测量装置，其特征在于，所述辅助照明光源的投射光斑为光强分布均匀的圆形、环形或矩形光斑。

7.一种窄缝检测和定位的激光测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、开启一字线激光器和辅助照明光源，采集缝隙表面图像；

S2、分别提取一字结构光光条的中心点连线和缝隙边缘的中心点连线；

S3、计算缝隙中心位置连线与一字结构光中心点连线的交点，即缝隙中心点；

S4、根据激光三角测量原理，将缝隙中心点的数据转换为三维物理空间坐标位置并输出该结果。

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