CN112525918A - 基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接自动控制相关技术领域，其公开了一种基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置及方法，焊缝视觉检测装置包括高频率强度激光调制器、Powell透镜、相连接的相机及工业计算机；高频率强度激光调制器用于对激光光束的光强度进行预定频率的调制；Powell透镜用于将调制后的激光变成激光条纹并投射到焊件上；相机用于采集焊件上的焊缝图像，并将得到的焊缝图像序列传输给工业计算机；工业计算机用于对接收到的焊缝图像序列进行傅里叶变换，以在频域内将随机的且无固定频率的焊接噪声直接去掉；然后，通过逆傅里叶变换将所得到的频域信号恢复为图像信号。本发明能有效消除焊接噪声，提高准确性。

Description

基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置及方法

技术领域

本发明属于焊接自动控制相关技术领域，更具体地，涉及一种基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置及方法。

背景技术

近年来，以视觉引导为特征的自动焊接技术已被广泛应用于焊接生产，对焊缝检测的方法的研究越来越受到人们的关注。焊接中往往伴随着很强的焊接光、飞溅和烟雾。由于焊接光的光谱很宽，亮度很高，并且覆盖线结构光的波长，传统的基于线结构光的焊缝检测方法中所用到的滤光片很难完全滤除焊接光噪声。因此，传统的基于线结构光的焊缝检测法具有内在的局限性。

由于焊接中存在强烈的焊接光、飞溅和烟雾，检测点和焊接点之间往往要留有一段距离(一般10cm以上)来检测焊缝位置。然而，当缩小这个距离的时候或者焊接条件没有充分优化时，检测视野中往往会出现大量焊接光噪声，严重时会出现飞溅亮斑。传统的基于线结构光的检测方法采用一个窄带滤光片来滤除线结构光以外其他的波长，因而这种方法并不能有效消除焊接光噪声。特别地，当焊缝图像中存在如飞溅亮斑这样的噪声时，焊缝位置提取的准确性和稳定性会受到影响，甚至会导致焊缝位置提取失败。

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线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置及方法，所述焊缝视觉检测装置采用高频率光强度调制器将预定频率编码在线结构光中，以将无固定频率的焊接光噪声有效去除，具体地采用高频率光强度调制器调制投射在焊件上表面的结构光的光强度，并利用IO信号控制器将高频率光强度调制器的控制信号和相机的外部触发信号同步起来，使得相机能够周期性采集到明暗变化的焊缝图像序列，并利用傅里叶变换将图像序列转换到频域，然后在频域上直接删除调制频率外的噪声频率，接着通过傅里叶逆变换将频域信号恢复到时域，以获得信噪比非常高的焊缝图像。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置，所述焊缝视觉检测装置包括高频率强度激光调制器、Powell透镜、相连接的相机及工业计算机；

所述高频率强度激光调制器用于对激光光束的光强度进行预定频率的调制；所述Powell透镜用于将调制后的激光变成激光条纹，所述激光条纹投射到焊件上；所述相机用于采集焊件上的焊缝图像，并将多张含有不同明暗程度的激光条纹的焊缝图像组成焊缝图像序列传输给所述工业计算机；所述工业计算机用于对接收到的所述焊缝图像序列进行傅里叶变换，以在频域内将随机的且无固定频率的焊接噪声直接去掉；然后，通过逆傅里叶变换将所得到的频域信号恢复为图像信号。

进一步地，所述焊缝视觉检测装置还包括IO信号控制器，所述IO信号控制器连接所述相机及所述工业计算机，其用于将所述高频率强度激光调制器进行光强度调制的控制信号及所述相机进行图像采集的触发信号同步起来。

进一步地，所述焊缝视觉检测装置还包括激光光源及平面镜组，所述激光光源用于产生激光；所述平面镜组位于所述激光光源与所述高频率光强度调制器之间，其用于改变所述激光的光路以使所述激光传输到所述高频率强度激光调制器。

进一步地，所述焊缝视觉检测装置还包括第一准直透镜、单模光纤及第二准直透镜，所述第一准直透镜经用于对调制后的激光光束进行准直后耦合到所述单模光纤；所述单模光纤用于将接收到的激光光束分别传输到两个所述第二准直透镜，激光光束经两个所述第二准直透镜准直后分别传到两个所述Powell透镜。

进一步地，所述相机为高速CCD相机。

进一步地，所述焊缝视觉检测装置还包括相机镜头及窄带滤光片，所述相机镜头设置在所述相机上，所述窄带滤光片设置在所述相机镜头上。

进一步地，所述预定频率为500Hz，所述相机采集焊缝图像的频率为1000Hz。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测方法，所述焊缝视觉检测方法是采用如上所述的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置进行焊缝检测的。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置及方法主要具有以下有益效果：

1.对结构光的强度进行高频调制，使得特定的频率被编码到结构光条纹的强度中，而焊接光噪声的亮度变换是随机的，无固定频率；对亮度呈明暗变化的光条纹图像序列进行傅里叶变换，即可将焊缝图像序列从时域转换到频域，此时，便可在频域上直接和有效地删除非调制频率外其他的噪声频率，通过傅里叶逆变换后即可恢复得到焊缝图像，此时的焊缝图像中焊接光噪声被有效的消除，这种方法能消除滤光片不能消除的焊接噪声，如焊接光斑。

2.所述平面镜和准直透镜用于将调制后的激光光束耦合到单模光纤中；所述的单模光纤用于传输激光，这样可以将光强度调制模块和后续的相机采集模块隔离开，减小检测装置的大小。

3.该方法克服了传统线结构光方法只能依靠滤光片过滤光噪声的局限性，能极大地提升焊缝图像的信噪比和增强焊缝提取的准确性。

附图说明

图1是本发明提供的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置的结构示意图；

图2是图1中的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置采集的焊接点处的焊缝图像序列的示意图(结构光条纹的亮度呈周期性明暗变化)；

图3中的a)及b)分别是图1中的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置的IO信号控制器输出的用于控制高频率光调制器和相机的控制信号的示意图；

图4是通过对采集的明暗相交替的焊缝图像序列进行傅里叶变换，在频域上消除噪声频率的示意图。

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-激光光源，2-平面镜组，3-工业计算机，4-IO信号控制器，5-相机，6-相机镜头，7-窄带滤光片，8-焊件，9-高频率光强度调制器，10-第一准直透镜，11-单模光纤，12-第二准直透镜，13-Powell透镜。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置，所述焊缝视觉检测装置包括激光光源1、平面镜组2、工业计算机3、IO信号控制器4、相机5、相机镜头6、窄带滤光片7、高频率光强度调制器9、第一准直透镜10、单模光纤11、第二准直透镜12及Powell透镜13。所述相机镜头6设置在所述相机5上，所述窄带滤光片7设置在所述相机镜头6上。所述IO信号控制器4连接所述相机5及所述工业计算机3。其中，所述相机5为高速CCD相机。

所述激光光源1用于产生激光。所述平面镜组2位于所述激光光源1与所述高频率光强度调制器9之间，其用于改变所述激光的光路以使所述激光传输到所述高频率强度光调制器9。所述高频率强度光调制器9用于对接收到的激光光束进行预定频率的调制。所述第一准直透镜10用于对调制后的激光光束进行准直后耦合到所述单模光纤11。

所述单模光纤11用于将接收到的激光光束分别传输到两个所述第二准直透镜12，激光光束经两个所述第二准直透镜12准直后分别传到两个所述Powell透镜13。所述Powell透镜13用于将接收到的激光光束变成激光条纹，所述激光条纹投射到焊件8上。所述窄带滤光片7用于滤掉噪声，所述相机5及所述相机镜头6用于采集焊件上的焊缝图像，并将采集到的多张含有不同明暗程度的激光条纹的焊缝图像传输给所述工业计算机3。所述IO信号控制器4用于控制所述高频率光强度调制器9调制的控制信号与所述相机5的图像采集的外部触发信号同步。

焊缝图像序列中线结构光条纹的明暗变化的频率为所述高频率光强度调制器9的调制频率，如此一个预定频率被编码到焊缝图像序列中。焊接中的各种影响焊缝图像质量的噪声是随机的，其频率也是随机的。所述工业计算机13用于对接收到的焊缝图像序列进行傅里叶变换，以在频域内将随机的且无固定频率的焊接噪声直接去掉，而只保留特定的调制频率信号；然后通过逆傅里叶变换将得到的频域信号恢复为图像信号，进而得到焊缝位置信息。

本实施方式中，所述高频率激强度光调制器9用于以很高频率调制自所述激光光源1发出的激光光束的强度，以使得投射在焊件上的结构光条纹以很高的频率变化；所述Powell透镜13用于将准直后的激光光束变成亮度一直的结构光条纹；所述窄带滤光片7用于滤掉除结构光外其他的光波成分；所述IO信号控制器4用于输出模拟量电压信号，从而控制所述高频率光强度调制器9对激光的调制频率和对激光的衰减的幅度；所述IO信号控制器9同时也控制所述相机5的外部触发信号；所述IO信号控制器4将对所述高频率光强度调制器9和所述相机5的控制信号同步起来，使得所述相机5能精准地、周期性地采集到亮度呈明暗变换的结构光条纹图像序列。

采用所述平面镜组2及所述第一准直透镜10将激光耦合进所述单模光纤11，如此使得所述激光光源1、所述平面镜组2、所述高频率光强度调制器9和所述第一准直透镜10组成的光调制模块与所述相机5、所述相机镜头6、所述窄带滤光片7、所述第二准直透镜12及所述Powell透镜13组成的图像采集模块分离，同时也使得图像采集模块非常紧凑。

请参阅图3，本实施方式中所述IO信号控制器4输出模拟量电压信号，以控制高频率光强度调制器9使得激光的强度按图3中的周期性正弦信号变化，变化频率为500Hz。同时，利用IO信号控制器4输出电平信号，控制相机5的外部触发信号，使得相机5在激光最强和最弱的时刻采集焊缝图像，采集频率为1000Hz。

采集到结构光条纹呈明暗变化的焊缝图像序列，将10张连续的焊缝图像作为一个批次，进行图像处理。可以注意到，由于有10张图像，图像序列中图像坐标相同的像素点对应于10个不同的时间点，故可以对图像坐标相同的像素的十个时间点上的灰度值进行傅里叶变换，将信号转换到频域。被激光条纹照明的地方，对应的图像的像素点呈周期性明暗变化，其对应的频域信号中，500Hz的频率为主要频率成分；反之，500Hz的频率不是主要频率成分。由于焊接光噪声，相机感光单位噪声以及环境光噪声都无固定频率，可以在频域上将500Hz频率外其他的频率成分都删除。之后，利用傅里叶逆变换将频域信号恢复为时域信号。这种方式可以稳定和显著消除焊接光噪声；更重要的是，这种方式能消除窄带滤光片7消除不掉的谱宽覆盖线结构光波长的焊接光光斑，如图4中所示。

本发明还提供了一种基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测方法，所述焊缝视觉检测方法是采用如上所述的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置进行焊缝检测的。

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 (8)

1.一种基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置，其特征在于：

所述焊缝视觉检测装置包括高频率强度激光调制器、Powell透镜、相连接的相机及工业计算机；

所述高频率强度激光调制器用于对激光光束的光强度进行预定频率的调制；所述Powell透镜用于将调制后的激光变成激光条纹，所述激光条纹投射到焊件上；所述相机用于采集焊件上的焊缝图像，并将多张含有不同明暗程度的激光条纹的焊缝图像组成焊缝图像序列传输给所述工业计算机；所述工业计算机用于对接收到的所述焊缝图像序列进行傅里叶变换，以在频域内将随机的且无固定频率的焊接噪声直接去掉；然后，通过逆傅里叶变换将所得到的频域信号恢复为图像信号。

2.如权利要求1所述的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置，其特征在于：所述焊缝视觉检测装置还包括IO信号控制器，所述IO信号控制器连接所述相机及所述工业计算机，其用于将所述高频率强度激光调制器进行光强度调制的控制信号及所述相机进行图像采集的触发信号同步起来。

3.如权利要求1所述的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置，其特征在于：所述焊缝视觉检测装置还包括激光光源及平面镜组，所述激光光源用于产生激光；所述平面镜组位于所述激光光源与所述高频率光强度调制器之间，其用于改变所述激光的光路以使所述激光传输到所述高频率强度激光调制器。

4.如权利要求3所述的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置，其特征在于：所述焊缝视觉检测装置还包括第一准直透镜、单模光纤及第二准直透镜，所述第一准直透镜经用于对调制后的激光光束进行准直后耦合到所述单模光纤；所述单模光纤用于将接收到的激光光束分别传输到两个所述第二准直透镜，激光光束经两个所述第二准直透镜准直后分别传到两个所述Powell透镜。

5.如权利要求1-4任一项所述的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置，其特征在于：所述相机为高速CCD相机。

6.如权利要求1-4任一项所述的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置，其特征在于：所述焊缝视觉检测装置还包括相机镜头及窄带滤光片，所述相机镜头设置在所述相机上，所述窄带滤光片设置在所述相机镜头上。

7.如权利要求1-4任一项所述的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置，其特征在于：所述预定频率为500Hz，所述相机采集焊缝图像的频率为1000Hz。

8.一种基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测方法，其特征在于：该焊缝视觉检测方法是采用权利要求1-7任一项所述的基于线结构光强度高频调制的焊缝视觉检测装置进行焊缝检测的。

Images