CN114384086B - 一种焊缝的倾斜穿孔实时检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焊缝的倾斜穿孔实时检测装置及方法，该装置包括相机、反光镜组和面光源；以相机的光轴为基准线；反光镜组绕基准线设置，各镜片的中心距基准线的距离相等；各镜片在基准线长度方向上两端对齐；单个镜片与基准线呈一定夹角；反光镜组用于将到达其表面的光线反射进相机镜头；反光镜组与面光源之间形成空隙，以供待测工件从中间穿过；面光源为正方形；相机、反光镜组和面光源的位置按照预设要求设置。该倾斜穿孔实时检测装置及方法可以在不增大背光光源尺寸的前提下，实现视觉传感器对大角度焊缝穿孔检测，降低对机器人工位集成的复杂性要求，保证了整车制造的安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及焊缝表面质量检测领域，具体涉及一种焊缝的倾斜穿孔实时检测装置及方法。
背景技术
目前焊接是汽车车身零件连接的最主要方式之一，其质量的优劣对汽车的整车性能有着重要影响，不仅关系到车身整车的美观性、防水性，而且还直接影响整个车身的强度，因此与人身安全休戚相关。由于焊接工艺设计与实际生产状况存在不可预料的差异性，比如存在板材含杂质、气体保护不充分、焊机参数的波动等问题，这些可能会导致出现穿孔、咬边、气孔、断焊、凹陷、裂纹等类型的焊接缺陷。其中，穿孔属于重大缺陷，它会大大降低焊缝的疲劳强度，易引起被焊零件从接口处破坏或断裂。因此，在汽车制造业中，焊缝的质量不管是用人工目检还是机器视觉检测，都要求做到不能漏掉焊缝穿孔缺陷，安全隐患是不允许的。如今汽车制造业的产能已经对焊缝质量的检测提出了极高的要求，不仅需要检测的项目多，而且检测时间也必须匹配生产节拍。因此，用机器视觉协助人工做焊缝质量检测，甚至在某些场景下完全取代人工，已经越来越多的被汽车制造的主机厂及其零部件厂所采用。这些焊接工艺包括气保焊、激光焊、搅拌摩擦焊等等。
对于穿孔检测，一般有两种光学方法：3D线结构光扫描检测和背光照明检测。3D线结构光扫描检测是指利用激光三角法原理，扫描并重建焊缝表面的3D轮廓，然后利用算法识别缺陷的检测方法。它在光束方向的测量精度很高，达到微米量级，装置也比较紧凑。但缺点是受激光三角法原理的影响，对于尺寸很小的穿孔是无法检测的，而且扫描速度较慢(50-100毫米/秒)，在焊缝较多较长情况下难以满足生产节拍的要求。另一种是采用背光照明检测，光源面向检测相机(通常为黑白相机)并置于相机视场范围内，而被测焊接件则可以置于光源和相机之间。当没有焊缝穿孔时，被测件完全遮挡背光光源的光线，因此被测件图片呈现完全黑色。而当有穿孔时，背光光源的光线穿过穿孔，被镜头收集并成像到相机上，于是黑色被测件图片上会呈现白色亮点，显示穿孔的存在。该方法的优点是，被测件和穿孔的图像是黑白对比，容易进行图像处理，且准确性很高。同时，由于高帧率相机(比如，每秒几百帧)的普及，零件可以在机器人夹持下快速通过相机视场，实现高速实时扫描(比如500毫米/秒)。
如果由于穿孔垂直但钢板倾斜(图1)或者穿孔本身就有倾斜度时(图2)，可检测的穿孔最大倾斜角度近似为穿孔方向的相机半视场角α以及钢板厚度t1和穿孔尺寸t2所决定，即最大倾斜角度β＝α+arctan(t2/t1)。其中，D为背光光源的尺寸，d为镜头光瞳直径，L为背光光源到镜头的距离。一般情况下，严格的质量要求即使是小到0.1毫米直径的穿孔也要求不能漏检，所以当t2<<t1时(比如穿孔尺寸为0.1毫米而钢板厚度为2毫米)，最大可检测倾斜角基本就是由相机的半视场角α所决定。也就是说，当穿孔的倾斜角度大于最大可探测倾斜角度时，背光光源的光线将被穿孔侧壁挡住，实现不了穿孔的有效检测，造成穿孔漏检。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种焊缝的倾斜穿孔实时检测装置及方法，可以在不增大背光光源尺寸的前提下，实现视觉传感器对大角度焊缝穿孔检测，降低对机器人工位集成的复杂性要求，保证了整车制造的安全性能。
为此，本发明的技术方案如下：
一种焊缝的倾斜穿孔实时检测装置，包括相机、反光镜组和面光源；
以所述相机的光轴为基准线；
所述反光镜组绕所述基准线设置，各镜片的中心距所述基准线的距离相等，记为d/2；各镜片在基准线长度方向上两端对齐，其长度记为h；单个镜片与基准线的夹角记为γ；所述反光镜组用于将到达其表面的光线反射进相机镜头；
所述反光镜组与面光源之间形成空隙，以供待测工件从中间穿过；所述面光源为正方形，其边长记为D；
以基准线长度方向记，相机镜头前端面到反光镜组h/2处的长度记为L1，反光镜组h/2处到面光源的距离记为L2，相机镜头前端面到面光源的距离记为L；
所述相机对应于面光源的半视场角记为β；相机镜头前端面与某一反光镜片中心点的连线与基准线的夹角为α；
所述相机、反光镜组和面光源的位置同时满足以下关系：
进一步，所述反光镜组包括两个镜片或多个镜片；
当镜片为两个时，其对称设置于所述基准线所在平面的两侧；
当镜片为多个时，其以多边形方式沿基准线的轴向设置。
进一步，所述相机镜头上安装有对应于面光源中心波长的带通滤光片。更进一步，所述带通滤光片的带宽为40-80nm。
进一步，检测时，记待测工件穿过反光镜组与面光源之间的空隙时与基准线的交点距相机镜头前端面的长度为L3；相机的可检测视场尺寸为D·L3/L。
进一步，检测时，记待测工件穿过反光镜组与面光源之间的空隙时与基准线的交点距相机镜头前端面的长度为L3；为防止待测工件与反光镜组发生碰撞，设置安全距离，满足以下条件：
进一步，检测时，记待测工件穿过反光镜组与面光源之间的空隙时与基准线的交点距相机镜头前端面的长度为L3；为防止待测工件与面光源发生碰撞，设置安全距离，满足以下条件：L-L3＞0.15m。
进一步，所述面光源的波长为400nm～940nm，优选780～940nm。
利用上述焊缝的倾斜穿孔实时检测装置进行检测的方法，待测工件通过机器人或固定在能沿预设方向运动的传送装置以速度v穿过反光镜组与面光源之间的空隙；此时面光源常亮，相机以每秒f帧的帧率采集图像，若图像上无亮点则表明无穿孔，反之有穿孔；
速度v满足如下条件：
式中：L3为待测工件穿过反光镜组与面光源之间的空隙时与基准线的交点距相机镜头前端面的长度。
本发明提供一种焊缝的倾斜穿孔实时检测装置及方法，可以在不增大背光光源尺寸的前提下，实现视觉传感器对大角度焊缝穿孔检测，降低对机器人工位集成的复杂性要求，保证了整车制造的安全性能。此外，可以得到穿孔的相对位置及穿孔周边的情况，利于分析导致穿孔的原因和工艺改善。
附图说明
图1为现有技术测试相较相机光轴穿孔垂直但钢板倾斜时的测试原理示意图；
图2为现有技术测试相较相机光轴倾斜时的测试原理示意图；
图3为本发明提供的焊缝的倾斜穿孔实时检测装置的原理示意图。
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。
如图3所示，一种焊缝的倾斜穿孔实时检测装置，包括相机1、反光镜组5和面光源2；以相机1的光轴为基准线；
反光镜组5绕基准线设置，各镜片的中心距基准线的距离相等，记为d/2；各镜片在基准线长度方向上两端对齐，其长度记为h；单个镜片与基准线的夹角记为γ；反光镜组用于将到达其表面的光线反射进相机镜头；具体来说，反光镜组5包括两个镜片或多个镜片；
当镜片为两个时，其对称设置于基准线所在平面的两侧；
当镜片为多个时，其以多边形方式沿基准线的轴向设置；
反光镜组5与面光源2之间形成空隙，以供待测工件3从中间穿过；面光源为正方形，其边长记为D；检测时，待测工件3从空隙穿过，记此时，待测工件3与基准线的交点距相机镜头前端面的长度为L3；
以基准线长度方向记，相机镜头前端面到反光镜组h/2处的长度记为L1，反光镜组h/2处到面光源的距离记为L2，相机镜头前端面到面光源的距离记为L；
相机对应于面光源的半视场角记为β；相机镜头前端面与某一反光镜片中心点的连线与基准线的夹角为α；
相机1、反光镜组5和面光源2的位置同时满足以下关系：
β＝arctan(D/2L)；α＞β；
为了防止测试过程中待测工件3与反光镜组5发生碰撞，设置安全距离，满足以下条件：为防止待测工件与面光源发生碰撞，设置安全距离，满足以下条件：L-L3＞0.15m。
为了减少周围环境光的影响，相机镜头上安装有对应于面光源2中心波长的带通滤光片；具体来说，带通滤光片的带宽为40-80nm，带宽的具体设置依据面光源2的波长匹配选择。在不考虑人眼厌光性的前提下，面光源2的波长选择400nm～940nm的可见光源，在考虑的前提下，选择780～940nm的近红外波长。
按照以下方法可以预估相机的可检测视场尺寸：检测时，记待测工件33穿过反光镜组5与面光源2之间的空隙时与基准线的交点距相机镜头前端面的长度为L3；相机的可检测视场尺寸为D·L3/L。
利用上述焊缝的倾斜穿孔实时检测装置进行检测的方法，其特征在于：
待测工件3通过机器人或固定在能沿预设方向运动的传送装置以速度v穿过反光镜组5与面光源2之间的空隙；此时面光源2常亮，相机以每秒f帧的帧率采集图像，若图像上无亮点则表明无穿孔4，反之有穿孔4；
速度v满足如下条件：
式中：L3为待测工件3穿过反光镜组5与面光源2之间的空隙时与基准线的交点距相机镜头前端面的长度。
本发明提供一种焊缝的倾斜穿孔实时检测装置及方法，可以在不增大背光光源尺寸的前提下，实现视觉传感器对大角度焊缝穿孔检测，降低对机器人工位集成的复杂性要求，保证了整车制造的安全性能。此外，可以得到穿孔的相对位置及穿孔周边的情况，利于分析导致穿孔的原因和工艺改善。
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 (10)
1.一种焊缝的倾斜穿孔实时检测装置，其特征在于：包括相机(1)、反光镜组(5)和面光源(2)；
以所述相机(1)的光轴为基准线；
所述反光镜组(5)绕所述基准线设置，各镜片的中心距所述基准线的距离相等，记为d/2；各镜片在基准线长度方向上两端对齐，其长度记为h；单个镜片与基准线的夹角记为γ；
所述反光镜组(5)与面光源(2)之间形成空隙，以供待测工件(3)从中间穿过；所述面光源为正方形，其边长记为D；
以基准线长度方向记，相机镜头前端面到反光镜组h/2处的长度记为L1，反光镜组h/2处到面光源的距离记为L2，相机镜头前端面到面光源的距离记为L；
所述相机对应于面光源的半视场角记为β；相机镜头前端面与某一反光镜片中心点的连线与基准线的夹角为α；
所述相机(1)、反光镜组(5)和面光源(2)的位置同时满足以下关系：
β＝arctan(D/2L)；α＞β；
d＝2L1·tanα。
2.如权利要求1所述焊缝的倾斜穿孔实时检测装置，其特征在于：所述反光镜组(5)包括两个镜片或多个镜片；
当镜片为两个时，其对称设置于所述基准线所在平面的两侧；
当镜片为多个时，其以多边形方式沿基准线的轴向设置。
3.如权利要求1所述焊缝的倾斜穿孔实时检测装置，其特征在于：所述相机镜头上安装有对应于面光源(2)中心波长的带通滤光片。
4.如权利要求3所述焊缝的倾斜穿孔实时检测装置，其特征在于：所述带通滤光片的带宽为40-80nm。
5.如权利要求1所述焊缝的倾斜穿孔实时检测装置，其特征在于：检测时，记待测工件(3)穿过反光镜组(5)与面光源(2)之间的空隙时与基准线的交点距相机镜头前端面的长度为L3；相机的可检测视场尺寸为D·L3/L。
6.如权利要求1所述焊缝的倾斜穿孔实时检测装置，其特征在于：检测时，记待测工件(3)穿过反光镜组(5)与面光源(2)之间的空隙时与基准线的交点距相机镜头前端面的长度为L3；满足以下条件：
7.如权利要求1所述焊缝的倾斜穿孔实时检测装置，其特征在于：检测时，记待测工件(3)穿过反光镜组(5)与面光源(2)之间的空隙时与基准线的交点距相机镜头前端面的长度为L3；满足以下条件：L-L3＞0.15m。
8.如权利要求1所述焊缝的倾斜穿孔实时检测装置，其特征在于：所述面光源(2)的波长为400nm～940nm。
9.如权利要求1所述焊缝的倾斜穿孔实时检测装置，其特征在于：所述面光源(2)的波长为780～940nm。
10.利用如权利要求1所述焊缝的倾斜穿孔实时检测装置进行检测的方法，其特征在于：
待测工件(3)通过机器人或固定在能沿预设方向运动的传送装置以速度v穿过反光镜组(5)与面光源(2)之间的空隙；此时面光源(2)常亮，相机以每秒f帧的帧率采集图像，若图像上无亮点则表明无穿孔，反之有穿孔；
速度v满足如下条件：
式中：L3为待测工件(3)穿过反光镜组(5)与面光源(2)之间的空隙时与基准线的交点距相机镜头前端面的长度。
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