CN115342754A - 一种激光边缘直线度检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种物体边缘直线度检测装置及方法。该检测装置包括：光源模组、分光检测模组、及信号采集与图像处理单元。光源模组产生由两束平行激光束组成的检测光组合，其中一束为线状光斑的探测光束，另一束为点状或线状光斑的参考光束。通过在激光光路上放置多组光束取样器，分离出多个次级检测光组合并投射在物体边缘附近位置，使得探测光束的一部分被物体遮挡。采用图像采集单元采集各检测光组合的光斑数据并传回数据处理单元，通过计算得到各个分光检测模组测德的物体边缘到参考光束的距离，进而可得到物体直线度。本发明检测精度高，速度快，可在线应用，且无需额外校准装置，操作简便。

Description

一种激光边缘直线度检测装置与方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种用于物体边缘直线度检测的装置及方法。

背景技术

在工业制造领域，通常对物体边缘的直线度具有一定要求。例如，在以拉挤方式成型的复合材料板材生产过程中，成型后板材可能会发生弯曲现象，影响后续产品质量。因此，有必要对物体边缘的直线度进行检测。

现有直线度检测方式包含逼近对照法，激光位移传感器检测等。其中，逼近对照法将待测物体与准直标准工件相贴合，观测待测物体边缘各位置与标准工件之间的间隙，进而判断待测物体的直线度。然而，该方法效率较低，难以实现实时在线监测。激光位移传感器检测通过设置多组传感器单元获取多个其与待测物体不同位置边缘处的距离，拟合得出待测物体边缘曲线并计算待测物体边缘直线度。但多个传感器之间需进行额外校准，确保各传感器处于同一准直线上。因此，需要一种精度高、操作简便且可在线应用的直线度检测装置及方法。

发明内容

为解决上述现有方法的不足，本发明提出了一种直线度检测装置及方法，利用光束走直线的原理，采用激光束作为直线参考基准，可实时在线监测，精度高，且操作简便，无复杂校准操作。

该装置包括：

1、光源模组，用于产生相互平行并且准直的探测光束和参考光束，沿待测物体边缘延伸方向平行投射；

2、光束取样器，用于拾取少部分探测光束和参考光束，并投射到待测物体边缘附近，使得探测光束的一部分被待测物体边缘所切割，产生投影；

3、光束位置探测器，用于检测探测光束与参考光束之间的相对位置信息，并传递到数据处理单元；

4、数据处理单元，用于对三个或以上光束位置探测器采集的数据进行处理，获取待测物体边缘曲线，对待测物体边缘的直线度进行判定。

上述光源模组所产生的两平行光束中，探测光束为线形光斑，线形方向与待测物体边缘垂直；参考光束可为点状或线型光斑，线形方向与待测物体边缘相平行。这两个光束可以由同一激光器通过分光器件产生，但也可采用不同的波长。在后续图像处理时，利用色彩通道将探测光束和参考光束相互分离并独立分析。例如，可分别采用波长为532.8nm的绿光以及波长为650nm的红光，在图像处理时通过RGB颜色空间的G和R通道将两光束分离。

通过设置多个光束取样器，从主光路中分离出多个次级检测光组。光束取样器放置于探测光束和参考光束的光路中，其反射面相对于待测物体表面约成45°，使得拾取的部分探测光束和参考光束能接近垂直地投射到待测物体边缘附近。光束取样器的倾角可以微调，使得分出的光束尽量垂直物体表面，减小检测误差。

光束位置探测器可以为线形位置传感器，如一维PSD器件或一维阵列传感器等，但更合适的是二维图像传感器，如CMOS或CCD摄像机。通过位置传感器检测探测光束、参考光束及待测物体边缘的相对位置信息，并传回数据处理单元进行分析。

数据处理单元接收从多个光束位置探测器所采集的数据，通过计算得到一组数据，包含了各个探测光束受待测物体遮挡的边缘到参考光束中心位置的距离，拟合该数据组得到待测物体边缘曲线，比较该曲线与标准直线的差值，便可得到待测物体边缘的直线度。

当各次级检测光组投射在待测物体的边缘位置时，参考光束不受待测物体边缘遮挡，而探测光束部分被待测物体遮挡，投射到下部的成像屏上，利用物体边缘产生的明显投影界线来作为判定待测物体边缘的参考。

若待测物体表面平整，参考光束也可直接投射在待测物体表面，光束位置探测器在待测物体表面上获取检测光组光束位置信息。这种安置更适合于较厚的物体，此时光束位置探测器探测时不会受到待测物体的遮挡。

本发明的直线度检测装置进一步包扩光强控制器，控制光源模组的出光。通过采集探测光束和参考光束分别在开与关两种状态下的数据并进行差分处理，达到消除背景噪声的效果。

本发明提出的一种直线度检测方法，包括以下步骤：

1、产生精确准直、互相平行且具有正交线型光斑的探测光束和参考光束，沿待测物体边缘方向投射；

2、采用不少于三个光束取样器分离出多组次级探测光束和参考光束，并分别投射至待测物体边缘位置的周围，使得探测光束的一部分被待测物体边缘遮挡；

3、利用光束位置探测器同时采集探测光束和参考光束的光斑，并将信号传输给数据处理单元；

4、数据处理单元计算出每个光束位置探测器传回的图像中待测物体边缘到参考光束之间的距离，得到一组距离数据集合X₁, X₂ … X_n；

5、对这个距离数据集合进行拟合，可得到表示待测物体边缘的曲线，计算该曲线与直线之间的差值，可以得到待测物体边缘的直线度。

其中，放置多个光束取样器后，应调节各光束取样器的倾角，使得各次级参考光束相互平行。

为了让探测光束和参考光束的光斑更容易清晰成像，可以在光斑处安置成像屏。若待测物体表面足够平整并具有一定反射性，则待测物体本身可作为成像屏。

本发明所提出的直线度检测方法的检测精度受光束位置探测器的探测精度限制。因此，提高探测单元的探测精度，如探测器的像元数，可提高检测系统的精度。

本发明所提出的直线度检测方法通过设置多组光束取样器和光束位置探测器，获取多组待测物体边缘位置信息，并据此拟合待测物体的边缘曲线并计算其直线度。因此，增加光束取样器和光束位置探测器的数目，可增大拟合样本数量，提升待测物体边缘曲线拟合的精度。

本发明所述直线度检测方法通过实时采集待测物体边缘位置信息，检测快速，尤其适合在线应用。

附图说明

图1为本发明实施方式的一种直线度检测装置示意图；

图2为本发明的一种光源模组示意图；

图3为本发明另一种光源模组示意图；

图4为次级探测光束和参考光束在成像屏上投射光斑示意图；

图5为次级探测光束和参考光束在物体表面投射光斑示意图；

图6为几种光束位置探测器直接探测的安置示意图；

图7为探测光束被遮挡边缘位置到参考光束中心距离数据集合的示意图。

具体实施方式

为更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明的优选实施方式进行详细描述。

图1所示为本发明的一种应用实例，为一种碳纤维板拉伸生产线，待测物体为连续拉伸的碳纤维板材。装置包括：光源模组10、光束取样器15、光束位置探测器16、数据处理单元11、待测物体14、检测平台18以及固定在支撑平台18上的成像屏17和压辊19。

图2为光源模组10的一种形式，采用一只激光器21，通过分光镜22将光分成两路，分别采用柱面透镜组24将两束光在相互垂直方向扩展为线状光束，即检测光束12和参考光束13，并通过第二个分光镜22再组合在一起，并保证两只光束完全平行。

图3为光源模组的另一种形式，采用两个激光模块，产生分别是波长为650nm的红色参考光束13和波长为532nm的绿色探测光束12。两只光束通过柱面透镜组24转变为线形光束，线形方向相互垂直。在两光束交点位置放置分光镜22，使得两束光耦合为相互平行的十字线光束。激光控制器20用于控制激光器21和26的光输出，以便于实现差分检测。

光束取样器15放置于光源模组10的出射光路上，拾取少部分探测光束12和参考光束13并投射在待测物体20的边缘附近，使得部分探测光束12被待测物体14边缘所切割，并在成像屏17上产生锐利边界以便于确定边缘位置，如图4所示。由于需要至少三点才能确定一条曲线，因此本发明需要采用三个以上光束取样器15来确定待测物体14边缘的直线度。

每个光束取样器15都配有一个光束位置探测器16，用于探测由光束取样器15拾取的次级探测光束和参考光束投射在成像屏17上所形成的光斑，并传输给数据处理单元11；数据处理单元11与每个光束位置探测器16连接，用于计算待测物体14边缘的投影位置到参考光束13中心的距离。

如果待测物体比较厚大，分光出来的探测光束12在投射到成像屏17的时候可能会受到待测物体侧面的影响，因此也可以将参考光束13直接投射到物体表面，如图5所示，将待测物体表面作为成像屏。

支撑平台18用来安置上述各检测装置，其中压辊19固定于支撑平台18两侧，用于限定待测物体14，避免其在运动过程中发生大幅晃动，影响检测精度。

光源模组10、光束取样器15和光束位置探测器16固定于待测物体14的上方边缘位置，使得探测光束部分被待测物体14遮挡。其中通过调节光束取样器16的倾斜角，使得拾取的探测光束和参考光束的传播方向垂直于待测物体14的表面，保证参考光束投射在成像屏17上的光斑处于同一直线上。

采用上述装置进行物体直线度检测时，待测物体14保持匀速运动，光束位置探测器16实时采集位置信号并传输给数据处理单元11，计算各光束位置探测器16处待测物体14边缘位置距参考光束的距离，得到一组距离数据集X₁, X₂ … X_n，如图6所示。对该距离数据集进行拟合，可得到待测物体14边缘的曲线，计算该曲线与直线之间的差值，可以得到待测物体14边缘的直线度。

上述光束位置探测器16采用对成像屏成像的方式进行检测，但也可以采用直接成像方式，如图6所示，不需要成像屏17，而是直接将光束位置探测器安置在探测光束和参考光束的光斑位置，图6（a）中的探测单元为一维阵列探测器30；图6（b）中采用的是二维阵列探测器31；图6（c）示意的是采用不同波长的激光作为探测光束12和参考光束13，首先采用二向色镜将探测光束12和参考光束13分开，再采用两个位置传感器32分别检测两个光斑的位置。

以上对本发明的描述为说明性的，而非限制性的，因此任何在本权利要求书的范围内对其进行修改、变化及等效，都将落于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光边缘直线度检测装置，其特征在于包括：

光源模组，用于产生准直且相互平行的探测光束和参考光束，沿待测物体边缘延伸的方向平行投射；

光束取样器，用于分取少量所述探测光束与参考光束，并投射到待测物体边缘附近，使得所述探测光束的一部分为所述待测物体边缘所分割；

光束位置探测器，用于采集所述探测光束与参考光束的相对位置信息；

数据处理单元，用于对多个所述光束位置探测器采集的数据进行处理，获得所述待测物体边缘的拟合曲线，并对所述待测物体边缘直线度进行判定。

2.根据权利要求1所述检测装置，其特征在于，所述探测光束为线形光斑，线形方向与所述待测物体边缘垂直。

3.根据权利要求1所述检测装置，其特征在于，所述参考光束（13）为线型光斑，线形方向与所述待测物体边缘平行。

4.根据权利要求1所述检测装置，其特征在于，所述探测光束与参考光束采用不同波长，在图像处理时，利用色彩通道进行两个所述光束的图像分离。

5.根据权利要求1所述检测装置，其特征在于，所述光束位置探测器为线性位置传感器。

6.根据权利要求1所述检测装置，其特征在于，所述光束位置探测器为二维图像传感器。

7.根据权利要求1所述检测装置，其特征在于进一步包括用于控制所述探测光束和参考光束输出开关的激光控制器，所述光束位置探测器分别采集所述探测光束和参考光束开与关两种状态下的图像并进行差分处理，以降低背景噪声。

8.一种激光边缘直线度检测方法，其特征在于包括以下步骤：

采用激光器产生精确准直、互相平行且具有正交线型光斑的探测光束和参考光束，沿待测物体边缘方向投射；

采用至少三个光束取样器，提取出多组次级探测光束和参考光束，分别投射至所述待测物体边缘附近，使得所述探测光束的一部分被所述待测物体边缘所分割；

利用光束位置探测器同时采集所述探测光束和参考光束的光斑信息，并将信号传输给数据处理单元；

所述数据处理单元计算出每个探测光束中由所述待测物体边缘所产生的投影到所述参考光束中心的距离，得到一组距离数据集合X₁, X₂ … X_n；

对所述距离数据集合进行拟合，得到代表所述待测物体边缘的曲线，计算所述曲线与直线之间的差值，得到所述待测物体边缘的直线度。

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