使用侧向光构建光影特征的盖面焊前焊缝检测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接自动化领域，特别涉及一种使用侧向光构建光影特征的盖面焊前 焊缝检测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 盖面焊前焊缝轨迹在线检测在焊接过程实时跟踪等应用场合具有重要意义。目 前，结构光方法被广泛应用于焊缝检测领域，然而在盖面焊前焊缝轨迹检测场合，特别在焊 缝与母材表面高度差低至Imm甚至更低的场合，焊缝表面的几何结构特征变得十分微弱， 结构光光条畸变特征的缺失将导致无法有效准确识别焊缝轨迹。目前，尚未有一种能适用 于以上场合的焊缝轨迹检测装置及方法。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提出一种使用侧向光构建光影特征的 盖面焊前焊缝检测装置及方法，该发明旨在解决目前技术存在的过分依赖焊缝宏观几何结 构特征、检测精度和适用性受限等问题，以求实现盖面焊前焊缝轨迹自动识别，特别针对焊 缝与母材表面高度差低至Imm甚至更低的盖面焊前焊缝轨迹自动检测场合。
[0004] 本发明的技术方案如下：
[0005] 一种使用侧向光构建光影特征的盖面焊前焊缝检测装置，其特征在于：包括面光 源阵列、成像元件和处理控制单元；所述面光源阵列包含至少两个面光源，所述面光源分别 放置在待检测焊缝两侧，同侧的面光源发出的光线投射在另一侧的待检测焊缝与母材的边 缘处；所述面光源、待检测焊缝与所述成像元件的相对位置满足：成像元件采集每个面光 源的主轴光线经坡口侧壁的镜面反射光，且成像元件不采集每个面光源的主轴光线经母材 和待检测焊缝表面的镜面反射光；所述面光源阵列与处理控制单元通过导线相连；所述成 像元件与处理控制单元通过导线相连，或通过无线传输方式通讯；所述处理控制单元处理 成像元件采集的图像；
[0006] 本发明所述的盖面焊前焊缝检测装置，其特征在于：所述成像元件为电荷耦合器 件、互补金属氧化物半导体成像器件、位置敏感器件或电荷注入器件；所述成像元件的敏感 波长范围大于或等于所述面光源的发光波长范围；
[0007] 本发明提供的一种使用侧向光构建光影特征的盖面焊前焊缝检测方法，其特征在 于该方法包括以下步骤：
[0008] 1)将位于待检测焊缝两侧的所有面光源同时点亮，或位于待检测焊缝不同侧的面 光源交替点亮；
[0009] 2)所述面光源发出的光线投射在待检测焊缝边缘处，所述处理控制单元控制所述 成像元件采集图像，所述成像元件将采集的焊缝表面灰度图像传输至所述处理控制单元， 处理控制单元对所述焊缝表面灰度图像进行预处理：
[0010] a)若将位于待检测焊缝两侧的所有面光源同时点亮，所述处理控制单元控制成像 元件在所述面光源阵列点亮时采集焊缝表面灰度图像，记为I (X，y)，其中X，y分别是焊缝 表面灰度图像的行坐标值和列坐标值，所述成像元件将焊缝表面灰度图像传输至所述处理 控制单元；处理控制单元使用阈值分割方法，将所述焊缝表面灰度图像I (x，y)转换为二值 图像B(x，y);处理控制单元提取所述二值图像B(x，y)中面积最大的两个连通域，记为札和 R2;
[0011] b)若位于待检测焊缝不同侧的面光源交替点亮，所述处理控制单元发出触发信 号，使成像元件分别在不同侧的面光源点亮时采集焊缝表面灰度图像，分别记为I1 (X，y)和 I2(X，y)，其中X，y分别是焊缝表面灰度图像的行坐标值和列坐标值，所述成像元件将焊缝 表面灰度图像传输至所述处理控制单元；处理控制单元使用阈值分割方法，分别将所述焊 缝表面灰度图像I 1 (X，y)和I2 (X，y)转换为二值图像B1 (X，y)和B2 (X，y);所述处理控制单 元分别提取所述二值图像B1 (X，y)和B2 (X，y)中面积最大的连通域，记为札和R 2;
[0012] 3)设连通域札和R2包含的像素点个数分别为#R i和#R2，连通域R1中的第i个像 素点坐标为（xn，y n)，连通域R2中的第j个像素点坐标为（x2j, y2j)，其中WR1和#R2均是正 整数，i为大于零且小于或等于SR 1的正整数，j为大于零且小于或等于#R 2的正整数；所述 处理控制单元对所述连通域RdP R 2进行处理，提取焊缝与母材的边缘坐标：
[0013] a)若焊缝轨迹与焊缝表面灰度图像列坐标轴夹角大于45°，则计算连通域RJPR2 [0014]所有像素点的平均列坐标另和艿：
【主权项】
1. 一种使用侧向光构建光影特征的盖面焊前焊缝检测装置，其特征在于：包括面光源 阵列（1)、成像元件（2)和处理控制单元（3);所述面光源阵列（1)包含至少两个面光源，所 述面光源分别放置在待检测焊缝（4)两侧，同侧的面光源发出的光线投射在另一侧的待检 测焊缝（4)与母材的边缘处；所述面光源、待检测焊缝与所述成像元件（2)的相对位置满 足：成像元件（2)采集每个面光源的主轴光线经坡口侧壁的镜面反射光，且成像元件（2)不 采集每个面光源的主轴光线经母材和待检测焊缝（4)表面的镜面反射光；所述面光源阵列 (1)与处理控制单元通过导线相连；所述成像元件（2)与处理控制单元（3)通过导线相连， 或通过无线传输方式通讯；所述处理控制单元（3)处理成像元件（2)采集的图像。
2. 如权利要求1所述的一种使用侧向光构建光影特征的盖面焊前焊缝检测装置，其特 征在于：所述成像元件为电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体成像器件、位置敏感器件或 电荷注入器件；所述成像元件的敏感波长范围大于或等于所述面光源的发光波长范围。
3. 采用如权利要求1或2所述装置的一种使用侧向光构建光影特征的盖面焊前焊缝检 测方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 1) 将位于待检测焊缝两侧的所有面光源同时点亮，或位于待检测焊缝不同侧的面光源 交替点亮； 2) 所述面光源发出的光线投射在待检测焊缝边缘处，所述处理控制单元控制所述成像 元件采集图像，所述成像元件将采集的焊缝表面灰度图像传输至所述处理控制单元，处理 控制单元对所述焊缝表面灰度图像进行预处理： a) 若将位于待检测焊缝两侧的所有面光源同时点亮，所述处理控制单元控制成像元件 在所述面光源阵列点亮时采集焊缝表面灰度图像，记为I(x，y)，其中x，y分别是焊缝表面 灰度图像的行坐标值和列坐标值，所述成像元件将焊缝表面灰度图像传输至所述处理控制 单元；处理控制单元使用阈值分割方法，将所述焊缝表面灰度图像I(x，y)转换为二值图像 B(X，y);处理控制单元提取所述二值图像B(X，y)中面积最大的两个连通域，记为&和R2; b) 若位于待检测焊缝不同侧的面光源交替点亮，所述处理控制单元发出触发信号， 使成像元件分别在不同侧的面光源点亮时采集焊缝表面灰度图像，分别记为IiUy)和 I2 (x，y)，其中x，y分别是焊缝表面灰度图像的行坐标值和列坐标值，所述成像元件将焊缝 表面灰度图像传输至所述处理控制单元；处理控制单元使用阈值分割方法，分别将所述焊 缝表面灰度图像L(X，y)和12 (X，y)转换为二值图像& (X，y)和B2 (X，y);所述处理控制单 元分别提取所述二值图像& (X，y)和B2 (X，y)中面积最大的连通域，记为札和R2; 3) 设连通域札和R2包含的像素点个数分别为#R:和#R2，连通域札中的第i个像素点 坐标为（xu,yu)，连通域R2中的第j个像素点坐标为（x2j,y2j)，其中和#R2均是正整数， i为大于零且小于或等于的正整数，j为大于零且小于或等于#R2的正整数；所述处理 控制单元对所述连通域&和R2进行处理，提取焊缝与母材的边缘坐标： a)若焊缝轨迹与焊缝表面灰度图像列坐标轴夹角大于45°，则计算连通域&和1?2所 有像素点的平均列坐标灭和艿：
若乃<y2，则将连通域Ri记为焊缝左边缘区域，将连通域r2记为焊缝右边缘区域；若 艿，则将连通域Ri记为焊缝右边缘区域，将连通域R2记为焊缝左边缘区域；记所述焊 缝左边缘区域为U，所述焊缝右边缘区域为L2;设所述焊缝左边缘区域L:第m行像素点的 列坐标值组成的集合为Qlm，所述焊缝右边缘区域。第m行像素点的列坐标值组成的集合为 Q2m，其中m为大于零且小于或等于所述焊缝表面灰度图像总行数的正整数；逐行扫描所述 焊缝左边缘区域Q和焊缝右边缘区域L2，计算第m行焊缝左边缘点的列坐标Ylm和右边缘 点的列坐标Y2m: Ylm=max(Qlm) Y2m=min(Q2m) 其中，max(Qlm)表示集合Qlm的最大元素，min(Q2m)表示集合Q2m的最小元素；b)若焊缝轨迹与焊缝表面灰度图像列坐标轴夹角小于或等于45°，则计算连通域札 和R2所有像素点的平均行坐标写和毛：
若巧<12，则将连通域Rl记为焊缝上边缘区域，将连通域R2记为焊缝下边缘区域；若 $ ,则将连通域Rl记为焊缝下边缘区域，将连通域1?2记为焊缝上边缘区域；记所述焊缝 上边缘区域为A，所述焊缝下边缘区域为U2;设所述焊缝上边缘区域U:第k列像素点的行 坐标值组成的集合为Plk，所述焊缝下边缘区域％第k列像素点的行坐标值组成的集合为 P2k，其中k为大于零且小于或等于所述焊缝表面灰度图像总列数的正整数；逐列扫描所述 焊缝上边缘区域Ui和焊缝下边缘区域U2，计算第k列焊缝上边缘点的行坐标乂115和下边缘 点的行坐标X2k: Xlk=max(Plk) X2k=min(P2k) 其中，max(Plk)表示集合Plk的最大元素，min(P2k)表示集合P2k的最小元素。
【专利摘要】一种使用侧向光构建光影特征的盖面焊前焊缝检测装置及方法，属于焊接自动化领域。该发明采用面光源照射焊缝边缘，成像元件放置在坡口侧壁镜面反射光轴附近，并避开母材和焊缝表面的镜面反射光轴，采集焊缝表面灰度图像，经处理控制单元进行图像处理后准确提取焊缝轨迹。本发明构建的侧向光照条件能有效凸显焊缝边缘特征信息，焊缝边缘灰度接近饱和，便于快速、准确地提取焊缝轨迹位置；检测精度可达0.04mm，系统结构简单，成本低，实时性好，适用于焊缝与母材表面高度差低至1mm甚至更低的盖面焊前焊缝轨迹自动检测场合。
【IPC分类】G01B11-00
【公开号】CN104776799
【申请号】CN201510170038
【发明人】都东, 曾锦乐, 邹怡蓉, 潘际銮, 常保华, 韩赞东, 王力
【申请人】清华大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月10日