用于电弧增材制造熔敷道尺寸无滞后实时检测装置及实时检测方法与流程

本发明属于智能化增材制造领域。

背景技术：

在电弧增材制造中，如何无滞后地实时检测熔敷道的宽度和高度信息是个关键问题。

熔敷道尺寸属于几何信息，适合使用视觉传感器进行非接触检测。现有的视觉检测方法包括线结构光主动式视觉检测和CCD被动视觉检测两种，它们都存在一定的局限性。

线结构光传感器是一种常用的主动视觉传感器，可同时检测熔敷道的宽度和高度信息。但是，为了防止电弧弧光对线结构光视觉传感产生干扰，需在传感器与焊枪之间加设挡板，遮挡弧光，并且，传感位置离焊枪有一定的距离(大约35mm)，导致检测信息的滞后问题，如图1所示。另外，随着熔敷道温度升高，物体发射能力逐渐增强，当干扰光光强与结构光信号光强水平相当时，则干扰光会被传感器响应，严重影响检测过程，因此，线结构光传感器不适用于熔敷道高温区域的检测，只能检测熔池后方已凝固的成形金属。

CCD被动视觉传感方法可以直接对熔池高温熔敷金属及其附近区域取像观察，经过适当的图像处理，即可得到实时的无滞后的熔敷道尺寸信息，然而，这种传感方式所得到的图像无法记录深度信息，所得到的熔敷道尺寸信息有限。

因此，迫切需要提出一种结合线结构光主动视觉和CCD被动视觉优点的新的电弧增材制造熔敷道尺寸检测方法，实现熔敷道宽度和高度无滞后检测。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有技术无法实现熔敷道宽度和高度无滞后检测的问题，提供了一种用于电弧增材制造熔敷道尺寸无滞后实时检测装置及实时检测方法。

本发明所述用于电弧增材制造熔敷道尺寸无滞后实时检测装置，该装置包括分区减光元件、线结构光发生器、滤光片、CCD摄像机和镜头；镜头安装在CCD摄像机的成像靶面的前端，镜头内部的前端安装有滤光片，线结构光发生器发射的激光条纹投射至熔池后方，且激光条纹与熔池之间存在距离，焊枪垂直设置在熔池的正上方，焊枪产生的电弧位于熔池的上端；CCD摄像机的成像靶面与镜头之间安装有分区减光元件。

本发明所述用于电弧增材制造熔敷道尺寸无滞后实时检测装置的实时检测方法，该实时检测方法能够实现一幅CCD视觉图像同时看清高温熔敷金属和激光条纹，实现电弧增材制造熔敷道尺寸的无滞后实时检测，具体方法为：分区减光元件控制熔池的进光量低于激光条纹的进光量，使分区减光后熔敷金属光谱辐射强度与激光条纹光强水平相同。

本发明的优点：本发明提出了CCD视觉传感器分区减光的方法，实现了一幅CCD视觉图像同时看清高温熔敷金属以及线结构光条纹，主动、被动视觉相结合的视觉传感系统，实现了电弧增材制造熔敷道尺寸的无滞后视觉传感，解决了现有的电弧增材制造熔敷道宽度和高度同时检测的视觉传感器的滞后问题。该检测装置包括分区减光片、CCD摄像机、一个线结构光发射器以及镜头和滤光片等。分区减光的方法，使减光片的不同区域具有不同的光线透过率，从而控制熔池区域的进光量低于结构光条纹区域的进光量，使分区减光之后熔敷金属光谱辐射强度与线结构光光强水平相当，在CCD宽容度范围之内，即可将二者同时看清。

附图说明

图1是现有技术线结构光传感器安装位置与成像原理示意图；

图2是本发明所述用于电弧增材制造熔敷道尺寸无滞后实时检测装置的结构示意图；

图3是分区减光片B在透镜一倍焦距之外时的光路图；

图4是采用本发明所述无滞后实时检测装置获得的单道熔敷过程图；

图5是采用本发明所述无滞后实时检测装置获得的多道搭接熔敷过程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述用于电弧增材制造熔敷道尺寸无滞后实时检测装置，该装置包括分区减光元件100、线结构光发生器101、滤光片102、CCD摄像机108和镜头109；

镜头109安装在CCD摄像机108的成像靶面107的前端，镜头109内部的前端安装有滤光片102，线结构光发生器101发射的激光条纹103投射至熔池104后方，且激光条纹103与熔池104之间存在距离，焊枪106垂直设置在熔池104的正上方，焊枪106产生的电弧105位于熔池104的上端；

CCD摄像机108的成像靶面107与镜头109之间安装有分区减光元件100。

本实施方式中，分区减光元件100能够控制熔池104的进光量低于激光条纹103的进光量，使分区减光后熔敷金属光谱辐射强度与激光条纹103光强水平相当，在CCD摄像机108宽容度范围之内，将二者同时看清。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，分区减光元件100采用不同大小、不同光线透过率的减光片组成。

本实施方式中，分区减光元件100的不同区域具有不同的光线透过率，因此，焊枪106产生的电弧105、熔池104和线结构光发生器101投射到熔敷道上的激光条纹103都能在CCD摄像机108的成像靶面107上清晰地成像。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述用于电弧增材制造熔敷道尺寸无滞后实时检测装置的实时检测方法，该实时检测方法能够实现一幅CCD视觉图像同时看清高温熔敷金属和激光条纹103，实现电弧增材制造熔敷道尺寸的无滞后实时检测，具体方法为：分区减光元件100控制熔池104的进光量低于激光条纹103的进光量，使分区减光后熔敷金属光谱辐射强度与激光条纹103光强水平相同。

本发明中，在电弧增材制造中，四种光源按照平均亮度递减排序，依次为：电弧弧光、熔敷金属光谱辐射、线结构光、环境光源。为了在保证获得足够成形尺寸信息的前提下实现无滞后视觉传感，需要CCD同时看清高温熔敷金属以及线结构光条纹，并滤除电弧弧光。滤除电弧弧光之后，熔敷金属光谱辐射强度仍然明显高于线结构光光强，而CCD宽容度有限，具体表现为：当高温熔敷金属轮廓清晰时，线结构光条纹因光强不足而无法成像，对应区域一片漆黑。在此基础上调整减光片透过率以及光圈参数来增大进光量，则熔敷金属区域呈现过度曝光，其边界模糊，无法准确体现成形尺寸。所以，常规的减光方法无法满足同时看清高温熔敷金属以及线结构光条纹的需求。本发明采用了分区减光的方法，使减光片的不同区域具有不同的光线透过率，从而控制熔池区域的进光量低于结构光条纹区域的进光量，使分区减光之后熔敷金属光谱辐射强度与线结构光光强水平相当，在CCD宽容度范围之内，即可将二者同时看清。

本发明也适用于电弧焊接的焊道尺寸无滞后实时检测。

如图3所示，当分区减光片B逐渐远离透镜L，移动到透镜一倍焦距F以外之后，从物体表面任意一位置出发的光线只能经过减光片的局部区域，如果该区域光线透过率高，则像点明亮；如果该区域光线透过率低，则像点暗淡，达到了分区减光的效果。同时，分区减光片会在CCD靶面的成实像B′，如果减光片B位于景深之内，则B′为清晰像，如果减光片B位于景深之外，则B′为模糊像。无论是清晰像还是模糊像，其各个区域的明暗程度都取决于减光片对应部分的光线透过率。B′与被测物体的像I相叠加，使分区减光的效果再度增强。

本发明能够实现一幅CCD视觉图像同时看清高温熔敷金属以及线结构光条纹，如图4和图5所示。在所采集的图像中，结构光条纹位于图像下三分之一区域内，减光片在对应的1/3区域具有高透过率，其余2/3区域具有低透过率，高温熔池在此区域清晰成像。可以看出，采用该传感系统，能够清晰地获得熔敷道的熔池宽度以及线结构光条纹形貌，因此这种视觉传感方法结合了主动视觉传感与被动视觉传感的优势，在保证获得足够成形尺寸信息的同时，实现了无滞后检测，适用于电弧增材制造和电弧焊接的熔敷道尺寸实时测量。