一種線激光傳感器及其三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種焊接技術(shù)，尤其涉及一種線激光傳感器及其三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算 方法，本發(fā)明是適用于在自動化焊接，利用激光視覺測量技術(shù)對焊縫輪廓實(shí)施非接觸式三 維測量的應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著汽車、機(jī)械等行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對焊接的精度和效率要也不斷提高， 但由于焊接的工作環(huán)境惡劣，工作強(qiáng)度大，對工人技術(shù)要求高，越來越少人愿意從事手工焊 接這一行業(yè)，為滿足制造業(yè)的需求，自動化和智能化是焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。目前的自 動化焊接系統(tǒng)大多是基于可編程的示教再現(xiàn)式機(jī)器人系統(tǒng)。"示教編程"指通過下述方式 完成程序的編制：由人工導(dǎo)引機(jī)器人末端執(zhí)行器（如：焊槍）來使機(jī)器人完成預(yù)期的動作， "任務(wù)程序"為一組運(yùn)動及輔助功能指令，用以確定機(jī)器人特定的預(yù)期作業(yè)。"再現(xiàn)"指機(jī)器 人按照示教編程獲得任務(wù)程序，不斷重復(fù)再現(xiàn)。示教再現(xiàn)式的自動焊接技術(shù)，可以嚴(yán)格按照 規(guī)定的運(yùn)動參數(shù)施焊，具有控制精度高，穩(wěn)定性好，焊接質(zhì)量高等特點(diǎn)。但是，當(dāng)工件尺寸較 大，形狀復(fù)雜且不規(guī)則或者焊縫尺寸精度較差時，示教再現(xiàn)技術(shù)就很難適用。
[0003] 為解決上述問題，可以采用激光視覺測量技術(shù)實(shí)時對焊縫特輪廓進(jìn)行三維測量， 計(jì)算特征點(diǎn)之間的位移偏差，利用偏差值對焊接機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時焊接控制。激光視覺測量 技術(shù)是指通過工業(yè)相機(jī)將采集目標(biāo)工件帶有激光標(biāo)記的圖像，傳送給圖像處理系統(tǒng)，根據(jù) 像素分布和亮度、顏色等信息，結(jié)合裝置內(nèi)部的幾何關(guān)系，計(jì)算出測量對象的三維坐標(biāo)。但 是，專門針對自動化焊接領(lǐng)域的通過激光視覺測量技術(shù)對焊縫輪廓進(jìn)行三維測量以控制自 動化焊接裝備進(jìn)行自動跟蹤焊接的傳感器在國內(nèi)卻未見出現(xiàn)，采用激光視覺測量技術(shù)實(shí)時 對焊縫特輪廓進(jìn)行三維測量成為了亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種線激光傳感器，該 線激光傳感器是一種面向自動化焊接裝備的專用線激光傳感器，也是一種基于激光視覺測 量技術(shù)的面向自動化焊接裝備的線激光傳感器，通過此傳感器，能實(shí)時獲得目標(biāo)焊縫輪廓 離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)，使得焊接機(jī)器人能從焊縫輪廓離散點(diǎn)中檢測出特征點(diǎn)，然后根據(jù)前后 檢測到的特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)偏差值確定焊縫位置的偏差量，最后通過偏差量控制焊接機(jī)器 人進(jìn)行跟蹤焊接，從而實(shí)現(xiàn)自動化焊接目的。
[0005] 本發(fā)明的另一目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種應(yīng)用于線激光傳感 器的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法。
[0006] 本發(fā)明的首要目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種線激光傳感器，包括：線激光發(fā) 生模塊、圖像采集模塊和圖像處理及控制模塊。
[0007] 線激光發(fā)生模塊包括半導(dǎo)體激光發(fā)生器和鮑威爾線性棱鏡。半導(dǎo)體激光發(fā)生器功 率為30mW，用于產(chǎn)生足夠亮度的波長為650nm的激光束。鮑威爾線性棱鏡為高透光性組合 透鏡，發(fā)散角度為45°。激光束通過鮑威爾線性棱鏡形成線激光，線激光投射在焊縫表面形 成表征焊縫輪廓特征的激光線。焊接環(huán)境中，440-480、610-700、850-950nm三個波段的弧光 光譜強(qiáng)度最弱，可見光波長越長穿透煙塵能力越強(qiáng)，650nm波長的線激光配合濾光鏡可有效 減少弧光和煙塵干擾。
[0008] 圖像采集模塊包括工業(yè)相機(jī)、定焦鏡頭和濾光鏡。其中，工業(yè)相機(jī)采用德國BASLER 公司生產(chǎn)的ACA型CMOS黑白工業(yè)相機(jī)，分辨率為1282x1026像素，像素尺寸水平方向?yàn)?5. 3um，垂直方向?yàn)?. 3um，具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力；定焦鏡頭采用日本C0MPUTAR公 司的M0814型號百萬像素定焦鏡頭，焦距8mm。濾光鏡直徑30mm，中心波長650nm，透光率 90%，截止深度為（350nm-610nm&690-1100nm)〈0. 1 %，能有效減少弧光對相機(jī)成像干擾。
[0009] 圖像處理及控制模塊包括控制電路、操作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)：
[0010] 控制電路的主要單元包括：美國TI公司的DM3730雙核處理器，處理器集成IGHz 的ARM Cortex?-A8內(nèi)核和800Hz的DSP核，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可快速地執(zhí)行圖像處理 算法；512MB 32位DDR SDRAM ;512MB 16位NAND Flash;雙千兆級工業(yè)以太網(wǎng)接口；觸控顯 不屏；電源；LED指不燈等。
[0011] 操作系統(tǒng)為嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)用于管理控制電路，提供基本的用戶 界面，為控制系統(tǒng)的開發(fā)提供必要的服務(wù)和相應(yīng)的接口。操作系統(tǒng)基于微軟公司的Windows Embedded Compact 6.0嵌入式實(shí)時系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際需求對系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行重新裁剪。
[0012] 控制系統(tǒng)用于管理相機(jī)、激光器等硬件資源以及執(zhí)行圖像處理、數(shù)據(jù)分析和計(jì)算 等任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行在嵌入式實(shí)時系統(tǒng)之上，基于Microsoft Visual Studio 2005平臺 開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)分為四個層次，第一個層次為驅(qū)動程序庫，由各設(shè)備供應(yīng)商提供；第二 個層次為通訊與監(jiān)控程序，它負(fù)責(zé)應(yīng)用程序各模塊之間的實(shí)時通訊與運(yùn)行監(jiān)控；第三個層 次為控制程序?qū)?，它由圖像采集控制模塊、圖像處理控制模塊、測量計(jì)算模塊和人機(jī)交互 模塊四個部分組成，它是整個控制系統(tǒng)的核心。第四層為主控程序?qū)?，它由主控模塊和文件 與數(shù)據(jù)管理模塊兩部分組成。其中，第一、第二和第三層為實(shí)時控制模塊，第四層為協(xié)調(diào)程 序，是非實(shí)時控制程序。
[0013] 第三個層次中的四個模塊功能為：
[0014] 圖像采集控制模塊：通過ACA型相機(jī)的驅(qū)動程序接口控制相機(jī)的采集頻率、圖像 尺寸和圖像格式等參數(shù)；通過控制電壓控制線半導(dǎo)體激光發(fā)生器的功率從而控制激光亮 度。
[0015] 圖像處理控制模塊：該模塊集成若干套圖像處理算法流程，針對特定類型焊縫圖 像調(diào)用相應(yīng)的算法流程對其進(jìn)行處理，獲得測量計(jì)算所需的數(shù)據(jù)。
[0016] 測量計(jì)算模塊：接收來自圖像處理模塊的數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)計(jì)算出焊縫輪廓離散 點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
[0017] 人機(jī)交互模塊：通過人機(jī)交互界面可提供系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，實(shí)時顯示圖像采集處理 信息，控制的開啟和關(guān)閉和數(shù)據(jù)保存等操作。
[0018] 本發(fā)明的另一目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種應(yīng)用于線激光傳感器的三維坐標(biāo) 數(shù)據(jù)的計(jì)算方法，包括以下步驟：
[0019] (1)采用30mm X 30mm標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定板標(biāo)定工業(yè)相機(jī)，獲得工業(yè)相機(jī)內(nèi)參數(shù)和外參數(shù)。
[0020] (2)焊接工件放置于工作臺面，工業(yè)相機(jī)鏡頭正對焊縫如圖3a所示。
[0021] (3)人機(jī)交互界面設(shè)置焊縫類型、工業(yè)相機(jī)參數(shù)和半導(dǎo)體激光發(fā)生器參數(shù)。
[0022] (4)圖像采集控制模塊根據(jù)人機(jī)界面設(shè)定初始化相機(jī)和激光器，控制工業(yè)相機(jī)開 始采集圖像。工業(yè)相機(jī)通過千兆以太網(wǎng)接口把圖像數(shù)據(jù)傳輸給控制電路。
[0023] (5)圖像處理控制模塊接收來自相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)寫入指定的內(nèi)存空間， 然后控制DSP核對該內(nèi)存空間內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理方法根據(jù)設(shè)定的焊縫類型、激 光功率等參數(shù)不同而有所區(qū)別，但總體上包括增強(qiáng)、濾波、二值化、去噪、特征提取等操作。
[0024] (6)經(jīng)圖像處理后得到了測量計(jì)算所需的數(shù)據(jù)。調(diào)用測量計(jì)算模塊，利用這些數(shù)據(jù) 計(jì)算出焊縫輪廓離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
[0025] (7)通過以太網(wǎng)接口輸出三維測量數(shù)據(jù)。
[0026] (8)調(diào)用人機(jī)交互模塊，在人機(jī)界面上顯示測量結(jié)果。
[0027] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0028] 自動化焊接裝備已經(jīng)在國內(nèi)的汽車、工程機(jī)械、以及集裝箱生產(chǎn)等許多領(lǐng)域逐步 得到了應(yīng)用。在焊接環(huán)境和焊接要求復(fù)雜程度不斷加大的情況下，示教式的自動化焊接技 術(shù)已經(jīng)很難滿足某些領(lǐng)域的生產(chǎn)要求。通過激光視覺技術(shù)實(shí)時測量焊縫輪廓三維坐標(biāo)以確 定焊縫的準(zhǔn)確軌跡的精度測量卻未見國內(nèi)有相關(guān)裝置出現(xiàn)，本發(fā)明依此提出，通過研制一 種專用測量傳感器，對焊接工件的焊縫輪廓進(jìn)行實(shí)時三維測量，將三維坐標(biāo)傳送給焊接機(jī) 器人或其他上焊接自動化裝備，自動化裝備根據(jù)焊縫三維坐標(biāo)實(shí)時進(jìn)行自動化跟蹤焊接。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明面向自動化焊接裝備的線激光傳感器結(jié)構(gòu)組成圖；其中，1為輸出以 太網(wǎng)接口，2為LED指示燈，3為雙核處理器，4為DDR SDRAM，5為電源，6為輸入以太網(wǎng)接口， 7為觸控顯示屏，8為NAND FLASH，9為線激光發(fā)生模塊，10為工業(yè)相機(jī)，11為定焦鏡頭，12 為濾光鏡，13為焊縫，14為焊接工件。
[0030] 圖2是本發(fā)明的線激光發(fā)生模塊和圖像采集模塊的安裝示意圖；圖中，15為鋁合 金機(jī)架。
[0031] 圖3a是本發(fā)明對焊縫輪廓進(jìn)行三維測量的示意圖；其中，16為圖像采集模塊，包 括工業(yè)相機(jī)10、定焦鏡頭11和濾光鏡12。
[0032] 圖3b是本發(fā)明測量焊縫輪廓高度坐標(biāo)的原理圖。
[0033] 圖3c是本發(fā)明測量焊縫輪廓橫坐標(biāo)和縱坐的原理圖。
[0034] 圖4是本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限 于此。
[0036] 實(shí)施例
[0037] 如圖1所示，為面向自動化焊接裝備的線激光傳感器結(jié)構(gòu)組成圖，傳感器由線激 光發(fā)射模塊9、圖像采集模塊16和圖像處理及控制模塊組成：
[0038] 線激光發(fā)生模塊9功率30mW，由半導(dǎo)體激光發(fā)生器和鮑威爾線性棱鏡組成，產(chǎn)生 波長650nm的線型激光；
[0039] 圖像采集模塊16包括ACA型CMOS黑白工業(yè)相機(jī)10、M0814型定焦鏡頭11和30mm 直徑濾光鏡12,用于采集圖像。
[0040] 圖像處理及控制模塊包括控制電路、操作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
[0041] 控制電路的主要單元有：輸出千兆以太網(wǎng)接口 I ;LED指示燈2 ;美國TI公司的 DM3730雙核處理器3,集成IGHz的ARM CortexTM-A8內(nèi)核和800Hz的DSP核；512MB 32位 DDR SDRAM 4 ;電源5 ;輸入千兆以太網(wǎng)接口 6 ;觸控顯示屏7 ;512MB 16位NAND FLASG 8等。