倍频差分抗干扰镜面反射正交成像的环焊缝检测装置及方法与流程

本发明属于焊缝检测技术领域，尤其涉及一种倍频差分抗干扰镜面反射正交成像的环焊缝检测装置及方法。

背景技术：

越来越多的机电一体化设备应用于工业和生活之中，随着近年来激光焊接技术的推广应用，大量的电子电力器件的焊接均采用了激光焊接技术，其中环焊缝为代表的焊接工业得以大量应用，同时由于环焊缝的视觉检测具有轴向对称的特性，且工业生产环境光学条件复杂，目前的基于漫反射成像技术的面成像机器视觉技术在检测应用过程中显现出了不良的应用效果，因此抗光干扰、基于环焊缝的针对性技术开发成为一种必然的技术发展方向。本发明利用倍频差分光成像方法结合镜面反射照明成像，再利用圆周运动满足环状检测需求，实现了对焊缝全缝的高一致性、抗干扰的镜面反射照明成像，通过镜面反射照明成像方式，凸显了焊缝的焊接细节，为后续的人工或智能识别奠定了基础。

目前相关的研究和专利情况如下：

(1)检测样品与管道或管状结构有关；(2)采用新结构或多结构集成实现不同领域的缺陷检测；(3)与新材料、新工艺等相关；(4)采用超声波、电磁原理和相关结构。在上述(1)中，各种技术创新主要集中于管状结构中，对环状焊缝没有更多研究和创新；在上述(2)中，各种技术创新主要集中在新结构、多结构在焊缝检测中的应用，对环境干扰因素没有过多创新；在上述(3)中，各种技术创新主要集中在新材料、新工艺在焊缝检测中的应用，对环状焊缝和环境因素均未关注；在上述(4)中，各种技术创新主要集中在超声波、电磁等原理在焊缝检测中的应用，对机器视觉检测没有更多创新。

综合分析得出，目前焊缝检测技术主要集中于管状结构的样品、新结构和多结构等机械结构的调整、新材料和新工艺的应用以及超声波和电磁的应用等4方面。在对焊缝缺陷检测应用中，由于存在自然光等环境因素的干扰，需要提取高质量的样品图片，而目前检索并未涉及环境因素，并且现在存在环状焊缝的检测的需求，目前检索多数均为管状结构样品。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种倍频差分抗干扰镜面反射正交成像的环焊缝检测装置及方法，克服了在环境光的干扰下得到高质量样品图像，并克服了现今工业缺陷检测体积大问题，实现工程化、小型化和轻量化，可随时随处安装。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供倍频差分抗干扰镜面反射正交成像的环焊缝检测装置，包括支撑旋转机构、工控机、分别与所述工控机连接的步进电机、工业wifi信号端、光源控制器和工业相机、与所述光源控制器连接的led光源以及位于支撑旋转机构的上方的安装顶板，所述工控机、工业wifi信号端、光源控制器、工业相机以及led光源均设置于所述支撑旋转机构上。

再进一步地，所述安装顶板位于环焊缝检测物体的上方。

再进一步地，所述支撑旋转机构与所述安装顶板之间设置有旋转轴承，所述旋转轴承上设置有与步进电机连接的导电滑环。

再进一步地，所述安装顶板包括位于成像焦距处的环焊缝、位于所述环焊缝中心的成像中轴以及与环焊缝的中心轴重合的环焊缝中心轴。

再进一步地，所述安装顶板上设置有安装孔，所述支撑旋转机构通过安装顶板和安装孔与外界固定基座连接。

基于上述系统，本发明还提供了一种倍频差分抗干扰镜面反射正交成像的环焊缝检测方法，包括以下步骤：

s1、输入启动信号；

s2、根据所述启动信号，通过工控机控制光源控制器驱动led光源，并利用倍频差分成像时序以频率f对led光源进行强度调制；

s3、根据所述启动信号，通过工控机利用时序方式控制工业相机，并利用倍频差分成像时序以2f的成像频率对焊接区进行抗干扰的成像处理；

s4、通过工控机控制步进电机转至拍照相位，并当步进电机旋转一圈后，由工控机将成像处理结果通过工业wifi输出至上位机，完成对环焊缝的检测。

进一步地，所述步骤s2包括以下步骤：

s201、根据所述启动信号，通过工控机控制光源控制器驱动led光源；

s202、利用倍频差分成像时序将led光源的输出时序设置为调制频率f的方波；

s203、利用所述调制频率f的方波对led光源进行强度调制。

再进一步地，所述步骤s3包括以下步骤：

s301、根据所述启动信号，通过工控机利用时序方式控制工业相机，并利用倍频差分成像时序将工业相机的成像时序设置为成像频率2f；

s302、利用所述成像频率2f对焊接区进行抗干扰的成像处理。

再进一步地，所述步骤s4包括以下步骤：

s401、通过工控机控制步进电机转至拍照相位；

s402、当步进电机旋转一圈后，将工业相机的原始图片以拍照时间输入，得到拍摄图片；

s403、将拍摄图片与原始图片进行差分运算，得到差分图片，并将差分图片作为成像处理结果；

s404、将所述成像处理结果通过工业wifi输出至上位机，完成对环焊缝的检测。

本发明的有益效果：

(1)本发明使用强度调制频率为f的led光源照明，利用镜面反射原理让产品上焊接区通过工业相机成像，设定工业相机的成像帧率(等同于成像频率)为2f，则利用相机的帧差可实现对焊接区的抗干扰成像，并且通过设计的旋转机构，实现对环形的焊接区的良好成像，确保反射成像光路与焊缝的正交特性及光学条件的一致性，从而极大提升焊缝成像质量，为后续的机器视觉处理奠定基础，有效地克服了在环境光的干扰下得到高质量样品图像，并克服了现今工业缺陷检测体积大问题，实现工程化、小型化和轻量化，可随时随处安装。

(2)本发明中倍频差分抗干扰镜面反射正交成像的环焊缝检测方法，利用倍频差分技术去除环境光干扰，利用镜面反射照明成像原理提高焊缝成像细节的对比度，利用正交成像的方式确保了环焊缝各处的成像一致性，可以有效提升电子元器件中环焊缝及其相似结构的成像清晰度和一致性，为焊接工艺过程的视觉监控提供高品质的图像信息，从而提高在线检测的识别率。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的顶视图。

图3为本发明的整体结构示意图。

图4为本实施例中倍频差分成像时序示意图。

图5为本实施例中成像输出流程示意图。

图6为本发明的方法流程图。

其中，1-支撑旋转机构，2-工控机，3-步进电机，4-工业wifi信号端，5-光源控制器，6-工业相机，7-led光源，8-安装顶板，9-环焊缝检测物体，10-旋转轴承，11-导电滑环，12-环焊缝，13-成像中轴，14-环焊缝中心轴，15-安装孔，16-焊接区。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种倍频差分抗干扰镜面反射正交成像的环焊缝检测装置，包括支撑旋转机构1、工控机2、分别与工控机2连接的步进电机3、工业wifi信号端4、光源控制器5和工业相机6、与所述光源控制器5连接的led光源7以及位于支撑旋转机构1的上方的安装顶板8，所述工控机2、工业wifi信号端4、光源控制器5、工业相机6以及led光源7均设置于所述支撑旋转机构1上。安装顶板8位于环焊缝检测物体9的上方支撑旋转机构1与所述安装顶板8之间设置有旋转轴承10，所述旋转轴承10上设置有与步进电机3连接的导电滑环11。安装顶板8包括位于成像焦距处的环焊缝12、位于环焊缝12中心的成像中轴13以及与环焊缝12的中心轴重合的环焊缝中心轴14。安装顶板8上设置有安装孔15，支撑旋转机构1通过安装顶板8和安装孔15与外界固定基座连接。

本实施例中，如图1所示，启动信号输入的启动下，工控机2控制光源控制器5驱动led光源7以照频率f进行强度调制的照明；同时工控机2按照成像输出流程的时序控制工业相机6，其按照2f的成像频率进行成像；同时工控机2控制步进电机3转动至下一个拍照位；当步进电机3旋转一圈后，工控机2把处理结果通过工业wifi信号端4输出至上位机，最终完成对环焊缝的检测。

如图2所示，针对环焊缝检测物体9上的环焊缝检测，把基于镜面反射照明的旋转成像模块(即支撑旋转机构1)顶部的安装顶板8安装于环焊缝检测物体9的上方，且保证支撑旋转机构1能正常工作，其包括环焊缝12处于成像良好焦距处，成像中轴13位于环焊缝12的焊缝中心，环焊缝中心轴14与环焊缝12的中轴重合。本设置能有效地确保镜面成像光路与焊缝方向正交，确保成像一致性。

如图3所示，支撑旋转机构1围绕环焊缝中心轴14实现旋转，其中安装顶板8和安装孔15实现支撑旋转机构1与外界固定基座的固定功能；旋转轴承10保障支撑旋转结构1通过工控机2在控制步进电机3的驱动下，实现可控的步进旋转；支撑旋转结构1为工控机2、光源控制器5、led光源7、工业相机6、工业wifi信号端4提供结构支撑；工控机2控制光源控制器5驱动led光源7实现强度调制频率为f的照明；工控机2控制工业相机6按照2f的成像频率进成像，并把采集图像按照成像输出流程进行处理；完成一圈的图像采集与处理后，工控机2把处理结果通过工业wifi信号端4无线传输至上位机或云平台；led光源7、工业相机6的成像光路与环焊缝检测物体9上的环焊缝12方向保持正交状态。

如图4所示，led光源7输出时序为调制频率为f的方波，即暗/亮交替为一个周期，其周期频率为f；工业相机6成像时序为成像频率为2f，即相机快门开关/快门开交替为一个周期，其周期频率为2f；确保快门开启的连续两次中，有1次处于led输出为暗、有一次处于led输出为亮；快门开启的时间，不跨越led输出从暗至亮或从亮至暗的变化区域；确保连续两次拍照的成像区域位置保持不变。

如图5所示，在某一个拍照位置，工业相机6的原始图片按照拍照时间序列tk-n,…,tk-2,tk-1,tk,tk+1,tk+2,…,tk+n输出，分别得到拍摄图片pk-n(m,n),…,pk-2(m,n),pk-1(m,n),pk(m,n),pk+1(m,n),pk+2(m,n),…,pk+n(m,n)；把后续图片与前序图片进行差分运算，并把差分后的图片作为系统成像的最终输出图片，这样的图片完全不受外界自然光的干扰。

本发明使用强度调制频率为f的led光源7照明，利用镜面反射原理让环焊缝检测物体9在焊接区通过工业相机6成像，设定工业相机6的成像帧率(等同于成像频率)为2f，则利用相机的帧差可实现对焊接区16的抗干扰成像，并且通过设计的支撑旋转机构1，实现对环形的焊接区16的良好成像，确保反射成像光路与焊缝的正交特性及光学条件的一致性，从而极大提升焊缝成像质量，为后续的机器视觉处理奠定基础。本倍频差分抗干扰镜面反射正交成像的环焊缝检测技术，利用倍频差分技术去除环境光干扰，利用镜面反射照明成像原理提高焊缝成像细节的对比度，利用正交成像的方式确保了环焊缝各处的成像一致性，可以有效提升电子元器件中环焊缝及其相似结构的成像清晰度和一致性，为焊接工艺过程的视觉监控提供高品质的图像信息，从而提高在线检测的识别率。

实施例2

如图6所示，本发明提供了一种倍频差分抗干扰镜面反射正交成像的环焊缝检测方法，其实现方法如下：

s1、输入启动信号；

s2、根据启动信号，通过工控机控制光源控制器驱动led光源，并利用倍频差分成像时序以频率f对led光源进行强度调制，其实现方法如下：

s201、根据启动信号，通过工控机控制光源控制器驱动led光源；

s202、利用倍频差分成像时序将led光源的输出时序设置为调制频率f的方波；

s203、利用调制频率f的方波对led光源进行强度调制；

s3、根据所述启动信号，通过工控机利用时序方式控制工业相机，并利用倍频差分成像时序以2f的成像频率对焊接区进行抗干扰的成像处理，其实现方法如下：

s301、根据启动信号，通过工控机利用时序方式控制工业相机，并利用倍频差分成像时序将工业相机的成像时序设置为成像频率2f；

s302、利用成像频率2f对焊接区进行抗干扰的成像处理；

s4、通过工控机控制步进电机转至拍照相位，并当步进电机旋转一圈后，由工控机将成像处理结果通过工业wifi输出至上位机，完成对环焊缝的检测，其实现方法如下：

s401、通过工控机控制步进电机转至拍照相位；

s402、当步进电机旋转一圈后，将工业相机的原始图片以拍照时间输入，得到拍摄图片；

s403、将拍摄图片与原始图片进行差分运算，得到差分图片，并将差分图片作为成像处理结果；

s404、将所述成像处理结果通过工业wifi输出至上位机，完成对环焊缝的检测。

如图4所示，led光源输出时序为调制频率为的方波，即暗/亮交替为一个周期，其周期频率为f；工业相机成像时序为成像频率为2f，即相机快门开关/快门开交替为一个周期，其周期频率为2f；确保快门开启的连续两次中，有1次处于led输出为暗、有一次处于led输出为亮；快门开启的时间，不跨越led输出从暗至亮或从亮至暗的变化区域；确保连续两次拍照的成像区域位置保持不变。

如图5所示，在某一个拍照位置，工业相机的原始图片按照拍照时间序列tk-n,…,tk-2,tk-1,tk,tk+1,tk+2,…,tk+n输出，分别得到拍摄图片pk-n(m,n),…,pk-2(m,n),pk-1(m,n),pk(m,n),pk+1(m,n),pk+2(m,n),…,pk+n(m,n)；把后续图片与前序图片进行差分运算，并把差分后的图片作为系统成像的最终输出图片，这样的图片完全不受外界自然光的干扰。

本发明使用强度调制频率为f的led光源照明，利用镜面反射原理让环焊缝检测物体在焊接区通过工业相机成像，设定工业相机的成像帧率(等同于成像频率)为2f，则利用相机的帧差可实现对焊接区的抗干扰成像，并且通过设计的支撑旋转机构，实现对环形的焊接区的良好成像，确保反射成像光路与焊缝的正交特性及光学条件的一致性，从而极大提升焊缝成像质量，为后续的机器视觉处理奠定基础。本倍频差分抗干扰镜面反射正交成像的环焊缝检测技术，利用倍频差分技术去除环境光干扰，利用镜面反射照明成像原理提高焊缝成像细节的对比度，利用正交成像的方式确保了环焊缝各处的成像一致性，可以有效提升电子元器件中环焊缝及其相似结构的成像清晰度和一致性，为焊接工艺过程的视觉监控提供高品质的图像信息，从而提高在线检测的识别率。