一种基于共聚焦的多线激光扫描拼缝测量装置及方法

1.本发明属于焊接自动控制技术领域，更具体地，涉及一种基于共聚焦的多线激光扫描拼缝测量装置及方法。


背景技术：

2.利用视觉测量的方式来检测拼缝的位置是自动化焊接领域的一种常用的技术手段。视觉测量为自动化焊接提供精确的位置引导，从而使焊接自动化得以实现，并极大地提高的焊接的精度和稳定性。
3.然而，焊接过程需要高能量来融化金属，焊接过程往往伴随着大量烟雾，飞溅光斑。烟雾会对光线形成一定程度的遮挡，降低拼缝的对比度；飞溅光斑会直接在采集的图像上形成亮斑。这些因素使得视觉测量的稳定性和精确性受到影响。
4.现有的基于视觉的拼缝测量方式主要分为：线激光条纹照明测量和宽场照明测量。这两种方式被广泛应用于自动化焊接。然而，这两种通用的测量方式无法在光学测量上直接的消除烟雾和飞溅光斑的影响，只能通过后期图像处理的方式来处理图像中的噪声。随着自动化焊接技术的发展，以及目前对高质量制造的迫切需求，拼缝测量的稳定和精确性仍需提高。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于共聚焦的多线激光扫描拼缝测量装置及方法，其目的在于，消除焊接过程中烟雾和飞溅光斑的影响，提高拼缝图像质量，进而增强后续拼缝位置检测的稳定性和准确性。
6.为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种基于共聚焦的多线激光扫描拼缝测量装置，包括激光发生组件、分光镜、扫描组件和检测组件，其中：
7.所述激光发生组件用于同时发生n路激光束，n≥2，该n路激光束被所述分光镜反射到所述扫描组件处；
8.所述扫描组件包括振镜，n路激光束分别经振镜扫描后会聚到待焊工件上，在待焊工件拼缝处形成n条激光条纹，进而激光经待焊工件反射按原路回到分光镜处，且激光在扫描组件处偏振方向发生改变，因而再次透射到分光镜后不反射直接进入所述检测组件；
9.所述检测组件包括依次设置的滤光片、第二物镜、检测板和光电倍增管，所述检测板上开设有n个小孔，该n个小孔与n条激光条纹一一对应；返回分光镜的激光经滤光片后，由第二物镜聚焦到小孔处，经过小孔的光信号被光电倍增管接收并转化为电信号，根据该电信号合成得到拼缝图像。
10.作为进一步优选的，n路激光束在待焊工件上聚焦形成的n个激光聚焦点与n个小孔在光学上共轭。
11.作为进一步优选的，所述激光发生组件包括激光光源、准直透镜、反射光栅、平面镜和第一中继透镜，所述激光光源用于产生照明用的激光，所述准直透镜用于将激光准直
为激光束；所述反射光栅用于将准直后的激光束分为n路能量相同的激光，n路激光束的交点在反射光栅上，n路激光束由所述平面镜反射后，经所述第一中继透镜会聚到所述分光镜。
12.作为进一步优选的，所述扫描组件包括依次设置的振镜、第二中继透镜、波片和第一物镜，n路激光束分别经振镜扫描后，通过第二中继透镜到达波片处，激光的偏振方向被波片改变；进而激光被第一物镜会聚到待焊工件上，在待焊工件拼缝处形成n条激光条纹。
13.作为进一步优选的，所述第一中继透镜和第二中继透镜均包括两个同轴设置的凸透镜。
14.作为进一步优选的，还包括控制组件，该控制组件包括高速模拟信号输入输出控制卡和工业计算机，所述高速模拟信号输入输出控制卡的各模拟量输入通道按相同时序采集光电倍增管产生的电信号，进而工业计算机对该电信号进行处理并合成拼缝图像。
15.按照本发明的另一方面，提供了一种基于共聚焦的多线激光扫描拼缝测量方法，其采用上述装置实现，包括如下步骤：
16.所述激光发生组件同时发生n路激光束，该n路激光束被分光镜反射到振镜处；振镜高速振动，n路激光束被振镜扫描为n条激光线会聚到待焊工件上，在待焊工件拼缝处形成n条激光条纹；进而激光经待焊工件反射按原路回到分光镜处，且激光在扫描组件处偏振方向发生改变，激光返回分光镜后不反射，而直接透射并通过滤光片，然后n路激光束由第二物镜分别对应聚焦到n个小孔处，经过小孔的光信号被光电倍增管接收并转化为电信号，根据该电信号合成得到拼缝图像。
17.作为进一步优选的，高速模拟信号输入输出控制卡仅采集振镜沿一个方向扫描时返回的信号，即从振镜开始前向扫描时开始采集数据，直到前向扫描结束，采集周期与振镜每个前向微步的周期一致。
18.作为进一步优选的，所述振镜的一个扫描周期不大于1ms。
19.作为进一步优选的，n等于3。
20.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
21.1.本发明将激光扫描成像与共聚焦检测相结合，通过共聚焦小孔的设计，能直接消除照明光线焦点以外的各种杂光，即消除在焊接过程中飞溅光斑、烟雾散色的光等影响；因而相比传统的线激光条纹照明测量和宽场照明测量方式，本发明具有更强的去噪能力，获取的拼缝的图像信噪比更高，使得后续的拼缝位置检测稳定性和准确性增强。
22.2.本发明通过高速激光逐点扫描的方式，在工件上同时扫描出多条激光线条纹，这样能同时检测到多条激光线条纹。同时，通过使多个共聚焦的成像小孔与工件上的多个并列的扫描点在光学上共轭，达到消除扫描点聚焦局域以外的杂光的目的，这样光电倍增管检测到的经扫描而形成的激光条纹的像将在测量原理上不受外部杂光的干扰。
23.3.优选采用三路激光，可以在尽量降低复杂度的情况下保证得到拼缝图像的准确性；同时振镜一个扫描周期为1ms，三路激光条纹图像会在1ms内完成采集，这样能极大的减小在实时焊接过程中因工件运动造成的图像变形。
附图说明
24.图1为本发明实施例基于共聚焦的多线激光扫描拼缝测量装置的结构示意图；
25.图2为本发明实施例高速模拟信号输入输出控制卡的控制信号示意图；
26.图3为本发明实施例合成的拼缝图像示意图。
27.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-激光光源，2-准直透镜，3-平面镜，4-反射光栅，5-第一凸透镜，6-第二凸透镜，7-振镜，8-分光镜，9-第三凸透镜，10-第四凸透镜，11-波片，12-第一物镜，13-滤光片，14-第二物镜，15-小孔，16-光电倍增管，17-高速模拟信号输入输出控制卡，18-工业计算机，19-待焊工件。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.本发明实施例提供的一种基于共聚焦的多线激光扫描拼缝测量装置，如图1所示，包括激光光源1、准直透镜2、平面镜3、反射光栅4、第一凸透镜5、第二凸透镜6、振镜7、分光镜8、第三凸透镜9、第四凸透镜10、波片11、第一物镜12、滤光片13、第二物镜14、检测板、光电倍增管16、高速模拟信号输入输出控制卡17和工业计算机18，其中：
30.为更清楚说明本发明装置的结构和工作原理，以振镜7振动时所在的平面为xoy面建立空间直角坐标系。
31.所述激光光源1用于产生照明用的激光，所述准直透镜2用于将激光准直为一定的尺寸的激光束，所述反射光栅4将准直后的单路激光分为三路激光，即形成三束能量基本相同的激光束(z轴方向上)，三束激光的交点在反射光栅4上。所述分光镜8用于反射或透射不同偏振方向的光，照明激光第一次透射到分光镜8上后被反射到振镜7上；即三束激光经平面镜3和分光镜8反射，并由第一凸透镜5和第二凸透镜6组成的中继透镜会聚到振镜7上。
32.所述振镜7按图2中的控制信号高速振动，使三路激光分别被扫描成三条激光线；三路激光经过由第三凸透镜9、第四凸透镜10组成的中继透镜后，激光的偏振方向被波片11改变；接着三条激光条纹被第一物镜12会聚到待焊工件19上。具体来说，对于一路激光，振镜7的高速振动使其在xoy面形成一条激光线，实质上待焊工件上的激光条纹为多个激光聚焦点密集排列形成。
33.经待焊工件19的反射，激光沿着原来的光路返回，当激光再次经过波片11时，激光的偏振方向再被改变一次，且返回时n路处于扫描状态的激光束在振镜7处被反扫成n路静止的激光束。具体的，激光两次经过波片11后，其偏转方向发生90度改变；由于激光的偏振方向发生改变，当激光沿着原来的光路再次传播到分光镜8时将不被反射，会直接透射到滤光片13处。这样三路激光通过滤光片13后，由第二物镜14分别聚焦到检测板上对应的三个小孔15上；经过小孔15的光信号被光电倍增管16所接受；进而高速模拟信号输入输出控制卡17上的三个模拟量输入通道按照图2所示的时序采集光电倍增管16所产生的三路电信号，每次触发将采集500个数据点，采集到的三路电信号被传输到工业计算机18上进行处理并合成拼缝图像。
34.具体的，三条激光条纹的间距由反射光栅4分光的角度以及第一凸透镜5、第二凸透镜6和第一物镜12的焦距决定，其长度由振镜7的扫描角度以及对应第三凸透镜9、第四凸透镜10和第一物镜12的焦距决定。
35.通过对光学元件的校准，三路激光在待焊工件上聚焦形成的三个激光聚焦点与检测端的三个小孔在光学上共轭，这样的设计能让工件上聚焦局域外的杂光被三个共聚焦小孔过滤掉。三个激光聚焦点经过振镜扫描形成三条激光线，在扫描过程中，每个独立的激光点均和相应的共聚焦小孔共轭，故而扫描过程中的每个激光聚焦点外的杂光均被去除。这样光电倍增管检测到的经扫描而形成的激光条纹的像将在测量原理上不受外部杂光的干扰。
36.高速模拟信号输入输出控制卡仅采集振镜沿一个方向扫描时所返回的信号，如图2所示，振镜前向扫描的步数为500步。采集卡从振镜开始前向扫描时开始采集数据，直到前向扫描结束，采集周期和振镜的每个前向微步的周期一致，即可以采集到500个数据点。振镜一个扫描周期为1毫秒，占空比为9比1。三路激光条纹图像会在1ms内完成采集，这样能极大的减小在实时焊接过程中因工件运动造成的图像变形。采集的数据经工业计算机处理，可以合成一幅如图3所示的含有三条激光条纹的拼缝图像。由于在光学设计上对非聚焦局域的杂光进行了滤除，合成的拼缝图像信噪比极高。
37.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。