CN1175687A - 用于跟踪和检查边缘或者边界的方法以及设备 - Google Patents

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Abstract

为了跟踪和检查要被焊接在一起的两个金属板坯件(6,7)之间的公共边缘(13),一个光线图形由一个投射器(2)横跨边缘(13)投射,并由一个相机(3)成像。摄取的图像被分析,以从光线的轨迹中获取关于坯件之间的间隙或者边缘轨迹的信息。投射的图形具有多根不同光强的光线。当处理所摄取的图像时,即使金属板坯件的反射特性存在变化,也可以在所获得的图像中选择一根既不太暗也不太亮的光线,因此该光线可用于合理的分析。

Description

用于跟踪和检查边缘或者边界的方法以及设备
本发明涉及在将金属板坯件沿其公共边缘焊接在一起时，用于在焊接之前跟踪边缘和/或在焊接之后检查边缘或焊缝的方法，其中，光以多根光线的形式投射至坯件上，光线横跨边缘延伸，由一个相机摄取的光线图像被鉴定，本发明还涉及在将金属板坯件沿公共边缘焊接在一起时，用于在焊接之前跟踪边缘和/或在焊接之后检查边缘或焊缝的设备，该设备包括一个用于产生多根横跨边缘延伸的光线的装置、一个用于摄取光线图像的摄像装置以及一个用于鉴定图像的鉴定装置。
金属板焊接在一起形成较大的部件(所谓的特制坯件，tailoredblanks)并随后进行成型处理是公知的技术。使用这种“特制坯件”的领域的一个例子是汽车工业。金属坯件的相互焊接可以通过凸点焊接和激光焊接实现。由于焊缝要与坯件一起经过成型处理，因此整个焊缝必须具备良好的质量。
要焊接的坯件被送至焊接点，使要焊接在一起的边缘相互接触。重要的是，聚焦的激光光束应当尽可能精确地跟踪并置的坯件的公共边缘。为此，采用了确定在焊接区域之前的边缘精确轨迹的装置，由此在焊接过程中激光光束能够被相应地引导。一种公知的装置是这样实现的：横跨边缘投射一个恒定强度的光线图形，这个图形由一个相机摄像，所得到的图像由计算机分析，以根据至少一根光线的轨迹获取公共边缘的轨迹或者此点处坯件之间间隙的轨迹。按这种方式，边缘和间隙在焊接区域之前沿整个长度被跟踪，在进行焊接时激光光束被相应地控制。
在焊接区域之后，可以按照相同的方式确定焊缝的轮廓，从而可以检查焊接缺陷。
在焊接之前跟踪边缘以及(尤其是)在焊接之后检查边缘或焊缝时，均会产生这样的问题，即，金属板坯件的反射率变化很大。各个坯件可能具有不同的表面涂层；有油膜或者没有油膜，有光面或者无光面，有烟熏痕迹，等等。由这些因素造成的大的亮度差异可能超出所使用的相机的动态范围，导致光线成像太亮或者太暗，使得图像难以识别或者甚至不能被识别。如果跟踪一个边缘，必须降低移动速率，否则可能产生焊接缺陷；如果检查一个边缘，在某些情况下可能难以检查出缺陷，或者可能将没有缺陷存在的地方当作缺陷。
因此，本发明试图解决的问题是改进开始段落中所述类型的方法和/或开始段落中所述类型的设备，以便能够毫无问题地分析摄取的图像，即使是在不利的条件下。
根据本发明的第一方面，这是分别通过以下技术特征实现的，即：将具有不同光强的光线投射至坯件上；和，光线产生装置设置为可产生不同强度的光线，并且鉴定装置设置为可选择光线，以根据散射或者反射辐射的亮度作出鉴定。投射至坯件上的不同亮度的光线提高了图像的可识别性。对于一个明亮的高反射坯件，鉴定单元可以采用一根低强度的正确成像光线来作出鉴定，而不考虑更高强度的过亮光线。对于一个暗的低反射坯件，具有最大强度的光线可以得到好的结果。按这种方式，在边缘跟踪和边缘检查时均可轻易获得很好的结果。
各光线的光强可以是不同的，例如可以处在15％-100％之间；也可以采用等强度的光线。在一个优选实施例中，采用了五根光线，它们具有的强度为25％(两根光线)、50％(两根光线)和100％(一根光线)。
根据本发明的另一方面，上述问题是分别通过以下技术特征解决的：鉴定装置具有可控的可变曝光控制，并且作为每一次成像鉴定的一部分，要确定是否需要为下一次成像进行曝光修正，如果需要，一个控制信号被发送至相机，以修正曝光；和，摄像装置包括一个具有可控曝光控制的相机，尤其是一个具有可控CCD元件积分时间和/或可控快门速度的CCD相机，并且鉴定装置设置为可输出一个用于摄像装置的控制信号。
在这种情况下，每一次成像分析可确定光线的亮度是否处于规定的限制范围内；如果不是，则产生一个控制信号，此信号在下一次拍摄时对摄像装置的曝光控制起作用，于是下一个像会更亮或更暗。也可以将本发明的这两个方面结合起来，这样，除了使用不同亮度的光线外，还根据刚刚观察到的图像结果对相机曝光进行控制。
根据本发明的第三方面，上述问题是分别通过以下技术特征解决的：用于投射光线的投射器其光强是可控制的，并且作为每一次成像的鉴定的一部分，要确定是否需要为下一次成像修正光线亮度，如果需要，一个控制信号被发送至投射器，以修正光强；和，产生光线的装置包括一个光线投射器，此投射器具有一个用于控制光源光强的控制输入并且，鉴定装置设置为可输出一个用于光线投射器的控制信号。
整个改变投射器的亮度和强度使得有可能对不同坯件的反射率进行补偿。
下面将参照附图详细描述通过举例给出的本发明的实施例，附图中：
图1示意性地示出光线投射器和相机的基本结构；
图2是有一个边缘跟踪设备和两个边缘或焊接检查设备的结构示意图。
图1示出两个坯件6和7，它们并排放置并具有一个公共的边缘13。这些坯件沿边缘13连接在一起，例如通过激光焊接方式。为了跟踪此边缘的轨迹和/或检查焊缝，公知的技术是将多根光线5横跨边缘13投射至所述的边缘以及这两个坯件的相邻区域上。在所示出的例子中，仅仅绘出了三根光线，但可以采用一些其它数目的光线。在成像器3的视域内，光线与边缘13成90°角或者成斜角延伸，特别地成像器3可以是一个CCD(电荷耦合器件)相机。用于投射光线5的投射器2优选地由一个激光光源形成，其前方设置一个衍射光栅，以使光线5作为衍射线而产生。由相机3摄取的图像在一个图像鉴定单元中被分析，以根据至少一根光线5的轨迹确定坯件6和7之间沿边缘13的间隙轨迹，或者，根据具体情况，在坯件被焊接后确定焊缝的轨迹。
图2示出这样一种设备，其中装有多个根据图1的装置，即，一个位于焊接区域前面的装置1和两个跟随在焊接区域之后的装置10和11。从图2可以看出，坯件6和7，例如可在焊接方向上长2m，它们由一个输送器件(未示出)在箭头A方向上运送穿过该设备，并且被精确固定到位。一个具有滚柱8和9的金属整形器械可设置在边缘跟踪装置1之前。通过使较厚的坯件6变形，这个器械使坯件之间的任何间隙降至最小。随后，正如已经描述的那样，由边缘跟踪装置1将一个光线图形横跨边缘13投射，并通过相机观测和鉴定此光线图形，间隙的精确轨迹被确定。例如，可以由投射器横跨边缘投射5根平行光线。由装置1的相机得到的图像通过一个鉴定单元18，此单元确定间隙的精确轨迹。鉴定单元18向一个控制单元14发送控制信号，然后控制单元14控制激光光源15，以使用于焊接坯件6和7的激光光束(仅示意性地绘出)沿边缘13精确地跟踪间隙的轨迹。
在焊接区域之后(即在输送方向上)，并且在激光光束后面，位于焊缝上方设置有一个与图1所示的装置相同的装置10，还在坯件下方设置有一个与图1所示的装置相同的装置11。这两个装置也横跨边缘13、因此也横跨焊缝投射光线。根据光线形成的图像，鉴定单元16和17能够确定焊缝的轨迹，并因此可对各种缺陷进行焊接检查，由于这种检查是公知的，这里将不做详细描述。鉴定单元16和17向控制单元14发送一个合适的信号，控制单元14可向高级控制部分19发送一个信号，以指示由被焊接坯件6和7组成的合成板是否满足或者不满足质量要求。
根据本发明的一个方面，光线5是按照这样的方式投射的，即，不同的光线具有不同的光强。例如，在图1所示的三根光线中，最亮的光线可具有100％的光强，第二根光线可具有60％的光强，而第三根光线可具有30％的光强。在一个优选实施例中，五根光线是作为衍射线投射的。在这个实施例中，中心的零级衍射线具有例如100％的光强。在第一衍射线两侧的每根一级衍射线具有50％的光强，而外侧的每根二级衍射线具有25％的光强。能够满足所述要求的带有激光器和衍射光栅的光线投射器，例如由LASIRIS公司(3549 Ashby，Quebec，Canada)制造的。
由于光线5有不同光强，由相机3摄取的图像可以提供对至少一根光线的良好检测能力，即使沿边缘13坯件表面具有不同的反射率，并且，在由鉴定单元选择了一根或者多根合适的光线之后，就可以提供图像的良好鉴定。按这种方式，间隙的轨迹或者焊缝的轨迹可以被精确地确定，即使是在金属板的表面难以反射光线的条件下。
根据本发明的另一方面，各个相机接收一个曝光控制信号20，如图2所示，该信号由控制单元14发送，但这个信号也可以由相关的鉴定单元18，或者根据具体情况，由16或17直接发送至相机。控制信号20包含这样的信息，即，当相机摄取下一图像时应当选择是长于、短于还是等于前一图像的曝光时间。如果所用的相机是CCD相机，控制信号可以调整CCD元件的积分(integration)时间，而不是曝光时间。根据光线5的前一次成像太暗或者太亮的信息，在下一次拍摄时有关相机的曝光得到修正。因此，这种能力还提高了对所获得的图像中的投射光线的识别力。优选地，无论移动速率如何，积分总是在相同的边缘或者焊缝长度上进行。
本发明的这两个方面还可以结合使用。不同强度的光线可以横跨边缘13投射，并且除此之外，可以采取措施修正各个相机的曝光。合适的相机，尤其是CCD相机，是商业上可以获得的，因此不需要在这里详细描述。
根据本发明的再一方面，投射光线的总亮度是可以控制的。在这种情况下，由鉴定单元的信号要修正的，不是相机的曝光时间或者CCD元件的积分时间，而是光线投射器的亮度。这种情况可以与前述的两个方面之一或者两者结合。这样，投射相同强度光线的光线投射器的亮度是可以控制的，或者，产生不同强度光线的光线投射器的亮度是可以控制的，如上所述。亮度控制还可以与曝光时间或积分时间的控制相结合，在这种情况下，控制单元输出两个控制信号，一个用于投射器，另一个用于相机。
本发明的三个方面可以表示如下：
步骤效果
1.由投射器投射不同强    横跨边缘或焊缝的反射
  度的光线。            率局部差异可以补偿。
2.修正相机CCD元件的     曝光得以调整，并且因此
  积分时间或快门速度    图像总是有相同亮度，
  (优选地总是在相同的   优选地无论移动速率如何总
  边缘或焊缝长度上      具有恒定的分辨率，
  进行积分)。
3.控制光线投射器的      无论金属板坯件的总体反
  基本输出强度。        射特性如何，总可以得到相
                        同亮度的散射或反射光。

Claims (14)

1.一种方法，该方法在将金属板坯件(6，7)沿其公共边缘(13)焊接在一起时，用于在焊接之前跟踪边缘和/或在焊接之后检查边缘或焊缝，其中，光以多根光线(5)的形式投射至坯件(6，7)上，光线横跨边缘延伸，由一个相机(3)摄取的光线的图像被鉴定，其特征在于：具有不同光强的光线(5)被投射至坯件上。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：光线具有的光强在100％-5％之间。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：附加光线被投射，这些光线光强的与所述不同光强的光线中相应的光线光强相等。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于：有五根光线被投射，一根光线具有100％的强度，两根光线具有50％的强度，而另两根光线具有25％的强度。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于：五根光线是由一个衍射光栅产生的，零级衍射的中心线具有100％的强度，位于中心线的两侧的一级衍射线具有50％的强度，而更外侧的二级衍射线具有25％的强度。
6.一种设备，该设备在将金属板坯件(6，7)沿公共边缘(13)焊接在一起时，用于在焊接之前跟踪边缘和/或在焊接之后检查边缘或焊缝，该设备包括：一个装置(2)，用于产生多根横跨边缘延伸的光线；一个摄像装置(3)，用于摄取光线(5)的图像；以及一个鉴定装置(14)，用于鉴定图像，其特征在于：光线产生装置(2)设置为可产生不同强度的光线，并且鉴定装置(14)设置为可选择光线，以根据散射或者反射辐射的亮度作出鉴定。
7.根据权利要求6的设备，其特征在于：光线产生装置包括一个激光光源和一个衍射光栅。
8.根据权利要求7的设备，其特征在于：所述装置设计为可产生五根衍射光线，零级衍射线具有100％的强度，一级衍射线具有约50％的强度，二级衍射线具有约25％的强度。
9.根据权利要求6的设备，其特征在于：摄像装置包括至少一个CCD相机。
10.一种方法，该方法在将金属板坯件(6，7)沿一个公共边缘(13)焊接在一起时，用于在焊接之前跟踪边缘和/或在焊接之后检查边缘或焊缝，其中，光以多根光线(5)的形式投射至坯件(6，7)上，光线横跨边缘延伸，由一个相机(3)摄取的光线的图像被鉴定装置(14)鉴定，其特征在于：鉴定装置(14)具有可控的可变曝光控制，并且作为每一次成像鉴定的一部分，要确定是否需要为下一次成像进行曝光修正，如果需要，一个控制信号被发送至相机，以修正曝光。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于：采用一个CCD相机，并且曝光是通过改变CCD元件的积分时间或相机快门的快门速度来控制的，在所有情况下，积分优选地在边缘或焊缝的一个恒定、任选的长度上进行。
12.一种设备，该设备用于在将金属板坯件(6，7)沿一个公共边缘(13)焊接在一起时，在焊接之前跟踪边缘和/或在焊接之后检查边缘或焊缝，该设备包括：一个装置(2)，用于产生多根横跨边缘延伸的光线；一个摄像装置(3)，用于摄取光线(5)的图像；以及一个鉴定装置(14)，用于鉴定图像，其特征在于：摄像装置包括一个具有可控曝光控制的相机(3)，尤其是一个具有可控CCD元件积分时间和/或可控快门速度的CCD相机，并且鉴定装置设置为可输出一个用于摄像装置的控制信号(20)。
13.一种方法，该方法在将金属板坯件(6，7)沿一个公共边缘(13)焊接在一起时，用于在焊接之前跟踪边缘和/或在焊接之后检查边缘或焊缝，其中，光以多根光线(5)的形式投射至坯件(6，7)上，光线横跨边缘延伸，由一个相机(3)摄取的光线的图像被鉴定，其特征在于：用于所述光线投射的一个投射器其光强是可控制的，并且作为每一次成像鉴定的一部分，要确定是否需要为下一次成像修正光线亮度，如果需要，一个控制信号被发送至投射器，以修正光强。
14.一种设备，该设备用于在将金属板坯件(6，7)沿一个公共边缘(13)焊接在一起时，在焊接之前跟踪边缘和/或在焊接之后检查边缘或焊缝，该设备包括：一个装置(2)，用于产生多根横跨边缘延伸的光线；一个摄像装置(3)，用于摄取光线(5)的图像；以及一个鉴定装置(14)，用于鉴定图像，其特征在于：产生光线的装置包括一个光线投射器，此投射器具有一个用于控制光源光强的控制输入，并且，鉴定装置设置为可输出一个用于光线投射器的控制信号(20)。
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