本章介绍了结构光视觉传感器原理及测量系统的组成，对现结构光视觉传感器进行优化和设计。焊 接过程中存在多种强烈干扰，例如弧光、飞溅、烟尘等，由于各种干扰相互影响，从而会使焊枪偏离焊 缝中心，导致焊接质量下降。为了实现焊接自动化及智能化，必须消除这种偏差，目前采用传感器来获 取偏差信息，然后通过纠偏控制，使焊枪始终保持在焊缝的中心位置上。其中因视觉传感器具有高精度、
可提供丰富的信息量、非接触测量、适于各种坡口等优点，在实际应用较广。对视觉传感器进行设计和 优化需要解决的问题：
(1) 如何使视觉传感器获取清晰的图像，提高抗干扰能力；
(2) 如何减小传感器体积。
§2-1 实验系统的总体构件设计
基于结构光视觉传感的焊缝跟踪系统，其硬件主要由焊件、焊接系统、视觉传感器、图像采集卡、
工控机、labVIEW 运动控制卡、移动焊接机器人、十字滑块组成。系统结构图如 2.1 所示。
图 2.1 焊缝跟踪系统硬件组成
Fig.2.1 Hardware structure of seam tracking system
本系统视觉传感器与焊枪固定在十字滑块上，由十字滑块调整焊枪位置，上下、左右两组步进电机 驱动十字滑块。在焊接作业时，CCD 摄像机采集坡口上的结构光图像，将模拟信号送入工控机中的图 像采集卡，图像采集卡将模拟信号转化为数字信号，再由工控机进行一系列图像处理，得出焊枪在焊缝 中的位置，计偏差偏差，并将偏差传送给LabVIEW 多轴运动控制卡，根据一定的控制策略来驱动十字 滑块或移动机器人电机，最终消除偏差。十字滑块由电机和螺杆组成，具有两个自由度，可上下、左右 运动，其目的是跟踪较小的焊缝偏差。
§2-2 结构光视觉传感原理
半导体激光器发出的光经过组合透镜和柱状透镜后形成“一”字形结构光，其结构如图2.2 所示。
图 2.2 线性激光器结构图 Fig. 2.2 The structure of line laser
在气体保护氩弧焊中，弧光波长在150-200nm、590-650nm 和 890-935nm 范围内较弱[53]。图2.3 为 CCD 的光谱响应曲线，从中可以看出激光器的波长在 400-650nm 范围内时，摄像机有较大的响应。故 本课题选用中心波长为635nm、功率为 100mw、红光激光器。
1.0
0.5
0400 600 800 1000 波长λ/nm
图 2.3 CCD 摄像机的光谱响应曲线 Fig. 2.3 Spectrum curve of CCD camera
线结构光视觉传感器主要由半导体激光器和CCD 摄像机等元件组成，其中 CCD 摄像机和半导体 激光器成已知角度β[54]，这样可以直接获取焊缝的二维半信息。在焊接过程中，半导体激光器发出“一”
字形结构光照射在待焊工件表面上，经过滤光系统保留有效波长的光，然后由CCD 摄像机采集进工控 机。由于激光器和摄像机成一定角度β，当“一”字形光照射到工件表面时，由于坡口各处与母材深度 不同，故反射到摄像机上的位置就不同，即CCD 摄像机采集到的“一”字形结构光图像会发生变形，
变形的程度反映出待焊焊缝信息。线结构光视觉传感器结构原理如图2.4 所示。
图 2.4 结构光视觉传感器结构原理图
Fig. 2.4 The principle of the structured light visual sensor
§2-3 结构光视觉传感系统的设备选择
2-3-1 传感器壳体
传感器壳体材料是经煮黑处理的铝板，煮黑处理后可减弱光线在壳体内反射，尽量避免因反射产生 的干扰。
2-3-2 激光器的选择
激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件，其具有高亮度、高 方向性，很适合做为主动光源。激光器按工作物质可分为：自由电子激光器、气体激光器、液体激光器、
固体激光器、半导体激光器这五类。考虑到视觉传感器体积应尽量小，而半导体激光器激光器具有体积 小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等优点，所以本系统采用红光“一”字形半导体激光器，如图 2.5 所示。由于线的宽度会影响到后续的图像处理，并且较宽的条纹不能检测小间隙或小坡口的焊缝，
故线宽应越细越好。本系统激光器的主要技术参数如表2.1 所示。
图 2.5 红光“一”字激光器 Fig. 2.5 Line laser with red light
表 2.1 激光器主要技术参数 Table 2.1 Main technical parameters of laser
型号 波长 工作电压 发散角 线宽（1M 处） 光学系统 工作温度 外形尺寸
LH-L6353DL 635 nm 3DCV ≥90° 2mm 光学镀膜
玻璃透镜 -10℃～+60℃ Φ12X50
2-3-3 CCD 摄像机及镜头的选择
选择CCD 时需要考虑其体积应小、功耗小、寿命长、抗干扰能力强等方面，目前市场上常见的 CCD 尺寸如表2.2 所示。
表 2.2 CCD 尺寸
Table 2.2 The specifications of CCD
规格（Inch） 长（mm） 宽(mm) 对角线(mm)
1/4” 3.2 2.4 16
1/3” 4.8 3.6 6
1/2” 6.4 4.8 8
2/3” 8.8 6.6 11
1” 12.7 9.6 16
本系统的工作距离为60mm，考虑实际坡口大小，摄像机的视场大小大于5050mm 即可满足要求。
由式（2.1）可以计算出镜头焦距。
W H f P
（2.1）
式中， f 为镜头焦距；P为CCD 传感器的长度；H为工作距离；W为视场范围。
所以本系统CCD 摄像机选用 WAT-704R 型号的超低度黑白摄像头，如图 2.6 所示。
图 2.6 WAT-902DM2 型 CCD 摄像机 Fig. 2.6 WAT-902DM2 CCD camera 此型号CCD 摄像机的主要参数如表 2.3 所示：
表 2.3 CCD 摄像机主要参数
Table 2.3 Main technical parameters of camera
有效像素数 像素尺寸 最低照度 传感器
) ( 597 ) (
537
H
V7 . 3
m(
H) 4 . 7
m(
V)
0. 08Lux F2.0 1/4” Interline CCD自动电子快门时间 解析度 信噪比 尺寸
1/50～1/100000 380Lines ＞46dB 37
18 摄像机镜头选用固定焦距为 f 3.8mm的配套镜头。2-3-4 滤光片组的选择
在焊接过程中不可避免的要产生强烈的弧光，弧光的强度远远大于激光器产生的强度，有可能会淹 没信号。为了减少弧光的影响，通常会在摄像机前增加滤光片或滤光片组，这样可使激光特定波长范围 的光通过，进入CCD 摄像机。由上文可知，激光器的波长为 635nm，所以选择中心波长为 635nm，带 宽为±10nm 的滤光片。但仅安装带通滤波片的滤波效果并不理想，因为波长在 635nm 附近的弧光也会 通过滤光片，弧光的干扰还是十分严重。中性滤光片均匀减弱光强度而不改变光谱成分，这种滤光作用 是非选择性的，只起到减弱光线的作用。所以使用中性滤光片可以消除通过带通滤光片的弱光干扰。
半导体激光器发出的光是线偏振光[55]，线偏振光是有方向性的，同样偏振片也具有方向性。当偏 振光透过偏振片时，如果偏振光的振动方向和偏振片的投射方向平行时几乎不受阻挡，如果偏振光的振 动方向与偏振片的投射方向成90°时几乎不能通过。所以可以在摄像机镜头前加偏振片，可有效的减 少进入CCD 的干扰信号，使后续图像处理简单，加快图像处理速度。
因此本系统选用带通滤光片、中性滤光片和偏振片组成的滤光片组。主要技术参数如表2.4 所示：
表 2.4 滤光片组主要技术参数
Table. 2.4 Main technical parameters of optical filters
φ 12x 50
≤0.0 5 200 -110 0nm
＞ 88
± 10nm 6 35nm
尺 寸(m m) 截 止深 度（% ）
截 止区 间 透 射比（ ％）
带 宽FB 中心 波长
表 2.4. 1 带通 滤光 片主 要技 术参 数
φ 12x1 50 ±5％
6 35nm
尺 寸(mm ) 平均 透射 比
衰 减波长
表 2.4.2 中性 滤光 片主 要技 术参 数
φ 12x1
＞45
＞ 100
＞ 50 6 35nm
尺寸 (mm ) 视场 角(° )
消光 比(％ ) 透射 率(％ )
偏振 波长
表 2.4.3 偏振 片主 要技 术参 数
2-3-5 图像采集卡的选择
选择图像采集卡需要考虑其支持的视频格式是否与CCD 摄像机相匹配，接口的形式和最大分辨率 是否满足要求及选择色彩模式。本系统选用的图像采集卡为大恒图像公司开发的基于PCI 接口的 DH-CG410 彩色/黑白采集卡，如图 2.7 所示。
图 2.7 DH-CG410 图像采集卡 Fig. 2.7 DH-CG410 image capture card 主要性能指标如下：
2-3-6 挡板和防飞溅透明片
视觉传感器前端有滤光组合镜片，激光照射到镜片上会产生折射和反射，部分反射光很可能进入 CCD，影响传感器精度。为了提高传感器采集图像质量，减少激光反射的影响，除了将传感器外壳进 行煮黑处理外，还需在CCD 侧面加一挡板，阻挡玻璃反射的激光，使其不能被 CCD 采集。
在焊接过程中，由于飞溅和弧光的干扰强烈，CCD 采集到的焊缝坡口图像具有很强的噪声，增加 了图像处理难度和处理时间。因此也需要在传感器与焊枪间加一挡板，阻挡一部分弧光和飞溅在焊接时 进入CCD 的采集范围。
防飞溅透明片的作用是保护滤光片组不受飞溅的损伤。
§2-4 结构光视觉传感器的结构设计
2-4-1 CCD 摄像机与半导体激光器位置布局关系
视觉传感器的重要组成部分是CCD 摄像机和半导体激光器，所以首先要确定 CCD 摄像机和半导 体激光器的位置关系。CCD 摄像机与半导体激光器的相互位置关系主要有以下三种：（1）CCD 摄像机 倾斜，光源垂直；（2）CCD 摄像机倾斜，光源倾斜；（3）CCD 摄像机垂直，光源倾斜。典型布局如图 2.8 所示。
图 2.8.1 CCD 摄像机倾斜，光源垂直 图 2.8.2 CCD 摄像机倾斜，光源倾斜
图 2.8.3 CCD 摄像机垂直，光源倾斜 图 2.8.4 CCD 摄像机垂直，光源倾斜 图 2.8 CCD 摄像机与半导体激光器的相互位置关系
Fig. 2.8 The positional relation between camera and laser
目前，视觉传感器的三种结构方式都有应用，例如瑞典Selcom 公司的 Laser Track 和 Seam Finder 焊接视觉传感器采用第一种方式，英国Meta 公司的 Meta Torch 系列焊接视觉传感器采用的是第三种种 方式[56]。若采用CCD 摄像机倾斜，光源垂直照射，虽然坐标变换简单[57]，但在焊接过程中会有大量的 弧光进入CCD，对图像产生强烈干扰，不利于提取图像；若采用双斜机构，虽然可以减少弧光干扰，
但是传感器的体积会很大，不满足传感器体积小的要求；若采用CCD 摄像机垂直，光源倾斜的结构方 式，虽然在确定焊接接头垂直截面的形状和尺寸比较麻烦，但这种方式传感器测量误差明显小于第一种 情况[58]，而且尺寸较小。虽然图2.8.3 也属于 CCD 摄像机垂直，光源倾斜的结构，但这种结构 CCD 离 焊枪较远，对跟踪精度及实时性影响很大。故选用图2.8.4 为视觉传感器内部结构。
2-4-2 激光器与 CCD 摄像机夹角设计
根据上面的结论，CCD 摄像机垂直工件，激光器倾斜放置，然后确定两者之间的夹角β。国内南 昌大学的刘南生和郭昌荣等人对此进行了详细的研究，他们通过进行CCD 摄像机垂直接收、激光器倾
根据上面的结论，CCD 摄像机垂直工件，激光器倾斜放置，然后确定两者之间的夹角β。国内南 昌大学的刘南生和郭昌荣等人对此进行了详细的研究，他们通过进行CCD 摄像机垂直接收、激光器倾