|
焊接質量實時在線圖像檢測相機選擇 1. 背景 自動化焊接是當今工業自動化的重要組成部分，而焊接過程中的實時質量檢測與控制則是技術重點和難點。焊接在線實時檢測就是邊焊接邊檢測，發現有質量問題，可立即采取相應措施。 2. 焊接熔池成像關鍵技術要求和視覺系統分類介紹 焊接是在要焊件的工件表面形成局部高溫，形成熔池，熔池冷卻固化完成焊接。整個焊接區域的不同部位發光特性相差很大，焊接中心溫度通常非常高，會形成發出耀眼強光的等離子體，其邊緣是材料熔化后的熔池，熔池溫度較低，只有很弱的光輻射，這使視覺傳感器觀測區域不同部位的光強差異很大，通常大于100dB。焊接在線實時檢測中焊接圖像通常用數字工業相機來攝取，獲得清晰熔池圖像面臨的最大困難是要克服焊接等離子體形成的強光干擾。一般，如果不采取措施，焊接實時檢測圖像獲取系統的入射光強會超過工業相機傳感器的響應上限， 會使一般工業相機的所有或大部分感光單元在其曝光的短時間內達到光照飽和，從而使相機感光單元的輸出達到電飽和，無法重現焊接熔池中心及邊緣部分的圖像細節，熔池圖像的細節會完全丟失。 要獲得在強光等離子體條件下的焊接熔池中心及邊緣部分的清晰圖像，對焊接實時檢測的圖像獲取系統中的關鍵部件數字工業相機提成了一些獨特的技術要求，后續幾個部分我們將討論不同數字工業相機特性差異，并介紹一特別適合焊接實時檢測圖像獲取系統的工業相機。 3. 工業相機特性介紹及其差異 當前應用最廣泛的數字工業相機有CCD數字工業相機和CMOS數字工業相機兩大類。 l CCD數字工業相機 CCD是電荷藕合器件（Charge Coupled Device）的簡稱，它是應用最廣泛的圖像傳感器之一。一個CCD圖像傳感器是成像像元為X-Y縱橫矩陣排列，每個成像像元由一個光電二極管和其控制的一個相鄰電荷存儲區組成。光強增大時，因為電荷存儲區已存儲了很多光生電荷，由光生電荷產生的電場會妨礙像元按線性繼續積累電荷，CCD便進入了飽和區。如果光強進一步增大，電荷存儲勢阱將填滿電子，而過剩的電子會向外溢出。CCD圖像傳感器存在讓圖像質量嚴重劣化的“Blooming”和“Smear”效應。 l CMOS數字工業相機 CMOS是Complimentary Metal Oxide Semiconductor (互補型金屬氧化半導體)的簡稱，CMOS和CCD傳感器一樣，是在Si（硅）半導體材料上制作的。新一代CMOS采用有源像素設計，每個像元由一個能夠將光子轉化成電子的光電二極管、一個電荷/電壓轉換器、一個重置和一個選取晶體管，以及增益放大器組成。 在焊接應用中，觀測區域輻射光強的差異很大，光強動態范圍通常大于100dB。對這種光強變化劇烈的應用，CMOS因為沒有“Blooming”，“Smear”效應，通過設定像元放大器增益特性盡可能擴展其動態范圍，獲取焊接熔池的清晰圖像有了可能。下圖是用數字CCD工業相機和Photonfocus的數字CMOS工業相機拍攝的激光焊接的焊點圖像： 4. 特別適合焊接實時圖像檢測的PhotonfocusCMOS相機技術介紹 l LinLogTM技術 LinLogTM技術是瑞士PhotonFocus公司在工業CMOS傳感器開發中創新的專利技術。CMOS傳感器工作在線性響應模式時，和CCD一樣，動態范圍較小，傳感器很快會飽和。對數響應模式時，CMOS相機有非常大的動態范圍，但其在低照度時靈敏度會降低，低照度區域圖像的對比度嚴重降低，該區域圖像會有一種灰蒙蒙的感覺。LinLogTM技術只壓縮圖像接近飽和及飽和區域的響應，保留在圖像低照度區域響應的靈敏度和線性，所以既擴展了整個傳感器的動態范圍，又保證了低照度區域圖像的質量。下圖示出線性響應、傳統對數響應與LinLogTM響應曲線的區別。 實測效果： l ROI（Region Of Interest）技術 CMOS圖像傳感器的類似計算機內存DRAM的簡單X-Y尋址的信號讀出方式，允許CMOS從整個排列、部分甚至單個像元中讀出信號，這是一個非常有用的特點，它允許CMOS相機通過設置感興趣區域(Region Of Interest以下簡稱ROI)來獲取相機視場內的有效信息，CCD相機無法提供ROI功能。ROI是在成像應用中，在CMOS相機傳感器分辨范圍內定義一個或多個感興趣的窗口區域，僅對這些窗口內的圖像信息進行讀出，只獲取該局部區域的圖像。 5 結論 在焊接在線實時質量檢測應用中，機器視覺系統觀測區域光強變化非常劇烈，要求相機動態范圍盡可能的大。在這種的應用中，CCD相機因為有“Blooming”，“Smear”效應導致圖像質量劣化以及較小的動態范圍而不是很適合。Photonfocus的CMOS工業相機采用專利的CMOS傳感器技術：LinLogTM技術或Linlog2技術，完全克服了CCD相機的不足，在保證低照度區域圖像對比度的同時盡可能的擴展相機的動態范圍，最高可達120dB的動態范圍；獨特的整體（Globel）快門技術保證了很短曝光時間（最小10微秒）的很容易實現；高速的ROI技術使高速焊接在線實時質量檢測中上千赫茲對焊接熔池進行監測成為可能。Photonfocus的CMOS工業相機是針對焊接在線實時質量檢測應用優化的CMOS相機，是獲取焊接熔池的清晰圖像，避免焊接等離子體輻射湮沒焊接熔池的邊緣等細節信息的重要保證。 Photonfocus的Hurricane-40-U2相機采用USB2.0接口，即插即用，不需專門的采集卡，性價比很高。MV-D1024系列相機的全分辨率為1024×1024，適合焊接檢測應用的高速需求。MV-D1024-75-CL在全分辨率為1024×1024時最高幀速為每秒75幀，MV-D1024-160-CL在全分辨率為1024×1024時最高幀速為每秒150幀。目前日本的高速激光焊接機都是采用MV-D1024-160-CL來做在線質量檢測的。 | 
發表于 2011-8-17 09:36:39
QQ好友和群
QQ空間