[发明专利]一种适用于立体结构工件的激光同轴视觉系统

说明书

本发明公开了一种适用于立体结构工件的激光同轴视觉系统，包括照相机、合光镜、激光扫描振镜、场镜、平面照明光源、激光束、计算机，照相机上设置有图像传感器、相机物镜，合光镜与照相机的光轴呈45°角设置，场镜是针对激光束波长和平面照明光源波长的共焦平面场镜，利用视觉对位软件消除照明光波长与激光波长的色差，平面照明光源的发光面朝向激光扫描振镜的激光出射方向，并且场镜的光轴垂直通过其中心点。本发明具有避免工作原理造成的误差以增加定位的精确性、造价低的优点，其主要用于具有立体结构的工件的影像测量。

技术领域

本发明涉及光学影像测量技术领域，具体涉及一种适用于对有立 体结构的工件进行激光加工时的同轴视觉对位系统。

背景技术

利用激光对工件做精密加工时，常常使用机器视觉系统对工件进 行定位，能够免除对精密定位治具的需求，在很多应用场合有优势。 而与激光同光路的同轴视觉系统有更加突出的优点。

请参阅图1，应用于激光加工的传统同轴视觉系统一般由照相机、 相机物镜、相机照明光源、合光镜、激光扫描振镜和消色差平面场镜 组成。其中，合光镜与相机的光轴成45°布置，经特殊镀膜处理，使 水平入射的激光束(波长为λ1)能够穿透合光镜，经激光扫描振镜 反射后射入消色差平面场镜的入瞳，经消色差场镜聚焦于焦平面；工 件上用于视觉定位的特征在照明光源(波长λ2)照明下，经过消色 差场镜和相机物镜，成像于相机的图像传感器。相机物镜与消色差场 镜组成的伽利略望远镜系统，能够极大地缩小相机视野，提高分辨率， 进而提高对位精度，同时，通过激光扫描振镜的摆动，视觉可及整个 激光加工范围，而无需使用高精度运动平台将工件上用于视觉定位的 特征移动到相机的视野范围之内。

所谓消色差场镜，是利用不同折射率材料经过特殊设计的制作的 多镜片组，使其消除了对特定两个波长(即激光波长λ1和照明光波 长λ2)色差，从而在整个激光工作范围内使视觉系统坐标系和激光 系统坐标系重合起来。但是消色差场镜的缺点在于价格昂贵，而且消 色差场镜往往口径太大，无法在平面光源或穹隆光源下进行工作，因 而不适合对有立体结构的工件进行测量。

由于传统同轴视觉系统是在条形灯或环形灯照明下使用消色差 场镜，如果工件上用于定位的特征有立体结构，工件放置位置的不同， 会导致相机捕捉到的定位特征的影像也不同，从而导致定位误差，请 参阅图2，两次放置工件的位置相差Δx，反射亮点在工件上的位置 相差Δx’。

相机测量出的工件影像在相机坐标系中与预设位置和角度存在 一定的偏差，需要对激光控制软件中的加工图形进行位置和角度补偿， 使激光在工件上的正确位置进行加工。相机捕捉工件的轮廓线作为定 位特征，在传统同轴视觉系统的条形灯或环形灯照明下，轮廓线实际 上是照明光源经工件表面反射后在相机中的成像，工件边缘的锐利棱 角上的弧面会有符合反射定律的角度，因此边缘会被照亮，作为轮廓 而被相机捕获。但是立体结构的工件其边缘弧角上反射点的位置，也 即是影像特征轮廓，与工件的放置位置有关，两次上料位置的不同能 够引起反射点位置出现相差，该误差是立体结构的工件在点光源、条 形光源或环形光源照明下产生视觉定位误差的主要来源。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明目的是提供一种避 免工作原理造成的误差以增加定位的精确性、造价低的适用于立体结 构工件激光加工的同轴视觉系统。