機(jī)器視覺(jué) 翻譯

1、基于同軸機(jī)器視覺(jué)激光打孔過(guò)程的在線監(jiān)測(cè) Chao-Ching Ho1,# and Jun-Jia He1 機(jī)械工程1系，國(guó)立云林科技大學(xué)，123大學(xué)路，3區(qū)，斗六市，云林，臺(tái)灣，中國(guó)，64002 #相應(yīng)的作者/電子郵件：.tw，電話：+ 886-5-534-2601，傳真：+ 886-5-531-2062 關(guān)鍵詞：激光鉆孔深度，激光打孔，機(jī)器視覺(jué)，在線估計(jì)，過(guò)程監(jiān)控本文提出了利用機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)孔激光打孔過(guò)程的一種新方法。通過(guò)在采集在線圖像和分析激光鉆削的過(guò)程中，我們可以同時(shí)得到加工過(guò)程和圖像之間的相關(guān)性分析。激光加工孔的深度通過(guò)采用機(jī)器視覺(jué)的方法可以在線估計(jì)。因

2、此，一廉價(jià)的在線檢測(cè)系統(tǒng)是為了提高生產(chǎn)力而開(kāi)發(fā)的。所有的處理工作是借助氣體輔助在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的空氣中進(jìn)行的。可推導(dǎo)出從汽化材料發(fā)射的輻射面積和孔的深度之間的相關(guān)性。結(jié)果以高度的信心表明，激光鉆孔估計(jì)的深度與圖像面積的閾值成線性比例關(guān)系。這項(xiàng)研究提供了一個(gè)新的在線機(jī)器視覺(jué)基于激光鉆孔估計(jì)深度的方法。 收稿日期：2013年2月14日/修訂：2013年12月10日/ 接受：2014年2月19日命名=本地點(diǎn)到波束軸的距離Z =本地平面到波束聚焦平面的距離（z）= e ²-激光束在z平面的折疊半徑E（0，z）=Z平面中心點(diǎn)的光強(qiáng)E（，Z）=協(xié)同點(diǎn)（，Z）的光強(qiáng)H1 =腔與預(yù)制深度H

3、2 =腔與預(yù)制深度H3 =腔與預(yù)制深度H4 =腔與預(yù)制深度I=輻射強(qiáng)度k1 =實(shí)驗(yàn)確定的閾值1.引言使用大功率激光束穿過(guò)工件燒蝕出一個(gè)孔是加工上的的一重要發(fā)展，因?yàn)楸绕鸪Ｒ?guī)鉆孔，這種方法具有降低制造成本并提供靈活性的潛力，在范圍廣泛的材料上鉆孔具有較高的的精度和一致性。相比常規(guī)鉆孔，也可以形成一個(gè)更高直徑/深度比的燒蝕孔。這種方法不與工件直接接觸，然而，它必須能夠準(zhǔn)確地確定激光穿破工件，形成洞的時(shí)間，這是尤其重要的，因?yàn)楦吣芰康募す鈱?duì)使用者很危險(xiǎn)，并且小口徑的處理時(shí)間通常很短。因此，像在常規(guī)鉆孔中可以辦到的方案那樣，通過(guò)視覺(jué)監(jiān)控確定鉆孔完成的時(shí)間是不可能的。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，制造過(guò)程響應(yīng)檢測(cè)到的

4、洞的深度時(shí)，需要自動(dòng)關(guān)閉激光。這種自動(dòng)的深度檢測(cè)方法將確保鉆探結(jié)果可以被控制在經(jīng)濟(jì)且具有時(shí)效性的范圍。這種需求只有在線鉆井過(guò)程中的監(jiān)測(cè)可以滿足。同樣重要的是，過(guò)程監(jiān)控方法利用相對(duì)廉價(jià)和簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。以這種方式，可以減少工廠生產(chǎn)的人工成本，提高生產(chǎn)力。監(jiān)控用于確定激光鉆孔的條件對(duì)于自動(dòng)化過(guò)程是必須的。利用激光加工材料的自動(dòng)化監(jiān)控的大量工作是自動(dòng)完成的。Koegl 等人進(jìn)行了使用一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)線圈檢測(cè)激光的突破。Trippe等人研究了洞的幾何形狀的發(fā)展，尤其是監(jiān)控突破時(shí)洞直徑與焦點(diǎn)直徑的關(guān)系。一個(gè)高速相機(jī)是用來(lái)分析鉆孔以提高在實(shí)際應(yīng)用中激光沖擊鉆的生產(chǎn)率和質(zhì)量。Walter等人提出一種方法：利用檢測(cè)

5、激光束照射材料之間的相互作用時(shí)產(chǎn)生的沖擊波。然而，該方法不適合檢測(cè)，除非突破工件的背面也被監(jiān)測(cè)。在這樣一個(gè)布置很多應(yīng)用的背面施展傳感器是困難的，此外，采用紋影照相顯示氣流，導(dǎo)致加工過(guò)程不能輔以噴射氣流干擾和圖像采集。空氣噴射功能可以幫助有效的削減和提高材料去除率。Stournaras等人研究了聲學(xué)傳感器的輸出和孔的幾何特征之間的關(guān)系。Stournaras 等人研究由光電二極管安裝用于監(jiān)控鉆孔直徑實(shí)時(shí)監(jiān)控的加工區(qū)所獲取的光信號(hào)。2010年，Lin等人開(kāi)發(fā)了一種基于共焦原理的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。2011年，Mezzapesa 等人展示了一基于二極管激光器自混合干涉測(cè)量的對(duì)前面燒蝕動(dòng)力學(xué)的在線監(jiān)測(cè)。然而，

6、這些系統(tǒng)需要一個(gè)附加的檢測(cè)激光器來(lái)測(cè)量洞深。我們以前的工作已經(jīng)提出過(guò)通過(guò)布置離軸相機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)和估計(jì)激光鉆孔洞深的方法，但從鉆孔發(fā)射出來(lái)的被檢測(cè)到的等離子體信號(hào)卻是有限的。當(dāng)激光束照射在工件上激光打孔，在激光加工過(guò)程中表面的燒蝕引起金屬材料的熔化和汽化，同時(shí)使空氣和金屬蒸汽電離。在這項(xiàng)研究中，一在線機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)被提議用于估計(jì)激光鉆孔的深度?；パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）視覺(jué)系統(tǒng)同軸安裝在工件表面，用于監(jiān)控鉆孔加工。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)被實(shí)時(shí)的傳送到一個(gè)外部計(jì)算設(shè)備，計(jì)算的圖像面積閾值作為一個(gè)控制觸發(fā)器以關(guān)閉激光束。這時(shí)，系統(tǒng)就可以為鉆下一個(gè)洞做配置。低成本，簡(jiǎn)單和易用性是加工監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)特征。自動(dòng)化加工所

7、省下的時(shí)間可以用于鉆更多的元件上的孔。該系統(tǒng)也易于安裝，安置在工件上，甚至當(dāng)鉆孔在某些部分有復(fù)雜的幾何形狀時(shí)，可以被用于鉆特殊的洞，測(cè)量單個(gè)洞的累積光譜排放信息。此外，本文提出的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是多功能的，為估計(jì)洞深所測(cè)量的時(shí)間可用于實(shí)際應(yīng)用：自動(dòng)化加工有可比較結(jié)構(gòu)和厚度的基板。這項(xiàng)工作展示了這一在線微鉆檢驗(yàn)技術(shù)的方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文其余部分組織如下。第2節(jié)給出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的描述，展現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用的同步過(guò)程開(kāi)發(fā)。第3節(jié)展示一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第4節(jié)展示提出的方法的結(jié)論。圖1 鉆孔深度和焦點(diǎn)密度之間的中間束能量比率2. 同軸視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在較薄的材料上激光打孔過(guò)程中，錐形接觸器的存在是由于在融化的材料和腔壁之間的

8、光束相互作用在入口處最大，且隨著深度增加而減少。Jiang等人提出了關(guān)于激光束密度分布和光束與材料相互作用之間關(guān)系的一種理論模型。激光束在協(xié)同點(diǎn)(, z)的密度E(, z)由如下給出 （1）這里E(0, z)是波束在z平面聚集點(diǎn)的波束密度，(z) 是e2-激光波束在z平面包圍半徑，是本地點(diǎn)到波束軸的距離，z是本地平面到激光波束聚集平面的距離，如圖1所示，很清楚的是密度E(, z)隨著z距離的增加而減弱。因此錐形接續(xù)器這一構(gòu)成不能被完全移除，因?yàn)榧す馐目s放形狀。當(dāng)Nd:YAG激光束照在金屬表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生金屬蒸汽同時(shí)電離，這被叫做激光引起的等離子體。一旦激光引起的等離子體開(kāi)始出現(xiàn)在洞底部的融化蒸

9、汽中，隨著深度增加，它的旁向膨脹會(huì)被限制。如圖2所示，有四種不同深度（.e., H1, H2, H3, and H4）的洞被十億分之一秒脈沖激光微加工所預(yù)制。因?yàn)榈入x子體在目標(biāo)附近受到限制，等離子體聚集，電子數(shù)密度和受限的等離子體溫度在更深的洞里會(huì)更大，導(dǎo)致獲取的圖片上的從等離子體發(fā)射的輻射面積減少。本文提出的監(jiān)測(cè)和測(cè)量激光鉆孔的光譜特性和激光鉆孔操作相關(guān)的系統(tǒng)操作對(duì)激光脈沖入射到工件表面立即反應(yīng)。輻射光譜信息被視覺(jué)系統(tǒng)獲取和處理以識(shí)別激光鉆孔操作的狀態(tài)，然后需要的控制就可以在下一激光脈沖前執(zhí)行。由于在線獲取的輻射光譜包含關(guān)于局部激光材料相互作用條件的信息，獲取的圖像包含過(guò)程監(jiān)控和控制應(yīng)用的重

10、要信息。本文提到的系統(tǒng)在激光束穿破工件表面時(shí)檢測(cè)。二維空間分布的等離子體密度用與激光束同軸放置的CMOS相機(jī)拍下來(lái)。激光束聚集長(zhǎng)度為120mm。激光束的焦平面在材料表面，是大約有1.29µm尺寸的點(diǎn)。一在周?chē)髿鈼l件下的（300kp）同軸輔助氣體，通過(guò)一個(gè)噴嘴提供，可以提高材料噴出率。 工件與噴嘴的距離為不變的23mm.研究的材料是鋁(Al 5052; 厚0.6 mm )。當(dāng)激光第一次射到表面時(shí)，工件會(huì)被加熱，導(dǎo)致表面逐漸融化，并在工作點(diǎn)附近產(chǎn)生電離的等離子體微粒。在脈沖激光鉆孔時(shí)，輻射的空間程度由CMOS相機(jī)獲取。一些脈沖是用來(lái)形成孔洞的。在單脈沖鉆孔時(shí)，激光引起的輻射可以由本書(shū)提

11、到的方法用呈放射狀安裝，離工作點(diǎn)500mm的CMOS相機(jī)檢測(cè)。圖像采集速度15fps，圖2.納秒脈沖激光微加工預(yù)制的四種不同深度的腔體。每幀曝光時(shí)間117s，每張圖尺寸為120x120像素。輻射密度用8位編碼記錄。在這項(xiàng)工作中，一低成本的CMOS相機(jī)用于替代昂貴的高速門(mén)控加劇電荷耦合器件（ICCD）相機(jī)。實(shí)驗(yàn)配制和安裝分別如圖3和4所示。激光鉆孔操作的光譜輻射信息由以下決定：k1是由實(shí)驗(yàn)決定的閾值，（x，y）表示像素的空間位置。圖像加工通過(guò)二值化，我們可以確定從氣化材料發(fā)射的輻射區(qū)域，計(jì)算氣化區(qū)域的總像素。呂5052的二值化圖像如圖5所示。在深度檢測(cè)中，單一的一幀圖像中的輻射區(qū)的總像素被記錄，

12、分析。圖3. 激光鉆孔中基于視覺(jué)的在線洞深檢測(cè)的配制圖4. 實(shí)驗(yàn)裝置3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)的實(shí)施采用0.6mm厚度的鋁板5052和一個(gè)工業(yè)用途的Nd:YAG 脈沖激光（表1）。當(dāng)Nd:YAG 激光脈沖入射到一個(gè)強(qiáng)反射的表面，會(huì)因?yàn)樗母痰牟ㄩL(zhǎng)而被高度吸收。Nd:YAG 激光在微加工領(lǐng)域中是一非常有用的工具，因?yàn)樗恼{(diào)Q二極管泵浦短脈沖操作。激光焦平面安置在工件表面，且激光的聚集位置在鉆孔時(shí)保持不圖5. 用CMOS相機(jī)采集的鋁5052輻射區(qū)圖像（a）和二值化后的圖像（b）表一 鉆孔洞深檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)激光源 Nd：YAG激光能量 145, 175, 200 mJ 激光波長(zhǎng) 532nm聚集透鏡 1

13、20mm脈寬 6ns泵脈沖 80100µs脈沖頻率 15Hz相機(jī)焦距 12mm相機(jī)快門(mén)速度 117µs相機(jī)片門(mén) 12像聚 500mm環(huán)境溫度 21oC環(huán)境濕度 55%變。所有的實(shí)驗(yàn)都在鉆孔模式下進(jìn)行，工件表面進(jìn)行正常的鉆孔。微控制單元觸發(fā)激光系統(tǒng)，產(chǎn)生單一的激光脈沖，同時(shí)引進(jìn)一個(gè)延時(shí)去控制捕獲激光脈沖單一輻射圖像的圖像采集單元，然而，輻射光線對(duì)圖像分析來(lái)說(shuō)太亮了。為了區(qū)分空氣的電離現(xiàn)象和由氣化材料發(fā)射的激光輻射產(chǎn)生的材料，減少CMOS采集到的圖像的最大亮度，要在相機(jī)前面放置一個(gè)波長(zhǎng)濾波器和一個(gè)中性濾波器。氣化材料的輻射穿過(guò)波長(zhǎng)濾波器(190534 nm OD: 6.5; 8

14、501070 nm OD: 5; 9101070 nm OD: 6) 和中性濾波器(透明度13%)。圖片用離工作點(diǎn)500mm呈發(fā)射狀安裝的CMOS相機(jī)捕獲。經(jīng)過(guò)中性濾波器，由激光引發(fā)的光線將會(huì)剩下電離材料的波長(zhǎng)。這項(xiàng)研究的圖像分析主要集中在由激光引發(fā)的氣化材料的電離。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)不停地沿著工件的垂直平面方向打磨直到洞可以看見(jiàn)，鉆孔的深度才能確定下來(lái)。洞的深度，直徑和重鑄后的厚度都用光學(xué)顯微鏡探測(cè)。圖6 不同處理時(shí)間（輻射能量為145mJ)捕獲的光學(xué)顯微鏡橫截面圖像。3.1不同輻射能量的影響為了確定預(yù)處理的有效性，足夠的驅(qū)動(dòng)工業(yè)應(yīng)用的魯棒性，不同輻射能量下的影響用實(shí)驗(yàn)測(cè)得。在整個(gè)試驗(yàn)

15、中，鉆孔時(shí)觀察入口表面的由激光引發(fā)的輻射。激光鉆孔產(chǎn)生的輪廓圖像使用不同的處理時(shí)間。這里鋁5052上的激光脈沖的輻射能量是145mJ，如圖6所示。很明顯，激光鉆孔的洞深隨著加工時(shí)間變大。加工洞深和激光引發(fā)的輻射區(qū)像素值如圖7所示。激光鉆孔洞深可以用一個(gè)單調(diào)遞減函數(shù)來(lái)圖7. 鉆孔洞深和在145mJ輻射下等離子體的像素區(qū)域之間的關(guān)系（鋁5052）圖8. 像素與深度的關(guān)系，在145mJ輻射能量下進(jìn)展過(guò)程時(shí)間。（鋁5052）描述。進(jìn)展過(guò)程時(shí)間下，像素與深度的關(guān)系如圖8所示。結(jié)果顯示，累積的等離子體尺寸與加工深度有一很高的決定系數(shù)（R2）0.89。比較不同測(cè)量得出4.9%的平均誤差。在鋁5052上，能量

16、為175mJ的激光輻射在不同處理時(shí)間下激光鉆孔得到的輪廓圖像如圖9所示。很明顯，鉆孔深度隨著加工時(shí)間增加?？准訄D9. 不同處理時(shí)間下（輻射能量為175mJ），光學(xué)顯微鏡采集的橫截面圖像：（a）（e）50x工洞深與激光引發(fā)的輻射區(qū)像素值之間的關(guān)系如圖10所示。加工洞深可以用單調(diào)遞減函數(shù)描圖10. 加工洞深與在175mJ輻射能量下的等離子區(qū)像素之間的關(guān)系（鋁5052）述。和前進(jìn)加工時(shí)間一起，像素和深度的關(guān)系如圖11所示。結(jié)果顯示，累積等離子體的尺寸與加工深度有一個(gè)很高的決定系數(shù)（R2）0.83。不同測(cè)量的比較得出一平均誤差5.5%。蝕刻深度速度隨著激光能量的增加而增加。圖11. 和前進(jìn)加工時(shí)間一起

17、，在175mJ輻射能量下（鋁5052），深度與像素的關(guān)系。圖12. 不同加工時(shí)間下（輻射能量為200mJ）光學(xué)顯微鏡采集的橫截面圖像：（a）（d）50x一系列洞深與在三個(gè)不同脈沖能量下（145mJ，175mJ和200mJ），測(cè)量的激光鉆孔操作的輻射數(shù)據(jù)間的相關(guān)性如圖7,10,13所示。結(jié)果顯示，氣化材料的輻射面積與洞深有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此，在激光鉆孔時(shí)，監(jiān)控洞深和視覺(jué)傳感有明顯的聯(lián)系。3.2 焦點(diǎn)位置的影響根據(jù)Eq（1），最大的激光束強(qiáng)度在激光束射入材料表面的焦點(diǎn)平面上。激光束強(qiáng)度隨著本地平面到激光束聚集平面的距離增加而減少。圖15描述了在激光鉆孔加工時(shí)，在變量z點(diǎn)位置的輻射強(qiáng)度圖像面積閾值。

18、所有的樣本的脈沖能量為200mJ。注意到遠(yuǎn)離材圖13 激光鉆孔深度與等離子體區(qū)像素在200mJ輻射能量下之間的關(guān)系（鋁5052）圖14 和一系列加工時(shí)間一起，在輻射能量為200mJ下，像素與深度之間的關(guān)系（鋁5052）圖15. 不同的透鏡到樣本距離下激光鉆孔所觀測(cè)到的輻射密度圖像閾值。料表面的在焦點(diǎn)的圖像面積閾值減少了。3.3圖像分辨率的影響為了研究圖像分辨率的影響，用兩個(gè)不同像素尺寸顯示整個(gè)等離子體羽區(qū)和直接鄰近的區(qū)域。分別用240X240像素和120X120像素代表高分辨率和低分辨率。如圖16所示，激光鉆孔是觀測(cè)到的輻射強(qiáng)度圖像閾值減少了，這是因?yàn)閳D像分辨率的明顯減少。然而，兩個(gè)不一樣圖像分辨率展示了從氣化材料發(fā)出的輻射和加工洞深之間相同的線性相關(guān)趨勢(shì)。圖.16 不同分辨率下激光鉆孔，觀測(cè)到的輻射強(qiáng)度圖像面積閾值。4. 結(jié)論實(shí)驗(yàn)性地研究了在激光加工時(shí)，本文提出的一個(gè)同軸的，基于視覺(jué)的實(shí)時(shí)突破檢測(cè)方法，用一個(gè)脈沖激光束 Nd:YAG和壓縮空氣輔助的噴嘴來(lái)鉆樣本：鋁5052（厚0.6mm）。這個(gè)方法使用一個(gè)便宜的CMOS相機(jī)測(cè)量在工件表面由激光引發(fā)的等離子體亮度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在不同脈沖