激光加工曲面工件的同軸CCD圖像在線自動(dòng)尋焦系統(tǒng)

曹 宇，李峰平，張大偉，孫樹峰，李 敬

CAO Yu1,LI Feng-ping1,ZHANG Da-wei1,SUN Shu-feng1,LI Jing2

(1. 溫州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，溫州 325035；2. 中國科學(xué)院 功能晶體與激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

0 引言

近年來，隨著先進(jìn)激光制造技術(shù)的飛速發(fā)展，激光材料加工領(lǐng)域面臨高精度、高效率、高可靠性和數(shù)控自動(dòng)化的迫切要求。在激光精密加工系統(tǒng)中，激光束的實(shí)時(shí)、在線、自動(dòng)聚焦控制是實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，一般需要將激光束焦點(diǎn)精確的定位在待加工零件的表面，誤差不超過光學(xué)聚焦系統(tǒng)的焦深大?。ɑ蚬潭x焦一定數(shù)值以獲得較大光斑作用區(qū)）。

目前，工業(yè)領(lǐng)域?qū)す饧庸は到y(tǒng)焦點(diǎn)位置的控制方法有很多，一類是基于電磁學(xué)原理，比如在大型數(shù)控激光切割系統(tǒng)中，常采用電容傳感器的非接觸測量方法自動(dòng)控制焦點(diǎn)與加工工件的相對(duì)位置[2]，但此法局限于金屬工件，屬于定焦方法，由于測量位置與激光焦點(diǎn)位置不重合，使得無法應(yīng)用于曲率自由變化的復(fù)雜曲面工件。另一類是基于光學(xué)原理的自動(dòng)尋焦技術(shù)，以紅外線測距法[3]和超聲波測距法[4]等為代表的光學(xué)測距方法，利用主動(dòng)發(fā)射光波或聲波進(jìn)行測距-反饋調(diào)焦，屬于主動(dòng)式自動(dòng)尋焦；相對(duì)應(yīng)的，被動(dòng)式自動(dòng)尋焦方法主要是以對(duì)比度法[5]和相位法[6]等為代表的CCD成像清晰度聚焦檢測方法，如楊少波等提出了一種適于曲面聚焦的邊緣濾波求均值算法，應(yīng)用在彈頭痕跡識(shí)別系統(tǒng)中[7]，任四剛基于光學(xué)鏡頭和CCD 圖像采集技術(shù)提出了一種圖像式自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)[8]。本文針對(duì)激光加工復(fù)雜曲面工件的實(shí)時(shí)、在線、自動(dòng)聚焦控制需求，開發(fā)了一種同軸CCD圖像在線自動(dòng)尋焦系統(tǒng)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 同軸光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，基于同軸CCD圖像處理的曲面工件激光加工在線自動(dòng)尋焦系統(tǒng)（以下簡稱同軸CCD自動(dòng)尋焦系統(tǒng)），主要由CAM控制系統(tǒng)、圖像采集卡、CCD、CCD前自動(dòng)變焦透鏡、成像透鏡、分光鏡、會(huì)聚透鏡幾部分組成。由于采用4倍擴(kuò)束準(zhǔn)直后的50W連續(xù)光纖激光束直徑為16mm，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)（包括會(huì)聚透鏡、成像透鏡）最大通光孔徑設(shè)計(jì)為20mm，以滿足加工和成像的通光要求。

圖1 同軸CCD自動(dòng)尋焦系統(tǒng)組成原理

圖2 膠合透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）

為了實(shí)現(xiàn)與加工激光束同軸的CCD傳感器圖像采集和自動(dòng)尋焦處理，系統(tǒng)采用了特別鍍膜的分光鏡系統(tǒng)。分光鏡1對(duì)1064/1070nm波長的加工激光束的反射率大于99.5%，適用于Nd:YAG及光纖激光器；分光鏡2對(duì)635nm波長的指示激光束半透半反，便于進(jìn)行加工激光束焦點(diǎn)的可視化定位調(diào)整，經(jīng)過調(diào)整使之與加工激光束同軸同心?？梢?，分光鏡1和2都可以透過波長為 400nm～760nm的可見光，使得激光束與監(jiān)測光信號(hào)互不干擾。當(dāng)激光加工的時(shí)候，1070nm波長的加工激光束通過分光鏡以及會(huì)聚透鏡聚焦于工件表面用于材料加工；同時(shí)曲面工件表面的光信號(hào)依次經(jīng)過會(huì)聚透鏡、分光鏡以及成像聚焦透鏡、CCD前變焦透鏡進(jìn)入CCD傳感器，CCD成像信號(hào)經(jīng)過圖像采集卡的采樣、量化、編碼進(jìn)入CAM控制系統(tǒng)（工控機(jī)），進(jìn)行后續(xù)的尋焦處理。

系統(tǒng)采用了膠合透鏡代替單透鏡來減小系統(tǒng)像差，提高成像質(zhì)量。膠合透鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2，通過CODE V軟件建模分析，得到單透鏡系統(tǒng)和該膠合透鏡的像差對(duì)比分析如表1?？梢?，單透鏡系統(tǒng)的彗差、像散、色差、畸變等各種像差均比較大，將會(huì)降低成像質(zhì)量，相比之下，膠合透鏡系統(tǒng)各種像差要小很多，可以有效的消除色差（單透鏡無法消除色差），同時(shí)也能夠消除球差、彗差等像差，保證了當(dāng)激光束焦點(diǎn)落在工件表面時(shí)，工件表面所成的像在一定范圍內(nèi)仍然清晰可見。

表1 單透鏡和膠合透鏡系統(tǒng)的像差對(duì)比分析

目前，圖像監(jiān)視傳感器一般有CCD和CMOS兩種類型，可根據(jù)接收?qǐng)D像的特征進(jìn)行選取。系統(tǒng)采用了成像清晰、體積更小的CCD傳感器（陜西維視圖像公司提供），同時(shí)傳感器前方安置了15倍自動(dòng)變焦透鏡，通過變焦透鏡放大倍率的變換以及成像透鏡與其距離的變化來達(dá)到改變成像倍率的目的。當(dāng)會(huì)聚透鏡和工件間距（物距）、透鏡間距在適當(dāng)?shù)某上穹秶鷥?nèi)時(shí)，無論它們的位置關(guān)系如何，通過上下調(diào)節(jié)CCD（包括變焦透鏡），使得CCD和成像透鏡間距發(fā)生變化（可調(diào)范圍：75mm～85mm），同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)CCD前變焦透鏡的倍率，可得到不同倍率的成像，所以變焦透鏡起著協(xié)調(diào)系統(tǒng)長度、改善像質(zhì)的雙重作用。

2 自動(dòng)尋焦算法設(shè)計(jì)與分析

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的自動(dòng)尋焦算法主要包括三個(gè)模塊：一是獲取CCD傳感器圖像，并選擇尋焦窗口進(jìn)行預(yù)處理；二是應(yīng)用自動(dòng)尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)量化圖像清晰度；三是通過焦點(diǎn)搜索算法確定焦點(diǎn)位置，然后通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整成像系統(tǒng)鏡頭的焦距，最終實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確尋焦。設(shè)計(jì)的自動(dòng)尋焦算法流程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)尋焦算法流程

尋焦過程控制軟件界面如圖4所示，不同光照和工件表面狀態(tài)下可供選用自動(dòng)尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)的種類有Roberts梯度函數(shù)、絕對(duì)方差函數(shù)和梯度向量平方函數(shù)三種，還可選擇是否運(yùn)用中值濾波程序、灰度線性變化程序以及背景校正程序，尋焦過程焦點(diǎn)搜索算法提供有二分法查找和固定步距搜索法可選。實(shí)驗(yàn)測試試樣是由五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工的自由曲面鋁合金工件，除了鋁合金的淺色表面之外，還將表面涂成黑色以模擬不同材質(zhì)對(duì)尋焦算法性能的影響，如圖5所示。

圖4 尋焦過程控制軟件界面

圖5 尋焦算法測試現(xiàn)場

2.1 尋焦窗口的選擇

尋焦窗口即應(yīng)用尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)的圖像區(qū)域（或稱圖像的興趣區(qū)域），其選擇算法直接地影響到尋焦的復(fù)雜度、計(jì)算量和精確度?？s小尋焦窗口有助于減少計(jì)算量，加快尋焦速度，但較小的尋焦窗口容易受到背景噪聲的影響。

針對(duì)激光加工復(fù)雜曲面工件，需要在激光束指向的焦斑大小微區(qū)進(jìn)行尋焦。選擇在CAM軟件程序界面上添加一個(gè)用戶交互式的尋焦窗口選擇框，在實(shí)時(shí)顯示的圖像區(qū)域中出現(xiàn)一個(gè)圓形選擇區(qū)，并且可以通過鼠標(biāo)拖動(dòng)任意地改變其形狀、大小以及在整個(gè)視野圖像中的相對(duì)位置，這樣就可以用這個(gè)圓形區(qū)方便地選擇目標(biāo)位置，用目標(biāo)區(qū)域的數(shù)據(jù)參與評(píng)價(jià)函數(shù)的運(yùn)算，如圖6所示。在對(duì)曲面零件自動(dòng)尋焦時(shí)，只有激光束光斑輻照的尋焦窗口及附近微小區(qū)域圖像清晰，將表現(xiàn)在聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線出現(xiàn)尖峰，而周圍區(qū)域由于遠(yuǎn)離焦點(diǎn)，圖像模糊，表現(xiàn)在聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線則較為平直。

圖6 尋焦完成圖像（軟件截圖）

2.2 尋焦圖像預(yù)處理

對(duì)CCD獲取的圖像需要進(jìn)行預(yù)處理，以消除曝光度和噪音的影響，對(duì)尋焦速度與尋焦精度都有促進(jìn)作用。

1）背景減除校正

理論上，在離焦越遠(yuǎn)的位置，灰度值點(diǎn)陣的數(shù)值越趨于平均，在焦點(diǎn)位置附近，數(shù)值變化越劇烈。然而，由于CCD器件不可避免都存在一些圖像噪點(diǎn)，在焦點(diǎn)附近的噪點(diǎn)弱化了清晰圖像的細(xì)節(jié)信息，使得得到失真的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線，必須通過背景減除校正處理予以消除。具體做法是在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的位置獲取一幅圖像作為背景圖像，之后在尋焦過程中獲得的每一幅圖像都減去該背景圖像。

2）線性灰度變換

光線對(duì)成像系統(tǒng)有很大的影響，在曝光不足或過度的情況下，顯示出來的圖像是一個(gè)模糊不清、沒有灰度層次的圖像，圖像灰度局限在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，因此有必要對(duì)它的灰度值進(jìn)行修正以增強(qiáng)對(duì)比度。常用的灰度變換有全域線性變換和分段線性變換，我們選擇了計(jì)算速度較快的線性灰度變換：假定原圖像灰度值函數(shù)f(x,y)的范圍為[a,b]，希望變換后的像f '(x,y)的動(dòng)態(tài)范圍為[c,d]，線性灰度變換公式為：

3）中值濾波處理

如果不濾除CCD圖像的噪點(diǎn)，可能使得評(píng)價(jià)函數(shù)存在多個(gè)極值點(diǎn)，而最終影響尋焦的穩(wěn)定性。利用數(shù)字處理技術(shù)濾波的方法有低通濾波法、中值濾波法、多圖像平均法等多種，考慮到激光加工過程中在線尋焦環(huán)境中的圖像噪聲比較大，我們選用了消除噪聲影響效果較好的中值濾波方法。中值濾波是一種非線性濾波，對(duì)干擾脈沖和點(diǎn)狀噪聲有良好的抑制作用，同時(shí)可以較好的保持圖像邊緣特性。中值濾波將像素鄰域內(nèi)灰度的中值代替該像素的值，即：

其中x1,x2,…，xn為點(diǎn)（x，y）及其鄰域。

圖7 中值濾波對(duì)Roberts梯度尋焦函數(shù)性能的影響

圖7是有無中值濾波處理對(duì)后續(xù)尋焦函數(shù)（Roberts梯度函數(shù)）性能的影響，可見經(jīng)過中值濾波的曲線函數(shù)值較小，而沒有經(jīng)過中值濾波的函數(shù)曲線放大了噪聲的影響，曲線不夠平滑，局部極值較多。所以，中值濾波有效減小了噪聲對(duì)自動(dòng)尋焦系統(tǒng)的影響。

2.3 自動(dòng)尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)

一般的，自動(dòng)尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)可以分為灰度梯度函數(shù)、頻域函數(shù)、信息學(xué)函數(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)函數(shù)等幾大類，一個(gè)理想的尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)具有以下特性：無偏性、單峰性、靈敏度高、信噪比好、計(jì)算量小等特性?？紤]透射照明條件，適合采用灰度梯度類尋焦函數(shù)，設(shè)計(jì)了Roberts梯度函數(shù)、絕對(duì)方差函數(shù)和梯度向量平方函數(shù)如下：

絕對(duì)方差函數(shù)：

Roberts梯度函數(shù)：

梯度向量平方函數(shù)：

以深色表面工件為試樣，圖8比較了三種尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)在峰值附近的性能，可見絕對(duì)方差函數(shù)無明顯峰值，梯度向量平方函數(shù)峰值處函數(shù)不穩(wěn)定、有許多局部極值點(diǎn)，而Roberts梯度函數(shù)具有明顯的峰值，曲線較平滑，較為適合該材料的自動(dòng)尋焦環(huán)境，這是由于Roberts梯度函數(shù)采用的連續(xù)梯度近似在處理邊緣特性時(shí)候比絕對(duì)方差函數(shù)更好。

圖8 三種尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)（絕對(duì)方差、梯度向量平方、Roberts梯度）的性能對(duì)比

2.4 焦點(diǎn)搜索算法

焦點(diǎn)搜索算法通過比較每個(gè)位置尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)值，得出激光加工頭的尋焦移動(dòng)方向，反饋控制Z軸調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到理想焦點(diǎn)位置。傳統(tǒng)的焦點(diǎn)搜索算法有Fibonacci搜索算法和爬山法等。但如果尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線并不是理想的光滑曲線，出現(xiàn)大量的局部極大值時(shí)，F(xiàn)ibonacci搜索有可能陷入局部極大值的鄰近區(qū)域。傳統(tǒng)爬山法的步長選擇主觀性很強(qiáng)，步長較小，尋焦速度慢，步長過大，尋焦精度低。因此，我們采用了改進(jìn)的二分法搜索最佳焦點(diǎn)位置，如圖9所示，曲線為待加工表面，R點(diǎn)為焦點(diǎn)位置。在初始位置由M向N運(yùn)動(dòng)一步，以焦深長度的30倍作為初始運(yùn)動(dòng)步長，如果N點(diǎn)的評(píng)價(jià)值大于M點(diǎn)的，則方向不變，運(yùn)動(dòng)步長減半，如果N點(diǎn)的評(píng)價(jià)值小于M點(diǎn)的，則反向搜索，每次運(yùn)動(dòng)步長減半，路徑為M-N-P-Q，直到最后運(yùn)動(dòng)步長小于單個(gè)焦深長度，即認(rèn)為找到峰值位置。

圖9 改進(jìn)的二分法焦點(diǎn)搜索

圖10對(duì)比了采用二分搜索法的淺色和深色表面尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線（Roberts梯度函數(shù)），淺色表面的尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)值曲線峰值明顯而陡峭，尋焦時(shí)間2.5秒，采用二分法搜索是可行的，而深色表面的表面黑斑較大，尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)值在焦點(diǎn)位置附近變化不大，峰值不明顯，最大尋焦誤差達(dá)到0.835mm(最小尋焦誤差為0.41mm)，將搜索算法改為先設(shè)定峰值波動(dòng)值，再搜尋峰值區(qū)間后計(jì)算中值，可將尋焦誤差縮小一半，但尋焦時(shí)間需要4.5秒。

圖10 淺色和深色表面的Roberts梯度尋焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線對(duì)比

3 結(jié)束語

本文針對(duì)激光加工復(fù)雜曲面工件的實(shí)時(shí)、在線、自動(dòng)聚焦控制需求，開發(fā)了一種同軸CCD圖像在線自動(dòng)尋焦系統(tǒng)。采用特別鍍膜的分光鏡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了與加工激光束同軸的CCD傳感器圖像采集和自動(dòng)尋焦處理，使得激光束與監(jiān)測光信號(hào)互不干擾。采用膠合透鏡代替單透鏡，有效減小了系統(tǒng)像差，提高成像質(zhì)量。背景校正、線性灰度變換和中值濾波處理可以消除曝光度和噪音影響，Roberts梯度函數(shù)采用的連續(xù)梯度近似在處理邊緣特性時(shí)候比絕對(duì)方差函數(shù)更好，且淺色材料上的效果要優(yōu)于深色材料。二分搜索法較為適合淺色材料的自動(dòng)尋焦，深色材料的評(píng)價(jià)函數(shù)值在焦點(diǎn)位置附近峰值存在平頂區(qū)，需要更多的尋焦時(shí)間，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要有所取舍。

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