[發明專利]一種基于微景深的焊接拼縫測量方法

有效

• 申請號: 201110069334.0
• 申請日: 2011-03-22
• 公開（公告）號: CN102155920A
• 公開（公告）日: 2011-08-17
• 發明（設計）人: 王平江;袁丹輝;黃雅婷;齊江飛;徐長杰;彭芳瑜;李斌;唐小琦;陳吉紅
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;武漢華中數控股份有限公司
• 主分類號: G01B11/14
• 分類號: G01B11/14
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

技術領域

本發明屬于視覺測量技術及激光焊接加工技術領域，具體涉及一種能測量出復雜狹窄、微細拼縫的拼縫中心坐標、寬度以及局部表面法向矢量的焊接拼縫測量方法。

背景技術

激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、熱影響區范圍小、焊接熱變形小、焊縫的深寬比大和易實現自動控制等優點，隨著高功率激光器的研制成功和激光光纖傳輸技術的完善，激光焊接技術逐漸廣泛應用于汽車工業、船舶制造、航空航天工業等領域。

在激光焊接中，焊接激光束的聚焦光斑直徑很小，約0.3mm，因此激光焊接工藝對對接拼縫接頭的裝配質量有極高的要求，例如對于厚度2mm左右的薄板，所允許的對接接頭的間隙寬度和錯邊量均小于0.1mm。激光束焦點必須準確地沿著拼縫中心軌跡運動，同時激光束焦點距拼縫表面保持合適的離焦量(根據焊接工藝要求，既有正離焦量，也有負離焦量)。對于三維曲面上的復雜拼縫，激光束方向必須與當前焊點局部區域的表面法向矢量保持一致，或與焊點局部區域的表面法向矢量保持一定夾角(如激光焊接鋁鋰合金等高反射率金屬時，為避免反射的激光束燒毀聚焦鏡頭、光纖及激光器，有意使焊接激光束與拼縫表面法向矢量方向偏斜7～8度)，在保證拼縫的焊接質量的前提下保護聚焦鏡頭、光纖及激光器。這就要求在焊接之前，要對焊縫進行測量，以得到拼縫寬度、中心和拼縫局部表面的法向矢量，確保焊接質量。

隨著計算機視覺技術的發展，視覺傳感技術在拼縫跟蹤過程中得到了廣泛使用。利用視覺傳感器獲取拼縫特征信息，具有信息量大、與工件非接觸、靈敏度和精度高、抗電磁干擾能力強等優點，適合于各種坡口形狀，可以同時進行拼縫跟蹤控制和焊接質量的檢驗，是最有發展前途的傳感技術。

國內外眾多學者和研究機構在利用視覺方法對焊縫進行測量這方面已進行了大量研究。國外研究較早，也取得了很多成果。英國元視覺系統(MetaVision?System)公司和加拿大賽融公司(ServoRobot)公司的視覺傳感器是世界上應用最廣泛的拼縫跟蹤傳感器。Meta?Vision?System公司采用了激光三角測量原理研制出了MT系列激光傳感器，其中以MT10/05測量精度最高，在拼縫測量中水平和垂直的測量精度均可達到+/-0.05mm，在V型坡口的測量中，MT10/05所能識別的坡口間隙最小為0.1mm。

清華大學的張文增、陳強等學者采用雙目立體視覺觀察激光焦點和拼縫線，通過立體視覺技術計算激光焦點和拼縫線的空間位置，得到激光焦點相對于拼縫的誤差(張文增，陳強，都東等.基于三維視覺的焊接機器人軌跡跟蹤.清華大學學報(自然科學版)，2007，47(008)：1270～1273)。上海交通大學的包順東、吳毅雄等人發明了雙反射鏡激光視覺傳感器，也是基于單結構光的三角測量原理來進行檢測的，用線結構光接近垂直地投射到工件表面時，形成與焊縫方向垂直的結構光條紋。激光視覺傳感器內置的攝像機采集結構光條紋圖像后，得到結構光條紋中心線上每一點的圖像坐標即可算出相應的三維坐標，獲得焊縫截面輪廓的三維數據。由于焊縫坡口、接頭間隙和錯邊等焊縫特征會引起圖像上焊縫接頭區域結構光條紋的形狀、位置和灰度值的變化，根據圖像上結構光條紋的形狀、位置和灰度值特征即可進行焊縫檢測，提取出焊縫中心位置、接頭間隙、錯邊量等焊縫特征信息(包順東，吳毅雄，張軻.雙反射鏡式激光結構光視覺傳感器研究.[碩士論文]上海交通大學，2009，1)。華中科技大學的吳家勇、王平江等人利用遠心鏡頭和線結構光光源，設計了一種拼縫寬度視覺測量系統，提出了基于拼縫灰度統計特征的拼縫信息提取算法，理論上可快速準確地提取出拼縫的寬度及圖像坐標下拼縫中心位置(吳家勇，王平江，陳吉紅，基于遠心鏡頭的激光焊接拼縫寬度測量系統)。

綜上所述，目前已有不少針對焊縫測量的視覺傳感器的研究及相關產品，但前述大多數視覺傳感器都是針對弧焊機器人的氬弧焊焊接，其拼縫寬度較寬(一般大于0.5mm)，且接頭多為V型。而激光焊接的拼縫多為對接接頭，拼縫的寬度窄(對于2mm的薄板，拼縫寬度要求小于0.1mm)，但現在的視覺焊縫檢測技術大部分都是基于線結構光的三角測量原理來測量的，對于焊縫很小的對接拼縫，由于結構光三角測量原理或傳感器橫向分辨率的限制(因為其光學放大倍數小于1，致使狹窄拼縫的幾何特征在圖像中不能充分地表現出來，導致拼縫中心及寬度檢測失敗)，目前使用的激光視覺傳感器不能穩定、可靠地提取出焊縫的中心位置和拼縫間隙的寬度。

發明內容