[發明專利]一種用于復雜曲面焊接的焊道位姿實時檢測方法

有效

• 申請號: 201810072347.5
• 申請日: 2018-01-25
• 公開（公告）號: CN108332658B
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發明（設計）人: 都東;彭國棟;洪宇翔;魏昂昂;常樹鶴;薛博策;王力;常保華
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;B23K26/082;B23K26/70
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

1.一種用于復雜曲面焊接的焊道位姿實時檢測方法，其特征在于所述方法包括以下步驟：

1)建立世界坐標系{W}、視覺傳感器坐標系{C}和像素坐標系{P}；所述世界坐標系{W}為三維笛卡爾坐標系，建立在焊槍上；所述視覺傳感器坐標系{C}為三維笛卡爾坐標系，原點為視覺傳感器的光心，豎軸方向與所述視覺傳感器光軸方向相同；所述像素坐標系{P}為二維笛卡爾坐標系，建立在視覺傳感器采集的圖像上；

2)對用于采集工件表面焊道區域圖像的視覺傳感器進行標定：令(x_P，y_P)為圖像畸變前像素坐標系{P}中的像素坐標，(x_d，y_d)為圖像畸變后像素坐標系{P}中的像素坐標，(x_C，y_C，z_C)為視覺傳感器坐標系{C}中的坐標，采用基于針孔相機模型的相機標定方法建立(x_P，y_P)與(x_C，y_C，z_C)之間的轉換關系T₁以及由圖像的徑向畸變和切向畸變得到(x_P，y_P)與(x_d，y_d)的轉換關系T₂；對畸變后的圖像中(x_d，y_d)的鄰域N(x_d，y_d)內的像素灰度分布進行插值，得到畸變前的圖像中(x_P，y_P)處的像素灰度G(x_P，y_P)，即建立圖像畸變前后像素灰度的轉換關系T₃，所述鄰域符號的數學含義為對符號內的數字進行向下取整；

3)采用在平面上光斑圖案為多重封閉曲線的激光光源照射焊道區域：

所述光斑圖案滿足各條相鄰的封閉曲線的最大間距E小于焊縫成形后焊縫平均寬度的一半的要求，令L為所述最大間距E在所述視覺傳感器的視場中代表的像素個數，L＝E×w/W，式中w為視覺傳感器采集到的圖像在寬度方向的像素個數，W為視覺傳感器的視場的寬度；

對所述各條封閉曲線由內到外依次編號為1、2、3、……、N，N為正整數，N≥3，采用光學三角法標定各條封閉曲線所在的激光傳播路徑在視覺傳感器坐標系{C}中的曲面方程T₄，并標定視覺傳感器坐標系{C}中的坐標(x_C，y_C，z_C)與世界坐標系{W}中的坐標(x_W，y_W，z_W)之間的轉換關系T₅；

4)采用面光源照射工件表面焊道區域，并用控制單元使所述面光源和所述激光光源交替點亮：

當所述面光源點亮時，所述視覺傳感器同步拍攝焊道圖像，所述控制單元利用所述步驟2)中的轉換關系T₃消除圖像畸變，獲取畸變前的圖像，采用數字圖像處理方法提取圖像中的焊道中心線；

當所述激光光源點亮時，所述視覺傳感器同步拍攝焊道圖像，所述控制單元利用所述步驟2)中的轉換關系T₃消除圖像畸變，獲取畸變前的圖像，采用數字圖像處理方法提取圖像中的多重封閉曲線激光光斑；提取激光光斑時僅提取被完全涵蓋在圖像中的封閉曲線，對于有部分地方在圖像外的封閉曲線進行忽略；令M為從圖像中提取出的最外層封閉曲線的編號，3≤M≤N，M為正整數；令S_i為從圖像中提取出的第i條封閉曲線在像素坐標系{P}中的像素坐標集合，1≤i≤M，i為正整數；

5)在所述焊道中心線上選取待檢測位姿的焊道中心點，選取的原則為：該點為焊道中心線與某條封閉曲線的交點，且圖像中該條封閉曲線的內部和外部存在其它的完整的封閉曲線，且在滿足前兩條原則的前提下該點靠近焊槍；令所述焊道中心點在像素坐標系{P}中的像素坐標為

6)基于焊道局部區域曲面擬合計算焊道位姿：

從各個像素坐標集合Si中選擇出所有與像素坐標距離小于R的像素坐標(x_P，y_P)，即滿足以下關系式的坐標(x_P，y_P)：

式中R＝1.2L～1.5L，符號T代表對矩陣的轉置；將所有選擇出來的像素坐標(x_P，y_P)組成新的像素坐標集合{(x_P，k，y_P，k)}；根據所述步驟2)的轉換關系T₁和所述步驟3)的轉換關系T₄，計算在像素坐標系{P}中的像素坐標集合{(x_P，k，y_P，k)}在視覺傳感器坐標系{C}中的坐標集合{(x_C，k，y_C，k，z_C，k)}；令曲面U為像素坐標集合{(x_P，k，y_P，k)}中的點所在的工件局部表面；用坐標集合{(x_C，k，y_C，k，z_C，k)}中的坐標擬合曲面U在視覺傳感器坐標系{C}中的方程T₆；根據方程T₆和所述步驟2)的轉換關系T₁，計算像素坐標系{P}中的像素坐標在視覺傳感器坐標系{C}中的坐標并求出曲面U在處的法向量；根據所述步驟3)的轉換關系T₅，將坐標和所述法向量轉換到世界坐標系{W}中，得到焊道位姿。