一種激光拼焊曲面拼縫測量方法及其實現(xiàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于焊縫跟蹤與檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種激光拼焊曲面拼縫測量方 法及其實現(xiàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光拼焊是采用激光為焊接能源，將若干不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的板材進 行對接焊接。對于曲面拼縫，由于待焊料片來源不同，在料片接邊質(zhì)量等方面存在差異，很 難保證整條拼縫尺寸的一致性和重復(fù)性，并且由于焊接應(yīng)力的存在，會使得焊接過程中焊 縫間隙發(fā)生變化。因此，在焊接過程中，僅僅依靠示教再現(xiàn)以及預(yù)裝夾的方法已很難滿足焊 接精度和質(zhì)量要求。為了保證焊接質(zhì)量，提高激光拼焊裝備的適應(yīng)性，需要在焊接前或者焊 接過程中對拼縫形貌參數(shù)進行測量，包括拼縫寬度、錯配、焊縫中心位置及其法矢等，依據(jù) 測量信息在線調(diào)整焊炬位姿以及工藝參數(shù)。
[0003] 在激光拼焊拼縫測量方面有加拿大ServoRobot公司的焊縫跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)基 于結(jié)構(gòu)光三角測量原理測量拼縫，采用一條條形結(jié)構(gòu)光光紋可以實現(xiàn)平面直線和曲折線拼 縫的寬度、錯配和中心點位置的測量。瑞士 Soutec公司的焊縫跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時 獲取條形結(jié)構(gòu)光光紋及焊縫表面灰度圖像，實現(xiàn)平面直線和曲折線拼縫的測量。曲面拼縫 焊接過程中，焊接工藝要求焊炬要垂直于焊縫表面，即與焊接點法矢方向一致。而現(xiàn)有的焊 縫跟蹤系統(tǒng)，對于曲面拼縫，還不能實時獲得焊縫中心處的曲面法矢，同時不能進行生產(chǎn)閉 環(huán)控制。
[0004] 專利號為ZL200810048525. 7的中國發(fā)明專利《激光焊接中狹窄對接焊縫的測量 方法及裝置》采用三條結(jié)構(gòu)光光紋通過平面擬合進行焊縫局部曲面的近似擬合，進而實現(xiàn) 曲面拼縫的寬度、中心位置和法矢測量，測量精度有待進一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種成本較低、抗干擾能力強、測量精度高、有助 于實現(xiàn)生產(chǎn)過程閉環(huán)控制的激光拼焊曲面拼縫測量方法及其實現(xiàn)裝置。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種激光拼焊曲面拼縫測量方 法，包括以下步驟：
[0007] 利用圓形激光器投射在曲面拼縫表面上產(chǎn)生圓形結(jié)構(gòu)光，并且圓形結(jié)構(gòu)光的圓心 與所述曲面拼縫重合，利用一字線形激光器投射在曲面拼縫表面上產(chǎn)生條形結(jié)構(gòu)光，條形 結(jié)構(gòu)光與圓形結(jié)構(gòu)光相交，并且條形結(jié)構(gòu)光與曲面拼縫垂直；
[0008] 通過傳感單元采集獲取包括圓形結(jié)構(gòu)光和條形結(jié)構(gòu)光的曲面拼縫表面灰度圖像， 并將所采集的圖像傳送給圖像處理單元；
[0009] 由圖像處理單元對采集到的圖像進行像素值的處理，獲得曲面拼縫的寬度值、錯 配值、曲面拼縫中心點位置和法矢。
[0010] 所述由圖像處理單元對采集到的圖像進行處理，包括如下步驟：
[0011] 針對不同材質(zhì)、不同厚度的板材，參數(shù)設(shè)置及控制單元依據(jù)采集的圖像進行參數(shù) 設(shè)置；
[0012] 依據(jù)設(shè)定的結(jié)構(gòu)光光紋分割閾值對采集的圖像進行閾值分割，分割后得到條形結(jié) 構(gòu)光光紋和圓形結(jié)構(gòu)光光紋；
[0013] 提取條形結(jié)構(gòu)光光紋和圓形結(jié)構(gòu)光光紋的邊緣，依據(jù)邊緣提取條形結(jié)構(gòu)光光紋中 心線和圓形結(jié)構(gòu)光光紋中心線；
[0014] 對采集到的圖像，分割得到圓形結(jié)構(gòu)光光紋中心線內(nèi)的區(qū)域；
[0015] 提取圓形結(jié)構(gòu)光光紋中心線和條形結(jié)構(gòu)光光紋中心線上η個點，利用這η個點進 行曲面擬合，求出拼縫中心點在該曲面上投影點的法矢；
[0016] 對圓形結(jié)構(gòu)光光紋中心線內(nèi)區(qū)域，沿曲面拼縫方向上做灰度投影，計算灰度梯度 值，搜索得到兩個灰度梯度絕對值局部最大值，兩個最大值對應(yīng)的位置即為曲面拼縫的左 右邊界，左右邊界差即為曲面拼縫當(dāng)前寬度的像素值；
[0017] 拼縫邊界和條形結(jié)構(gòu)光光紋中心線的交點，即為拼縫左右特征點，依據(jù)特征點的 圖像坐標(biāo)，可以得到拼縫中心點的圖像坐標(biāo)；
[0018] 計算拼縫邊界和條形結(jié)構(gòu)光光紋中心線交點外的左、右結(jié)構(gòu)光光紋中心線上像素 的行均值，行均值的差即為拼縫錯配的像素值。
[0019] 所述參數(shù)設(shè)置中涉及的參數(shù)包括附加光源亮度、結(jié)構(gòu)光光紋亮度、結(jié)構(gòu)光光紋分 害_值。
[0020] 所述提取圓形結(jié)構(gòu)光光紋中心線和條形結(jié)構(gòu)光光紋中心線上η個點，利用這η個 點進行曲面擬合，求出拼縫中心點在該曲面上投影點的法矢，包括以下步驟：
[0021] 在圓形結(jié)構(gòu)光光紋中心線和條形結(jié)構(gòu)光光紋中心線上隨機提取η個點，點的坐標(biāo) 為（xg，y g，zg)，g = 1，2, · · ·，η ;
[0022] 用二元多項式函數(shù)對所提取的η個點進行曲面擬合：
[0026] 其中，a。為要求系數(shù)，l<i<p，l<ji^q，p = m+1，q = m' +1，m, m' 分別為設(shè) 定的所要擬合方程中xg，yg的最高次冪；
[0027] 目標(biāo)函數(shù)為：
[0029] 使s取最小值，對&1]求偏導(dǎo)，并令其等于零，SP
有
[0034] 其中，α，β為i，j 一定時的變化值；
[0040] 其中，
[0041] (i，j) = (1，1)，（1，2)，…，（p，q)
[0042] 將上式寫成矩陣形式：
[0048] A，B矩陣可根據(jù)擬合點直接求出，解矩陣方程，即可求得系數(shù)矩陣a ;
[0049] 假設(shè)空間中一點P(x0, yO, z0),求其在函數(shù)曲面f (X，y, z) = 0上的投影點Q :
[0050] 令L = lPQl + λ?·，其中IpqI為點P到曲面的距離，λ為輔助變量，Q為點P在曲 面上的投影點，則有
[0052] 求解該方程組，其解即為所求的投影點Q ;
[0053] 由此可得拼縫中心點在該曲面上投影點的法矢為
再根據(jù)規(guī)定的 正方向進行法矢方向的調(diào)整。
[0054] -種權(quán)利要求1所述激光拼焊曲面拼縫測量方法的實現(xiàn)裝置，包括：
[0055] 傳感單元，用于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光光紋于待焊接工件的曲面接縫上，采集其表面灰度圖 像，傳輸至圖像處理單元；
[0056] 圖像處理單元，在參數(shù)設(shè)置及控制單元的控制下對采集到的圖像進行像素值的處 理，獲得曲面拼縫的寬度值、錯配值、曲面拼縫中心點位置和法矢；
[0057] 參數(shù)設(shè)置及控制單元，對傳感單元及圖像處理單元的各參數(shù)進行設(shè)置，并分別與 傳感單元、圖像處理單元、上位機進行通訊連接。
[0058] 所述傳感單元包括攝像機、一字線形激光器、圓形激光器、附加光源及反光鏡，其 中，攝像機設(shè)于能夠拍攝曲面接縫的位置，一字線形激光器和圓形激光器分別安裝于位移 調(diào)節(jié)座上，其中一字線形激光器發(fā)出的條形結(jié)構(gòu)光光紋通過反光鏡投射到被檢測焊縫區(qū) 域，圓形激光器發(fā)出的圓形結(jié)構(gòu)光光紋直接投射到曲面接縫區(qū)域，附加光源設(shè)于能夠照亮 整個曲面接縫區(qū)域的位置。
[0059] 還設(shè)有用于降低攝像機工作溫度的冷卻板，安裝于攝像機的側(cè)面。
[0060] 所述圓形激光器和攝像機的主光軸呈10°到30°夾角。
[0061] 本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：
[0062] 1.本發(fā)明采用條形結(jié)構(gòu)光光紋、圓形結(jié)構(gòu)光光紋和圖像灰度信息相結(jié)合的方法， 避免了焊接過程中焊接飛濺、板材劃痕等干擾因素產(chǎn)生的測量誤差，通過圓結(jié)構(gòu)光和條形 結(jié)構(gòu)光上的特征點進行曲面擬合，極大地提高了檢測精度。
[0063] 2.本發(fā)明可以實現(xiàn)激光拼焊曲面拼縫寬度、錯配、中心位置和法矢的自動、在線檢 測，具有抗干擾能力強、測量速度快、能在惡劣環(huán)境中使用、測量精度高、有助于實現(xiàn)焊接過 程中焊炬位姿和焊接過程參數(shù)閉環(huán)反饋控制的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0064] 圖1為本發(fā)明方法總流程圖；
[0065] 圖2為本發(fā)明方法中對采集到的拼縫圖像進行處理的