一種激光拼焊曲面拼縫測量方法及其實現裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于焊縫跟蹤與檢測技術領域，具體地說是一種激光拼焊曲面拼縫測量方 法及其實現裝置。
【背景技術】
[0002] 激光拼焊是采用激光為焊接能源，將若干不同材質、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性，并且由于焊接應力的存在，會使得焊接過程中焊 縫間隙發生變化。因此，在焊接過程中，僅僅依靠示教再現以及預裝夾的方法已很難滿足焊 接精度和質量要求。為了保證焊接質量，提高激光拼焊裝備的適應性，需要在焊接前或者焊 接過程中對拼縫形貌參數進行測量，包括拼縫寬度、錯配、焊縫中心位置及其法矢等，依據 測量信息在線調整焊炬位姿以及工藝參數。
[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，該系統基 于結構光三角測量原理測量拼縫，采用一條條形結構光光紋可以實現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，該系統可以同時 獲取條形結構光光紋及焊縫表面灰度圖像，實現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。而現有的焊 縫跟蹤系統，對于曲面拼縫，還不能實時獲得焊縫中心處的曲面法矢，同時不能進行生產閉 環控制。
[0004] 專利號為ZL200810048525. 7的中國發明專利《激光焊接中狹窄對接焊縫的測量 方法及裝置》采用三條結構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 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。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是提供一種成本較低、抗干擾能力強、測量精度高、有助 于實現生產過程閉環控制的激光拼焊曲面拼縫測量方法及其實現裝置。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：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生圓形結構光，并且圓形結構光的圓心 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生條形結構光，條形 結構光與圓形結構光相交，并且條形結構光與曲面拼縫垂直；
[0008] 通過傳感單元采集獲取包括圓形結構光和條形結構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、不同厚度的板材，參數設置及控制單元依據采集的圖像進行參數 設置；
[0012] 依據設定的結構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 構光光紋和圓形結構光光紋；
[0013] 提取條形結構光光紋和圓形結構光光紋的邊緣，依據邊緣提取條形結構光光紋中 心線和圓形結構光光紋中心線；
[0014] 對采集到的圖像，分割得到圓形結構光光紋中心線內的區域；
[0015] 提取圓形結構光光紋中心線和條形結構光光紋中心線上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] 對圓形結構光光紋中心線內區域，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前寬度的像素值；
[0017] 拼縫邊界和條形結構光光紋中心線的交點，即為拼縫左右特征點，依據特征點的 圖像坐標，可以得到拼縫中心點的圖像坐標；
[0018] 計算拼縫邊界和條形結構光光紋中心線交點外的左、右結構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] 所述參數設置中涉及的參數包括附加光源亮度、結構光光紋亮度、結構光光紋分 害_值。
[0020] 所述提取圓形結構光光紋中心線和條形結構光光紋中心線上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] 在圓形結構光光紋中心線和條形結構光光紋中心線上隨機提取η個點，點的坐標 為（xg，y g，zg)，g = 1，2, · · ·，η ;
[0022] 用二元多項式函數對所提取的η個點進行曲面擬合：
[0026] 其中，a。為要求系數，l<i<p，l<ji^q，p = m+1，q = m' +1，m, m' 分別為設 定的所要擬合方程中xg，yg的最高次冪；
[0027] 目標函數為：
[0029] 使s取最小值，對&1]求偏導，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矩陣可根據擬合點直接求出，解矩陣方程，即可求得系數矩陣a ;
[0049] 假設空間中一點P(x0, yO, z0),求其在函數曲面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
再根據規定的 正方向進行法矢方向的調整。
[0054] -種權利要求1所述激光拼焊曲面拼縫測量方法的實現裝置，包括：
[0055] 傳感單元，用于產生結構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，在參數設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] 參數設置及控制單元，對傳感單元及圖像處理單元的各參數進行設置，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 調節座上，其中一字線形激光器發出的條形結構光光紋通過反光鏡投射到被檢測焊縫區 域，圓形激光器發出的圓形結構光光紋直接投射到曲面接縫區域，附加光源設于能夠照亮 整個曲面接縫區域的位置。
[0059] 還設有用于降低攝像機工作溫度的冷卻板，安裝于攝像機的側面。
[0060] 所述圓形激光器和攝像機的主光軸呈10°到30°夾角。
[0061] 本發明具有以下有益效果及優點：
[0062] 1.本發明采用條形結構光光紋、圓形結構光光紋和圖像灰度信息相結合的方法， 避免了焊接過程中焊接飛濺、板材劃痕等干擾因素產生的測量誤差，通過圓結構光和條形 結構光上的特征點進行曲面擬合，極大地提高了檢測精度。
[0063] 2.本發明可以實現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、能在惡劣環境中使用、測量精度高、有助于實現焊接過 程中焊炬位姿和焊接過程參數閉環反饋控制的優點。
【附圖說明】
[0064] 圖1為本發明方法總流程圖；
[0065] 圖2為本發明方法中對采集到的拼縫圖像進行處理的