[发明专利]一种基于微景深的焊接拼缝测量方法

说明书

技术领域

本发明属于视觉测量技术及激光焊接加工技术领域，具体涉及一种能测量出复杂狭窄、微细拼缝的拼缝中心坐标、宽度以及局部表面法向矢量的焊接拼缝测量方法。

背景技术

激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、热影响区范围小、焊接热变形小、焊缝的深宽比大和易实现自动控制等优点，随着高功率激光器的研制成功和激光光纤传输技术的完善，激光焊接技术逐渐广泛应用于汽车工业、船舶制造、航空航天工业等领域。

在激光焊接中，焊接激光束的聚焦光斑直径很小，约0.3mm，因此激光焊接工艺对对接拼缝接头的装配质量有极高的要求，例如对于厚度2mm左右的薄板，所允许的对接接头的间隙宽度和错边量均小于0.1mm。激光束焦点必须准确地沿着拼缝中心轨迹运动，同时激光束焦点距拼缝表面保持合适的离焦量(根据焊接工艺要求，既有正离焦量，也有负离焦量)。对于三维曲面上的复杂拼缝，激光束方向必须与当前焊点局部区域的表面法向矢量保持一致，或与焊点局部区域的表面法向矢量保持一定夹角(如激光焊接铝锂合金等高反射率金属时，为避免反射的激光束烧毁聚焦镜头、光纤及激光器，有意使焊接激光束与拼缝表面法向矢量方向偏斜7～8度)，在保证拼缝的焊接质量的前提下保护聚焦镜头、光纤及激光器。这就要求在焊接之前，要对焊缝进行测量，以得到拼缝宽度、中心和拼缝局部表面的法向矢量，确保焊接质量。

随着计算机视觉技术的发展，视觉传感技术在拼缝跟踪过程中得到了广泛使用。利用视觉传感器获取拼缝特征信息，具有信息量大、与工件非接触、灵敏度和精度高、抗电磁干扰能力强等优点，适合于各种坡口形状，可以同时进行拼缝跟踪控制和焊接质量的检验，是最有发展前途的传感技术。

国内外众多学者和研究机构在利用视觉方法对焊缝进行测量这方面已进行了大量研究。国外研究较早，也取得了很多成果。英国元视觉系统(MetaVision System)公司和加拿大赛融公司(ServoRobot)公司的视觉传感器是世界上应用最广泛的拼缝跟踪传感器。Meta Vision System公司采用了激光三角测量原理研制出了MT系列激光传感器，其中以MT10/05测量精度最高，在拼缝测量中水平和垂直的测量精度均可达到+/-0.05mm，在V型坡口的测量中，MT10/05所能识别的坡口间隙最小为0.1mm。

清华大学的张文增、陈强等学者采用双目立体视觉观察激光焦点和拼缝线，通过立体视觉技术计算激光焦点和拼缝线的空间位置，得到激光焦点相对于拼缝的误差(张文增，陈强，都东等.基于三维视觉的焊接机器人轨迹跟踪.清华大学学报(自然科学版)，2007，47(008)：1270～1273)。上海交通大学的包顺东、吴毅雄等人发明了双反射镜激光视觉传感器，也是基于单结构光的三角测量原理来进行检测的，用线结构光接近垂直地投射到工件表面时，形成与焊缝方向垂直的结构光条纹。激光视觉传感器内置的摄像机采集结构光条纹图像后，得到结构光条纹中心线上每一点的图像坐标即可算出相应的三维坐标，获得焊缝截面轮廓的三维数据。由于焊缝坡口、接头间隙和错边等焊缝特征会引起图像上焊缝接头区域结构光条纹的形状、位置和灰度值的变化，根据图像上结构光条纹的形状、位置和灰度值特征即可进行焊缝检测，提取出焊缝中心位置、接头间隙、错边量等焊缝特征信息(包顺东，吴毅雄，张轲.双反射镜式激光结构光视觉传感器研究.[硕士论文]上海交通大学，2009，1)。华中科技大学的吴家勇、王平江等人利用远心镜头和线结构光光源，设计了一种拼缝宽度视觉测量系统，提出了基于拼缝灰度统计特征的拼缝信息提取算法，理论上可快速准确地提取出拼缝的宽度及图像坐标下拼缝中心位置(吴家勇，王平江，陈吉红，基于远心镜头的激光焊接拼缝宽度测量系统)。

综上所述，目前已有不少针对焊缝测量的视觉传感器的研究及相关产品，但前述大多数视觉传感器都是针对弧焊机器人的氩弧焊焊接，其拼缝宽度较宽(一般大于0.5mm)，且接头多为V型。而激光焊接的拼缝多为对接接头，拼缝的宽度窄(对于2mm的薄板，拼缝宽度要求小于0.1mm)，但现在的视觉焊缝检测技术大部分都是基于线结构光的三角测量原理来测量的，对于焊缝很小的对接拼缝，由于结构光三角测量原理或传感器横向分辨率的限制(因为其光学放大倍数小于1，致使狭窄拼缝的几何特征在图像中不能充分地表现出来，导致拼缝中心及宽度检测失败)，目前使用的激光视觉传感器不能稳定、可靠地提取出焊缝的中心位置和拼缝间隙的宽度。

发明内容