[发明专利]焊接变形实时检测系统及其检测方法

说明书

技术领域

本发明属于变形测量技术领域，具体涉及一种焊接变形实时检测系统及其检测方法。

背景技术

焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩，这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。

残余变形的存在不仅影响结构的尺寸精度和外观，而且有可能降低其承载能力和机械性能，因此控制和调整焊接变形十分重要。对焊接变形进行快速、准确的检测，是评价控制和调整焊接变形效果的必要手段，同时也可用于验证焊接变形数值模拟结果的合理程度。因此，国内外研究者都花费了大量的时间去设计各种方法对焊接变形进行检测。

焊接变形的检测方法大致可以分为动态测量和静态测量两大类。动态测量需要在测量变形的同时对温度加以测量，得到一系列随着时间和温度变化而变化的变形数据，然后借助于数值计算得到变形量。常用动态测量方法有应变计测量法、传感器与热电偶测量法、高速摄影测量法。静态测量是指在焊接变形稳定之后，才对焊接变形进行测量，不需要测量温度，可以直接得到变形量，但是不能实时测量。常用静态测量方法有长度测量法、光学法。

对焊接变形进行快速准确的测量，是评价控制和调整焊接变形效果的必要手段。然而，现有的方法均有其各自的优点和不足：(1)应变计测量法：能够直接从焊接变形测量仪器上直接得到焊接变形的数值，但是比较手续麻烦，效率低，适应性差，难以工业化应用。(2)传感器测量法：能够实时地测出焊件的动态变形，对于焊接数值计算有较好的验证效果，可以充分检验数值计算中所做假设的合理性，但是需要借助于数值计算方法才能得到最终的焊接变形值，其值误差较大，精度较低，不适应于焊接变形的质量评估，而且由于焊接时环境恶劣，导致其测量设备的投资也是比较昂贵。(3)高速摄影测量法：为非接触式方法，因为需要贴标志点，所以不适用于复杂焊接变形及微小焊接变形。(4)长度测量法：不需要任何与焊接相关特殊匹配，可以很容易确定横向和纵向收缩，但是受人为影响因素大，精度不高。(5)光学法：精度是非常高的，但所测变形量过小。本发明因此而来。

发明内容

本发明目的在于提供一种焊接变形实时检测系统，解决了现有技术中传统的焊接变形测量方法所存在的种种不足。另外，鉴于传统的焊接变形测量方法所存在的种种优点与不足，本发明也提供了一种基于图像识别的三维散斑应变测量装置及其测量方法。这种测量方法采用两个CCD摄像机(工业相机)实时采集物体各个变形阶段的散斑图像，结合数字图像相关技术与双目立体视觉技术，利用计算机的图形识别功能，进行物体表面变形点的匹配，重建出匹配点的三维空间坐标，然后进行位移场数据的计算处理和变形信息的可视化分析，从而实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量，具有便携、速度快、精度高、易操作等特点。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种焊接变形实时检测系统，其特征在于所述系统包括在被照射的焊接工件表面产生散斑场并形成散斑图像，然后采集焊接工件表面焊接时各个阶段的散斑图像的CCD摄像机(4)、提供采集散斑图像时焊接工件附近照明的环境光源(5)、对采集的散斑图像进行处理，根据各个阶段的散斑图像上识别散斑图像上焊接工件表面变形点的三维坐标变化，获得焊接工件表面的三维位移场和应变场的检测模块以及为CCD摄像机提供电力支持并控制图像采集过程的控制模块。

优选的，所述CCD摄像机(4)架设在相机支架(3)上，所述相机支架通过旋转云台(2)安装在升降台(1)上；所述升降台(1)驱动CCD摄像机(4)进行上下移动；所述CCD摄像机(4)外侧设置环境光源(5)。

优选的，所述检测模块包括根据各个阶段的散斑图像上识别检测区域并通过在检测区域划分网格进行标记的标记子模块、在焊接前的散斑图像各个网格内确定种子点的种子点子模块、在各个阶段的散斑图像网格上进行种子点追踪的散斑匹配子模块、根据种子点追踪结果进行三维焊接工件重建的三维重建子模块、根据相应种子点的三维坐标位置变化判断焊接工件表面的三维位移场和应变场的变形检测子模块

优选的，所述应变场是根据种子点周围的9个点在不同阶段的三维坐标位移变化计算出来的。

优选的，所述CCD摄像机的数量为2个，两CCD摄像机同时对同一焊接工件进行拍摄。

本发明的另一目的在于提供一种采用所述的焊接变形实时检测系统进行检测的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：