CN101334264A - 激光焊接中狭窄对接焊缝的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光焊接中狭窄对接焊缝的测量方法及装置，它将二维和三维视觉信息进行有机融合，通过对CCD相机和二个激光平面进行标定，利用含有三条激光条纹的焊缝图像，在同一测量位置获取焊缝中心的三维位置、法矢及焊缝宽度信息。装置包括：远心镜头、CCD相机、图像采集卡、带通滤光片、计算机，各线光源激光器投射出会聚的三个激光平面，各激光平面在与CCD相机主光轴垂直的平面上相交所形成的激光条纹基本平行。第一、第三线光源激光器对称地安装在CCD相机的左右两侧，与CCD相机的主光轴成15～60°角；第二线光源激光器对称安装在CCD相机的前侧或后侧，与CCD相机的主光轴成10～30°角。该装置结构简单，测量信息丰富。

Description

激光焊接中狭窄对接焊缝的测量方法及装置

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，具体涉及一种激光焊接中狭窄对接焊缝的测量方法及装置。

背景技术

待焊工件焊缝接头的加工制造误差、装配误差以及焊接过程中焊缝的热变形翘曲等因素，导致实际的焊缝曲线同工件CAD设计模型中的焊缝曲线存在较大的偏差。激光焊接的激光束焦点直径较小(约为0.3mm)，激光焊接工艺要求焊接激光束的焦点对准焊缝的中心，焊接激光束的出射方向平行于焊缝中心处的表面法矢方向，焊接之前对接焊缝的间隙小于板厚的十分之一，且激光束焦点与焊缝表面保持合适的距离。为保证焊接质量，提高焊接设备对焊缝形状位置变化的适应能力及焊接控制的自动化水平，焊接前或焊接过程中必须对实际的焊缝形貌进行测量，主要包括焊缝中心的三维位置、曲面法矢和焊缝宽度的测量。激光焊接对焊缝的形貌测量精度有更高的要求。焊接过程中根据焊缝形貌测量数据进行焊缝跟踪和焊接参数的自适应调整，才能获得高质量的激光焊接接头。

视觉传感器因其获得的焊缝信息丰富、测量精度高、抗电场和磁场干扰能力强以及测量非接触的特点而广泛地应用于焊缝测量。目前国内外运用较多的焊缝跟踪或测量传感器主要是激光三角测量原理的视觉传感器，典型的商品化产品如英国Meta Vision Systems Ltd.的MT系列传感器。MT系列传感器包括一个CCD相机和一个或两个激光器，利用三角测量原理，根据图像上激光条纹的位置和激光条纹上焊缝特征点的图像坐标计算出激光条纹上各点和焊缝特征点的三维坐标。中国科学院自动化研究所的李原、徐德等人设计了一种基于激光三角测量原理的焊缝跟踪视觉传感器，主要由CCD摄像机、线光源激光器及信息处理单元组成，通过调用焊缝图像处理模块，提取出焊缝特征点的图像坐标并转化为实际焊缝的三维坐标(参见“一种基于激光结构光的焊缝跟踪视觉传感器.李原，徐德，李涛，等.传感技术学报，第18卷，第3期，2005”)。

国内研究机构还研制了基于双目视觉原理的焊缝测量传感器(参见“基于激光双目视觉的接缝三维重建.王克鸿，曹慧，刘永，等.焊接学报，第27卷，第8期，2006”)。该传感器由两个CCD相机和一个线激光器组成双目视觉测量系统，运用图像处理方法提取同一位置处摄取的两幅图像上焊缝特征点的图像坐标，根据双目视觉原理由焊缝特征点的两个图像坐标计算出其三维坐标。

激光三角测量和双目视觉测量的视觉传感器，可以较精确地获取焊缝截面的三维轮廓。对于V型接头或较宽的I型对接接头焊缝，上述传感器可根据焊缝的接头特征，较容易地从测量数据中提取出焊缝的位置及宽度信息。然而，对于激光焊接的对接焊缝，其焊接工艺要求焊缝宽度越小越好，不超过对接板厚的十分之一，如1mm厚度的薄板激光焊接，其焊缝宽度要求小于0.1mm。激光焊接的对接焊缝缝隙狭窄且接头特征不明显，现有的激光三角测量和双目视觉原理传感器的横向分辨率有限，难以从测量数据中提取出焊缝的位置及宽度信息。对于空间三维曲面拼接形成的焊缝，焊接工艺要求焊接激光束尽量位于焊缝中心处的曲面法矢方向，而现有的焊缝测量传感器，不能直接获得测量位置焊缝中心处的曲面法矢。对于狭窄的激光焊接焊缝，现有的传感器不能同时获取焊缝中心三维位置、焊缝中心处曲面法矢和焊缝的宽度信息。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种激光焊接中狭窄对接焊缝的测量方法，该方法能够在一个测量位置，同时获取焊缝中心三维位置、曲面法矢及焊缝宽度信息；本发明还提供了实现该方法的装置。

本发明提供的激光焊接中狭窄对接焊缝的测量方法，包括：

①采用线光源激光器投射出左、中和右三个激光平面，三个激光平面呈会聚状，分别与工件表面相交形成近似平行的三条激光条纹，并且三条激光条纹近似垂直于焊缝；

②利用远心镜头CCD相机摄取三条激光条纹的激光条纹图像；

③对远心镜头CCD相机和左、右激光平面进行标定，确定相机的内、外参数及左、右激光平面在测量坐标系下的方程；通过对相机的内、外参数及左、右激光平面的标定，获得从二维图像坐标点到三维坐标点的转换矩阵；

④对激光条纹图像上的左、右激光条纹局部区域进行图像处理，分别从左、右激光条纹中提取出激光条纹中心线；利用上述的二维图像坐标到三维坐标的转换矩阵，得到左、右激光条纹中心线上各点的三维测量坐标；

⑤对左、右激光条纹中心线上的三维测量点进行平面拟合，得到焊缝中心局部区域的拟合平面的方程及法矢，将拟合平面的法矢作为焊缝中心处的曲面法矢；

⑥对激光条纹图像中的中间激光条纹进行图像处理，根据激光条纹上工件表面与焊缝处的像素灰度值的差异，提取出焊缝中心的图像坐标及在焊缝垂直方向上焊缝两边界点的图像坐标；

⑦将焊缝中心及焊缝边界点的图像坐标点逆向透视投影到焊缝中心局部区域的拟合平面上，即计算从相机光心向图像上焊缝中心及焊缝边界点的图像坐标点发出的射线与焊缝局部区域拟合平面的交点，得到拟合平面上的焊缝中心和焊缝边界点的三维坐标点；将拟合平面上的焊缝中心的三维坐标作为焊缝中心的三维坐标，拟合平面上焊缝两边界点之间的距离即为焊缝的宽度。

本发明提供的激光焊接中狭窄对接焊缝的测量装置，其特征在于：该装置包括CCD相机、远心镜头、带通滤光片、图像采集卡、计算机、第一线光源激光器、第二线光源激光器和第三线光源激光器；

远心镜头安装在CCD相机镜头接口上，带通滤光片安装在远心镜头的前面；计算机通过图像采集卡与CCD相机相连；

第一线光源激光器和第三线光源激光器对称安装在CCD相机的左右两侧，与CCD相机的主光轴成15°～60°夹角，图像上第一、第三线光源激光器在工件测量位置上形成的激光条纹与图像的竖直方向基本平行且分别位于图像的左右两侧区域；

第二线光源激光器安装在CCD相机的前侧或后侧，与CCD相机的主光轴成10°～30°夹角，第二线光源激光器的激光平面与CCD相机的主光轴重合，图像上第二线光源激光器的激光条纹与图像的竖直方向基本平行且位于图像的竖直中心区域。

本发明利用一个远心镜头、CCD相机和多个线光源激光器组成多线结构光焊缝测量装置。对于狭窄的激光焊接对接焊缝，运用本发明方法的焊缝测量装置，在同一测量位置获取左、右两条激光条纹上焊缝截面的测量点三维坐标，以及图像中间激光条纹上的焊缝中心点和焊缝边界点的图像坐标；对左、右激光条纹上焊缝截面的三维测量点进行平面拟合，此拟合平面为焊缝局部曲面的近似，拟合平面的法矢即为该位置焊缝中心的曲面法矢；将图像上的焊缝中心点及焊缝边界点逆向透视投影到拟合平面上，得到拟合平面上的焊缝中心点三维坐标及焊缝边界点的三维坐标，从而计算出焊缝中心点的三维坐标及焊缝的宽度。本发明方法在一个测量位置同时获取焊缝中心三维位置、曲面法矢及焊缝宽度信息，将运用本发明方法的测量装置安装于焊接设备或焊接机器人的焊炬前方，可用于焊前焊缝装配质量检测或焊接过程中焊缝的实时测量。焊缝测量数据为实际焊接时焊接激光束的位姿控制和焊接工艺参数调整提供了必要的焊缝信息。焊缝测量装置结构简单，测量信息丰富，具有较高的测量精度和测量速度，满足激光焊接焊缝测量要求。

附图说明

图1是本发明方法的数据处理流程图；

图2是本发明焊缝测量装置的结构示意图；

图3是本发明焊缝测量装置的测量范围示意图。

具体实施方式

焊缝中心三维坐标、曲面法矢及焊缝宽度测量方法如下，对远心镜头CCD相机的内外参数和第一、第三线光源激光器的激光平面进行标定，利用CCD相机与第一、第三线光源激光器分别组成激光三角测量系统；根据图像上第一、第三线光源激光器的激光条纹中心的图像坐标，运用激光三角测量原理获得对应的激光条纹中心点的三维坐标。对第一、第三线光源激光器的激光条纹中心点的三维坐标测量数据进行平面拟合，得到拟合平面的方程。对图像竖直中心区域的激光条纹进行图像处理，根据激光条纹上工件表面与焊缝位置处的灰度差异，提取出激光条纹上焊缝中心在图像坐标系下的坐标值，以及过此焊缝中心的在焊缝垂直方向上焊缝两边界点的图像坐标。结合标定的相机内外参数和拟合平面的方程，根据摄像机模型，将图像上焊缝中心及其边界点逆向透视投影到焊缝局部区域的拟合平面上，从而得到拟合平面上焊缝中心的三维位置及焊缝的物理宽度。由于远心镜头的视场较小，在测量范围内第一、第三线光源激光器的激光条纹相隔较近，由第一、第三线光源激光器的激光条纹中心点的三维坐标数据所拟合的平面，是对焊缝局部测量区域曲面的近似。拟合平面上焊缝中心的三维位置及焊缝的物理宽度即为焊缝局部曲面上的焊缝中心三维位置及焊缝的物理宽度，焊缝局部区域拟合平面的法矢即为焊缝中心处的曲面法矢。

下面结合附图和实例对本发明的实施例作详细说明。

狭窄对接焊缝的测量方法是：

(1)采用多个线光源激光器投射出左、中和右三个激光平面，三个激光平面呈会聚状，分别与工件表面相交形成近似平行的三条激光条纹，并使三条激光条纹近似垂直于焊缝；

(2)利用远心镜头CCD相机摄取包括三条激光条纹的激光条纹图像；

(3)对远心镜头CCD相机和左、右激光平面进行标定，确定相机的内、外参数及左、右激光平面在测量坐标系下的方程；相机内部参数包括相机焦距、主光轴与图像平面交点的图像坐标、像素的尺寸大小，相机外部参数即相机在测量坐标系下的姿态；通过对相机的内、外参数及激光平面的标定，利用三角测量原理即可获得从二维图像坐标点到三维坐标点的转换矩阵；

(4)对激光条纹图像上的左、右激光条纹局部区域进行图像处理，利用灰度重心法分别从左、右激光条纹中提取出亚像素精度的激光条纹中心线；利用上述的二维图像坐标到三维坐标的转换矩阵，得到左、右激光条纹中心线上各点的三维测量坐标；

(5)对左、右激光条纹中心线上的三维测量点运用最小二乘法进行平面拟合，得到焊缝中心局部区域的拟合平面的方程及法矢；

(6)对激光条纹图像中的中间激光条纹进行图像处理，根据激光条纹上工件表面与焊缝处的像素灰度值的差异，提取出焊缝中心的图像坐标及在垂直焊缝方面上焊缝两边界点的图像坐标；

(7)根据非线性摄像机模型将焊缝中心及焊缝边界的图像坐标点逆向透视投影到焊缝中心局部区域的拟合平面上，即计算从相机光心向图像上焊缝中心及焊缝边界的图像坐标点发出的射线与焊缝局部区域拟合平面的交点，得到拟合平面上的焊缝中心和焊缝边界的三维坐标点；

(8)由于相机的视场较小，在测量景深范围内左、右激光条纹相隔较近，由左、右激光条纹处的焊缝截面测量数据拟合所得平面与焊缝局部的真实曲面形貌较为接近；将拟合平面上的焊缝中心的三维坐标作为焊缝中心的三维坐标，拟合平面上焊缝边界点间的距离即为焊缝的宽度，拟合平面的法矢即为焊缝中心处的曲面法矢。

如图2所示，本发明的焊缝测量装置包括CCD相机1、远心镜头2、带通滤光片3、图像采集卡4、计算机5、第一线光源激光器6、第二线光源激光器7和第三线光源激光器8。为增加第二线光源激光器7的激光条纹的亮度和均匀性，可增加第四线光源激光器9，第四线光源激光器9与第二线光源激光器7关于相机的主光轴对称布置，第四线光源激光器9与第二线光源激光器7的激光平面重合。

本实例中，CCD相机1为百万像素的CCD相机，CCD像素单元的尺寸为7.4μm×7.4μm；远心镜头2为光学放大倍率1.0倍的远心镜头，镜头的视场为Φ11mm，景深为±1.25mm；第一线光源激光器6、第三线光源激光器8均为激光波长650nm的线光源激光器，激光器的出瞳功率10mW，100mm处线激光条纹的宽度约为0.5mm；第二线光源激光器7、第四线光源激光器9均为激光波长532nm的线光源激光器，激光器的出瞳功率5mW，100mm处线激光条纹的宽度约为0.5mm。带通滤光片3的高透波长段分别与第一、第三线光源激光器6、8和第二、第四线光源激光器7、9的波长相匹配对应，而其它波长段的光波则尽量截止。即带通滤光片3是532nm和650nm中心波长段的光波可高透通过，而其它波长段光波截止的带通滤光片。这样可以确保线光源激光器的激光条纹可以透过镜头成像而阻隔焊接弧光或飞溅等各种干扰。带通滤光片的高透波长段与线光源激光器的波长相对应。

第一线光源激光器6和第三线光源激光器8对称安装在CCD相机1的左、右两侧，与CCD相机1的主光轴成45°角，图像上线光源激光器6和8的激光条纹与图像的竖直方向基本平行且分别位于图像的左右两侧区域。第二、第四线光源激光器7和9对称安装在CCD相机1的前后两侧，与CCD相机1的主光轴成15°角，线光源激光器7和9的激光平面与CCD相机1的主光轴重合，图像上线光源激光器7和9的激光条纹与图像的竖直方向基本平行且重合于图像的竖直中心区域。

如图3所示，平面11和平面12为垂直于相机主光轴的前景深平面和后景深平面。前景深平面和后景深平面之间的范围为测量装置的测量范围，在测量范围内线光源激光器6的激光条纹始终位于图像竖直中心区域的左侧，线光源激光器8的激光条纹始终位于图像竖直中心区域的右侧。在测量范围内测量装置远离或靠近待测表面时，图像上第一、第三线光源激光器6和8的激光条纹则会同时靠近或远离图像中心区域，但第二、第四线光源激光器7和9的激光条纹位于图像的竖直中心区域位置不变。在前景深平面11处，图像上线光源激光器6和8的激光条纹位于图像上左右两侧边界处；在后景深平面12处，图像上线光源激光器6和8的激光条纹位于图像竖直中心区域的左右两侧，且和图像中心处的第二、第四线光源激光器7和9的激光条纹相分离。

在测量前首先对焊缝测量装置进行标定，标定包括CCD相机1的内外参数的标定、线光源激光器6和8各激光平面方程的标定。焊缝测量装置安装在焊接设备或焊缝机器人的焊炬前方，测量时第一、第三线光源激光器6、8的激光平面与待测工件10相交形成的激光条纹与工件上的焊缝基本垂直。当焊缝测量传感器处于某一测量位置时，图像采集卡4采集此位置处的包含焊缝形貌信息的三条激光条纹图像，并传输到计算机5。计算机5根据CCD相机1及线光源激光器6和8的激光平面的标定参数，运用三角测量原理，获取焊缝表面上线光源激光器6和8的激光条纹中心的三维坐标数据；对图像中心区域的中间激光条纹进行图像处理，根据激光条纹上工件与焊缝区域的灰度差异提取出焊缝中心的图像坐标及在垂直于焊缝方向上的两边界点坐标。由线光源激光器6和8的激光条纹中心点的三维坐标数据对焊缝局部区域进行平面拟合，此拟合平面的法矢即为焊缝中心处的曲面法矢；结合标定的相机内外参数和拟合平面的方程，将图像上焊缝中心点和边界点逆向透视投影拟合平面上，即从相机的光心分别向图像上焊缝中心、两边界点发出射线，与上述拟合平面求交，即可得到焊缝局部区域拟合平面上焊缝中心、边界点的三维坐标，从而获得焊缝中心的三维位置及焊缝的物理宽度。由于相机镜头的视场较小(视场为Φ11mm)，由局部较小范围内的焊缝截面测量数据拟合所得平面与焊缝局部的真实曲面形貌较为接近，故用拟合平面的法矢及映射到拟合平面上的焊缝中心作为焊缝的曲面法矢及焊缝中心，其误差很小，可以满足焊缝测量的精度要求。

为了简化带通滤光片3的设计与加工工艺，并避免焊接时弧光与飞溅对激光条纹图像的干扰，最好采用波长相等的第一线光源激光器和第三线光源激光器，同时使第二线光源激光器和第四线光源激光器的波长相等。第二线光源激光器和第四线光源激光器的波长较短时如小于600nm，可以使激光条纹图像包含更清晰的狭窄焊缝边缘，便于从图像中提取准确的焊缝边界点和焊缝图像宽度。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1、一种激光焊接中狭窄对接焊缝的测量方法，包括：

①采用线光源激光器投射出左、中和右三个激光平面，三个激光平面呈会聚状，分别与工件表面相交形成近似平行的三条激光条纹，并且三条激光条纹近似垂直于焊缝；

②利用远心镜头CCD相机摄取三条激光条纹的激光条纹图像；

③对远心镜头CCD相机和左、右激光平面进行标定，确定相机的内、外参数及左、右激光平面在测量坐标系下的方程；通过对相机的内、外参数及左、右激光平面的标定，获得从二维图像坐标点到三维坐标点的转换矩阵；

④对激光条纹图像上的左、右激光条纹局部区域进行图像处理，分别从左、右激光条纹中提取出激光条纹中心线；利用上述的二维图像坐标到三维坐标的转换矩阵，得到左、右激光条纹中心线上各点的三维测量坐标；

⑤对左、右激光条纹中心线上的三维测量点进行平面拟合，得到焊缝中心局部区域的拟合平面的方程及法矢，将拟合平面的法矢作为焊缝中心处的曲面法矢；

⑥对激光条纹图像中的中间激光条纹进行图像处理，根据激光条纹上工件表面与焊缝处的像素灰度值的差异，提取出焊缝中心的图像坐标及在焊缝垂直方向上焊缝两边界点的图像坐标；

⑦将焊缝中心及焊缝边界点的图像坐标点逆向透视投影到焊缝中心局部区域的拟合平面上，即计算从相机光心向图像上焊缝中心及焊缝边界点的图像坐标点发出的射线与焊缝局部区域拟合平面的交点，得到拟合平面上的焊缝中心和焊缝边界点的三维坐标点；将拟合平面上的焊缝中心的三维坐标作为焊缝中心的三维坐标，拟合平面上焊缝两边界点之间的距离即为焊缝的宽度。

2、一种激光焊接中狭窄对接焊缝的测量装置，其特征在于：该装置包括CCD相机(1)、远心镜头(2)、带通滤光片(3)、图像采集卡(4)、计算机(5)、第一线光源激光器(6)、第二线光源激光器(7)、第三线光源激光器(8)；

远心镜头(2)安装在CCD相机(1)镜头接口上，带通滤光片(3)安装在远心镜头(2)的前面；计算机(5)通过图像采集卡(4)与CCD相机(1)相连；

第一线光源激光器(6)和第三线光源激光器(8)对称安装在CCD相机(1)的左右两侧，与CCD相机(1)的主光轴成15°～60°夹角，图像上第一、第三线光源激光器(6、8)在工件测量位置上形成的激光条纹与图像的竖直方向基本平行且分别位于图像的左右两侧区域；

第二线光源激光器(7)安装在CCD相机(1)的前侧或后侧，与CCD相机(1)的主光轴成10°～30°夹角，第二线光源激光器(7)的激光平面与CCD相机(1)的主光轴重合，图像上第二线光源激光器(7)的激光条纹与图像的竖直方向基本平行且位于图像的竖直中心区域。

3、根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：第一线光源激光器(6)与第三线光源激光器(8)的波长相等。

4、根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：第二线光源激光器(7)的波长小于等于600nm。

5、根据权利要求3或4所述的测量装置，其特征在于：CCD相机(1)上还安装有与第二线光源激光器(7)对称的第四线光源激光器(9)，第四线光源激光器(9)与第二线光源激光器(7)波长相等，其激光平面经过CCD相机(1)的主光轴，且与第二线光源激光器(7)的激光平面重合，图像上第二、第四线光源激光器(7、9)在工作位置上形成的激光条纹重合。

6、根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于：带通滤光片(3)的高透波长段分别与第一、第三线光源激光器(6、8)和第二、第四线光源激光器(7、9)的波长相匹配对应，其它波长段的光波则尽量截止。

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