CN102288123B

CN102288123B - 一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法

Info

Publication number: CN102288123B
Application number: CN 201110175456
Authority: CN
Inventors: 赵海燕; 何洪文; 王鹏; 钮文翀; 徐兴全
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-06-27
Also published as: CN102288123A

Abstract

本发明涉及一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，其包括以下步骤：1)在板材上横向、竖向分别划出若干相互平行的直线；在横向与竖向直线的各交点中，选取标识点，在标识点的位置钻盲孔放置钢珠；使用显像剂对板材和钢珠进行喷涂；2)利用三维激光扫描仪对放置钢珠的板材进行扫描，得到钢珠及其板材焊接前的点云文件；3)将钢珠取下，清除显像剂，对板材进行焊接；4)焊接结束后，再次将钢珠放置在盲孔的位置，使用显像剂对板材和钢珠进行喷涂；5)利用三维激光扫描仪对堆焊试验后的板材和钢珠再次进行扫描，得到钢珠及其板材焊接变形后的点云文件；6)对焊接前、后的点云文件进行数据处理，得到标识点在焊接前、后的三维坐标值，进而计算板材的位移和焊接变形量。

Description

一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法，特别是关于一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法。

背景技术

焊接作为一种高效的连接方法广泛应用于船舶、桥梁、建筑、航空等制造行业，然而，由于焊接过程本身的复杂性，使得焊接结构的残余变形成为焊接领域一个非常棘手的问题。焊接过程中，材料的局部不均匀受热、板厚方向的热梯度、材料的局部非协调塑性应变是产生各种焊接变形的根本原因。焊接变形的存在不仅可能造成焊接结构形状的变异，影响结构尺寸精度，降低承载能力和机械性能，而且在工作荷载作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接结构疲劳强度降低的主要原因，因此，如何精确控制和调整焊接变形变得十分重要。

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，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，国内外研究学者通过设计各种不同的方法对焊接变形进行测量。传统的焊接变形测量方法一般包括动态测量和静态测量两种。动态测量方法一般是利用位移传感器进行接触式的变形测量，可实时测量焊件某点的动态位移，但是需要通过同时测量多点才能得到焊接变形的变化过程，很难实时显示变形情况，另外测量时需要屏蔽焊接条件下的强烈干扰，且受高精度传感器的测量量程限制，所以很难用于大变形量的测量，而且在应用于薄板焊接变形测量时，由于面外变形剧烈，所以更加困难。静态测量一般采用尺寸测量方法，用于构件尺寸比较小的情况，但是对于实际应用中构件尺寸比较大情况下的焊接变形测量，难度较大，而且不能实时测量。三维坐标测量机是一种先进的检测仪器，可以获得焊接工件表面上的空间坐标。虽然此方法通用性较好，但是步骤繁杂，所测构件的尺寸受到测量仪器空间的限制，更重要的是，由于不能精确重复定位，对焊接前后同一位置的坐标进行测量十分困难，从而很难算出焊接引起的位移变化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，该方法不仅解决了由于高温带来的同一位置标识点定位困难的问题，而且能够重复定位、实时测量、通用性好。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，其包括以下步骤：1)依据一定刻度，在板材上横向、竖向分别划出若干相互平行的直线；在横向与竖向直线的各交点中，选取若干需要精确定位的交点做为标识点，在标识点的位置钻盲孔，在盲孔位置分别放置一钢珠；使用显像剂对板材和钢珠进行喷涂；2)利用三维激光扫描仪对放置钢珠的板材进行扫描，得到板材和钢珠焊接前的点云文件；3)将钢珠取下，清除掉显像剂，对板材进行堆焊试验；4)焊接工作结束后，再次将钢珠放置在盲孔的位置，使用显像剂对板材和钢珠进行喷涂；5)利用三维激光扫描仪对堆焊试验后的板材和钢珠再次进行扫描，得到板材和钢珠焊接变形后的点云文件；6)对焊接前、后的点云文件进行数据处理，得到焊接前、后标识点的三维坐标值，进而计算板材的位移和焊接变形量。

所述步骤6)中，对焊接前、后的点云文件进行数据处理的具体方法如下：①将焊接前、后的点云文件导入Imageware软件中，通过坐标变换，将焊接前、后点云文件的参考坐标系转换到同一个参考坐标系之内；②统一参考坐标系后，根据焊接前、后扫描所得到的球面轮廓的点云文件，利用Imageware软件计算得到焊接前钢珠球心的三维坐标O₁，以及焊接后钢珠球心的三维坐标O₂；③通过钢珠球心的三维坐标到被测标识点所在表面的垂直距离，求得标识点焊接前的三维坐标A₁(X₁，Y₁，Z₁)和焊接后的三维坐标A₂(X₂，Y₂，Z₂)；④通过标识点焊接前、后的三维坐标位移的差值，求得标识点的前、后位移；多个标识点即反映出焊接前后构件的变形量。

所述步骤①中，将焊接前、后点云文件的参考坐标系转换到同一个参考坐标系内的具体方法为：将板材放于同一水平面内进行扫描，以此扫描平面建立参考坐标系；首先，将板材所在的面与水平面进行对齐；然后再将板材两条相互垂直的边与水平面内建立的两条相互垂直的线进行对齐，作为坐标系的X轴和Y轴，Z轴为垂直平面方向；利用Imageware软件中“将点云投影到面”选项，将扫描平面投影到Imageware软件中的坐标面内，即将面进行了对齐。然后，在点云文件相互垂直的线上做两条直线X1和Y1，同时在Imageware软件中建立两条相互垂直的线X2和Y2，利用Imageware软件中线对齐功能，将X1和X2进行对齐，Y1和Y2进行对齐；至此，即将焊接前、后点云文件的参考坐标系转换到同一个参考坐标系之内。

所述步骤②中，钢珠球心的三维坐标求得方法具体为：首先，利用Imageware软件中“圈选点”功能将每个钢珠的点云文件从板材中分离出来；然后，利用“云构建曲面”功能，将钢珠的点云拟合成球体，将板材的点云拟合成面；最后，利用测量“点位置”功能，同时勾选“捕捉中心”选项，即可求得每个钢珠球心的三维坐标值。

所述步骤③中，求得钢珠球心在板材表面上的垂直距离的具体方法为：钢珠球心三维坐标求得以后，利用Imageware软件中，“测量距离”选项中的“点到曲面最小距离”选项，求得钢珠球心在板材表面上的垂直距离，同时给出标识点的坐标值。

所述板材选取45#钢薄板，所述45#钢薄板的长度、宽度、厚度尺寸选为400mm×400mm×3mm，在所述45#钢薄板上选择50个点做为标识点，在50个标识点的位置钻盲孔放置钢珠，所述盲孔的直径和深度为1mm。

所述三维激光扫描仪与电脑相连，通过电脑实时观测点云文件扫描的过程及其板材和钢珠的点云文件的输出。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过在焊板上打浅盲孔，在浅盲孔内放置钢珠的方式，进行标识点的精确重复定位，解决了三维坐标测量机测量焊接变形时，不能精确重复定位，对焊接前后同一位置的坐标进行测量十分困难的问题。2、本发明采用三维激光扫描仪进行测量，利用钢珠进行精确重复定位，因此，能够更加准确和快速的获得焊接前后同一标识点的三维坐标，从而有效地的计算焊接位移和变形。3、本发明在焊接前在板材上打盲孔放置钢珠，然后进行扫描，得到焊接前的板材和钢珠的点云文件；焊接时，拿掉钢珠；焊接后，重新放置钢珠，进行扫描，得到焊接后板材和钢珠的点云文件；因此，解决了应用三维激光扫描仪测量时用于定位的标识点(一般为贴标识片的方式)不能耐高温的缺点，为焊接变形的测量和焊接前后同一位置标识点的精确重复定位提供了一种有效手段。4、本发明首先通过求得焊接前钢珠球心的三维坐标，以及焊接后钢珠球心的三维坐标，进而获得标识点焊接前的三维坐标和焊接后的三维坐标，因此，算法简单，容易实现。本发明可实现构件焊接变形三维非接触式测量时，焊接前后同一位置标识点的精确定位，解决了由于高温带来的同一位置标识点定位困难的问题，提供了一种对构件焊接变形过程中的角变形、弯曲变形、横向收缩及纵向收缩等变形数据三维非接触式测量方法，这对于深入研究焊接变形的规律和机理、实现焊接变形的精确控制具有重要意义。

附图说明

图1是本发明流程示意图

图2是本发明板材划线示意图

图3是本发明板材钻浅盲孔后放置钢球示意图

图4是本发明焊接前放置钢珠示意图

图5是本发明焊接后放置钢珠示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明方法包括以下步骤：

1)依据一定的刻度，应用刻针工具在板材1上横向、竖向分别划出若干相互平行的直线，各横向和竖向直线相互垂直(如图2所示)；在横向与竖向直线的各交点中，选取若干需要精确定位的交点做为标识点，在标识点的位置钻浅盲孔，在浅盲孔位置分别放置一钢珠2(如图3所示)；使用显像剂对板材1和钢珠2进行喷涂。其中，显像剂的作用是降低板材1和钢珠2的亮度，提高扫描的效率。

2)利用三维激光扫描仪对放置钢珠2的板材1进行扫描，得到板材1和钢珠2焊接前的点云文件。其中，三维激光扫描仪与电脑相连，通过电脑可以实时观测点云文件扫描的过程，及板材1和钢珠2的点云文件的输出。扫描时保持三维激光扫描仪的平稳，对板材1和钢珠2的每个位置匀速扫描，便于获得完整的点云文件，用于后续的计算工作。

3)扫描工作结束后，将钢珠2取下，清除掉显像剂，对板材1进行堆焊试验。

4)焊接工作结束后，再次将钢珠2放置在浅盲孔的位置，使用显像剂对板材1和钢珠2进行喷涂。

5)利用三维激光扫描仪对堆焊试验后的板材1和钢珠2再次进行扫描，得到板材1和钢珠2焊接变形后的点云文件。

6)对焊接前、后的点云文件进行数据处理，得到所测位置标识点在焊接前、后的三维坐标值，进而计算板材的位移和焊接变形量，用于评价控制和调整焊接变形效果，验证焊接变形数值模拟结果的合理程度。

应用三维激光扫描仪对板材1和钢珠2进行扫描后，得到的仅仅是实物整体的点云文件，如何得到板材1上具体标识点的三维坐标变化是本发明的关键技术特征之一。上述方法的步骤6)中，对焊接前、后的点云文件进行数据处理的具体方法如下：

1)将焊接前、后的点云文件导入如Imageware等软件中；由于在焊接前、后的测量过程中，激光扫描仪的参考坐标系与Imageware软件中的坐标系有可能不统一，因此，在点云文件后处理中需要进行坐标变换，将焊接前、后的点云文件的参考坐标系转换到同一个参考坐标系之内。具体实现方法为：焊接前、后，将板材1放于同一水平面内进行扫描，以此扫描平面建立参考坐标系，即选取两条固定的相互垂直的线作为X轴和Y轴，Z轴为垂直平面方向。以焊接前点云文件为例，首先利用Imageware软件中“将点云投影到面”选项，将扫描平面投影到Imageware软件中的坐标面内，即将面进行了对齐。然后，在点云文件相互垂直的线上做两条直线X1和Y1，同时在Imageware软件中建立两条相互垂直的线X2和Y2，利用Imageware软件中线对齐功能，将X1和X2进行对齐，Y1和Y2进行对齐。同理，将焊接后的点云文件应用同样方法进行坐标变换。至此，可以将焊接前、后点云文件的参考坐标系转换到同一个参考坐标系之内，从而可以进行计算。

2)如图4、图5所示，统一参考坐标系之后，求得焊接前钢珠2球心的三维坐标O₁，以及焊接后钢珠2球心的三维坐标O₂。这是因为直接获得标识点焊接前的三维坐标A₁(X₁，Y₁，Z₁)和焊接后的三维坐标A₂(X₂，Y₂，Z₂)比较困难，而求得钢珠2球心的三维坐标比较容易，可以根据扫描所得到的球面轮廓的点云文件，利用如Imageware等软件计算得到。具体实现方法为：首先，利用Imageware软件中“圈选点”功能将每个钢珠2的点云文件从板材1中分离出来；然后，利用“云构建曲面”功能，将钢珠2的点云拟合成球体，将板材1的点云拟合成面；最后，利用测量“点位置”功能，同时勾选“捕捉中心”选项，即可求得每个钢珠2的球心三维坐标。

3)由于钢珠2的球心O三维坐标变化和标识点A的三维坐标变化并不一致，因此，可以根据钢珠2球心到被测标识点所在表面的垂直距离，求得标识点焊接前的三维坐标A₁(X₁，Y₁，Z₁)和焊接后的三维坐标A₂(X₂，Y₂，Z₂)。具体实现方法为：钢珠2球心三维坐标求得以后，利用软件中“测量距离”选项中的“点到曲面最小距离”选项求得钢珠2球心在板材1表面上的垂直距离，同时给出标识点的三维坐标值。

4)通过标识点焊接前、后的三维坐标位移的差值，求得标识点的前、后位移；多个标识点即可反映出焊接前、后构件的变形量，即焊接变形。

上述实施例中，板材1选取45#钢薄板，45#钢薄板的长度、宽度、厚度尺寸选为400mm×400mm×3mm，在45#钢薄板上横向、竖向分别划出若干相互平行的直线，选择45#钢薄板上50个点做为标识点，在50个标识点的位置钻浅盲孔放置钢珠2，浅盲孔的直径和深度为1mm。

上述实施例中，应用焊接机器人对板材进行CO₂气体保护焊，焊接速度为4mm/s，电源电压为22V，电流为110A。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，其包括以下步骤：

1)依据一定刻度，在板材上横向、竖向分别划出若干相互平行的直线；在横向与竖向直线的各交点中，选取若干需要精确定位的交点做为标识点，在标识点的位置钻盲孔，在盲孔位置分别放置一钢珠；使用显像剂对板材和钢珠进行喷涂；

2)利用三维激光扫描仪对放置钢珠的板材进行扫描，得到板材和钢珠焊接前的点云文件；

3)将钢珠取下，清除掉显像剂，对板材进行堆焊试验；

4)焊接工作结束后，再次将钢珠放置在盲孔的位置，使用显像剂对板材和钢珠进行喷涂；

5)利用三维激光扫描仪对堆焊试验后的板材和钢珠再次进行扫描，得到板材和钢珠焊接变形后的点云文件；

6)对焊接前、后的点云文件进行数据处理，得到焊接前、后标识点的三维坐标值，进而计算板材的位移和焊接变形量。

2.如权利要求1所述的一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，其特征在于：

所述步骤6)中，对焊接前、后的点云文件进行数据处理的具体方法如下：

①将焊接前、后的点云文件导入Imageware软件中，通过坐标变换，将焊接前、后点云文件的参考坐标系转换到同一个参考坐标系之内；

②统一参考坐标系后，根据焊接前、后扫描所得到的球面轮廓的点云文件，利用Imageware软件计算得到焊接前钢珠球心的三维坐标O₁，以及焊接后钢珠球心的三维坐标O₂；

③通过钢珠球心的三维坐标到被测标识点所在表面的垂直距离，求得标识点焊接前的三维坐标A₁(X₁，Y₁，Z₁)和焊接后的三维坐标A₂(X₂，Y₂，Z₂)；

④通过标识点焊接前、后的三维坐标位移的差值，求得标识点的前、后位移；多个标识点即反映出焊接前后构件的变形量。

3.如权利要求2所述的一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，其特征在于：所述步骤①中，将焊接前、后点云文件的参考坐标系转换到同一个参考坐标系内的具体方法为：将板材放于同一水平面内进行扫描，以此扫描平面建立参考坐标系；首先，将板材所在的面与水平面进行对齐；然后再将板材两条相互垂直的边与水平面内建立的两条相互垂直的线进行对齐，作为坐标系的X轴和Y轴，Z轴为垂直平面方向；利用Imageware软件中“将点云投影到面”选项，将扫描平面投影到Imageware软件中的坐标面内，即将面进行了对齐；然后，在点云文件相互垂直的线上做两条直线X1和Y1，同时在Imageware软件中建立两条相互垂直的线X2和Y2，利用Imageware软件中线对齐功能，将X1和X2进行对齐，Y1和Y2进行对齐；至此，即将焊接前、后点云文件的参考坐标系转换到同一个参考坐标系之内。

4.如权利要求2所述的一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，其特征在于：所述步骤②中，钢珠球心的三维坐标求得方法具体为：首先，利用Imageware软件中“圈选点”功能将每个钢珠的点云文件从板材中分离出来；然后，利用“云构建曲面”功能，将钢珠的点云拟合成球体，将板材的点云拟合成面；最后，利用测量“点位置”功能，同时勾选“捕捉中心”选项，即可求得每个钢珠球心的三维坐标值。

5.如权利要求3所述的一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，其特征在于：所述步骤②中，钢珠球心的三维坐标求得方法具体为：首先，利用Imageware软件中“圈选点”功能将每个钢珠的点云文件从板材中分离出来；然后，利用“云构建曲面”功能，将钢珠的点云拟合成球体，将板材的点云拟合成面；最后，利用测量“点位置”功能，同时勾选“捕捉中心”选项，即可求得每个钢珠球心的三维坐标值。

6.如权利要求2或3或4或5所述的一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，其特征在于：所述步骤③中，求得钢珠球心在板材表面上的垂直距离的具体方法为：钢珠球心三维坐标求得以后，利用Imageware软件中，“测量距离”选项中的“点到曲面最小距离”选项，求得钢珠球心在板材表面上的垂直距离，同时给出标识点的坐标值。

7.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，其特征在于：所述板材选取45#钢薄板，所述45#钢薄板的长度、宽度、厚度尺寸选为400mm×400mm×3mm，在所述45#钢薄板上选择50个点做为标识点，在50个标识点的位置钻盲孔放置钢珠，所述盲孔的直径和深度为1mm。

8.如权利要求6所述的一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，其特征在于：所述板材选取45#钢薄板，所述45#钢薄板的长度、宽度、厚度尺寸选为400mm×400mm×3mm，在所述45#钢薄板上选择50个点做为标识点，在50个标识点的位置钻盲孔放置钢珠，所述盲孔的直径和深度为1mm。

9.如权利要求1或2或3或4或5或8所述的一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，其特征在于：所述三维激光扫描仪与电脑相连，通过电脑实时观测点云文件扫描的过程及其板材和钢珠的点云文件的输出。

10.如权利要求6或7所述的一种用于焊接变形三维非接触式测量的精确定位方法，其特征在于：所述三维激光扫描仪与电脑相连，通过电脑实时观测点云文件扫描的过程及其板材和钢珠的点云文件的输出。