專利名稱：激光焊接中狹窄對(duì)接焊縫的測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于視覺測(cè)量技術(shù)及激光焊接加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激 光焊接中狹窄對(duì)接焊縫的測(cè)量方法及裝置。
背景技術(shù)：
待焊工件焊縫接頭的加工制造誤差、裝配誤差以及焊接過程中焊縫的熱變形翹曲等因素，導(dǎo)致實(shí)際的焊縫曲線同工件CAD設(shè)計(jì)模型中的焊縫曲 線存在較大的偏差。激光焊接的激光束焦點(diǎn)直徑較小(約為0.3mm)，激光 焊接工藝要求焊接激光束的焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)焊縫的中心，焊接激光束的出射方向 平行于焊縫中心處的表面法矢方向，焊接之前對(duì)接焊縫的間隙小于板厚的 十分之一，且激光束焦點(diǎn)與焊縫表面保持合適的距離。為保證焊接質(zhì)量， 提高焊接設(shè)備對(duì)焊縫形狀位置變化的適應(yīng)能力及焊接控制的自動(dòng)化水平， 焊接前或焊接過程中必須對(duì)實(shí)際的焊縫形貌進(jìn)行測(cè)量，主要包括焊縫中心 的三維位置、曲面法矢和焊縫寬度的測(cè)量。激光焊接對(duì)焊縫的形貌測(cè)量精 度有更高的要求。焊接過程中根據(jù)焊縫形貌測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行焊縫跟蹤和焊接 參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，才能獲得高質(zhì)量的激光焊接接頭。視覺傳感器因其獲得的焊縫信息豐富、測(cè)量精度高、抗電場(chǎng)和磁場(chǎng)干 擾能力強(qiáng)以及測(cè)量非接觸的特點(diǎn)而廣泛地應(yīng)用于焊縫測(cè)量。目前國(guó)內(nèi)外運(yùn) 用較多的焊縫跟蹤或測(cè)量傳感器主要是激光三角測(cè)量原理的視覺傳感器， 典型的商品化產(chǎn)品如英國(guó)Meta Vision Systems Ltd.的MT系列傳感器。MT系 列傳感器包括一個(gè)CCD相機(jī)和一個(gè)或兩個(gè)激光器，利用三角測(cè)量原理，根 據(jù)圖像上激光條紋的位置和激光條紋上焊縫特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)計(jì)算出激光 條紋上各點(diǎn)和焊縫特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的李原、 徐德等人設(shè)計(jì)了一種基于激光三角測(cè)量原理的焊縫跟蹤視覺傳感器，主要由CCD攝像機(jī)、線光源激光器及信息處理單元組成，通過調(diào)用焊縫圖像處理模塊，提取出焊縫特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)并轉(zhuǎn)化為實(shí)際焊縫的三維坐標(biāo)(參 見"一種基于激光結(jié)構(gòu)光的焊縫跟蹤視覺傳感器.李原，徐德，李濤，等.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，第18巻，第3期，2005")。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)還研制了基于雙目視覺原理的焯縫測(cè)量傳感器(參見 "基于激光雙目視覺的接縫三維重建.王克鴻，曹慧，劉永，等.焊接學(xué)報(bào)， 第27巻，第8期，2006")。該傳感器由兩個(gè)CCD相機(jī)和一個(gè)線激光器組成雙 目視覺測(cè)量系統(tǒng)，運(yùn)用圖像處理方法提取同一位置處攝取的兩幅圖像上焊 縫特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，根據(jù)雙目視覺原理由焊縫特征點(diǎn)的兩個(gè)圖像坐標(biāo)計(jì) 算出其三維坐標(biāo)。激光三角測(cè)量和雙目視覺測(cè)量的視覺傳感器，可以較精確地獲取焊縫 截面的三維輪廓。對(duì)于V型接頭或較寬的I型對(duì)接接頭焊縫，上述傳感器 可根據(jù)焊縫的接頭特征，較容易地從測(cè)量數(shù)據(jù)中提取出焊縫的位置及寬度 信息。然而，對(duì)于激光焊接的對(duì)接焊縫，其焊接工藝要求焊縫寬度越小越 好，不超過對(duì)接板厚的十分之一，如1 mm厚度的薄板激光焊接，其焊縫寬 度要求小于0.1mm。激光焊接的對(duì)接焊縫縫隙狹窄且接頭特征不明顯，現(xiàn)有 的激光三角測(cè)量和雙目視覺原理傳感器的橫向分辨率有限，難以從測(cè)量數(shù) 據(jù)中提取出焊縫的位置及寬度信息。對(duì)于空間三維曲面拼接形成的焊縫， 焊接工藝要求焊接激光束盡量位于焊縫中心處的曲面法矢方向，而現(xiàn)有的 焊縫測(cè)量傳感器，不能直接獲得測(cè)量位置焊縫中心處的曲面法矢。對(duì)于狹 窄的激光焊接焊縫，現(xiàn)有的傳感器不能同時(shí)獲取悍縫中心三維位置、焊縫 中心處曲面法矢和焊縫的寬度信息。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的是提供一種激光焊接中狹窄對(duì)接焊縫的測(cè)量方法， 該方法能夠在一個(gè)測(cè)量位置，同時(shí)獲取焊縫中心三維位置、曲面法矢及焊 縫寬度信息；本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。本發(fā)明提供的激光焊接中狹窄對(duì)接焊縫的測(cè)量方法，包括① 采用線光源激光器投射出左、中和右三個(gè)激光平面，三個(gè)激光平面 呈會(huì)聚狀，分別與工件表面相交形成近似平行的三條激光條紋，并且三條 激光條紋近似垂直于焊縫；② 利用遠(yuǎn)心鏡頭CCD相機(jī)攝取三條激光條紋的激光條紋圖像；③ 對(duì)遠(yuǎn)心鏡頭CCD相機(jī)和左、右激光平面進(jìn)行標(biāo)定，確定相機(jī)的內(nèi)、 外參數(shù)及左、右激光平面在測(cè)量坐標(biāo)系下的方程；通過對(duì)相機(jī)的內(nèi)、外參 數(shù)及左、右激光平面的標(biāo)定，獲得從二維圖像坐標(biāo)點(diǎn)到三維坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換 矩陣； 對(duì)激光條紋圖像上的左、右激光條紋局部區(qū)域進(jìn)行圖像處理，分別 從左、右激光條紋中提取出激光條紋中心線；利用上述的二維圖像坐標(biāo)到 三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣，得到左、右激光條紋中心線上各點(diǎn)的三維測(cè)量坐標(biāo)；⑤ 對(duì)左、右激光條紋中心線上的三維測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行平面擬合，得到焊縫 中心局部區(qū)域的擬合平面的方程及法矢，將擬合平面的法矢作為焊縫中心 處的曲面法矢；⑥ 對(duì)激光條紋圖像中的中間激光條紋進(jìn)行圖像處理，根據(jù)激光條紋上 工件表面與焊縫處的像素灰度值的差異，提取出焊縫中心的圖像坐標(biāo)及在 焊縫垂直方向上焊縫兩邊界點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；⑦ 將焊縫中心及焊縫邊界點(diǎn)的圖像坐標(biāo)點(diǎn)逆向透視投影到焊縫中心局 部區(qū)域的擬合平面上，即計(jì)算從相機(jī)光心向圖像上焊縫中心及焊縫邊界點(diǎn) 的圖像坐標(biāo)點(diǎn)發(fā)出的射線與焊縫局部區(qū)域擬合平面的交點(diǎn)，得到擬合平面 上的悍縫中心和悍縫邊界點(diǎn)的三維坐標(biāo)點(diǎn)；將擬合平面上的焊縫中心的三 維坐標(biāo)作為焊縫中心的三維坐標(biāo)，擬合平面上焊縫兩邊界點(diǎn)之間的距離即 為焊縫的寬度。本發(fā)明提供的激光焊接中狹窄對(duì)接焊縫的測(cè)量裝置，其特征在于該 裝置包括CCD相機(jī)、遠(yuǎn)心鏡頭、帶通濾光片、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)、第一 線光源激光器、第二線光源激光器和第三線光源激光器；遠(yuǎn)心鏡頭安裝在CCD相機(jī)鏡頭接口上，帶通濾光片安裝在遠(yuǎn)心鏡頭的 前面；計(jì)算機(jī)通過圖像采集卡與CCD相機(jī)相連；第一線光源激光器和第三線光源激光器對(duì)稱安裝在CCD相機(jī)的左右兩 側(cè)，與CCD相機(jī)的主光軸成15。 60。夾角，圖像上第一、第三線光源激光器 在工件測(cè)量位置上形成的激光條紋與圖像的豎直方向基本平行且分別位于 圖像的左右兩側(cè)區(qū)域；第二線光源激光器安裝在CCD相機(jī)的前側(cè)或后側(cè)，與CCD相機(jī)的主光 軸成10。 30。夾角，第二線光源激光器的激光平面與CCD相機(jī)的主光軸重 合，圖像上第二線光源激光器的激光條紋與圖像的豎直方向基本平行且位 于圖像的豎直中心區(qū)域。本發(fā)明利用一個(gè)遠(yuǎn)心鏡頭、CCD相機(jī)和多個(gè)線光源激光器組成多線結(jié) 構(gòu)光焊縫測(cè)量裝置。對(duì)于狹窄的激光焊接對(duì)接焊縫，運(yùn)用本發(fā)明方法的焊 縫測(cè)量裝置，在同一測(cè)量位置獲取左、右兩條激光條紋上焊縫截面的測(cè)量 點(diǎn)三維坐標(biāo)，以及圖像中間激光條紋上的焊縫中心點(diǎn)和焊縫邊界點(diǎn)的圖像 坐標(biāo)；對(duì)左、右激光條紋上焊縫截面的三維測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行平面擬合，此擬合 平面為焊縫局部曲面的近似，擬合平面的法矢即為該位置悍縫中心的曲面 法矢；將圖像上的焊縫中心點(diǎn)及焊縫邊界點(diǎn)逆向透視投影到擬合平面上， 得到擬合平面上的焊縫中心點(diǎn)三維坐標(biāo)及焊縫邊界點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而計(jì) 算出焊縫中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)及焊縫的寬度。本發(fā)明方法在一個(gè)測(cè)量位置同 時(shí)獲取焊縫中心三維位置、曲面法矢及焊縫寬度信息，將運(yùn)用本發(fā)明方法 的測(cè)量裝置安裝于焊接設(shè)備或焊接機(jī)器人的焊炬前方，可用于焊前焊縫裝 配質(zhì)量檢測(cè)或焊接過程中焊縫的實(shí)時(shí)測(cè)量。焊縫測(cè)量數(shù)據(jù)為實(shí)際焊接時(shí)焊 接激光束的位姿控制和焊接工藝參數(shù)調(diào)整提供了必要的焊縫信息。焊縫測(cè) 量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量信息豐富，具有較高的測(cè)量精度和測(cè)量速度，滿足 激光焊接焊縫測(cè)量要求。


圖l是本發(fā)明方法的數(shù)據(jù)處理流程圖；圖2是本發(fā)明焊縫測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明焊縫測(cè)量裝置的測(cè)量范圍示意圖。
具體實(shí)施方式
焊縫中心三維坐標(biāo)、曲面法矢及焊縫寬度測(cè)量方法如下，對(duì)遠(yuǎn)心鏡頭 CCD相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和第一、第三線光源激光器的激光平面進(jìn)行標(biāo)定，利 用CCD相機(jī)與第一、第三線光源激光器分別組成激光三角測(cè)量系統(tǒng)；根據(jù) 圖像上第一、第三線光源激光器的激光條紋中心的圖像坐標(biāo)，運(yùn)用激光三 角測(cè)量原理獲得對(duì)應(yīng)的激光條紋中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)。對(duì)第一、第三線光源 激光器的激光條紋中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合，得到擬合平 面的方程。對(duì)圖像豎直中心區(qū)域的激光條紋進(jìn)行圖像處理，根據(jù)激光條紋 上工件表面與焊縫位置處的灰度差異，提取出激光條紋上焊縫中心在圖像 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，以及過此焊縫中心的在焊縫垂直方向上焊縫兩邊界點(diǎn) 的圖像坐標(biāo)。結(jié)合標(biāo)定的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)和擬合平面的方程，根據(jù)攝像機(jī)模 型，將圖像上焊縫中心及其邊界點(diǎn)逆向透視投影到焊縫局部區(qū)域的擬合平 面上，從而得到擬合平面上焊縫中心的三維位置及焊縫的物理寬度。由于 遠(yuǎn)心鏡頭的視場(chǎng)較小，在測(cè)量范圍內(nèi)第一、第三線光源激光器的激光條紋 相隔較近，由第一、第三線光源激光器的激光條紋中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù) 所擬合的平面，是對(duì)焊縫局部測(cè)量區(qū)域曲面的近似。擬合平面上焊縫中心 的三維位置及焊縫的物理寬度即為焊縫局部曲面上的焊縫中心三維位置及 焊縫的物理寬度，焊縫局部區(qū)域擬合平面的法矢即為焊縫中心處的曲面法 矢。下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明。狹窄對(duì)接焊縫的測(cè)量方法是-(1)采用多個(gè)線光源激光器投射出左、中和右三個(gè)激光平面，三個(gè)激 光平面呈會(huì)聚狀，分別與工件表面相交形成近似平行的三條激光條紋，并 使三條激光條紋近似垂直于焊縫；(2) 利用遠(yuǎn)心鏡頭CCD相機(jī)攝取包括三條激光條紋的激光條紋圖像；(3) 對(duì)遠(yuǎn)心鏡頭CCD相機(jī)和左、右激光平面進(jìn)行標(biāo)定，確定相機(jī)的內(nèi)、 外參數(shù)及左、右激光平面在測(cè)量坐標(biāo)系下的方程；相機(jī)內(nèi)部參數(shù)包括相機(jī) 焦距、主光軸與圖像平面交點(diǎn)的圖像坐標(biāo)、像素的尺寸大小，相機(jī)外部參 數(shù)即相機(jī)在測(cè)量坐標(biāo)系下的姿態(tài)；通過對(duì)相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)及激光平面的 標(biāo)定，利用三角測(cè)量原理即可獲得從二維圖像坐標(biāo)點(diǎn)到三維坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換 矩陣；(4) 對(duì)激光條紋圖像上的左、右激光條紋局部區(qū)域進(jìn)行圖像處理，利 用灰度重心法分別從左、右激光條紋中提取出亞像素精度的激光條紋中心 線；利用上述的二維圖像坐標(biāo)到三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣，得到左、右激光條 紋中心線上各點(diǎn)的三維測(cè)量坐標(biāo)；(5) 對(duì)左、右激光條紋中心線上的三維測(cè)量點(diǎn)運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行平 面擬合，得到焊縫中心局部區(qū)域的擬合平面的方程及法矢；(6) 對(duì)激光條紋圖像中的中間激光條紋進(jìn)行圖像處理，根據(jù)激光條紋 上工件表面與焊縫處的像素灰度值的差異，提取出焊縫中心的圖像坐標(biāo)及 在垂直焊縫方面上焊縫兩邊界點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；(7) 根據(jù)非線性攝像機(jī)模型將焊縫中心及焊縫邊界的圖像坐標(biāo)點(diǎn)逆向 透視投影到焊縫中心局部區(qū)域的擬合平面上，即計(jì)算從相機(jī)光心向圖像上 焊縫中心及焊縫邊界的圖像坐標(biāo)點(diǎn)發(fā)出的射線與焊縫局部區(qū)域擬合平面的 交點(diǎn)，得到擬合平面上的焊縫中心和焊縫邊界的三維坐標(biāo)點(diǎn)；(8) 由于相機(jī)的視場(chǎng)較小，在測(cè)量景深范圍內(nèi)左、右激光條紋相隔較 近，由左、右激光條紋處的焊縫截面測(cè)量數(shù)據(jù)擬合所得平面與焊縫局部的 真實(shí)曲面形貌較為接近；將擬合平面上的焊縫中心的三維坐標(biāo)作為焊縫中 心的三維坐標(biāo)，擬合平面上焊縫邊界點(diǎn)間的距離即為焊縫的寬度，擬合平 面的法矢即為焊縫中心處的曲面法矢。如圖2所示，本發(fā)明的焊縫測(cè)量裝置包括CCD相機(jī)1、遠(yuǎn)心鏡頭2、帶通 濾光片3、圖像采集卡4、計(jì)算機(jī)5、第一線光源激光器6、第二線光源激光器7和第三線光源激光器8。為增加第二線光源激光器7的激光條紋的亮度和 均勻性，可增加第四線光源激光器9，第四線光源激光器9與第二線光源激 光器7關(guān)于相機(jī)的主光軸對(duì)稱布置，第四線光源激光器9與第二線光源激光 器7的激光平面重合。本實(shí)例中，CCD相機(jī)1為百萬像素的CCD相機(jī)，CCD像素單元的尺寸為 7.4pmx7.4^im;遠(yuǎn)心鏡頭2為光學(xué)放大倍率1.0倍的遠(yuǎn)心鏡頭，鏡頭的視場(chǎng)為 Ollmm，景深為土1.25mm;第一線光源激光器6、第三線光源激光器8均為 激光波長(zhǎng)650nm的線光源激光器，激光器的出瞳功率10mW， 100mm處線激 光條紋的寬度約為0.5mm;第二線光源激光器7、第四線光源激光器9均為激 光波長(zhǎng)532nm的線光源激光器，激光器的出瞳功率5mW， 100mm處線激光 條紋的寬度約為0.5mm。帶通濾光片3的高透波長(zhǎng)段分別與第一、第三線光 源激光器6、 8和第二、第四線光源激光器7、 9的波長(zhǎng)相匹配對(duì)應(yīng)，而其它 波長(zhǎng)段的光波則盡量截止。即帶通濾光片3是532nm和650nm中心波長(zhǎng)段的 光波可高透通過，而其它波長(zhǎng)段光波截止的帶通濾光片。這樣可以確保線 光源激光器的激光條紋可以透過鏡頭成像而阻隔焊接弧光或飛濺等各種干 擾。帶通濾光片的高透波長(zhǎng)段與線光源激光器的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。第一線光源激光器6和第三線光源激光器8對(duì)稱安裝在CCD相機(jī)1的左、 右兩側(cè)，與CCD相機(jī)1的主光軸成45。角，圖像上線光源激光器6和8的激光 條紋與圖像的豎直方向基本平行且分別位于圖像的左右兩側(cè)區(qū)域。第二、 第四線光源激光器7和9對(duì)稱安裝在CCD相機(jī)1的前后兩側(cè)，與CCD相機(jī)1的 主光軸成15。角，線光源激光器7和9的激光平面與CCD相機(jī)1的主光軸重合， 圖像上線光源激光器7和9的激光條紋與圖像的豎直方向基本平行且重合于圖像的豎直中心區(qū)域。如圖3所示，平面11和平面12為垂直于相機(jī)主光軸的前景深平面和后景深平面。前景深平面和后景深平面之間的范圍為測(cè)量裝置的測(cè)量范圍，在 測(cè)量范圍內(nèi)線光源激光器6的激光條紋始終位于圖像豎直中心區(qū)域的左側(cè)， 線光源激光器8的激光條紋始終位于圖像豎直中心區(qū)域的右側(cè)。在測(cè)量范圍 內(nèi)測(cè)量裝置遠(yuǎn)離或靠近待測(cè)表面時(shí)，圖像上第一、第三線光源激光器6和8的激光條紋則會(huì)同時(shí)靠近或遠(yuǎn)離圖像中心區(qū)域，但第二、第四線光源激光器7和9的激光條紋位于圖像的豎直中心區(qū)域位置不變。在前景深平面ll處， 圖像上線光源激光器6和8的激光條紋位于圖像上左右兩側(cè)邊界處；在后景 深平面12處，圖像上線光源激光器6和8的激光條紋位于圖像豎直中心區(qū)域 的左右兩側(cè)，且和圖像中心處的第二、第四線光源激光器7和9的激光條紋 相分離。在測(cè)量前首先對(duì)焊縫測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定包括CCD相機(jī)1的內(nèi)外參 數(shù)的標(biāo)定、線光源激光器6和8各激光平面方程的標(biāo)定。焊縫測(cè)量裝置安裝 在焊接設(shè)備或焊縫機(jī)器人的焊炬前方，測(cè)量時(shí)第一、第三線光源激光器6、 8的激光平面與待測(cè)工件10相交形成的激光條紋與工件上的焊縫基本垂直。 當(dāng)焊縫測(cè)量傳感器處于某一測(cè)量位置時(shí)，圖像采集卡4采集此位置處的包含 焊縫形貌信息的三條激光條紋圖像，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)5。計(jì)算機(jī)5根據(jù)CCD 相機(jī)1及線光源激光器6和8的激光平面的標(biāo)定參數(shù)，運(yùn)用三角測(cè)量原理，獲 取焊縫表面上線光源激光器6和8的激光條紋中心的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；對(duì)圖像 中心區(qū)域的中間激光條紋進(jìn)行圖像處理，根據(jù)激光條紋上工件與焊縫區(qū)域 的灰度差異提取出焊縫中心的圖像坐標(biāo)及在垂直于焊縫方向上的兩邊界點(diǎn) 坐標(biāo)。由線光源激光器6和8的激光條紋中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)焊縫局部 區(qū)域進(jìn)行平面擬合，此擬合平面的法矢即為焊縫中心處的曲面法矢；結(jié)合 標(biāo)定的相機(jī)內(nèi)外參數(shù)和擬合平面的方程，將圖像上焊縫中心點(diǎn)和邊界點(diǎn)逆 向透視投影擬合平面上，即從相機(jī)的光心分別向圖像上焊縫中心、兩邊界 點(diǎn)發(fā)出射線，與上述擬合平面求交，即可得到焊縫局部區(qū)域擬合平面上焊 縫中心、邊界點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而獲得焊縫中心的三維位置及焊縫的物理 寬度。由于相機(jī)鏡頭的視場(chǎng)較小(視場(chǎng)為①llmm),由局部較小范圍內(nèi)的焊 縫截面測(cè)量數(shù)據(jù)擬合所得平面與焊縫局部的真實(shí)曲面形貌較為接近，故用 擬合平面的法矢及映射到擬合平面上的焊縫中心作為焊縫的曲面法矢及焊 縫中心，其誤差很小，可以滿足焊縫測(cè)量的精度要求。為了簡(jiǎn)化帶通濾光片3的設(shè)計(jì)與加工工藝，并避免焊接時(shí)弧光與飛濺 對(duì)激光條紋圖像的干擾，最好采用波長(zhǎng)相等的第一線光源激光器和第三線 光源激光器，同時(shí)使第二線光源激光器和第四線光源激光器的波長(zhǎng)相等。第二線光源激光器和第四線光源激光器的波長(zhǎng)較短時(shí)如小于600nm，可以 使激光條紋圖像包含更清晰的狹窄焊縫邊緣，便于從圖像中提取準(zhǔn)確的焊 縫邊界點(diǎn)和焊縫圖像寬度。以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施 例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等 效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種激光焊接中狹窄對(duì)接焊縫的測(cè)量方法，包括①采用線光源激光器投射出左、中和右三個(gè)激光平面，三個(gè)激光平面呈會(huì)聚狀，分別與工件表面相交形成近似平行的三條激光條紋，并且三條激光條紋近似垂直于焊縫；②利用遠(yuǎn)心鏡頭CCD相機(jī)攝取三條激光條紋的激光條紋圖像；③對(duì)遠(yuǎn)心鏡頭CCD相機(jī)和左、右激光平面進(jìn)行標(biāo)定，確定相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)及左、右激光平面在測(cè)量坐標(biāo)系下的方程；通過對(duì)相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)及左、右激光平面的標(biāo)定，獲得從二維圖像坐標(biāo)點(diǎn)到三維坐標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換矩陣；④對(duì)激光條紋圖像上的左、右激光條紋局部區(qū)域進(jìn)行圖像處理，分別從左、右激光條紋中提取出激光條紋中心線；利用上述的二維圖像坐標(biāo)到三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣，得到左、右激光條紋中心線上各點(diǎn)的三維測(cè)量坐標(biāo)；⑤對(duì)左、右激光條紋中心線上的三維測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行平面擬合，得到焊縫中心局部區(qū)域的擬合平面的方程及法矢，將擬合平面的法矢作為焊縫中心處的曲面法矢；⑥對(duì)激光條紋圖像中的中間激光條紋進(jìn)行圖像處理，根據(jù)激光條紋上工件表面與焊縫處的像素灰度值的差異，提取出焊縫中心的圖像坐標(biāo)及在焊縫垂直方向上焊縫兩邊界點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；⑦將焊縫中心及焊縫邊界點(diǎn)的圖像坐標(biāo)點(diǎn)逆向透視投影到焊縫中心局部區(qū)域的擬合平面上，即計(jì)算從相機(jī)光心向圖像上焊縫中心及焊縫邊界點(diǎn)的圖像坐標(biāo)點(diǎn)發(fā)出的射線與焊縫局部區(qū)域擬合平面的交點(diǎn)，得到擬合平面上的焊縫中心和焊縫邊界點(diǎn)的三維坐標(biāo)點(diǎn)；將擬合平面上的焊縫中心的三維坐標(biāo)作為焊縫中心的三維坐標(biāo)，擬合平面上焊縫兩邊界點(diǎn)之間的距離即為焊縫的寬度。
2、 一種激光焊接中狹窄對(duì)接焊縫的測(cè)量裝置，其特征在于該裝置包括CCD相機(jī)(1)、遠(yuǎn)心鏡頭(2)、帶通濾光片(3)、圖像采集卡(4)、計(jì) 算機(jī)(5)、第一線光源激光器(6)、第二線光源激光器(7)、第三線光源 激光器(8);遠(yuǎn)心鏡頭(2)安裝在CCD相機(jī)(1)鏡頭接口上，帶通濾光片(3)安 裝在遠(yuǎn)心鏡頭(2)的前面；計(jì)算機(jī)(5)通過圖像采集卡(4)與CCD相機(jī) (1)相連；第一線光源激光器(6)和第三線光源激光器(8)對(duì)稱安裝在CCD相 機(jī)(1)的左右兩側(cè)，與CCD相機(jī)(1)的主光軸成15°~60°夾角，圖像上第 一、第三線光源激光器(6、 8)在工件測(cè)量位置上形成的激光條紋與圖像 的豎直方向基本平行且分別位于圖像的左右兩側(cè)區(qū)域；第二線光源激光器(7)安裝在CCD相機(jī)(1)的前側(cè)或后側(cè)，與CCD 相機(jī)(1)的主光軸成10°~30°夾角，第二線光源激光器(7)的激光平面與 CCD相機(jī)(1)的主光軸重合，圖像上第二線光源激光器(7)的激光條紋 與圖像的豎直方向基本平行且位于圖像的豎直中心區(qū)域。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量裝置，其特征在于第一線光源激光器(6) 與第三線光源激光器(8)的波長(zhǎng)相等。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量裝置，其特征在于第二線光源激光器(7) 的波長(zhǎng)小于等于600nm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的測(cè)量裝置，其特征在于CCD相機(jī)(1) 上還安裝有與第二線光源激光器(7)對(duì)稱的第四線光源激光器(9)，第四 線光源激光器(9)與第二線光源激光器(7)波長(zhǎng)相等，其激光平面經(jīng)過 CCD相機(jī)(1)的主光軸，且與第二線光源激光器(7)的激光平面重合， 圖像上第二、第四線光源激光器(7、 9)在工作位置上形成的激光條紋重
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量裝置，其特征在于帶通濾光片(3)的高透波長(zhǎng)段分別與第一、第三線光源激光器(6、 8)和第二、第四線光源 激光器(7、 9)的波長(zhǎng)相匹配對(duì)應(yīng)，其它波長(zhǎng)段的光波則盡量截止。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光焊接中狹窄對(duì)接焊縫的測(cè)量方法及裝置，它將二維和三維視覺信息進(jìn)行有機(jī)融合，通過對(duì)CCD相機(jī)和二個(gè)激光平面進(jìn)行標(biāo)定，利用含有三條激光條紋的焊縫圖像，在同一測(cè)量位置獲取焊縫中心的三維位置、法矢及焊縫寬度信息。裝置包括遠(yuǎn)心鏡頭、CCD相機(jī)、圖像采集卡、帶通濾光片、計(jì)算機(jī)，各線光源激光器投射出會(huì)聚的三個(gè)激光平面，各激光平面在與CCD相機(jī)主光軸垂直的平面上相交所形成的激光條紋基本平行。第一、第三線光源激光器對(duì)稱地安裝在CCD相機(jī)的左右兩側(cè)，與CCD相機(jī)的主光軸成15～60°角；第二線光源激光器對(duì)稱安裝在CCD相機(jī)的前側(cè)或后側(cè)，與CCD相機(jī)的主光軸成10～30°角。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量信息豐富。
文檔編號(hào)G01B11/03GK101334264SQ20081004852
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者標(biāo) 劉, 吳家勇, 唐小琦, 彭芳瑜, 王平江, 陳吉紅 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué);武漢華中數(shù)控股份有限公司