激光焊接中微細焊縫中心與法矢檢測方法

1. 研究計劃要點 根據(jù)激光焊接的工藝要求，等厚板對接拼縫檢測分為兩個層次。一是當焊縫間隙大于0.06mm時，焊縫檢測要得到焊縫的中心位置、法矢及寬度（以便根據(jù)間隙寬度調(diào)整激光焊接速度、功率等參數(shù)）；二是當焊縫間隙小于0.06mm時，焊縫檢測的重點在于如何精確獲得焊縫的中心位置與法矢，此時焊縫的寬度檢測允許有較大的相對誤差。無論較寬的間隙還是微細間隙，焊縫的中心位置都必須有很高的檢測精度。 本項目研究兩塊薄壁等厚板對接時所形成的空間曲面激光拼焊時，對所形成的狹窄微細（尤其是對于寬度小于0.06mm時）的焊縫的復(fù)合視覺檢測方法，將激光三維測量技術(shù)和機器視覺二維測量技術(shù)結(jié)合起來，通過共用CCD相機實現(xiàn)測量系統(tǒng)的集成；利用信息融合技術(shù)，將兩種測量方法得到的數(shù)據(jù)進行融合，實現(xiàn)在一幅圖像中同時獲取焊縫中心的三維位置、拼接表面法矢及寬度，為實現(xiàn)薄壁板激光對接焊中狹窄微細焊縫的檢測、幾何建模以及焊縫的實時跟蹤、焊接工藝參數(shù)的自適應(yīng)控制等提供基礎(chǔ)性的技術(shù)支持。 根據(jù)課題研究的進展情況，圍繞微細焊縫檢測與跟蹤控制的難點，本課題在對接拼縫檢測的理論與技術(shù)上進行了創(chuàng)新與發(fā)展，首次提出了基于微景深的對接拼縫檢測方法，并進行了大量的理論分析與現(xiàn)場試驗，表明微景深對接拼縫的檢測方法，具有更好的可行性。 2. 研究工作進展及所取得的成果 本課題的研究取得如下的成果。 1） 發(fā)表了2篇學術(shù)論文； 2） 獲得了一項國家發(fā)明專利；申請了一項國家發(fā)明專利； 3） 培養(yǎng)博士生1名，碩士生3名； 4） 本課題提出的基于2D/3D視覺信息融合的焊縫檢測方法，將二維影像測量與線結(jié)構(gòu)光三維測量的優(yōu)點結(jié)合起來，利用二維影像測量方法與線結(jié)構(gòu)光三維測量方法獲取焊縫邊界、中心點的二維圖像坐標和焊縫截面輪廓的三維坐標，然后利用2D/3D視覺信息融合方法，從一幅包含三條結(jié)構(gòu)光條紋的焊縫圖像中，同時獲取焊縫中心的三維位置、接頭間隙和焊縫局部表面法矢信息，滿足了激光對接拼焊時對焊縫實時檢測的要求； 5） 本課題提出的基于微景深的對接拼縫檢測方法，具有高的光學放大倍數(shù)，使得更細微的拼縫檢測的穩(wěn)定性、精度更高，且大大縮小了焊接激光焦點與拼縫檢測傳感器檢測范圍中心的距離，使得激光焊接時拼縫的實時跟蹤控制更容易、拼縫跟蹤的精度更高、控制的穩(wěn)定性更好。 6） 本課題研究的拼縫檢測方法及所培養(yǎng)的人才，在雙光束激光焊接項目的實施中得到應(yīng)用驗證 2100433B

復(fù)雜空間曲面的薄壁等厚板激光對接拼焊是目前激光加工領(lǐng)域中的一道難題。其原因在于焊縫間隙狹窄、特征不明顯，尤其是當拼縫間隙小于0.06mm時，現(xiàn)有拼縫檢測裝置不能穩(wěn)定獲得拼縫信息或完全失去作用。為此，本申請?zhí)岢鰪?fù)合視覺檢測技術(shù)，以解決對接拼焊時微細焊縫中心位置檢測的難題，從而提高激光拼焊的質(zhì)量。其基本思路是利用二維機器視覺在微觀檢測方面的優(yōu)勢，得到焊縫在圖像坐標系下的寬度及中心位置；并利用三維機器視覺在宏觀檢測方面的優(yōu)勢，得到檢測點處焊縫曲面的逼近微切平面及其法矢；再將二維測量信息與三維測量信息融合，將焊縫中心位置及寬度從二維圖像坐標系變換到三維測量局部坐標系，最終建立焊縫的三維形貌模型，為高能束拼焊軌跡優(yōu)化、焊接工藝參數(shù)優(yōu)化提供科學根據(jù)。其創(chuàng)新點在于，視覺測量裝置在同一位姿下的一次拍攝，即可以得到該位姿處微細焊縫中心位置、寬度及法矢。

正矢法優(yōu)點是測量工具簡單，外業(yè)行車干擾小，內(nèi)業(yè)計算簡捷 。

1．在測量現(xiàn)場曲線正矢前，應(yīng)先將曲線前后直線撥直，把一切不正常彎曲（鵝頭）撥入曲線范圍以內(nèi) 。

2．在曲線外軌每隔10 米用鋼尺排好測點，測點應(yīng)伸入曲線兩端直線范圍內(nèi)，將各測點順序編號。

3．在風力較小的條件下，用20 米弦繩，在鋼軌頂面作用邊下16mm 處，拉繩測每個測點正矢，拉弦要用力均勻，讀數(shù)要眼、線、尺三者成垂線，讀弦線靠鋼軌一邊的讀數(shù)。

4．曲中點：用測點分段數(shù)來表示的曲線中央位置為現(xiàn)場正矢倒累計合計除以現(xiàn)場正矢合計（緩和曲線不等長應(yīng)拋去緩和曲線檢算）。

即：曲中點=現(xiàn)場正矢倒累計合計÷現(xiàn)場正矢合計

（曲中點位置應(yīng)按拉正矢始點方向算起，小數(shù)點后單位為米）

5．曲中分中布設(shè)正矢方法：

如果規(guī)整后的曲線全長減去兩端緩長的長度為整10 米倍數(shù)的偶數(shù)，用對樁分中法（由曲中點向兩邊每10 米布點）。

如果規(guī)整后的曲線全長減去兩端緩長的長度為整10 米倍數(shù)的奇數(shù)，用10 米分中法（先由曲中點分別向兩邊量取5 米布點，然后再向兩邊每10 米布點）。2100433B