激光焊接中微細(xì)焊縫中心與法矢檢測(cè)方法中文摘要

復(fù)雜空間曲面的薄壁等厚板激光對(duì)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(dāng)拼縫間隙小于0.06mm時(shí)，現(xiàn)有拼縫檢測(cè)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(qǐng)?zhí)岢鰪?fù)合視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，以解決對(duì)接拼焊時(shí)微細(xì)焊縫中心位置檢測(cè)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(jī)器視覺(jué)在微觀檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，得到焊縫在圖像坐標(biāo)系下的寬度及中心位置；并利用三維機(jī)器視覺(jué)在宏觀檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，得到檢測(cè)點(diǎn)處焊縫曲面的逼近微切平面及其法矢；再將二維測(cè)量信息與三維測(cè)量信息融合，將焊縫中心位置及寬度從二維圖像坐標(biāo)系變換到三維測(cè)量局部坐標(biāo)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(xué)根據(jù)。其創(chuàng)新點(diǎn)在于，視覺(jué)測(cè)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(xì)焊縫中心位置、寬度及法矢。

1. 研究計(jì)劃要點(diǎn) 根據(jù)激光焊接的工藝要求，等厚板對(duì)接拼縫檢測(cè)分為兩個(gè)層次。一是當(dāng)焊縫間隙大于0.06mm時(shí)，焊縫檢測(cè)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(dāng)焊縫間隙小于0.06mm時(shí)，焊縫檢測(cè)的重點(diǎn)在于如何精確獲得焊縫的中心位置與法矢，此時(shí)焊縫的寬度檢測(cè)允許有較大的相對(duì)誤差。無(wú)論較寬的間隙還是微細(xì)間隙，焊縫的中心位置都必須有很高的檢測(cè)精度。 本項(xiàng)目研究?jī)蓧K薄壁等厚板對(duì)接時(shí)所形成的空間曲面激光拼焊時(shí)，對(duì)所形成的狹窄微細(xì)（尤其是對(duì)于寬度小于0.06mm時(shí)）的焊縫的復(fù)合視覺(jué)檢測(cè)方法，將激光三維測(cè)量技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)二維測(cè)量技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)共用CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的集成；利用信息融合技術(shù)，將兩種測(cè)量方法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)在一幅圖像中同時(shí)獲取焊縫中心的三維位置、拼接表面法矢及寬度，為實(shí)現(xiàn)薄壁板激光對(duì)接焊中狹窄微細(xì)焊縫的檢測(cè)、幾何建模以及焊縫的實(shí)時(shí)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(jìn)展情況，圍繞微細(xì)焊縫檢測(cè)與跟蹤控制的難點(diǎn)，本課題在對(duì)接拼縫檢測(cè)的理論與技術(shù)上進(jìn)行了創(chuàng)新與發(fā)展，首次提出了基于微景深的對(duì)接拼縫檢測(cè)方法，并進(jìn)行了大量的理論分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，表明微景深對(duì)接拼縫的檢測(cè)方法，具有更好的可行性。 2. 研究工作進(jìn)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(xué)術(shù)論文； 2） 獲得了一項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利；申請(qǐng)了一項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)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(jué)信息融合的焊縫檢測(cè)方法，將二維影像測(cè)量與線結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，利用二維影像測(cè)量方法與線結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量方法獲取焊縫邊界、中心點(diǎn)的二維圖像坐標(biāo)和焊縫截面輪廓的三維坐標(biāo)，然后利用2D/3D視覺(jué)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(shí)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(duì)接拼焊時(shí)對(duì)焊縫實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求； 5） 本課題提出的基于微景深的對(duì)接拼縫檢測(cè)方法，具有高的光學(xué)放大倍數(shù)，使得更細(xì)微的拼縫檢測(cè)的穩(wěn)定性、精度更高，且大大縮小了焊接激光焦點(diǎn)與拼縫檢測(cè)傳感器檢測(cè)范圍中心的距離，使得激光焊接時(shí)拼縫的實(shí)時(shí)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(cè)方法及所培養(yǎng)的人才，在雙光束激光焊接項(xiàng)目的實(shí)施中得到應(yīng)用驗(yàn)證 2100433B

正矢法優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量工具簡(jiǎn)單，外業(yè)行車(chē)干擾小，內(nèi)業(yè)計(jì)算簡(jiǎn)捷 。

1．在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)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?xún)?nèi) 。

2．在曲線外軌每隔10 米用鋼尺排好測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)伸入曲線兩端直線范圍內(nèi)，將各測(cè)點(diǎn)順序編號(hào)。

3．在風(fēng)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(cè)每個(gè)測(cè)點(diǎn)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(diǎn)：用測(cè)點(diǎn)分段數(shù)來(lái)表示的曲線中央位置為現(xiàn)場(chǎng)正矢倒累計(jì)合計(jì)除以現(xiàn)場(chǎng)正矢合計(jì)（緩和曲線不等長(zhǎng)應(yīng)拋去緩和曲線檢算）。

即：曲中點(diǎn)=現(xiàn)場(chǎng)正矢倒累計(jì)合計(jì)÷現(xiàn)場(chǎng)正矢合計(jì)

（曲中點(diǎn)位置應(yīng)按拉正矢始點(diǎn)方向算起，小數(shù)點(diǎn)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(zhǎng)減去兩端緩長(zhǎng)的長(zhǎng)度為整10 米倍數(shù)的偶數(shù)，用對(duì)樁分中法（由曲中點(diǎn)向兩邊每10 米布點(diǎn)）。

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