基于结构光的多层多道焊缝检测视觉传感系统

发布时间：2020-06-26 06:40

【摘要】：随着制造装备的发展,中厚板的多层多道焊接已是常用的焊接方法。但是结构件的焊接通常会存在一些缺陷,而焊接的质量对产品可靠性有着重要的影响。对焊缝外观的检测,在一定程度上有利于发现焊缝内部的缺陷,通过焊缝的外观也可以判断焊接工艺规范的合理性。传统焊缝检测有着检测时间长、工具易磨损、检测范围小等缺点,随着工业自动化程度的提高,光学测量受到了越来越多的关注。本文根据线结构光三角测量的原理,对焊缝焊后的外观检测技术进行了研究,主要研究内容如下:(1)根据线结构光三角测量原理,设计视觉传感系统模型。视觉传感系统包括相机、镜头、滤光片、激光器、嵌入式处理单元等部件。(2)根据视觉传感系统的数学模型对系统进行了标定。其中,相机标定采用了张氏模板标定法;手眼标定采用了TSAI-LENZ两步标定法;光平面方程通过中心线数据点的拟合得出。(3)针对线结构光条纹中心线提取中的精度和实时性要求,采用了精度较高的Hessian矩阵法提取中心线,并通过GPU的并行计算能力保证了算法的实时性。在图像预处理中,通过图像投影来定位光条位置,并作为ROI(Region Of Interest)缩小计算的范围;通过滤波、帧间按位与去除焊接飞溅干扰;通过按计算并修正结构光条纹的宽度来确定分割阈值,去除光条附近的反光。在中心线提取中,通过使用不同分辨率的高斯模板对Hessian法进行了改进。在提取到中心线后,对中心线中的断线进行了修补,然后结合图像处理的方法利用结构光条纹法向方向的角度差值对焊缝截面特征点进行了识别。通过视觉传感系统的数学模型得到中心线三维坐标,并对焊缝表面进行了曲面重建。(4)基于应用程序开发框架Qt,结合点云库PCL(Point Cloud Library)、视觉库OpenCV、点云库PCL、机器人离线编程接口库与相机软件开发包,开发了具有数据显示、设备控制、测量等功能的图形界面应用程序。通过对焊接件进行视觉传感系统测量与人工测量的对比,验证了其与人工测量方式的一致性并分析了误差可能的来源。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;TG441.7
【图文】：

被动视觉,机器视觉,多层多道焊,后视

第 1 章绪论2传统上焊后视觉检测常用量规、量尺、放大镜等进行人工检测，如图1-1，这种方式有着很多缺点：检测时间长、工具磨损、检测范围小以及质量评估由主观判断。而且在多层多道焊接中，有着多道焊缝，人为检测困难耗时。因此针对多层多道焊接的焊缝焊后视觉检测系统的研究对提高焊接的自动化和智能化水平具有重大的意义。(a) 焊接检验尺 (b) 传统人工测量[8]图1-1 焊接检验尺测量机器视觉起源于20世纪50年代的统计模式识别，图像的二维认知是当时的主要研究重点。20世纪60年代由Roberts提出的“积木世界”开创了以三维场景的理解为目标的计算机视觉。在20世纪80年代Marr视觉理论被提出，该理论明确提出了一个机器视觉研究体系，首次综合了计算机科学、图像处理、模式识别、生物科学及人工智能等方面的研究成果。在接下来的十多年机器视觉得到了飞快的发展，新的理论方法不断被提出，机器视觉在工业领域也得到了更广泛的应用[9-10]。在目前的焊接应用中，视觉传感的方式一般可根据光源不同分为主动视觉和被动视觉两种方式。被动视觉的传感方式是通过自然光或者弧光的照明来获取焊缝的图像

焊缝检测仪,结构光

将激光视觉传感器应用于焊缝质量的实时检测，该技术被应用于T形焊缝的质量在线监测。图1-2 三星重工焊缝检测仪[29,31]图1-3 Nelson J Orozco 焊缝跟踪检测装置[30]同时国内在焊接视觉检测方面也有一些研究。哈尔滨工业大学的刘鸣宇[32]研究了通过结构光反射法对熔池表面的形貌进行三维检测的方法，该方法的原理是通过小功率激光器发射结构光条纹，并将结构光条纹投射在熔池表面上，结构光条纹由于熔池的镜面反射而在成像屏上成像，其结构光反射条纹的变化可通过相机观察到，其原理如图1-4所示。张世亮等人[33]利用激光频闪的方式拍摄熔池图像，提取激光与熔池的边缘。图1-4 结构光反射法[32]图1-5 激光频闪获取的激光与熔池边缘[33]

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