CN115143881A - 一种实时坡口对接焊缝体积测量***及方法 - Google Patents

一种实时坡口对接焊缝体积测量***及方法 Download PDF

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范胜利
朱勇
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Abstract

本发明公开了一种实时坡口对接焊缝体积测量***，包括焊缝***，焊枪、水平移动机构、坡口焊缝和立体标靶。本发明还公开了一种实时坡口对接焊缝体积测量方法，步骤包括：1)焊缝***标定；2)采集图像；3)识别直线；4)求直线交点；5)求交点坐标；6)求三角形面积。反复移动焊缝***扫描工件，可以得到坡口焊缝所有位置的焊缝体积。采用非接触测量方式来实现测量，稳定性强，使用场景广，人工工作量小，效率高。

Description

一种实时坡口对接焊缝体积测量***及方法
技术领域
本发明涉及自动焊接技术领域，特别涉及一种实时坡口对接焊缝体积测量***及方法。
背景技术
随着我国工业现代化步伐的加快，焊接已深入到工业生产的各行各业和各个环节。焊接 对接接头时，为了保证构件的强度，一般中厚板的对接都要进行开坡口焊接。为了保证焊接 之后盖面平整，实际焊接过程中需要根据焊缝体积调整焊接量。
但是，由于焊接工装和工件尺寸存在误差，各段焊缝体积不固定，因此在焊接过程中， 需要实时调整焊接量，才能达到焊接后盖面平整的目的。因此如何实时测量坡口焊缝体积， 是实现自动坡口对接焊接的关键技术之一。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对上述坡口对接焊接***中存在的问题，提出一种实时坡 口对接焊缝体积测量***及方法，保证坡口对接自动焊接***能够方便的实现。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
本发明提供了一种实时坡口对接焊缝体积测量***，该***包括焊缝***、焊枪、水 平移动机构、立体标靶和坡口焊缝，需要测量含有坡口对接焊缝的工件放置于水平工作台上， 有坡口的一面朝上，焊缝***处于工件上方，焊缝***的线激光平面垂直于焊缝，安置 在可以水平移动的机构(比如电动滑台、机器人)上，水平移动机构的移动方向和焊缝方向 平行，立体标靶坡口与坡口焊缝平行；该***的核心部件为焊缝***，由线激光器、相机 和图像处理器组成。
本发明提供了一种实时坡口对接焊缝体积测量方法，包括如下步骤：
S1焊缝***标定
激光平面上一点的空间坐标和图像坐标之间的关系表示如下：
Figure BDA0002999157080000011
式中，Xw、Yw为该点的空间坐标，u、v为图像坐标，k11、k12、k13、k21、k22、k23、k31、 k32为常数，通过标定得出，步骤如下：
S1.1放置立体标靶：立体标靶为坡口尺寸已知的标准工件，坡口上表面水平，坡口横 截面与焊缝***平行，焊缝***激光照射在坡口上；
S1.2建立坐标系：空间坐标系的原点OW为激光平面和立体标靶的任一交点，ZW轴垂直于激光平面，指向水平移动机构的移动方向，XW轴与激光平面和水平面的交线平 行，YW轴垂直向上；
S1.3控制焊缝***采集一张灰度图像，在灰度图像上定义直角坐标系，以图像左下 点为坐标系的原点，坐标代表该像素在图像中的行数和列数，假设图像的总行数为H，总列数为W，求取立体标靶和激光平面上的交线特征点的图像坐标(u，v)和空间 坐标(Xw，Yw，Zw)，由于交线特征点在激光平面上，因此Zw＝0；
S1.4代入空间坐标和图像坐标之间的关系方程，得到以k11、k12、k13、k21、k22、k23、k31、k32为未知量的1组方程；
S1.5求取立体标靶和激光平面上的其余三个交线特征点的图像坐标和空间坐标，代入 空间坐标和图像坐标之间的关系方程，可以得到另外3组方程，联立，求解k11、k12、k13、k21、k22、k23、k31、k32，完成标定。
标定得到k11、k12、k13、k21、k22、k23、k31、k32的值之后，以图像坐标为未知量，通 过解空间坐标和图像坐标之间的关系方程组，可以求得该点的空间坐标。
S2采集图像
水平移动机构带动焊缝***从焊缝一端移动至焊缝另一端，当移动至ZW＝z1处时， 控制焊缝***采集一张灰度图像I1，该图像可以呈现焊缝在位置ZW＝z1处的截面图；
根据坡口焊缝的特征，所得灰度图像中含有四条线段，从左到右，记对应直线为lineA， lineB，lineC，lineD；
S3识别直线
在灰度图中，识别直线lineA，lineB，lineC，lineD，识别直线lineA包括如下子步骤：
S3.1求灰度图像的方向导数图像，方向根据lineA的方向人工选定；
S3.2采用固定阈值对方向导数图像进行二值化，得到方向导数二值图；
S3.3对二值图像进行闭运算，填充线上的小空洞，连接邻近断开的线段；
S3.4根据线段的位置来截取图像；
S3.5对截取之后的图像进行霍夫变换，得到霍夫图；
S3.6检测霍夫图中的极值点，极值点的坐标为直线的斜率与截距；
对于根据线段lineB，lineC，lineD不同的方向和位置，选择不同的方向求方向导数，不 同的位置来截取图像，和S3.1-S3.6同样的步骤，求得直线lineB，lineC，lineD；
S4求直线交点
利用平面解析几何中两直线交点公式，求得lineA和lineB的交点PAB的图像坐标为(uAB，vAB)，lineB和lineC的交点PBC的图像坐标为(uBC，vBC)，lineC和lineD的交点PCD的图像坐标为(uCD，vCD)；
S5求交点PAB、PBC和PCD在空间坐标系下的坐标
将
Figure BDA0002999157080000031
代入
Figure BDA0002999157080000032
可得
Figure BDA0002999157080000033
由于三个点都在激光平面上，因此三点的ZW坐标都为z1，因此PAB的坐标为(xAB，yAB，z1)； 同样的方法，可得PBC的坐标为(xBC，yBC，z1)，PCD的坐标为(xCD，yCD，z1)；
S6求三角形PABPBCPCD的面积
利用平面解析几何中的采用如下公式来计算面积：
Figure BDA0002999157080000034
即为位置ZW＝z1处的焊缝截面积；
S7控制水平移动机构带动焊缝***移动至ZW＝z2处，按照S2-S6的步骤，可以得到ZW＝ z2处的焊缝截面积S2；坡口焊缝从ZW＝z1到ZW＝z2处的焊缝体积为：
Figure BDA0002999157080000035
按照S2-S7的步骤，可以测量得到所有位置的焊缝体积。
本发明的有益效果为，提出了一种实时坡口对接焊缝体积测量***及方法，能够排除焊 接工装和工件尺寸误差引起的焊缝体积不固定的影响，实现自动坡口对接焊接；采用非接触 测量方式来实现测量，稳定性强，使用场景广阔，人工工作量小，效率高。
附图说明
图1为坡口对接焊缝跟踪***示意图；
图2为焊缝***结构图；
图3为采集得到的焊缝截面图；
图4为焊缝截面图的方向导数图像；
图5为焊缝截面图的方向导数二值图；
图6为焊缝截面图的方向导数二值图闭运算得到的图像；
图7为对闭运算得到的图像截取之后得到的图像；
图8为对截取之后的图像进行霍夫变换后得到的霍夫图及其极点位置示意图；
图9为求得的直线交点位置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种实时坡口对接焊缝体积测量***，该***包括焊缝***、焊枪、水 平移动机构、立体标靶和坡口焊缝，需要测量含有坡口对接焊缝的工件放置于水平工作台上， 有坡口的一面朝上，焊缝***处于工件上方，焊缝***的线激光平面垂直于焊缝，安置 在可以水平移动的机构(比如电动滑台、机器人)上，水平移动机构的移动方向和焊缝方向 平行，立体标靶坡口与坡口焊缝平行，在此具体实施例中，如图1所示，其中焊缝坡口形式 为“V”型；该***的核心部件为焊缝***，由线激光器、相机和图像处理器组成，如图2 所示。
本发明提供了一种实时坡口对接焊缝体积测量方法，包括如下步骤：
S8焊缝***标定
激光平面上一点的空间坐标和图像坐标之间的关系表示如下：
Figure BDA0002999157080000041
式中，Xw、Yw为该点的空间坐标，u、v为图像坐标，k11、k12、k13、k21、k22、k23、k31、 k32为常数，通过标定得出，步骤如下：
S1.6放置立体标靶：立体标靶为坡口尺寸已知的标准工件，坡口上表面水平，坡口横 截面与焊缝***平行，焊缝***激光照射在坡口上；
S1.7建立坐标系：空间坐标系的原点OW为激光平面和立体标靶的任一交点，ZW轴垂直于激光平面，指向水平移动机构的移动方向，XW轴与激光平面和水平面的交线平 行，YW轴垂直向上，在此具体实施例中，如图1所示，立体标靶的坡口横截面为梯 形；
S1.8控制焊缝***采集一张灰度图像，在灰度图像上定义直角坐标系，以图像左下 点为坐标系的原点，坐标代表该像素在图像中的行数和列数，假设图像的总行数为H，总列数为W，求取立体标靶和激光平面上的交线特征点的图像坐标(u，v)和空间 坐标(Xw，Yw，Zw)，由于交线特征点在激光平面上，因此Zw＝0；
S1.9代入空间坐标和图像坐标之间的关系方程，得到以k11、k12、k13、k21、k22、k23、k31、k32为未知量的1组方程；
S1.10求取立体标靶和激光平面上的其余三个交线特征点的图像坐标和空间坐标，代入 空间坐标和图像坐标之间的关系方程，可以得到另外3组方程，联立，求解k11、k12、k13、k21、k22、k23、k31、k32，完成标定。
在此具体实施例中，标定得到的参数如下：
k<sub>11</sub> 0.0712 k<sub>21</sub> 0.0131
k<sub>12</sub> 0 k<sub>22</sub> 0.0962
k<sub>13</sub> 0 k<sub>23</sub> 0.0013
k<sub>31</sub> -7.3125 k<sub>32</sub> -8.5000
标定得到k11、k12、k13、k21、k22、k23、k31、k32的值之后，以图像坐标为未知量，通 过解空间坐标和图像坐标之间的关系方程组，可以求得该点的空间坐标。
S9采集图像
水平移动机构带动焊缝***从焊缝一端移动至焊缝另一端，当移动至ZW＝z1处时， 控制焊缝***采集一张灰度图像I1，该图像可以呈现焊缝在位置ZW＝z1处的截面图，在此 具体实施例中，采集到的焊缝截面图像分辨率为720*576，z1＝100mm，如图3所示；
根据坡口焊缝的特征，所得灰度图像中含有四条线段，从左到右，记对应直线为lineA， lineB，lineC，lineD，在此具体实施例中，如图3所示；
S10识别直线：
在灰度图中，识别直线lineA，lineB，lineC，lineD，识别直线lineA包括如下子步骤：
S3.7求灰度图像的方向导数图像，方向根据lineA的方向人工选定，在此具体实施例中， 根据lineA的方向，方向角选取＝定为-85.6347度，求得的方向导数图像如图4所示；
S3.8采用固定阈值对方向导数图像进行二值化，得到方向导数二值图，在此具体实施例 中，采用固定阈值30进行二值化，二值图如图5所示；
S3.9对二值图像进行闭运算，填充线上的小空洞，连接邻近断开的线段，在此具体实施 例中，采用matlab中的“bwmorph”函数进行闭运算，结果如图6所示；
S3.10根据线段的位置来截取图像，在此具体实施例中，截取闭运算后图像的左半部 分，如图7所示；
S3.11对截取之后的图像进行霍夫变换，得到霍夫图，在此具体实施例中，采用matlab 中的“hough”函数进行霍夫变换，如图8所示；
S3.12检测霍夫图中的极值点，极值点的坐标为直线的斜率与截距，在此具体实施例 中，如图8中‘×’即为极值点；
对于根据线段lineB，lineC，lineD不同的方向和位置，选择不同的方向求方向导数，不 同的位置来截取图像，和S3.1-S3.6同样的步骤，求得直线lineB，lineC，lineD；
S11求直线交点
利用平面解析几何中两直线交点公式，求得lineA和lineB的交点PAB的图像坐标为(uAB，vAB)，lineB和lineC的交点PBC的图像坐标为(uBC，vBC)，lineC和lineD的交点PCD的图像坐标为(uCD，vCD)，在此具体实施例中，如图9所示，求得的交点坐标值如下：
(u<sub>AB</sub>，v<sub>AB</sub>) (166.1081，265.7670)
(u<sub>BC</sub>，v<sub>BC</sub>) (264.7744，439.2489)
(u<sub>CD</sub>，v<sub>CD</sub>) (509.1524，94.4018)
S12求交点PAB、PBC和PCD在空间坐标系下的坐标
将
Figure BDA0002999157080000061
代入
Figure BDA0002999157080000062
可得
Figure BDA0002999157080000063
由于三个点都在激光平面上，因此三点的ZW坐标都为z1，因此PAB的坐标为(xAB，yAB，z1)；
同样的方法，可得PBC的坐标为(xBC，yBC，z1)，PCD的坐标为(xCD，yCD，z1)；
在此具体实施例中，求得的三个交点在空间坐标系下的坐标(单位为mm)为：
(x<sub>AB</sub>，y<sub>AB</sub>) (6.0132，12.8209)
(x<sub>BC</sub>，y<sub>BC</sub>) (1.1796，21.8053)
(x<sub>CD</sub>，y<sub>CD</sub>) (27.0157，0.5243)
S13求三角形PABPBCPCD的面积
利用平面解析几何中的采用如下公式来计算面积：
Figure BDA0002999157080000064
即为位置ZW＝z1处的焊缝截面积；
在此具体实施例中，求得的位置ZW＝z1处截面积为126.1114mm2；
S14控制水平移动机构带动焊缝***移动至ZW＝z2处，按照S2-S6的步骤，可以得到 ZW＝z2处的焊缝截面积S2，在此具体实施例中，z1＝105mm，求得的位置ZW＝z1处截面积为S2＝88.6650mm2；坡口焊缝从ZW＝z1到ZW＝z2处的焊缝体积为：
Figure BDA0002999157080000065
在此具体实施例中，求得的焊缝体积为336.9410mm3；
按照S2-S7的步骤，可以测量得到所有位置的焊缝体积。
要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于 具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实 施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种实时坡口对接焊缝体积测量***，其特征在于，该***包括焊缝***、焊枪、水平移动机构、坡口焊缝和立体标靶，需要测量含有坡口对接焊缝的工件放置于水平工作台上，有坡口的一面朝上，焊缝***处于工件上方，焊缝***的线激光平面垂直于焊缝，安置在可以水平移动的机构(比如电动滑台、机器人)上，水平移动机构的移动方向和焊缝方向平行，立体标靶坡口与坡口焊缝平行；该***的核心部件为焊缝***，由线激光器、相机和图像处理器组成。
2.一种实时坡口对接焊缝体积测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1焊缝***标定
激光平面上一点的空间坐标和图像坐标之间的关系表示如下：
Figure FDA0002999157070000011
式中，Xw、Yw为该点的空间坐标，u、v为图像坐标，k11、k12、k13、k21、k22、k23、k31、k32为常数，通过标定得出；
S2采集图像
水平移动机构带动焊缝***从焊缝一端移动至焊缝另一端，当移动至ZW＝z1处时，控制焊缝***采集一张灰度图像I1，该图像可以呈现焊缝在位置ZW＝z1处的截面图；
在灰度图像I1上定义直角坐标系，以图像左下点为坐标系的原点，坐标代表该像素在图像中的行数和列数，假设图像的总行数为H，总列数为W；根据坡口焊缝的特征，所得灰度图像中含有四条线段，从左到右，记对应直线为lineA，lineB，lineC，lined；
S3识别直线
在灰度图中，识别直线lineA，lineB，lineC，lined；
S4求直线交点
利用平面解析几何中两直线交点公式，求lineA和lineB的交点PAB的图像坐标为(uAB,vAB)，lineB和lineC的交点PBC的图像坐标为(uBC,vBC)，lineC和lined的交点PCD的图像坐标为(uCD,vCD)；
S5求交点PAB、PBC和PCD在空间坐标系下的坐标
将
Figure FDA0002999157070000012
可得
Figure FDA0002999157070000013
由于三个点都在激光平面上，因此三点的ZW坐标都为z1，因此PAB的坐标为(xAB,yAB，z1)；
同样的方法，可得PBC的坐标为(xBC,yBC,z1)，PCD的坐标为(xCD,yCD，z1)；
S6求三角形PABPBCPCD的面积
利用平面解析几何中的采用如下公式来计算面积：
Figure FDA0002999157070000021
即为位置ZW＝z1处的焊缝截面积；
S7控制水平移动机构带动焊缝***移动至ZW＝z2处，按照S2-S6的步骤，可以得到ZW＝z2处的焊缝截面积S2；坡口焊缝从ZW＝z1到ZW＝z2处的焊缝体积为：
Figure FDA0002999157070000022
按照S2-S7的步骤，可以测量得到所有位置的焊缝体积。
3.根据权利要求2所述的实时坡口对接焊缝体积测量方法，其特征在于，所述步骤S1中焊缝***标定中，包括如下步骤：
S1.1放置立体标靶：立体标靶为坡口尺寸已知的标准工件，坡口上表面水平，坡口横截面与焊缝***平行，焊缝***激光照射在坡口上；
S1.2建立坐标系：空间坐标系的原点OW为激光平面和立体标靶的任一交点上，ZW轴垂直于激光平面，指向水平移动机构的移动方向，XW轴与激光平面和水平面的交线平行，YW轴垂直向上；
S1.3控制焊缝***采集一张灰度图像，在灰度图像上定义直角坐标系，以图像左下点为坐标系的原点，坐标代表该像素在图像中的行数和列数，假设图像的总行数为H，
总列数为W，求取立体标靶和激光平面上的交线特征点的图像坐标(u,v)和空间坐标(Xw,Yw,Zw)，由于交线特征点在激光平面上，因此Zw＝0；
S1.4代入空间坐标和图像坐标之间的关系方程，得到以k11、k12、k13、k21、k22、k23、k31、k32为未知量的1组方程；
S1.5求取立体标靶和激光平面上的其余三个交线特征点的图像坐标和空间坐标，代入空间坐标和图像坐标之间的关系方程，可以得到另外3组方程，联立，求解k11、k12、k13、k21、k22、k23、k31、k32，完成标定；
标定得到k11、k12、k13、k21、k22、k23、k31、k32的值之后，以图像坐标为未知量，通过解空间坐标和图像坐标之间的关系方程组，可以求得该点的空间坐标。
4.根据权利要求3所述的焊缝***标定，其特征在于，所述步骤S1.1中立体标靶为尺寸已知的标准工件，包含4个以上特征棱，不需要光刻(或者其他方式刻)标靶点(比如圆点、棋盘格)。
5.根据权利要求2所述的实时坡口对接焊缝体积测量方法，其特征在于，所述步骤S3中识别直线的方法，识别直线lineA包括如下子步骤：
S3.1求灰度图像的方向导数图像，方向根据lineA的方向人工选定；
S3.2采用固定阈值对方向导数图像进行二值化，得到方向导数二值图；
S3.3对二值图像进行闭运算，填充线上的小空洞，连接邻近断开的线段；
S3.4根据线段的位置来截取图像；
S3.5对截取之后的图像进行霍夫变换，得到霍夫图；
S3.6检测霍夫图中的极值点，极值点的坐标为直线的斜率与截距。
6.根据权利要求5所述的识别直线的方法，其特征在于，对于根据线段lineB，lineC，lineD不同的方向和位置，选择不同的方向求方向导数，不同的位置来截取图像，和S3.1-S3.6同样的步骤，求得直线lineB，lineC，lineD。
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