TWI574003B - 銲道三維影像檢測裝置及其檢測方法 - Google Patents

Description

銲道三維影像檢測裝置及其檢測方法

本發明係有關於一種銲道三維影像檢測裝置及其檢測方法，尤指一種可快速且準確的由銲道外觀判斷銲道品質優劣之銲道三維影像檢測裝置及其檢測方法。

按，銲接在建築、汽車、航太及機械工業等領域應用非常廣泛，然在銲接施工中有時會因為人員疏忽、技術不熟練或作業程序錯誤等因素，造成銲件品質不良情況，而銲件品質良窳係會嚴重影響到結構體強度與安全性。因此，當銲接完成後，係須進一步透過檢測方法，以對銲件之銲道等進行缺陷檢測，以確保銲件品質。

目前常用之銲接缺陷檢測方法有超音波檢測、量測動態電阻或量測電阻抗函數等，請參閱我國公告第I325496號之「銲道缺陷檢測之方法及其測試系統」，其主要於銲接後，將一電連接二電極之待測試銲件持續地通入交流電，並測量該等電極間於一預定時間內之一類比電流訊號及一類比電壓訊號，接著分別轉換該類比電流訊號及該類比電壓訊號為一數位電流函數及一數位電壓函數，然後將該數位電流函數及數位電壓函數分別轉換為一複數電流函數及一複數電壓函數。接著，將該複數電壓函數除以該複數電流函數得到一電阻抗函數，復將 該電阻抗函數轉換為一電阻抗波形，以顯示該待測試銲件之銲道缺陷。然，該我國公告第I325496號之「銲道缺陷檢測之方法及其測試系統」雖可對完成銲接之銲件進行銲道缺陷的偵測，但其檢測及運算過程皆過於繁瑣，不若採外觀檢查來得直接方便且迅速。

由銲道外觀即可得知銲件的強度，不良的銲道外觀，造成應力集中使銲件強度減弱，而凹陷的銲道形狀會使銲道斷面面積減少，導致銲件損壞，另過於凸起的銲道形狀產生較大的集中應力，減少疲勞壽命等。美國銲接學會(American Welding Society)更明確將各種填角銲之銲道外觀列出圖表，請參閱第六圖所示，並整理出兩種優良品、兩種尚可接受及六種不良品之銲道形狀，其圖(a)及圖(b)所示者為理想之填角銲外形，而圖(c)及圖(d)所示者為可接受之填角銲外形，另圖(e)~圖(j)所示者則為六種不良品之銲道外觀，依序為喉深不足、銲道過凸、銲蝕、搭疊、腳長不足及熔接不足等外觀形狀。然，銲道外觀檢查方式雖極為簡便又有明確規範可供遵循，但現有外觀檢查主要係使用銲道樣板規比測，該樣板規一次僅能量測極短長度，故得分段進行量測，而無法快速及全面檢測，另運用個人之經驗判斷銲道之好壞，則易造成檢測誤差及不客觀性等缺失。

緣是，本發明人有鑑於現有銲道外觀檢測方式，於實施上仍有上述諸多缺失，乃藉其多年於相關領域的製造及設計經驗和知識的輔佐，並經多方巧思，研創出本發明。

本發明係有關於一種銲道三維影像檢測裝置及其檢測方法，其主要目的係為了提供一種可快速且準確的由銲道外觀判斷銲道品質優劣之銲道三維影像檢測裝置及其檢測方法。

為了達到上述實施目的，本發明人乃研擬如下銲道三維影像檢測裝置，係包含：一移動單元，係設有水平向移動組件，該水平向移動組件係包含直行軌道，並於該直行軌道上方設置有一基座，且於該基座底部組設有軌道輪，以使該軌道輪與該直行軌道對應銜接，另使該軌道輪處組設有位移動力源，又於該水平向移動組件上組設有垂直向移動組件，且於該垂直向移動組件組設高度調整動力源，另於該垂直向移動組件上設置有工作台；一影像擷取單元，係設置於該工作台上，乃包含有水平向旋轉組件、垂直向旋轉組件及攝像機，係使該水平向旋轉組件與該工作台相組設，又使該垂直向旋轉組件組設於該水平向旋轉組件上，另使該攝像機組設於該垂直向旋轉組件上，且使該水平向旋轉組件及垂直向旋轉組件各組接有角度調整器；一圖案投射單元，係設有一特徵投影部件，並於該特徵投影部件相鄰處設有一紅外線光源，且使該圖案投射單元與移動單元相連結；一控制單元，係主要包含有微處理器、操作暨顯示器及資料儲存元件，並使該操作暨顯示器及資料儲存元件與該微處理器相耦接，且於該資料儲存元件儲存有檢測程式模組，該檢測程式模組係至少包含有點雲處理程式及CAD軟體程式，又於該資料儲存元件儲存有美國銲接學會規範之銲道形狀資料，另使該控制單元以有線或無線其中之一，與該移動單元其水平向移動組件之位移動力源、垂直向移動組件之高度調整動力源、該影像擷取單元之攝像機及其水平向旋轉組件與垂直向旋轉組件組接之角度調整器，以及該圖案投射單元其紅外線光源相連結。

如上所述之銲道三維影像檢測裝置，其中，該移動單元之垂直向移動組件係為一垂直設置於該基座上之立桿，該立桿係由內管及外管套接組成，並於該內管及外管間組設有該高度調整動力源，又使該立桿其外管底端組接於該基座，另該內管上端組設有該工作台。

如上所述之銲道三維影像檢測裝置，其中，該影像擷取單元其水平向旋轉組件係包含有一第一框體，並使該第一框體組接有第一樞軸，且使該第一樞軸與該工作台垂直樞接，又使該第一樞軸端部組設有該角度調整器，另該垂直向旋轉組件係包含有一第二框體，乃使該第二框體設於該第一框體間，且使該第二框體與第一框體以一第二樞軸水平穿設樞接，並使該第二樞軸端部組設有該角度調整器，另使該攝像機組設於該第二框體上。

如上所述之銲道三維影像檢測裝置，其中，該攝像機係設有左鏡頭及右鏡頭。

如上所述之銲道三維影像檢測裝置，其中，該圖案投射單元係設置在該移動單元之工作台上。

本發明人係進一步研擬如下銲道三維影像檢測方法，其實施步驟係包含：A.定點調校：係先於一定點由控制單元驅使移動單元，以將一組設於移動單元之影像擷取單元其攝像機調整至拍攝到欲檢測之鋼構件及其銲道之位置處；B.特徵圖案投影：繼由控制單元驅使一圖案投射單元其紅外線光源發出紅外線，以透過其特徵投影部件將特徵圖案投射於該鋼構件及其銲道上； C.移動攝影鏡頭：續由控制單元驅使組設於移動單元上之影像擷取單元行進，並以時間差移動攝像機方式，使攝像機其鏡頭沿著該鋼構件及其銲道擷取連續分段不同角度的多重重疊影像；D.三角測量法演算：將由攝像機擷取到之多重重疊影像由控制單元之微處理器以三角測量法演算三維深度，及以不同時間擷取兩相鄰影像，利用圖案投射單元所投射出紅外線特徵圖案之影像計算基線，並進行其距離之計算；E.影像排序及特徵點偵測：再由控制單元之微處理器將該鋼構件及其銲道影像進行影像排序及特徵點對應，找出對應之間的基礎矩陣，以建立圖像之間的匹配關係；F.重建銲道三維點雲模型：又由控制單元之微處理器通過圖像之間的特徵匹配或區域相似性匹配，建構該鋼構件及其銲道的三維點雲資料；G.銲道外觀尺寸比對：續控制單元之微處理器利用銲道剖斷面重建該銲道曲面，再由該銲道三維點雲資料進行銲道外觀檢測，並與其內鍵之美國銲接學會(AWS)規範之銲道形狀進行比對，以檢測出該銲道其銲接品質優劣。

如上所述之銲道三維影像檢測方法，其中，該重建銲道三維點雲模型步驟後係進一步進行點雲資料處理，以將點雲資料縮減與點雲資料平滑化、雜訊點濾除及點雲資料座標重整，再進行銲道外觀尺寸比對步驟。

如上所述之銲道三維影像檢測方法，其中，該移動攝影鏡頭之步驟中，該攝像機其鏡頭係對該鋼構件及其銲道進行前、後及上、下角度之影像擷取。

如上所述之銲道三維影像檢測方法，其中，該移動攝影鏡頭之步驟中，每一影像與相鄰影像其重疊係以至少50%以上為最佳。

(1)‧‧‧移動單元

(11)‧‧‧直行軌道

(12)‧‧‧基座

(121)‧‧‧軌道輪

(122)‧‧‧位移動力源

(13)‧‧‧立桿

(131)‧‧‧內管

(132)‧‧‧外管

(14)‧‧‧工作台

(2)‧‧‧影像擷取單元

(21)‧‧‧第一框體

(22)‧‧‧第一樞軸

(23)‧‧‧第二框體

(24)‧‧‧第二樞軸

(25)‧‧‧角度調整器

(26)‧‧‧攝像機

(261)‧‧‧鏡頭

(3)‧‧‧圖案投射單元

(31)‧‧‧特徵投影部件

(4)‧‧‧控制單元

(41)‧‧‧微處理器

(42)‧‧‧操作暨顯示器

(43)‧‧‧資料儲存元件

(5)‧‧‧鋼構件

(51)‧‧‧銲道

第一圖：本發明之立體圖

第二圖：本發明之流程圖

第三圖：本發明之影像掃描成像示意圖

第四圖：本發明之影像掃描三維點雲三角測量示意圖

第五圖：本發明之CAD建構銲道斷面圖

第六圖：現有之美國銲接學會(AWS)各種填角銲之銲道外觀規範圖

而為令本發明之技術手段及其所能達成之效果，能夠有更完整且清楚的揭露，茲詳細說明如下，請一併參閱揭露之圖式及圖號：首先，請參閱第一圖所示，為本發明之銲道三維影像檢測裝置，係主要由移動單元(1)、影像擷取單元(2)、圖案投射單元(3)及控制單元(4)所組成；其中：該移動單元(1)，係包含有水平向移動組件，該水平向移動組件係包含直行軌道(11)，並於該直行軌道(11)上方設置有一基座(12)，且於該基座(12)底部兩側組設有軌道輪(121)，以使該軌道輪(121)與該直行軌道(11)對應銜接，又使該軌道輪(121)組設有位移動力源(122)，另設有垂直向移動組件，該垂直向移動組件係為垂直組設於該基座(12)上之立桿(13)，該立桿(13)係由內管(131)及外管(132)套接組成，並於內管(131)及外管(132)間組設有高度調整動力源， 以使該立桿(13)可上、下伸縮調整，並使該立桿(13)其外管(132)底端組接於基座(12)上，而於該內管(131)上端係組設有工作台(14)； 該影像擷取單元(2)，係設置於該工作台(14)上，乃包含有水平向旋轉組件及垂直向旋轉組件，該水平向旋轉組件係包含有一第一框體(21)，並使該第一框體(21)與該工作台(14)以第一樞軸(22)垂直樞接，以使該第一框體(21)可相對工作台(14)做水平方向旋轉，且使與該第一樞軸(22)端部組設有角度調整器，又於該第一框體(21)間設有該垂直向旋轉組件，該垂直向旋轉組件係包含有一第二框體(23)，且使該第二框體(23)與第一框體(21)以第二樞軸(24)水平穿設樞接，以使該第二框體(22)可相對第一框體(21)做垂直方向旋轉，且於穿設該第二框體(23)之第二樞軸(24)端部組設有角度調整器(25)，另於該第二框體(23)上組設有攝像機(26)，該攝像機(26)係可為紅外線攝像機(26)或數位照相機等，並於該攝像機(26)設有左、右兩鏡頭(261)； 該圖案投射單元(3)，係設置在工作台(14)上，而與影像擷取單元(2)相隔一定距離，乃設有一特徵投影部件(31)，並於該特徵投影部件(31)相鄰處設有一紅外線光源，該紅外線光源可由紅外線攝像機(26)發出，以藉由紅外線光源將特徵投影部件(31)投射在待量測之鋼構件(5)其銲道(51)上； 該控制單元(4)，係可為電腦或手機等，乃包含有微處理器(41)、操作暨顯示器(42)及資料儲存元件(43)等，並使該操作暨顯示器(42)及資料儲存元件(43)與該微處理器(41) 相耦接，且於該資料儲存元件(43)儲存有檢測程式模組，該檢測程式模組係至少包含有點雲處理程式及CAD軟體程式等，又於該資料儲存元件(43)儲存有美國銲接學會(American Welding Society)規範之銲道形狀資料，另使該控制單元(4)以有線或無線其中之一，與該移動單元(1)其軌道輪(121)組設之位移動力源(122)、立桿(13)組設之高度調整動力源、影像擷取單元(2)之攝像機(26)及其第一樞軸(22)、第二樞軸(24)端部組設之角度調整器(25)，以及圖案投射單元(3)其紅外線光源等相連結。

據此，當本發明之銲道三維影像檢測裝置進行鋼構件(5)其銲道(51)缺陷檢測時，係將移動單元(1)之直行軌道(11)設置為與欲檢測之鋼構件(5)其銲道(51)相互平行方向，再由該控制單元(4)處控制移動單元(1)、影像擷取單元(2)及圖案投射單元(3)進行銲道(51)外觀掃描量測，並進行程式分析與銲道(51)比對等作業，其實施步驟係包含，請一併參閱第二圖所示：A.定點調校：係先於一定點處由控制單元(4)之微處理器(41)調整其移動單元(1)之立桿(13)伸縮高度，及調節影像擷取單元(2)其攝像機(26)之垂直方向旋轉及水平方向旋轉角度，以使攝像機(26)拍攝到欲檢測之鋼構件(5)及其銲道(51)位置處；B.特徵圖案投影：請一併參閱第三圖所示，繼由控制單元(4)驅使圖案投射單元(3)其紅外線光源發出紅外線，以透過其特徵投影部件(31)將呈點或線狀之特徵圖案投射而出，以將特徵圖案投射於鋼構件(5)及其銲道(51)上； C.移動攝影鏡頭：續由控制單元(4)操作該移動單元(1)其軌道輪(121)處組設之位移動力源(122)作動，以驅使組設於移動單元(1)其基座(12)上之影像擷取單元(2)於直行軌道(11)行進，並以時間差移動攝像機(26)方式，使攝像機(26)其左、右鏡頭(261)沿著鋼構件(5)及其銲道(51)擷取連續分段不同角度的多重重疊影像，其每一影像與相鄰影像以重疊至少50%以上為最佳； D.三角測量法演算：請一併參閱第四圖所示，由攝像機(26)擷取到的多重重疊影像係傳輸至控制單元(4)，以由控制單元(4)之微處理器(41)經檢測程式模組以三角測量法演算三維深度，及以不同時間擷取兩鄰影像，利用圖案投射單元(3)所投射出紅外線特徵圖案之影像計算基線，並進行其距離之計算； E.影像排序及特徵點偵測：再由控制單元(4)之微處理器(41)經檢測程式模組由擷取到的鋼構件(5)及其銲道(51)影像進行影像排序及特徵點對應，找出對應之間的基礎矩陣，以建立圖像之間的匹配關係； F.重建銲道三維點雲模型：又由控制單元(4)之微處理器(41)經檢測程式模組重建鋼構件(5)及其銲道(51)三維點雲模型，通過圖像之間的特徵匹配或區域相似性匹配，建構鋼構件(5)及其銲道(51)的三維點雲資料； G.點雲資料處理：繼由控制單元(4)之微處理器(41)經檢測程式模組進行點雲資料縮減與點雲資料平滑化、雜訊點濾除及點雲資料座標重整等作業； H.銲道外觀尺寸比對：請一併參閱第五圖所示，續由控制單元(4)之微處理器(41)經檢測程式模組，進行銲道(51)剖斷面以重建銲道(51)曲面，再由銲道(51)三維點雲資料進行銲道(51)外觀檢測，並與其資料儲存元件(43)儲存之美國銲接學會(AWS)規範之銲道形狀資料進行比對〔如第六圖所示〕，以達到檢測出該銲道(51)銲接品質優劣之效果者。

藉此，本發明運用3D影像式掃描技術，引入特徵投影部件(31)，透過紅外線直接投射其特徵投影部件(31)之特徵圖案於鋼構件(5)上，藉由從攝像機(26)對鋼構件(5)擷取連續性影像資料，進行銲道(51)表面外形量測，利用影像擷取單元(2)設置於該工作台(14)上之第一框體(21)及第二框體(23)可相對工作台(14)做垂直向旋轉及水平向旋轉，以不同角度進行連續影像掃瞄，並藉其下移動單元(1)之可上、下伸縮調整之立桿(13)，以進行鋼構件(5)其銲道(51)上、下方向軌跡運行錄影掃瞄，待影像判識掃瞄擷取與鋼構件(5)及其銲道(51)不同影像深度，即予進行鋼構件(5)及其銲道(51)下一斷面錄影掃瞄，再利用移動單元(1)與鋼構件(5)及其銲道(51)呈平行位置設置之直行軌道(11)，沿著鋼構件(5)分段連續進行鋼構件(5)及其銲道(51)前、後及上、下不同角度的多幅影像計算鋼構件(5)包含銲道(51)整體三維點雲資訊。繼之，將量測得之銲道(51)表面影像資料，進行3D點雲座標數據轉換及前處理，由量測獲得之銲道(51)表面之點雲資料，係先經點雲資料預處理，以進行點雲資料縮減與點雲資料平滑化、雜訊點濾除及點雲資料座標重整等，再依設定間距建立銲道(51)之斷面數值模型，經程式優 化數值資料，以此建構銲道(51)CAD模型，隨之，將量測獲得之銲道(51)外觀，利用銲道(51)剖斷面技巧重建銲道(51)曲面，再由微處理器(41)依據美國銲接學會(AWS)銲接規範，比對優劣外形及尺寸大小，以判別銲道(51)之品質，由等間距剖斷面點雲資料設定母材部份、銲道(51)表面部份及銲道(51)根部，再根據美國銲接學會(AWS)規範以判別銲道(51)外觀之合格與不合格部位，並在CAD軟體上顯示出母材部位、合格銲道(51)部位、不合格銲道(51)部位，並計算其體積變化及標準差分析，由結果可系統化的對整個銲道(51)做快速且準確之外觀優劣判斷效果。

前述之實施例或圖式並非限定本發明之銲道三維影像檢測裝置及其檢測方法實施樣態，凡所屬技術領域中具有通常知識者所為之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之銲道三維影像檢測裝置及其檢測方法專利範疇。

綜上所述，本發明之實施例確能達到所預期功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

(1)‧‧‧移動單元

(11)‧‧‧直行軌道

(12)‧‧‧基座

(121)‧‧‧軌道輪

(122)‧‧‧位移動力源

(13)‧‧‧立桿

(131)‧‧‧內管

(132)‧‧‧外管

(14)‧‧‧工作台

(2)‧‧‧影像擷取單元

(21)‧‧‧第一框體

(22)‧‧‧第一樞軸

(23)‧‧‧第二框體

(24)‧‧‧第二樞軸

(25)‧‧‧角度調整器

(26)‧‧‧攝像機

(261)‧‧‧鏡頭

(3)‧‧‧圖案投射單元

(31)‧‧‧特徵投影部件

(4)‧‧‧控制單元

(41)‧‧‧微處理器

(42)‧‧‧操作暨顯示器

(43)‧‧‧資料儲存元件

(5)‧‧‧鋼構件

(51)‧‧‧銲道

Claims (9)

1. 一種銲道三維影像檢測裝置，係包含：一移動單元，係設有水平向移動組件，該水平向移動組件係包含直行軌道，並於該直行軌道上方設置有一基座，且於該基座底部組設有軌道輪，以使該軌道輪與該直行軌道對應銜接，另使該軌道輪處組設有位移動力源，又於該水平向移動組件上組設有垂直向移動組件，且於該垂直向移動組件組設高度調整動力源，另於該垂直向移動組件上設置有工作台；一影像擷取單元，係設置於該工作台上，乃包含有水平向旋轉組件、垂直向旋轉組件及攝像機，係使該水平向旋轉組件與該工作台相組設，又使該垂直向旋轉組件組設於該水平向旋轉組件上，另使該攝像機組設於該垂直向旋轉組件上，且使該水平向旋轉組件及垂直向旋轉組件各組接有角度調整器；一圖案投射單元，係設有一特徵投影部件，並於該特徵投影部件相鄰處設有一紅外線光源，且使該圖案投射單元與移動單元相連結；一控制單元，係主要包含有微處理器、操作暨顯示器及資料儲存元件，並使該操作暨顯示器及資料儲存元件與該微處理器相耦接，且於該資料儲存元件儲存有檢測程式模組，該檢測程式模組係至少包含有點雲處理程式及CAD軟體程式，又於該資料儲存元件儲存有美國銲接學會規範之銲道形狀資料，另使該控制單元以有線或無線其中之一，與該移動單元其水平向移動組件之位移動力源、垂直向移動組件之高度調整動力源、該影像擷取單元之攝像機及其水平向旋轉組件與 垂直向旋轉組件組接之角度調整器，以及該圖案投射單元其紅外線光源相連結。
2. 如申請專利範圍第1項所述銲道三維影像檢測裝置，其中，該移動單元之垂直向移動組件係為一垂直設置於該基座上之立桿，該立桿係由內管及外管套接組成，並於該內管及外管間組設有該高度調整動力源，又使該立桿其外管底端組接於該基座，另該內管上端組設有該工作台。
3. 如申請專利範圍第1項所述銲道三維影像檢測裝置，其中，該影像擷取單元其水平向旋轉組件係包含有一第一框體，並使該第一框體組接有第一樞軸，且使該第一樞軸與該工作台垂直樞接，又使該第一樞軸端部組設有該角度調整器，另該垂直向旋轉組件係包含有一第二框體，乃使該第二框體設於該第一框體間，且使該第二框體與第一框體以一第二樞軸水平穿設樞接，並使該第二樞軸端部組設有該角度調整器，另使該攝像機組設於該第二框體上。
4. 如申請專利範圍第1項所述銲道三維影像檢測裝置，其中，該攝像機係設有左鏡頭及右鏡頭。
5. 如申請專利範圍第1項所述銲道三維影像檢測裝置，其中，該圖案投射單元係設置在該移動單元之工作台上。
6. 一種銲道三維影像檢測方法，其實施步驟係包含：A.定點調校：係先於一定點處，由控制單元驅使移動單元，以將一組設於移動單元之影像擷取單元其攝像機調整至拍攝到欲檢測之鋼構件及其銲道之位置處； B.特徵圖案投影：繼由控制單元驅使一圖案投射單元其紅外線光源發出紅外線，以透過其特徵投影部件將特徵圖案投射於該鋼構件及其銲道上；C.移動攝影鏡頭：續由控制單元驅使組設於移動單元上之影像擷取單元行進，並以時間差移動攝像機方式，使攝像機其鏡頭沿著該鋼構件及其銲道擷取連續分段不同角度的多重重疊影像；D.三角測量法演算：將攝像機擷取到之多重重疊影像由控制單元之微處理器以三角測量法演算三維深度，及以不同時間擷取兩相鄰影像，利用圖案投射單元所投射出紅外線特徵圖案之影像計算基線，並進行其距離之計算；E.影像排序及特徵點偵測：再由控制單元之微處理器將該鋼構件及其銲道影像進行影像排序及特徵點對應，找出對應之間的基礎矩陣，以建立圖像之間的匹配關係；F.重建銲道三維點雲模型：控制單元之微處理器於通過圖像之間的特徵匹配或區域相似性匹配，建構該鋼構件及其銲道的三維點雲資料；G.銲道外觀尺寸比對：續控制單元之微處理器利用銲道剖斷面重建該銲道曲面，再由該銲道三維點雲資料進行銲道外觀檢測，並與其內建之美國銲接學會(AWS)規範之銲道形狀進行比對，以檢測出該銲道其銲接品質優劣。
7. 如申請專利範圍第6項所述銲道三維影像檢測方法，其中，該重建銲道三維點雲模型步驟後係進一步進行點雲資料處理，以將點雲資料縮減與點雲資料平滑化、雜訊點濾除及點雲資料座標重整，再進行銲道外觀尺寸比對步驟。
8. 如申請專利範圍第6項所述銲道三維影像檢測方法，其中，該移動攝影鏡頭之步驟中，該攝像機其鏡頭係對該鋼構件及其銲道進行前、後及上、下角度之影像擷取。
9. 如申請專利範圍第6項所述銲道三維影像檢測方法，其中，該移動攝影鏡頭之步驟中，每一影像與相鄰影像其重疊係以至少50%以上為最佳。