防爆殼體焊口裝配質(zhì)量的激光視覺檢測方法

張鵬賢 劉昊 雷飚 李錦龍

摘要：提出了一種礦用防爆殼體焊口裝配質(zhì)量信息參數(shù)間隙量、錯邊量的激光視覺檢測方法。首先，搭建了一套以攝像機、光柵激光器、計算機為核心的視覺測量系統(tǒng)，獲取殼體底部裝配焊口的光柵條紋圖像。通過分析光柵條紋與裝配焊口的耦合情況，得到了光柵條紋特征點跟隨裝配間隙量、錯邊量變化的相關(guān)關(guān)系。其次，將圖像中的光柵條紋進行分割、細化，獲取條紋輪廓點坐標(biāo)，通過計算機自動搜索數(shù)據(jù)得到光柵條紋的特征點坐標(biāo)，建立光柵條紋特征點矩陣。最后基于特征點矩陣建立焊口裝配間隙量、錯變量的求取算法，并建立了基于焊口間隙量、錯變量的焊口裝配質(zhì)量評價指標(biāo)及方法。驗證結(jié)果表明，視覺測量系統(tǒng)獲取的殼體裝配信息與人工測量結(jié)果吻合度高，可代替人工測量實現(xiàn)裝配質(zhì)量的評判。

關(guān)鍵詞：防爆殼體;視覺測量;激光光柵;焊口裝配檢測

中圖分類號：TG115.28? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0060-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.11

0? ? 前言

防爆電器作為礦用井下作業(yè)的重要電氣設(shè)備，市場每年都有大量需求。防爆電器殼體是全焊構(gòu)件，焊口裝配質(zhì)量的好壞決定焊接實現(xiàn)的難易程度和焊接接頭的質(zhì)量，也是防爆殼體加工質(zhì)量能否得到保障的先決條件。裝配間隙量和錯邊量是反映焊口裝配質(zhì)量的主要指標(biāo)。目前防爆殼體焊口裝配間隙量、錯邊量是否合格主要靠人工使用工具尺抽檢，定性判斷。這種焊口裝配質(zhì)量檢測方式費時費力且評判結(jié)果的穩(wěn)定性差。隨著視覺傳感技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟，使用視覺傳感器可以在不與焊口接觸的情況下快速采集到豐富的焊口信息，且不受焊口形狀與位置的影響[1]。通過采集到的視覺圖像不僅可以獲取焊口的實際裝配信息，而且可以指導(dǎo)焊槍準(zhǔn)確對中焊口，使高質(zhì)高效焊接的實現(xiàn)成為可能[2]。視覺傳感器以其獲取的信息量大、方便直觀、易于處理的優(yōu)點，成為機器人焊接領(lǐng)域最具應(yīng)用前景的傳感器類型之一[3]。吳家勇[4]等人提出了一種基于灰度投影積分的對接接頭間隙測量算法，搭建了視覺測量系統(tǒng)進行驗證，結(jié)果表明測量系統(tǒng)可準(zhǔn)確檢測出接頭間隙寬度。王秀平[5]等人使用單線激光視覺傳感器配合圖像處理的方法準(zhǔn)確獲取了裝配焊口的焊接中心點位置、焊縫寬度等特征信息?？酌萚6]等人基于FANUC弧焊機器人平臺利用Hessian矩陣的Steger方法對T型接頭角焊縫在測量條件下的激光條紋圖像的方向與特征信息進行提取操作，完成了對角焊縫的焊接路徑規(guī)劃。韋志成[7]等人搭建了一套以單線激光為主動光源的視覺檢測系統(tǒng)，通過激光條紋投射在管道焊口的斷點、拐點的幾何位置關(guān)系，建立了管道組隊焊口間隙量、錯邊量的求取算法。但使用單線激光器作為主動光源，攝像機拍攝一幅圖像只能獲取一個焊口截面的信息，系統(tǒng)獲取及處理信息的響應(yīng)速度較低。文中以防爆殼體的底部焊縫為目標(biāo)，研究了一種通過機器視覺獲取實際焊口裝配信息的方法，搭建以光柵結(jié)構(gòu)光為主動光源的視覺測量系統(tǒng)，在線獲取焊口裝配的間隙量σ、錯邊量δ并建立了焊口裝配質(zhì)量評價參數(shù)和評價方法，實現(xiàn)了焊口裝配質(zhì)量的在線評判。

1 系統(tǒng)搭建與參數(shù)調(diào)試

以結(jié)構(gòu)光作為主動光源進行測量時，光源、攝像機、被測對象需以特定方式進行配合，才能完成測量。測量對象不同，三者配合方式也需進行相應(yīng)改變。以防爆殼體底部焊口為測量對象，搭建視覺測量系統(tǒng)。如圖1所示，防爆殼體底部焊口為厚度6 mm的Q235普通碳素鋼側(cè)板和底板角接形成的I型焊口，由4段直線焊口和2段圓弧焊口組成。

搭建的視覺測量系統(tǒng)如圖2所示。硬件部分由計算機、攝像機、25條平行光光柵激光器、可調(diào)節(jié)支架構(gòu)成。系統(tǒng)工作時攝像機固定，運動平臺帶動殼體沿設(shè)定軌跡運動，攝像機連續(xù)采集耦合在待測焊口上的光柵條紋圖像，并將采集到的圖像信號通過USB通訊傳輸?shù)接嬎銠C進行處理與計算。

為獲取大小適中、條紋清晰無粘連、易于處理的光柵條紋圖像，需要確定合理的系統(tǒng)參數(shù)。H表示攝像機工作距離，h表示激光器與待焊殼體之間的距離，α表示激光器的投射角度，定義為激光器光軸與其在水平面投影的夾角。當(dāng)α一定時，H和h共同決定攝像機視野中光柵條紋區(qū)域所占像素面積S的大小。當(dāng)激光器投射角度為55°，單獨改變H和h時光柵條紋所覆蓋的像素面積變化情況如圖3所示。

在H和h一定的情況下，改變α?xí)r殼體圓弧區(qū)域裝配焊口光柵條紋圖像的變化情況如圖4所示。當(dāng)α=40°時，從左到右相鄰光柵條紋的間距明顯增加，條紋亮度衰減明顯，右側(cè)光柵條紋的亮度相較于左側(cè)條紋降低，后期處理難度大。α=55°時，從左到右條紋間距的均勻性以及條紋亮度的均勻性變好;α=70°時，光柵條紋之間的相互干擾現(xiàn)象加劇，尤其是光柵條紋圖像左側(cè)區(qū)域噪聲污染嚴重，條紋之間發(fā)生明顯粘連，難以辨識。

2 條紋特征點與焊口輪廓的相關(guān)性

條紋特征點相對位置的變化能否準(zhǔn)確跟隨焊口輪廓的變化，是能否使用條紋特征點表達焊口裝配信息的關(guān)鍵。光柵條紋與焊口輪廓的耦合圖像如圖5所示，光柵條紋投射在裝配焊口上被分為位于側(cè)板部分的25段短條紋和位于底板部分的25段長條紋。每條光柵條紋側(cè)板外邊緣起始點為點a，側(cè)板內(nèi)邊緣斷點為點b，底板邊緣斷點為點c，攝像機視野下方條紋終止點為點d，a、b、c、d即光柵條紋的特征點。從圖中可以看出，焊口輪廓使光柵條紋發(fā)生了跟隨性變化，耦合在焊口表面的光柵條紋跟隨焊口輪廓的走勢以及裝配間隙和裝配錯邊的情況。因此可以通過光柵條紋特征點沿x方向和y方向相對距離的變化，對焊口裝配的間隙量、錯邊量進行分析與計算。

圖6a表示直線焊口區(qū)域從左到右裝配間隙逐漸減小時光柵條紋斷點b、c間沿y方向的距離逐漸減小;圖6b表示存在裝配錯邊時，同一條光柵條紋投射在底板與側(cè)板的部分沿x方向發(fā)生一定程度的偏移;圖6c為側(cè)板與底板圓弧不匹配的裝配缺陷時的條紋圖像，不同條紋的斷點b、c之間沿y方向的距離差異較大;圖6d為底板存在較大傾角裝配缺陷時的條紋圖像，由于底板傾斜，從左到右屬于同一條光柵條紋的斷點c相對于斷點b在x方向上逐漸向右偏移。

通過分析不同裝配情況下光柵條紋與焊口輪廓的耦合情況，發(fā)現(xiàn)光柵條紋可以很好地跟隨焊口輪廓的變化。同一條光柵條紋的特征點b、c之間沿y方向的距離反映該位置焊口截面裝配間隙量的大小，沿x方向的距離反映該位置焊口截面錯變量的大小。裝配過程中常見的裝配缺陷也能夠通過光柵條紋特征點之間相對距離的變化來表達。光柵條紋中蘊含了焊口裝配信息，而焊口裝配信息可以通過光柵條紋特征點之間的相對位置進行表達。

3 條紋特征點坐標(biāo)的獲取

要準(zhǔn)確量化殼體的裝配信息，需要先將光柵條紋從圖像中分割出來，分割出的條紋占據(jù)多個像素寬度，需要通過細化算法將光柵條紋進行細化，得到條紋輪廓，最后獲取條紋特征點的三維坐標(biāo)。設(shè)計的特征點坐標(biāo)獲取方法如圖7所示。

圖像預(yù)處理的目的是消除或弱化圖像中的干擾信息，恢復(fù)有用的真實信息，改進圖像分割的可靠性。圖像分割是將圖像分割成若干個獨立的、具有特定性質(zhì)的區(qū)域的過程[8]。常用的閾值分割方法有全局閾值法和局部閾值法[9]。由于激光器斜射，光柵條紋的亮度從左向右依次降低，條紋圖像的灰度值也從左向右依次減小，采用固定閾值的方法無法提取出完整清晰的光柵條紋。故文中采用動態(tài)閾值分割的方法提取到完整的光柵條紋，分割出的光柵條紋如圖8所示。

將分割出的光柵條紋進行形態(tài)學(xué)開運算、閉運算處理，去除條紋上大部分毛刺與凹點，然后使用骨架法對光柵條紋進行細化，得到的條紋輪廓如圖9所示?？梢钥闯?，條紋輪廓能夠表達光柵條紋的準(zhǔn)確位置。

已知25條光柵條紋被裝配焊口分成位于側(cè)板上的25段短條紋和位于底板上的25段長條紋，而每個激光面的投射角度均不相同，裝配錯邊的存在會導(dǎo)致同一條激光條紋的上下部分發(fā)生錯位。為了使每個激光面的投射角度與相應(yīng)的光柵條紋相對應(yīng)，對圖像中的50段條紋進行分組與編號。條紋輪廓分組如圖10所示，將位于側(cè)板部分的25段短線定義為集合A，按25段條紋左上第一個輪廓點坐標(biāo)的列坐標(biāo)v從小到大進行排序，從左到右依次進行編號A1-A25;位于底板部分的25段長線定義為集合B，按25段條紋左上第一個輪廓點坐標(biāo)的列坐標(biāo)v從小到大進行排序，從左到右依次進行編號B1-B25。將條紋編號作為每一段條紋輪廓點坐標(biāo)儲存位置的編碼依據(jù)。

條紋特征點的計算機提取流程如圖11所示。依次獲取集合A中的第i段條紋輪廓Ai和集合B中的第i段條紋輪廓Bi。將Ai中像素行坐標(biāo)u最小的輪廓點定義為條紋輪廓Ai的起點，記為p1，i（u，v），將像素行坐標(biāo)u最大的輪廓點定義為條紋輪廓Ai的終點，記為p2，i（u，v）。同理，將條紋輪廓Bi的起點記為p3，i（u，v），終點記為p4，i（u，v）。p1，i（u，v）-p4，i（u，v）即為第i條光柵條紋的4個特征點。以此方法獲取25條光柵條紋的共計100個特征點pm，n（u，v）。通過系統(tǒng)標(biāo)定獲得的攝像機的內(nèi)參和外參將特征點的像素坐標(biāo)pm，n（u，v）轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)pm，n（Xw，Yw）。最后通過激光器標(biāo)定得到每個激光面的角度，通過三角函數(shù)關(guān)系計算可獲得每個特征點的Zw坐標(biāo)，將其以矩陣形式表達為

4 焊口裝配信息求取

（1）間隙量的求取方法。

相較于裝配焊口的直線區(qū)域，圓弧區(qū)域間隙量求取的復(fù)雜性在于待焊焊口為曲線焊口，不垂直于光柵條紋，間隙量無法使用同一條光柵條紋特征點p2，m、p3，m的Y坐標(biāo)之差計算。但由于圓弧過渡是平滑的，相鄰光柵條紋的間距很小，條紋間的圓弧可近似為直線。以第m條光柵條紋特征點p2，m到過第m、m+1條光柵條紋的特征點p3，m、p3，m+1的直線的投影距離計算第m條光柵條紋所在的焊口截面間隙量。圓弧區(qū)域間隙量的求取算法同樣適用于直線區(qū)域。間隙量計算模型如圖12所示。

第m條光柵條紋所在焊口截面間隙量計算方法如下。lm為特征點p3，m、p3，m+1的連線，直線lm的方程為：

式中 p3，m[0]、p3，m[1]分別為特征點矩陣中元素p3，m的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)，p3，m+1[0]、p3，m+1[1]分別為特征點矩陣中p3，m+1的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)。整理后得到lm的一般形式方程Amx+Bmy+Cm=0。該截面處間隙量為

式中 Am、Bm、Cm為切線lm的方程系數(shù);p2，m[0]、p2，m[1]分別為特征點矩陣中p2，m的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)。

實際間隙與測量間隙示意如圖13所示，圓弧區(qū)域焊口的實際裝配間隙σ0為焊口中心線法線方向上側(cè)板與底板間的距離。計算間隙時將相鄰光柵條紋間的圓弧近似看作直線，求得的間隙為σ，由此會引入微小的測量偏差，但該偏差相對于焊口裝配要求的精度可忽略。

（2）錯邊量的求取方法。

焊口裝配錯邊量的計算模型如圖14所示，第m條光柵條紋焊口截面的錯邊量δm定義為條紋特征點p3，m的Z坐標(biāo)與特征點p2，m的Z坐標(biāo)之差，計算公式為

式中 p3，m[2]和p2，m[2]分別表示特征點矩陣中元素p3，m、p2，m的Z坐標(biāo)。δm>0時表示側(cè)板低于底板，δm<0時表示側(cè)板高于底板。裝配焊口的圓弧區(qū)域和直線區(qū)域錯邊量的計算方法相同。

隨機選擇圓弧區(qū)域和直線區(qū)域的3個焊口截面，分別使用視覺測量系統(tǒng)和游標(biāo)卡尺測量6個焊口截面的間隙量和錯邊量，每個焊口截面的裝配信息測量結(jié)果取3次測量的平均值。σ為視覺系統(tǒng)測得的間隙量，σ′為使用游標(biāo)卡尺測得的間隙量;δ為視覺系統(tǒng)測量得到的錯邊量，δ′為使用游標(biāo)卡尺測量得到的錯邊量，所使用的游標(biāo)卡尺的分度值為0.02 mm。測量結(jié)果如表1所示，測量結(jié)果保留小數(shù)點后兩位有效數(shù)字。

驗證結(jié)果表明，對于防爆殼體底部焊口裝配間隙量和錯邊量，視覺測量系統(tǒng)和人工測量系統(tǒng)的檢測結(jié)果具有較高的吻合度，可以使用視覺系統(tǒng)代替人工對殼體裝配信息進行檢測。

5 焊口裝配質(zhì)量的評判

（1）焊口裝配評價指標(biāo)。

在實際焊接過程中，裝配間隙過大或過小都會影響焊接質(zhì)量，而且裝配過程中常見的缺陷，如側(cè)板與底板圓弧區(qū)域不吻合、底板傾斜等均可通過間隙量的變化反映出來。文中建立σm、σi、σmax、σmin、σs五個參數(shù)對裝配間隙進行評價。平均間隙σm為25條光柵條紋所在焊口截面間隙量的平均值，計算方法如式（4）所示

式中 σi為第i條光柵條紋焊口截面處的間隙量。最大間隙：25條光柵條紋所在焊口截面間隙量中的最大值，記為σmax。最小間隙：25條光柵條紋所在焊口截面間隙量中的最小值，記為σmin。期望間隙：防爆電器殼體底板裝配設(shè)計的預(yù)留間隙，記為σ0。間隙變化率是反映相鄰兩條光柵條紋焊口截面處的間隙量變化程度的指標(biāo)，記為σs，計算方法如式（5）所示。

式中 σsi為第i條光柵條紋焊口截面處的間隙量σi與第i-1條光柵條紋焊口截面處的間隙量σi-1的商，σsmax為間隙變化率的最大值，σsmin為間隙變化率的最小值。

在實際焊接過程中，過大的錯邊量會導(dǎo)致焊縫根部產(chǎn)生未熔合缺陷，使焊縫根部產(chǎn)生應(yīng)力集中。建立δmax、δmin、δ0三個參數(shù)對裝配錯邊量進行評價。錯邊量最大值δmax為25條光柵條紋所在焊口截面錯邊量中的最大值;錯邊量最小值δmin為25條光柵條紋所在焊口截面錯邊量中的最小值;最大允許錯邊量δ0為焊口裝配過程中允許出現(xiàn)的最大錯邊量。

（2）焊口裝配質(zhì)量評價方法。

通過對間隙評價指標(biāo)之間的計算對裝配間隙進行評價。設(shè)計間隙σ0=1 mm，平均間隙與設(shè)計間隙允許最大差值e=1 mm。當(dāng)間隙評價指標(biāo)滿足式（6）的條件時，對裝配間隙判定為合格，否則為不合格。

通過對錯邊評價指標(biāo)之間的計算對裝配錯邊進行評價。令│δ∣max為∣δmax∣和∣δmin∣中較大的一個。當(dāng)錯邊評價指標(biāo)滿足式（7）中的條件時，對裝配錯邊判定為合格，否則為不合格。

隨機選擇4段測量區(qū)域，根據(jù)裝配質(zhì)量評價方法，通過視覺測量獲得的裝配質(zhì)量評價結(jié)果與人工測量獲得的裝配質(zhì)量評價結(jié)果如表2所示。表中σ和σ′分別代表視覺測量系統(tǒng)和人工測量對裝配間隙的評價結(jié)果，δ和δ′分別代表視覺測量系統(tǒng)和人工測量對裝配錯邊的評價結(jié)果，評價合格記為1，不合格記為0。

由表2可知，視覺測量系統(tǒng)與人工測量對殼體底部焊口裝配間隙量和錯邊量的評價結(jié)果一致，可以使用視覺測量系統(tǒng)代替人工對殼體底部焊口裝配質(zhì)量進行評判。

6 結(jié)論

（1）耦合在防爆殼體底部焊口表面的光柵條紋包含焊口裝配的全部信息，不同裝配情況下的光柵條紋很好地跟隨了裝配焊口的變化，可以將光柵條紋作為焊口裝配的信息源。從原始視覺圖像中分割出光柵條紋并提取特征點計算焊口裝配信息的信息降維方法是可行的。

（2）建立了裝配間隙量、錯邊量的評價指標(biāo)，以此為判據(jù)分別對視覺測量系統(tǒng)和人工測量獲取的裝配信息進行裝配質(zhì)量評價。實驗結(jié)果表明，視覺測量系統(tǒng)和人工測量對裝配質(zhì)量的評價結(jié)果相同，可以使用視覺測量系統(tǒng)代替人工測量對防爆電器殼體底部焊口的裝配質(zhì)量進行評價。

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