激光焊接中微细焊缝中心与法矢检测方法中文摘要

复杂空间曲面的薄壁等厚板激光对接拼焊是目前激光加工领域中的一道难题。其原因在于焊缝间隙狭窄、特征不明显，尤其是当拼缝间隙小于0.06mm时，现有拼缝检测装置不能稳定获得拼缝信息或完全失去作用。为此，本申请提出复合视觉检测技术，以解决对接拼焊时微细焊缝中心位置检测的难题，从而提高激光拼焊的质量。其基本思路是利用二维机器视觉在微观检测方面的优势，得到焊缝在图像坐标系下的宽度及中心位置；并利用三维机器视觉在宏观检测方面的优势，得到检测点处焊缝曲面的逼近微切平面及其法矢；再将二维测量信息与三维测量信息融合，将焊缝中心位置及宽度从二维图像坐标系变换到三维测量局部坐标系，最终建立焊缝的三维形貌模型，为高能束拼焊轨迹优化、焊接工艺参数优化提供科学根据。其创新点在于，视觉测量装置在同一位姿下的一次拍摄，即可以得到该位姿处微细焊缝中心位置、宽度及法矢。

1. 研究计划要点 根据激光焊接的工艺要求，等厚板对接拼缝检测分为两个层次。一是当焊缝间隙大于0.06mm时，焊缝检测要得到焊缝的中心位置、法矢及宽度（以便根据间隙宽度调整激光焊接速度、功率等参数）；二是当焊缝间隙小于0.06mm时，焊缝检测的重点在于如何精确获得焊缝的中心位置与法矢，此时焊缝的宽度检测允许有较大的相对误差。无论较宽的间隙还是微细间隙，焊缝的中心位置都必须有很高的检测精度。 本项目研究两块薄壁等厚板对接时所形成的空间曲面激光拼焊时，对所形成的狭窄微细（尤其是对于宽度小于0.06mm时）的焊缝的复合视觉检测方法，将激光三维测量技术和机器视觉二维测量技术结合起来，通过共用CCD相机实现测量系统的集成；利用信息融合技术，将两种测量方法得到的数据进行融合，实现在一幅图像中同时获取焊缝中心的三维位置、拼接表面法矢及宽度，为实现薄壁板激光对接焊中狭窄微细焊缝的检测、几何建模以及焊缝的实时跟踪、焊接工艺参数的自适应控制等提供基础性的技术支持。 根据课题研究的进展情况，围绕微细焊缝检测与跟踪控制的难点，本课题在对接拼缝检测的理论与技术上进行了创新与发展，首次提出了基于微景深的对接拼缝检测方法，并进行了大量的理论分析与现场试验，表明微景深对接拼缝的检测方法，具有更好的可行性。 2. 研究工作进展及所取得的成果 本课题的研究取得如下的成果。 1） 发表了2篇学术论文； 2） 获得了一项国家发明专利；申请了一项国家发明专利； 3） 培养博士生1名，硕士生3名； 4） 本课题提出的基于2D/3D视觉信息融合的焊缝检测方法，将二维影像测量与线结构光三维测量的优点结合起来，利用二维影像测量方法与线结构光三维测量方法获取焊缝边界、中心点的二维图像坐标和焊缝截面轮廓的三维坐标，然后利用2D/3D视觉信息融合方法，从一幅包含三条结构光条纹的焊缝图像中，同时获取焊缝中心的三维位置、接头间隙和焊缝局部表面法矢信息，满足了激光对接拼焊时对焊缝实时检测的要求； 5） 本课题提出的基于微景深的对接拼缝检测方法，具有高的光学放大倍数，使得更细微的拼缝检测的稳定性、精度更高，且大大缩小了焊接激光焦点与拼缝检测传感器检测范围中心的距离，使得激光焊接时拼缝的实时跟踪控制更容易、拼缝跟踪的精度更高、控制的稳定性更好。 6） 本课题研究的拼缝检测方法及所培养的人才，在双光束激光焊接项目的实施中得到应用验证 2100433B

正矢法优点是测量工具简单，外业行车干扰小，内业计算简捷 。

1．在测量现场曲线正矢前，应先将曲线前后直线拨直，把一切不正常弯曲（鹅头）拨入曲线范围以内 。

2．在曲线外轨每隔10 米用钢尺排好测点，测点应伸入曲线两端直线范围内，将各测点顺序编号。

3．在风力较小的条件下，用20 米弦绳，在钢轨顶面作用边下16mm 处，拉绳测每个测点正矢，拉弦要用力均匀，读数要眼、线、尺三者成垂线，读弦线靠钢轨一边的读数。

4．曲中点：用测点分段数来表示的曲线中央位置为现场正矢倒累计合计除以现场正矢合计（缓和曲线不等长应抛去缓和曲线检算）。

即：曲中点=现场正矢倒累计合计÷现场正矢合计

（曲中点位置应按拉正矢始点方向算起，小数点后单位为米）

5．曲中分中布设正矢方法：

如果规整后的曲线全长减去两端缓长的长度为整10 米倍数的偶数，用对桩分中法（由曲中点向两边每10 米布点）。

如果规整后的曲线全长减去两端缓长的长度为整10 米倍数的奇数，用10 米分中法（先由曲中点分别向两边量取5 米布点，然后再向两边每10 米布点）。2100433B