激光焊接空间焊缝双CCD识别技术研究.pdf

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1、陈新松：激光焊接空间焊缝双CCD识别技术研究激光焊接空间焊缝双CCD识别技术研究陈新松（北京航空制造工程研究所，北京100024）摘要：焊缝自动跟踪是实现激光焊接自动化的关键。本文设计了一种基于双CCD的焊缝识别系统,可以提取出焊缝特征点位置坐标,实现焊缝跟踪。实验证明,传感器具有较高的精度和可靠性,并对焊缝跟踪系统具有一定的普适性。关键词：机器视觉焊缝跟踪激光焊接三维测量1前言在激光焊接过程中，激光光斑移动路径是由操作者编程确定的一条理想路径，而被焊零件在加工、装配过程产生的尺寸偏差，以及在焊接过程中由于受热产生的变形，使得焊缝实际轨迹与焊接接头的理想轨迹有一定的偏差，但激光聚焦光斑

2、直径细小，所以焊缝轨迹的偏差对焊接过程稳定完成及焊接质量保证有直接的影响。目前，在实际工作过程中通常采用示教法来解决这一问题，但示教法费时费力，而且受操作人员个人因素影响大，难以发挥激光焊接高效的特点。焊缝自动跟踪技术就是针对这一问题发展起来的，对保证焊接质量、提高焊接效率、降低操作者劳动强度具有重要意义。随着激光技术的发展，激光焊接在国外已经越来越广泛地应用于包括汽车、航空、航天等多个领域，同时为了提高焊接质量及自动化程度，激光焊缝自动跟踪技术也越来越受到工业界的关注。焊缝自动跟踪系统主要由三部分组成：跟踪传感器、控制系统、执行机构。其主要工作原理是：通过与焊接头同步运动的跟踪传感器

3、检测待焊焊缝的位置，然后通过控制系统对所测的实际位置与焊接头运动的理论路径进行比较，根据比较的结果通过执行机构修正焊接头的位置，达到焊缝轨迹自动跟踪的目的，整个过程完全自动完成，可以有效的解决激光焊接过程中由于零件的加工、装夹误差、以及由于焊接产生的热变形等影响。对于一些形状比较复杂的焊缝，也可以大大降低焊接加工程序的编制难度。实现焊缝跟踪的最基础性的研究就是待焊焊缝轨迹检测。特别是对复杂结构的三维焊缝，焊接过程的焊缝轨迹存在6个自由度参量的变化，而且激光焊接过程往往要求激光光束中心线始终处于工件表面法线方向，焊接过程又存在很强的光辐射，因此三维空间焊缝激光焊的焊缝跟踪显得尤为重要，这

4、已成为激光焊接技术的发展方向，但激光焊接的焊缝轨迹检测比电弧焊要复杂的多。目前对激光焊接焊缝轨迹检测的研究，主要是采用视觉传感器对焊缝进行二维检测，通过控制系统进将检测到的数据进行处理，得到焊缝的实际二维轨迹坐标，但对影响焊接质量的另一个重要因素：焊接焦点位置的跟踪检测，并未进行研究。本文主要对双视觉传感器获取三维空间焊缝的技术进行探讨。2双视觉传感器获取三维空间焊缝的实现图1测量系统示意图107第五届全国计算机在焊接中的应用学术与技术交流会论文集，2008年10月29日-11月3日，广西南宁2.1双视觉传感器获取三维空间焊缝的基本步骤是:1)采用两台位置相对固定的摄像机各自从不同角度

5、拍摄加工零件的相同区域；2)对所获得的两幅二维图像进行预处理得到焊缝轨迹的二维图像；3)在两幅二维图像中选取特征点进行匹配；4)再根据这些匹配点利用三角测距原理计算出焊缝轨迹的三维坐标。由于激光焊接对焊缝的精度要求较高，所以对测量系统的整体测量精度提出了较高要求。2.2硬件系统构成及误差分析：硬件系统主要由以下几部分构成：摄像头（包括镜头）两只；图像采集处理系统；光源和标定块；安装和固定装置。图2硬件误差分析示意图硬件系统的主要误差分析如下：见图2，设图像上的一个像素点，其坐标为：。在实际中，对应着一个小区域的中心点坐标为。则像素点对应的小区域可以表示为：其中，和是从摄像头光轴与被测目

6、标垂直时图像上的一点代表的区域沿x和y方向上的相对于中心点的偏移量。单摄像头无法对距离信息进行测量，需要双摄像头对其进行测量。仅考虑单摄像头对实际中待测目标的x坐标和y坐标的确定，可知，用S表示单像素点对应着待测目标区域的面积，则S与摄像头的像平面的夹角θ有如下关系：由此可知：越大，像平面上的一个像素点对应着实际中的区域S越大。而摄像头光轴与被测目标垂直时的摄像头中获得的整幅图像对应着实际中的区域与摄像头的焦距和摄像头与待测目标的距离有关系，即单像素点代表的实际中区域面积与摄像头的焦距ƒ和物距d有如下关系(设图像上的单个像素点的面积为s):由此可得：忽略其它的各方面的误差，取，，则，才

7、有可能满足测量精度的要求。对于摄像头，s越小越好，即为分辨率越高越好。另一方面，摄像头的固定误差会对测量精度有所影响。108陈新松：激光焊接空间焊缝双CCD识别技术研究从实际坐标到图像像素坐标之间的转移矩阵为其中，K是摄像机的内参数矩阵，、t，分别是摄像头坐标系与世界坐标系的旋转变换关系和平移变换关系，，摄像头的固定包括了三个方向的平移(用表示)和三个方向的旋转(用旋转阵表示)。由于固定方面的误差，导致产生的平移和的旋转。此种误差在实际测量中是