基于工業(yè)攝影裝置的船體結(jié)構(gòu)焊接變形測(cè)量技術(shù)研究

徐 東， 張盈彬， 柳存根， 謝子明， 李 興

(1. 上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2. 上海交通大學(xué)， 上海 200240)

基于工業(yè)攝影裝置的船體結(jié)構(gòu)焊接變形測(cè)量技術(shù)研究

徐 東1,2， 張盈彬1， 柳存根2， 謝子明1， 李 興1

(1. 上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2. 上海交通大學(xué)， 上海 200240)

針對(duì)船體結(jié)構(gòu)焊接變形測(cè)量難且精度不高的問(wèn)題，提出了基于工業(yè)攝影裝置測(cè)量焊接變形的新方法。該方法采用一臺(tái)高像素相機(jī)從不同視角分別拍攝焊接試樣焊接前后的圖像，通過(guò)相機(jī)標(biāo)定及三維重建技術(shù)獲取標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最后依據(jù)焊接前后標(biāo)志點(diǎn)間距離的變化計(jì)算焊接變形值。通過(guò)精度標(biāo)定試驗(yàn)，驗(yàn)證了該測(cè)量方法的精度在±0.5 mm以內(nèi)。該方法已應(yīng)用于船用薄板焊接試樣的變形測(cè)量，結(jié)果證明該方法的精度、可靠性和穩(wěn)定性均能滿足船體結(jié)構(gòu)焊接變形的測(cè)量要求。

船體結(jié)構(gòu) 焊接變形測(cè)量 工業(yè)攝影裝置

1 引言

在金屬構(gòu)件的焊接過(guò)程中，焊縫區(qū)金屬的熱脹冷縮受到周圍金屬的約束，不能自由伸縮而導(dǎo)致焊接工件產(chǎn)生變形。焊接變形不僅會(huì)影響構(gòu)件的尺寸精度，而且會(huì)降低其承載能力。由于金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度較高，焊接變形的矯正不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，通常還會(huì)引入附加殘余應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)材料的脆化和低應(yīng)力破壞。因此，在焊接工藝設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中對(duì)焊接變形進(jìn)行控制和調(diào)整具有十分重要的意義。可靠的焊接變形測(cè)量方法，可用于驗(yàn)證焊接變形數(shù)值計(jì)算結(jié)果的合理性，也是衡量、控制焊接變形的重要手段。

目前，焊接變形的測(cè)量方法主要有接觸式與非接觸式兩種。接觸式測(cè)量[1]在操作過(guò)程中具有一定的危險(xiǎn)性，且焊接產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)儀器的測(cè)量精度產(chǎn)生影響。非接觸式測(cè)量[2,3]大多采用光學(xué)原理和圖像處理手段，需要專業(yè)的設(shè)備，并且對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求較高，往往不能滿足焊接試樣的測(cè)量需求。文本提出了一種應(yīng)用工業(yè)攝影裝置從不同視角拍攝船體結(jié)構(gòu)焊接前后的圖像，利用相機(jī)標(biāo)定和三維重建技術(shù)獲取標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并依據(jù)焊接前后標(biāo)志點(diǎn)間距離的變化計(jì)算焊接變形值的新方法。該方法克服了接觸式測(cè)量方法的局限性，提高了非接觸式測(cè)量方法在船體結(jié)構(gòu)焊接變形測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用性，為焊接變形的測(cè)量提供了一種有效的手段。

2 基于工業(yè)攝影裝置的船體結(jié)構(gòu)焊接變形測(cè)量原理及方案

2.1 測(cè)量原理

工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)是從2個(gè)或2個(gè)以上的角度對(duì)同一事物進(jìn)行拍照，得到不同視角下的圖像，通過(guò)計(jì)算分析不同圖像中同一點(diǎn)的視差來(lái)獲取物體表面的三維形狀信息[4]。其三維坐標(biāo)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

圖1 工業(yè)攝影測(cè)量原理圖

其中：OWXWYWZW為物方世界坐標(biāo)系，O1X1Y1Z1為視角1的坐標(biāo)系，O2X2Y2Z2為視角2的坐標(biāo)系，OXY為平面坐標(biāo)系。物方點(diǎn)P(XW，YW，ZW)在左右兩個(gè)視角平面內(nèi)對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)分別為P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)，直線O1P1和直線O2P2相交于P點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)工業(yè)攝影裝置進(jìn)行標(biāo)定，可以得到視角1的坐標(biāo)系O1X1Y1Z1和視角2的坐標(biāo)系O2X2Y2Z2的相對(duì)關(guān)系如式(1)所示。

(1)

(2)

2.2 典型結(jié)構(gòu)焊接變形測(cè)量方案

針對(duì)典型結(jié)構(gòu)焊接變形的測(cè)量，主要考察其縱向收縮、橫向收縮及角變形。為此需要在試樣上設(shè)置標(biāo)識(shí)點(diǎn)，如圖2所示在試樣上設(shè)置1～30號(hào)標(biāo)識(shí)點(diǎn)，并設(shè)定如圖3所示的各個(gè)焊接變形分量的測(cè)量坐標(biāo)系。

圖2 標(biāo)識(shí)點(diǎn)布置示意圖

圖3 各焊接變形分量的測(cè)量坐標(biāo)系

其中，圖3(a)為縱向變形測(cè)量坐標(biāo)系，圖3(b)為橫向變形測(cè)量坐標(biāo)系，圖3(c)為角變形測(cè)量坐標(biāo)系。測(cè)量采用佳能EOS 500D相機(jī)和TI-times 9×12精度為0.1 mm的標(biāo)定板，并按照?qǐng)D4所示的流程測(cè)量焊接變形。

圖4 應(yīng)用工業(yè)攝影裝置測(cè)量焊接變形流程圖

首先通過(guò)相機(jī)從不同視角拍攝焊接試樣在焊接前后的圖像，如圖5所示；然后通過(guò)圖像處理，獲取各個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)在不同圖像中的二維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)立體匹配；再對(duì)工業(yè)攝影裝置進(jìn)行標(biāo)定求得旋轉(zhuǎn)矩陣、平移矩陣等相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)光束平差進(jìn)行標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維重建；最后應(yīng)用Matlab軟件編程計(jì)算焊接前后標(biāo)志點(diǎn)間距離的變化，由此求得焊接試樣的縱向收縮、橫向收縮和角變形等值。

圖5 焊接試樣的圖像

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 船體結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)的標(biāo)識(shí)及立體匹配

標(biāo)識(shí)點(diǎn)作為待測(cè)工件表面上的參考點(diǎn)，測(cè)量前需先行標(biāo)識(shí)于試樣表面。目前，多采用具有明顯人工特征的圓形點(diǎn)作為標(biāo)識(shí)點(diǎn)，利用Canny檢測(cè)算法、擬合法等算法[6]確定標(biāo)識(shí)點(diǎn)的邊緣，通過(guò)對(duì)邊緣進(jìn)行橢圓最小二乘擬合，確定標(biāo)識(shí)點(diǎn)的中心位置。船用鋼板的表面有噴涂、銹跡等雜物，局部像素灰度值與標(biāo)志點(diǎn)相近，不利于標(biāo)識(shí)點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)。因此，船體結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)采用鋼針劃線的方式來(lái)進(jìn)行人工標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)點(diǎn)坐標(biāo)采用GNU圖像處理程序進(jìn)行獲取，通過(guò)比對(duì)獲取同一標(biāo)識(shí)點(diǎn)在不同圖像中的坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)立體匹配。

3.2 工業(yè)攝影裝置標(biāo)定

采用Z Zhang提出的平面模板兩步法[7]對(duì)工業(yè)攝影裝置進(jìn)行標(biāo)定，該方法避免了傳統(tǒng)的在高精度標(biāo)定臺(tái)上進(jìn)行標(biāo)定圖像采樣的做法，通過(guò)應(yīng)用工業(yè)攝影裝置拍攝在任意位置、任意姿態(tài)擺放的標(biāo)定板來(lái)對(duì)其內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

平面模板兩步標(biāo)定法的原理可用式(3)表示：

(3)

采用平面模板標(biāo)定法對(duì)工業(yè)裝置進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，只需從不同角度拍攝若干張模板的圖像，并提取不同圖像上的特征點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算模板平面與特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可求出相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和畸變系數(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的標(biāo)定。

3.3 三維重建技術(shù)

在實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)點(diǎn)立體匹配并得到攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)后，可將圖像平面坐標(biāo)系中的標(biāo)識(shí)點(diǎn)逆向映射成世界坐標(biāo)中的點(diǎn)。由于同一標(biāo)志點(diǎn)出現(xiàn)在多張圖片中，因此可通過(guò)光束平差法，把控制點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)、標(biāo)志點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)、相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)全部作為觀測(cè)值進(jìn)行整體平差計(jì)算，求解它們的值和標(biāo)識(shí)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，由此可極大提高工業(yè)攝影測(cè)量的系統(tǒng)精度[8]。

4 工業(yè)攝影測(cè)量方法的精度標(biāo)定

為標(biāo)定工業(yè)攝影裝置在船體結(jié)構(gòu)焊接環(huán)境下的測(cè)量精度，研究不同攝影視角對(duì)測(cè)量精度的影響，采用測(cè)量精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺，對(duì)工業(yè)攝影裝置的測(cè)量精度進(jìn)行標(biāo)定。

在進(jìn)行精度標(biāo)定時(shí)，控制游標(biāo)卡尺兩卡腳間距分別為100 mm、200 mm、300 mm三個(gè)尺度的距離，應(yīng)用工業(yè)攝影裝置從不同角度拍攝游標(biāo)卡尺和標(biāo)定板的圖像(如圖6所示)，通過(guò)圖像處理和相關(guān)計(jì)算得到游標(biāo)卡尺兩卡腳間的距離，然后與游標(biāo)卡尺的實(shí)際讀數(shù)相比較，計(jì)算相對(duì)誤差，實(shí)現(xiàn)工業(yè)攝影裝置測(cè)量精度的標(biāo)定。

圖6 應(yīng)用游標(biāo)卡尺標(biāo)定測(cè)量精度

按照測(cè)量步驟，首先應(yīng)用攝像機(jī)從不同的角度對(duì)游標(biāo)卡尺和標(biāo)定板進(jìn)行拍照，拍攝的圖片編號(hào)如表1所示。

表1 圖片編號(hào)表

將圖像分組進(jìn)行處理，得到游標(biāo)卡尺兩卡腳間的距離與游標(biāo)卡尺的實(shí)際讀數(shù)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 標(biāo)定結(jié)果對(duì)比表

由表2標(biāo)定結(jié)果可知，各組測(cè)量值與游標(biāo)卡尺的讀數(shù)非常接近，差別最大的為300 mm范圍內(nèi)相差0.45 mm，最小為200 mm范圍內(nèi)相差0.07 mm。而且各組測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差很小，遠(yuǎn)低于實(shí)際工程允許的誤差值。因此工業(yè)攝影測(cè)量方法的測(cè)量精度滿足船體結(jié)構(gòu)焊接變形的測(cè)量要求。

5 應(yīng)用實(shí)例

5.1 船體典型結(jié)構(gòu)焊接試樣及焊接工藝

船體典型結(jié)構(gòu)焊接試樣由尺寸為600 mm×300 mm×4 mm的兩塊鋼板焊接而成。試樣材料為EH36鋼材，采用CO2氣體保護(hù)焊，焊接電流為160～180 A，電壓為28～30 V，焊接速度為360～430 mm/min，焊材為JQYJ501。焊接時(shí)，坡口形式為單面V型坡口，正反兩面各一道焊，正面焊接后，背面用碳弧氣刨清根再進(jìn)行焊接。

5.2 焊接變形的測(cè)量數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用工業(yè)攝影技術(shù)對(duì)船體典型結(jié)構(gòu)的焊接變形進(jìn)行測(cè)量，得到的測(cè)量結(jié)果如圖7(a)和圖7(b)所示，分別為試樣焊接前后的三維圖像。

圖7 試樣焊接前后的三維圖像

由焊接前后試樣的三維變形圖可知，薄板在焊接過(guò)程中產(chǎn)生了較大的翹曲變形，焊接后薄板整體呈馬鞍形。結(jié)構(gòu)的縱向變形、橫向變形和角變形結(jié)果如圖8所示。

圖8 試樣完成焊后參數(shù)變化

根據(jù)焊接變形結(jié)果可知，船用4 mm薄板的縱向變形在-1.0 mm～1.0 mm范圍內(nèi)，橫向變形在-1.5 mm～-2.5 mm范圍內(nèi)，角變形在2°～3.5°范圍內(nèi)。由此可知薄板縱向變形小于橫向變形，且橫向變形均為收縮變形，符合結(jié)構(gòu)的縱向剛度高于橫向剛度的實(shí)際情況；結(jié)構(gòu)的角變形分布情況與焊后結(jié)構(gòu)為馬鞍形相符。因此，實(shí)際測(cè)量結(jié)果證明基于工業(yè)攝影裝置的測(cè)量技術(shù)可用于船體結(jié)構(gòu)焊接變形的測(cè)量。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于工業(yè)攝影裝置測(cè)量船體結(jié)構(gòu)焊接變形的新方法。通過(guò)精度標(biāo)定試驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)例證明該方法具有較高的測(cè)量精度，能夠滿足船體結(jié)構(gòu)的縱向變形、橫向變形和角變形等焊接變形量的測(cè)量精度、可靠性等需求，為船體結(jié)構(gòu)焊接變形數(shù)值計(jì)算的工程驗(yàn)證、焊接變形控制措施提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Research on Measurement Technology for Hull Structure Welding Distortion Based on Industry Photogrammetry Equipment

XU Dong1,2, ZHANG Ying-bin1, LIU Cun-gen2, XIE Zi-ming1, LI Xing1

(1. Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China； 2. Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

A new measuring method based on industry photogrammetry equipment was presented to solve the problems of hull structure welding distortion measurement. Firstly, photos of welding structure, before and after welding, were taken by a high-resolution digital camera from different observation points. Secondly, the three-dimensional coordinates of targets are calculated by camera calibration algorithm and three-dimensional reconstruction technique. Finally, the welding distortion was calculated based on the changes of displacement between targets marked on the structure. Calibration test and the results of welding distortion measured by this method. Results indicate that the precision of the new measuring method is satisfied for the welding distortion measurement of hull structure with a high accuracy of ±0.5 mm, as well as its’ reliability and stability.

Hull structure Measurement of welding distortion Industry photogrammetry equipment

2013年度上海市博士后科研資助計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(B類)(編號(hào)：13R21420200)。

徐 東(1976-)，男，高級(jí)工程師。

U671.83; TG404

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