基于激光光柵的焊口數字輪廓視覺測量

張鵬賢 ，劉志輝 ，于 桐

（1.蘭州理工大學有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州730050；2.蘭州理工大學有色金屬合金及加工教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730050）

0 前言

隨著現代制造對焊接的生產率和質量的要求越來越高，焊接過程由自動化向智能化發展已成為必然趨勢[1]。其關鍵是在自動化焊接系統上添加傳感器，使系統能夠自主地識別并理解焊接環境。在諸多傳感器中，視覺傳感因其獲取信息量大、抗干擾能力強而得到廣泛應用。陳志翔等人[2]嘗試研制了一套基于視覺傳感的自適應焊接系統，由單條紋激光視覺傳感器獲取待焊坡口的幾何信息，為焊接路徑規劃以及焊接工藝參數的自適應調整提供依據，然而系統采集一副圖像只能獲取焊縫的一個截面信息，難以兼顧測量精度與速度。喬東虓等人[3]嘗試研制了一套以雙線激光作為主動光源的焊縫跟蹤傳感器，同時測量兩個位置處的焊縫信息，有效地克服了單線激光視覺在焊縫跟蹤時的前導誤差問題。C.Zhang等人[4]設計了手持式多線激光掃描儀，通過匹配左右攝像機激光條紋中心線，獲取了同名點的三維坐標信息。相較于單條紋線激光的逐條掃描，多線同時掃描的方式使采集速度成倍增長，計算機并行處理，大大提高了系統獲取信息的響應速度。本研究搭建了一套以激光光柵作為主動光源的視覺測量系統，通過分析系統內部攝像機與激光器的位置關系，以及掃描速度與攝像機曝光間隔時間的配合關系，使系統在不同掃描速度下均能連續獲取耦合了焊口信息的真實條紋圖像，并通過處理條紋圖像實現了焊口數字化輪廓的實時提取。

1 系統搭建

搭建的激光光柵視覺測量系統如圖1所示，主要由數字攝像機、光柵激光器、行走小車和計算機等組成。數字攝像機的型號為MER-132-30UM，分辨率為130萬像素，與之搭配的鏡頭型號為H0514-MP2；光柵激光器選用富喆公司的25條平行線藍光激光器，型號為FU45025PXX100-GD16。系統工作前，根據焊口的待測區域范圍選擇系統的工作距離和激光器投射角度，并根據測量的精度要求選擇掃描速度，獲取掃描速度對應的攝像機曝光方式。工作時，行走小車以一定的速度帶動視覺傳感系統與待測焊口發生相對移動，激光器投射的光柵條紋連續掃描待測區域，垂直于焊口的攝像機按照預定的曝光方式連續采集，獲取一系列能夠反映焊口特征的光柵條紋圖像，并通過USB傳輸給計算機，計算機圖像處理軟件完成光柵條紋的提取及坐標化，并通過擬合重構的方式實現焊口數字化輪廓的實時獲取。

圖1 激光光柵視覺測量系統原理Fig.1 Schematic of laser grating vision measurement system

2 條紋圖像獲取

激光器與攝像機的位置發生變化，系統將獲取不同質量的原始圖像。測量系統的工作距離決定了攝像機的視場范圍，由于攝像機的分辨率是一定的，造成了不同工作距離下單個像素所反映的物理尺寸不同。同時，系統的工作距離也決定了光柵條紋的覆蓋范圍，導致不同工作距離下條紋所能反映的坡口信息范圍不同。攝像機與待測坡口之間工作距離分別為95 mm、125 mm、150 mm時采集到的典型原始圖像如圖2a所示，25條線激光投射在坡口上形成條紋圖像，隨著系統工作距離由150 mm減小到95mm，條紋圖像覆蓋范圍的外接矩形面積由56mm×47 mm減小到45 mm×35 mm，表明工作距離決定了條紋圖像覆蓋被測坡口輪廓區域的大小，只有合理的工作距離才能保證所獲取的條紋圖像反映被測對象信息的完整性和準確性。在一定工作距離下，光柵激光器主光軸與攝像機主光軸在 15°、30°、45°三種不同夾角時采集到的典型圖像如圖2b所示，3幅圖像分別顯示第13～第25條條紋覆蓋坡口區域長度，依次為21 mm、33 mm、59 mm。可以看出，夾角越大，條紋覆蓋范圍和間距越大，且條紋間距均勻性顯著變差。夾角越小，條紋的覆蓋范圍和間距越小，條紋間距均勻性相對變好。但夾角太小時造成條紋之間相互干擾加劇，坡口內壁的劇烈反光產生大量噪聲，致使條紋難以識別。因此，合理的投射角度是采用條紋圖像表征坡口及焊縫輪廓信息的前提條件。綜上分析可知，攝像機的工作距離和激光器的投射角度共同決定了系統的測量視場范圍和測量結果的準確度，工作距離和投射角度是提取耦合輪廓信息條紋圖像的前提條件。

將板厚18 mm、坡口角度75°、間隙1 mm的V型坡口及其一道次焊焊縫作為采集對象，視覺測量系統在合理工作距離125 mm、激光器投射角度為22°時，獲取的條紋圖像如圖3所示。由圖3可知，光柵條紋均很好地耦合在坡口上，同一坡口及焊縫類型下25條條紋的形態特征相同。圖3a中的V型坡口圖像，每一條光柵條紋對應4條線段，其中ab、ef兩條豎線對應于母材表面，bc、de兩條斜線對應于坡口內壁的斜面，c、d兩點在y方向的間距跟隨了坡口間隙的變化，b、e兩點在y方向的間距跟隨了坡口寬度的變化，bc、de兩條線段的傾斜程度與坡口角度相對應。圖3b中的第一道次焊焊縫，4條線段ab、bc、de、ef同樣很好地跟隨了母材以及坡口內壁的形態變化，cd弧線段是一道次焊的填充金屬部位，c、d兩點在y方向的間距跟隨了填充金屬的寬度變化，cd弧線段的中點位置反映了焊縫深度。可以看出，光柵條紋的變化特征能夠很好地跟隨坡口及焊縫表面輪廓的變化，光柵條紋能夠作為表征焊口輪廓形態的信息源。

圖2 不同位置關系下的原始圖像Fig.2 Original images under different positional relationships

圖3 坡口及焊縫圖像Fig.3 Image of groove and wled

3 條紋掃描

系統在進行長焊縫的實際測量時，行走小車帶動視覺測量系統連續掃描過整條焊縫，攝像機曝光一次，便可借助于條紋圖像記錄該時刻條紋所在位置的焊口輪廓信息。通過曝光間隔時間與條紋掃描速度的配合，可實現整條焊縫輪廓的測量。采集到的圖像經處理后用于成像的條紋示意如圖4a所示，條紋覆蓋范圍為L，最大間距為dis。以L作為單位長度，在該長度范圍內條紋的數目及其分布位置將決定系統的精度。在這個過程中，掃描速度和圖像處理速度決定了該長度范圍內系統能夠處理的圖像數目符合式（1），條紋數目符合式（2），通過設計定時曝光的時間間隔，使多次采集的條紋均勻分布，相鄰兩條條紋的最大間距滿足式（3）。

式中 n為圖像數目（正整數）；T0為處理一副圖像所用時間；v為掃描速度；Nx為條紋數目；Dmax為條紋的最大間距。

當n分別為1、2、3時，連續獲取的條紋分布如圖4b～4d所示，分別采用a、2a、3a條條紋來表征長度為L的區域，條紋的最大間距分別為dis，dis/2，dis/3，圖中t軸表示攝像機的曝光間隔時間。根據條紋的幾何分布，結合式（1）和式（3）可以確定各種掃描方式對應的掃描速度范圍與攝像機定時曝光的時間間隔，如表1所示。其中v1=L/T0是系統的最大掃描速度，隨著掃描速度v的減小，Dmax會逐漸減小，條紋越來越密，精度越來越高。

圖4 工作方式示意Fig.4 Work method diagram

表1 工作方式的參數Table 1 Working parameters

通過以上掃描速度與攝像機曝光間隔時間的配合，可獲得投射在待測焊口輪廓上的一系列條紋圖像，單位長度上分布的條紋越密集，輪廓信息數據越充分，獲取輪廓信息的精度越高。

4 數字輪廓建立及驗證

以采集到的光柵條紋圖像作為信息源，提取焊口的數字化輪廓時首先需要通過條紋的分割、細化等圖像預處理方法，將光柵條紋從原始圖像中分離出來。圖5a為采用動態閾值[5]與面積濾波算子相結合所分割出的光柵條紋圖像，25條條紋被完整地分割出來，并且相鄰條紋間沒有粘連。圖5b為采用灰度重心法[6-7]分析激光條紋每條法線方向上的灰度，所提取到的條紋亞像素中心線，條紋的中心線很好地保存了原始條紋的幾何特征，能夠反映待測焊口的形態變化特征。

圖5 圖像的預處理Fig.5 Image preprocessing

經過圖像預處理可以獲取條紋上任意點的像素坐標（u，v），然后采用與單線結構光相同的方法[8]，利用系統標定得到像素坐標系到世界坐標系的轉換矩陣，并結合三角形測深原理，獲取被測焊口輪廓上離散點的三維坐標（xw，yw，zw）。最后，采用griddata 函數算子，通過擬合插值的方法生成網格化的三維數據，對離散點沒有覆蓋到的區域進行插值點的添加，再運用mesh函數進行三維重構獲取焊口的數字化輪廓。當系統掃描速度為0.8 m/min時，按照預定的工作方式采集數據信息，對V型坡口及一道次焊焊縫進行三維重構，結果如圖6所示，重構的輪廓連續過渡、效果較好，能夠反映實際的焊口表面輪廓形態。

尺寸參數提取示意如圖7所示，ABCD、ABCDE兩段曲線分別表示V型坡口及一道次焊表面輪廓某一位置處的截面，Hv、Wv表示該位置可被測量的深度、寬度。隨機選取V型坡口及一道次焊焊縫表面輪廓的一段，分別采用視覺測量系統和游標卡尺測量其不同截面處的寬度和深度，測量結果取3次測量的平均值如表2所示。其中，1-1、1-2、1-3表示V型坡口上的3個不同測量位置，2-1、2-2、2-3表示一道次焊輪廓上的3個不同測量位置。Wa、Ha表示游標卡尺測量值，Wv、Hv表示視覺系統測量值，吻合度表示視覺測量值接近人工測量值的程度。

測量結果表明，對于規則的V型坡口及非規則的一道次焊焊縫，視覺系統測量的寬度值和深度值都能夠代替人工測量結果，并且測量結果最高吻合度可達99.75%。

圖6 數字輪廓Fig.6 Digital contour

圖7 參數提取示意Fig.7 Parameter extraction diagram

表2 寬度與深度的測量結果Table 2 Measurement results of the width and depth

5 結論

基于光柵條紋連續掃描所建立的焊口數字輪廓實現方法是可行的。系統的工作距離和激光器投射角度是提取耦合輪廓信息條紋圖像的前提條件。驗證結果表明，視覺提取的數字化輪廓可以作為表征焊口輪廓幾何形態特征的基礎數據。