基于光栅投射的焊后焊缝表面三维测量

作     者：张金丽 

作者单位：天津科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨国威

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：三维测量 光栅投影 点云处理 焊后焊缝 

摘      要：焊接是一种重要的材料成型与热加工技术,其质量好坏会影响整个产品的质量、性能和可靠性。焊后焊缝的检测是提高焊接质量的关键手段。传统的焊缝外观检测依靠人工肉眼及卡尺工具进行简单测量,检测周期长,效率低,精度不高。现有的基于视觉检测技术的焊缝检测大多是基于点或线结构光借助移动平移台等设备对焊后焊件进行扫描来获取焊缝的完整信息,测量精度较高但测量速度受限。为解决焊后焊缝测量的速度与精度无法兼顾的问题,本文研究了基于光栅投射的三维测量原理,搭建了基于光栅投射的焊后焊缝三维测量系统,快速、准确、一次性地获取全视场焊缝表面轮廓信息。对获取的轮廓信息利用点云处理获取焊缝熔宽、余高、直线度等特征参数,并检测出焊缝的焊瘤、咬边、凹坑等缺陷,对保证焊接质量及焊接效率有重要意义。主要的研究内容包括: (1)设计并搭建了基于光栅投射的焊后焊缝表面三维测量系统。针对点线结构光无法兼顾测量速度与精度的问题,采用面结构光光栅条纹投射来快速、准确获取焊后焊缝表面轮廓信息。 (2)研究了焊缝条纹图像相位解算算法。针对焊缝表面形貌复杂、高度变化不规则的特点,提出了一种改进的全变分去噪方法,通过最小化焊缝条纹图像全局的梯度积分之和的方法在滤除噪声的同时保持焊缝的几何特征和细节信息,为条纹解算提供高质量的光栅条纹图像。采用相移法结合多频外差的相位解算方法解决因高度变化不规则导致焊缝表面相位解算不准的问题,提高形貌复杂的焊缝表面测量的适应性和准确性。 (3)研究了基于空间相位映射的三维测量系统模型和标定方法。从光学三角测量模型推演出一种空间相位映射的三维模型,该测量模型通过多项式映射建立了像素坐标及空间相位到空间三维坐标之间的直接转换关系,简化了测量系统的标定流程。通过圆环靶标获取空间点阵列的方法对空间相位映射模型的多项式系数进行标定,该标定方法操作方便,精度高,适合快速、准确地进行焊后焊缝的三维测量。采用标准量块验证标定精度,系统测量量块高度均方根误差为0.0725mm。同时对焊缝进行三维测量,测量的三维点云能准确地反映焊缝表面高度变化不规则的复杂形貌。 (4)研究了焊缝三维点云处理和缺陷检测方法。为了检测焊后焊缝的成形尺寸,对焊缝三维点云采用RANSAC算法拟合焊缝底部平面并结合微切平面法获取焊缝的边缘轮廓,在焊缝底部平面上计算焊缝边缘的熔宽和直线度等特征信息。通过分析焊缝三维点云在焊缝底部平面的位置和高程阈值实现了焊缝表面焊瘤、尖峰、咬边、凹坑等缺陷的检测,点云处理结果显示本文提出的焊缝三维测量系统测量的点云数据能够应用于焊缝尺寸分析和缺陷检测。