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， 上海 200240)

基于工業(yè)攝影裝置的船體結(jié)構(gòu)焊接變形測量技術(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， 上海 200240)

針對船體結(jié)構(gòu)焊接變形測量難且精度不高的問題，提出了基于工業(yè)攝影裝置測量焊接變形的新方法。該方法采用一臺高像素相機從不同視角分別拍攝焊接試樣焊接前后的圖像，通過相機標定及三維重建技術(shù)獲取標識點的三維坐標，最后依據(jù)焊接前后標志點間距離的變化計算焊接變形值。通過精度標定試驗，驗證了該測量方法的精度在±0.5 mm以內(nèi)。該方法已應用于船用薄板焊接試樣的變形測量，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)焊接變形的測量要求。

船體結(jié)構(gòu) 焊接變形測量 工業(yè)攝影裝置

1 引言

在金屬構(gòu)件的焊接過程中，焊縫區(qū)金屬的熱脹冷縮受到周圍金屬的約束，不能自由伸縮而導致焊接工件產(chǎn)生變形。焊接變形不僅會影響構(gòu)件的尺寸精度，而且會降低其承載能力。由于金屬結(jié)構(gòu)強度、剛度較高，焊接變形的矯正不僅費工費時，通常還會引入附加殘余應力，造成結(jié)構(gòu)材料的脆化和低應力破壞。因此，在焊接工藝設(shè)計和實施過程中對焊接變形進行控制和調(diào)整具有十分重要的意義?？煽康暮附幼冃螠y量方法，可用于驗證焊接變形數(shù)值計算結(jié)果的合理性，也是衡量、控制焊接變形的重要手段。

目前，焊接變形的測量方法主要有接觸式與非接觸式兩種。接觸式測量[1]在操作過程中具有一定的危險性，且焊接產(chǎn)生的高溫會對儀器的測量精度產(chǎn)生影響。非接觸式測量[2,3]大多采用光學原理和圖像處理手段，需要專業(yè)的設(shè)備，并且對測量環(huán)境的要求較高，往往不能滿足焊接試樣的測量需求。文本提出了一種應用工業(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，利用相機標定和三維重建技術(shù)獲取標識點的三維坐標，并依據(jù)焊接前后標志點間距離的變化計算焊接變形值的新方法。該方法克服了接觸式測量方法的局限性，提高了非接觸式測量方法在船體結(jié)構(gòu)焊接變形測量領(lǐng)域的應用性，為焊接變形的測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)焊接變形測量原理及方案

2.1 測量原理

工業(yè)攝影測量技術(shù)是從2個或2個以上的角度對同一事物進行拍照，得到不同視角下的圖像，通過計算分析不同圖像中同一點的視差來獲取物體表面的三維形狀信息[4]。其三維坐標測量的數(shù)學模型如圖1所示。

圖1 工業(yè)攝影測量原理圖

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

通過對工業(yè)攝影裝置進行標定，可以得到視角1的坐標系O1X1Y1Z1和視角2的坐標系O2X2Y2Z2的相對關(guān)系如式(1)所示。

(1)

(2)

2.2 典型結(jié)構(gòu)焊接變形測量方案

針對典型結(jié)構(gòu)焊接變形的測量，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)置標識點，如圖2所示在試樣上設(shè)置1～30號標識點，并設(shè)定如圖3所示的各個焊接變形分量的測量坐標系。

圖2 標識點布置示意圖

圖3 各焊接變形分量的測量坐標系

其中，圖3(a)為縱向變形測量坐標系，圖3(b)為橫向變形測量坐標系，圖3(c)為角變形測量坐標系。測量采用佳能EOS 500D相機和TI-times 9×12精度為0.1 mm的標定板，并按照圖4所示的流程測量焊接變形。

圖4 應用工業(yè)攝影裝置測量焊接變形流程圖

首先通過相機從不同視角拍攝焊接試樣在焊接前后的圖像，如圖5所示；然后通過圖像處理，獲取各個標識點在不同圖像中的二維坐標，實現(xiàn)立體匹配；再對工業(yè)攝影裝置進行標定求得旋轉(zhuǎn)矩陣、平移矩陣等相關(guān)數(shù)據(jù)，進而通過光束平差進行標識點的三維重建；最后應用Matlab軟件編程計算焊接前后標志點間距離的變化，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)特征點的標識及立體匹配

標識點作為待測工件表面上的參考點，測量前需先行標識于試樣表面。目前，多采用具有明顯人工特征的圓形點作為標識點，利用Canny檢測算法、擬合法等算法[6]確定標識點的邊緣，通過對邊緣進行橢圓最小二乘擬合，確定標識點的中心位置。船用鋼板的表面有噴涂、銹跡等雜物，局部像素灰度值與標志點相近，不利于標識點自動檢測。因此，船體結(jié)構(gòu)的特征點采用鋼針劃線的方式來進行人工標識，標識點坐標采用GNU圖像處理程序進行獲取，通過比對獲取同一標識點在不同圖像中的坐標實現(xiàn)立體匹配。

3.2 工業(yè)攝影裝置標定

采用Z Zhang提出的平面模板兩步法[7]對工業(yè)攝影裝置進行標定，該方法避免了傳統(tǒng)的在高精度標定臺上進行標定圖像采樣的做法，通過應用工業(yè)攝影裝置拍攝在任意位置、任意姿態(tài)擺放的標定板來對其內(nèi)部參數(shù)進行標定。

平面模板兩步標定法的原理可用式(3)表示：

(3)

采用平面模板標定法對工業(yè)裝置進行標定時，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，通過計算模板平面與特征點的對應關(guān)系，即可求出相機的內(nèi)外參數(shù)和畸變系數(shù)，實現(xiàn)測量裝置的標定。

3.3 三維重建技術(shù)

在實現(xiàn)標識點立體匹配并得到攝像機的內(nèi)外參數(shù)后，可將圖像平面坐標系中的標識點逆向映射成世界坐標中的點。由于同一標志點出現(xiàn)在多張圖片中，因此可通過光束平差法，把控制點的像點坐標、標志點的像點坐標、相機的內(nèi)外參數(shù)全部作為觀測值進行整體平差計算，求解它們的值和標識點的空間坐標，由此可極大提高工業(yè)攝影測量的系統(tǒng)精度[8]。

4 工業(yè)攝影測量方法的精度標定

為標定工業(yè)攝影裝置在船體結(jié)構(gòu)焊接環(huán)境下的測量精度，研究不同攝影視角對測量精度的影響，采用測量精度為0.02 mm的游標卡尺，對工業(yè)攝影裝置的測量精度進行標定。

在進行精度標定時，控制游標卡尺兩卡腳間距分別為100 mm、200 mm、300 mm三個尺度的距離，應用工業(yè)攝影裝置從不同角度拍攝游標卡尺和標定板的圖像(如圖6所示)，通過圖像處理和相關(guān)計算得到游標卡尺兩卡腳間的距離，然后與游標卡尺的實際讀數(shù)相比較，計算相對誤差，實現(xiàn)工業(yè)攝影裝置測量精度的標定。

圖6 應用游標卡尺標定測量精度

按照測量步驟，首先應用攝像機從不同的角度對游標卡尺和標定板進行拍照，拍攝的圖片編號如表1所示。

表1 圖片編號表

將圖像分組進行處理，得到游標卡尺兩卡腳間的距離與游標卡尺的實際讀數(shù)對比結(jié)果如表2所示。

表2 標定結(jié)果對比表

由表2標定結(jié)果可知，各組測量值與游標卡尺的讀數(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。而且各組測量結(jié)果的相對誤差很小，遠低于實際工程允許的誤差值。因此工業(yè)攝影測量方法的測量精度滿足船體結(jié)構(gòu)焊接變形的測量要求。

5 應用實例

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，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行焊接。

5.2 焊接變形的測量數(shù)據(jù)處理與分析

應用工業(yè)攝影技術(shù)對船體典型結(jié)構(gòu)的焊接變形進行測量，得到的測量結(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，實際測量結(jié)果證明基于工業(yè)攝影裝置的測量技術(shù)可用于船體結(jié)構(gòu)焊接變形的測量。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于工業(yè)攝影裝置測量船體結(jié)構(gòu)焊接變形的新方法。通過精度標定試驗和應用實例證明該方法具有較高的測量精度，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量精度、可靠性等需求，為船體結(jié)構(gòu)焊接變形數(shù)值計算的工程驗證、焊接變形控制措施提供了堅實的基礎(chǔ)。

[1] 阮星誼，包曄峰，石忠賢. 焊接變形測量方法[J]. 電焊機, 2005,35(5): 55-57.

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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劃重點項目(B類)(編號：13R21420200)。

徐 東(1976-)，男，高級工程師。

U671.83; TG404

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