劉乾乾許斌肖唐杰

（1.四川大學制造科學與工程學院，四川成都 610065；2.中國東方電氣集團有限公司，四川成都 610036）

一種用于焊縫形貌質量檢測的精密線結構光傳感器設計

劉乾乾1許斌1肖唐杰2

（1.四川大學制造科學與工程學院，四川成都 610065；2.中國東方電氣集團有限公司，四川成都 610036）

焊接技術廣泛用于現(xiàn)代裝備制造，焊縫表面形貌質量是保障焊接結構部件加工質量和安全性能的重要指標。針對焊接機器人的在線檢測技術需求，本文提出一種可用于微細焊縫面形質量的精密線結構光傳感器設計方法，所設計的傳感器具有結構緊湊的特點，測量范圍是±20mm，分辨率是0.05mm。

焊縫；表面形貌；傳感器；線結構光

焊接是裝備制造的重要技術，如航空燃機、渦輪葉片與軌道交通等關鍵器件的制造［1，2］。焊縫的形貌質量決定了焊接結構零部件的加工質量和安全性能。所以，焊接結構零部件的焊縫形貌質量（如焊縫表面的形狀、輪廓、波紋度及特征幾何尺寸）需要進行精密檢測，以保障焊縫工藝的加工質量［3，4］。

目前，在工業(yè)中焊接工藝由人工和焊接機器人完成。人工焊接的焊接質量主要依賴于焊接工人的個人技術，其焊接質量的穩(wěn)定度不高；焊接機器人的焊接質量可靠，重復性穩(wěn)定。無論是使用人工焊接或者焊接機器人，焊縫的形貌質量均需要檢測。焊縫形貌檢測通常是由具備豐富經(jīng)驗的技術人員使用目測觀察或者是使用簡單的幾何量測量工具進行檢測［3，4］。技術人員目測觀測焊縫質量，其檢測的可靠性和精確性不高；幾何量測量工具接觸式測量，該方法容易對焊縫造成損傷，且測量精度不高。以上2種方法通常用于焊接質量要求不高的制造環(huán)節(jié)，且檢測結果通常為定性評價，無法量化。

隨著制造行業(yè)的發(fā)展，裝備制造的精度和可靠性不斷提高，對焊接質量的要求也不斷提高。焊接機器人的廣泛運用一定程度上提高了焊接工藝的可靠性和焊接質量，各種現(xiàn)代化的幾何量檢測技術也不斷被運用于焊縫質量的精密檢測。焊縫質量的精密檢測以非接觸表面形貌檢測技術為代表，如基于視覺或激光的焊縫質量檢測系統(tǒng)。然而，這些檢測系統(tǒng)通常是對焊接部件焊縫質量的離線檢測，難以用于焊接過程的在線檢測；而且這些系統(tǒng)是通用商業(yè)設備，通常其測量范圍較大，測量分辨率較低，難以滿足微小焊縫的焊縫質量的精密檢測技術需求。

本文針對焊接機器人焊縫質量在線檢測的技術需求，設計了一種基于線結構光的位移傳感器，實現(xiàn)了±20mm的測量范圍與0.05mm的測量分辨率。

1 線結構光位移傳感器模型

如圖1所示，線結構光位移傳感器主要由激光器、鮑威爾棱鏡、CMOS圖像傳感器和凸透鏡組成。激光器作為線結構光的光源，選用半導體激光器；半導體激光器的出射光為沿著光軸兩垂直方向均有發(fā)散角的橢圓形激光速，在基準面A與激光器之間設置鮑威爾棱鏡對激光器出射激光進行調制，經(jīng)調制投射到被測面ZOY的投影為一條激光線。投射激光線經(jīng)過凸透鏡匯聚后可在CMOS圖像傳感器的光敏元件陣列上成像。如在基準點O處的激光光斑在CMOS圖像傳感器的光敏元件B′B″列O′成像。當被投射焊縫輪廓偏離基準點O時（即高度偏差為Δ），那么在CMOS圖像傳感器的光敏元件陣列上像點將產(chǎn)生偏差δ，DSP中控處理器通過檢測像點偏差δ可以測量被測焊縫表面輪廓的二維信息，當線結構光位移傳感器隨著焊槍移動時，可以得到被測焊縫表面的形貌的三維信息。

圖1 線結構光傳感器結構示意圖

2 位移傳感數(shù)學模型

假設基準點O所在YOX平面為基準面，基準點O所在ZOY平面為被測面，OO′為凸透鏡的主光軸，基準點O到凸透鏡光學中心的距離為a，基準點O的像點O′到凸透鏡光學中心的距離為b，凸透鏡主光軸與激光束光軸的夾角為θ2，凸透鏡主光軸與CMOS圖像傳感器光敏元件陣列平面的夾角為θ3，CMOS圖像傳感器光敏元件陣列平面平行于YOX平面，被測位移量Δ高于基準點O時設為Δ1（低于基準點O時設為Δ1），CMOS圖像傳感器輸出像點位置左偏移O′時設為δ1（右偏移O′時設為δ2）。

傳感器的傳感模型表示如下：

3 傳感器關鍵參數(shù)的設計

傳感器的測量性能要求為測量范圍±20mm，測量分辨率小于0.05mm，傳感器用于焊接過程中對焊縫表面形貌的實時檢測。

由于傳感器在焊接過程中對線激光的投影線進行檢測，焊接弧光將成為影響CMOS圖像傳感器檢測線激光投影位置的重要干擾源。為了避免焊接弧光的影響，激光器選用波長微405nm的半導體藍光激光器。

根據(jù)傳感器的設計要求，傳感器的關鍵參數(shù)設置為a=100mm，b=33mm，θ2=30°，θ3=60°，Δ1=Δ2=20mm。

根據(jù)傳感器的傳感模型（公式1），可以得到在CMOS圖像傳感器光敏元件陣列平面的成像范圍δ1=3.13mm，δ2=5.00mm。所以，CMOS圖像傳感器光敏元件陣列的寬度至少為8.13mm。

由公式（1）可以得到公式（2）：

公式（2）表示傳感器輸入輸出的靈敏度系數(shù)，計算得出靈敏度系數(shù)最小值為0.13mm。由于傳感器的靈敏度系數(shù)非線性，為了保證最小分辨率的0.05mm要求。假設像平面上每一個分辨率對應一個像素，那么像素的最小尺寸為0.13×0.05mm=6.35μm。所以，對CMOS圖像傳感器的要求是像素尺寸不大于6.35μm，像素個數(shù)不小于1 281。

4 結語

針對焊接機器人對焊縫質量在線檢測與高精度檢測的技術需求，本文設計一種可用于焊接機器人的線結構光位移傳感器，該位移傳感器具有結構緊湊的特點，能夠實現(xiàn)±20mm的測量范圍與0.05mm的測量分辨率。

［1］譚一炯，周方明，王江超，等.焊接機器人技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.電焊機，2006（3）：6-10.

［2］李軍.基于motorman自動焊接平臺的轉軸焊接夾具及其工藝分析［D］.蘇州：蘇州大學，2008.

［3］喬東虓，鄭軍，潘際鑾.雙線結構光焊縫跟蹤傳感器及其特性［J］.電焊機，2010（11）：14-16.

［4］岳紅，孫立新.基于結構光焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究［J］.河北工業(yè)大學學報，1999（4）：21-24.

A Line Structure-Light Sensor Design for the Surface Profile Measurement of Welds

Liu Qianqian1Xu Bin1Xiao Tangjie2
（1.School of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu Sichuan 610065；2.Dongfang Electric Corporation，Chengdu Sichuan 610036）

Welding technique is essential for modern equipment manufacturing industry,and the surface profile quali?ty of welds is the key indicator to guarantee the manufacturing quality and working performance of the welded compo?nents.Aiming to the on-line detection of welding robots,this paper proposed a method to design a line structurelight sensor,which would be used by a welding robot to online measure the surface quality of small welds.The de?signed line structure-light sensor has the characteristics of compact structure,and it is with a±20mm measurement range and a 0.05mm measurement resolution.

welds；surface profile；sensor；line structure-light

TP212

A

1003-5168（2016）12-0110-02

2016-11-15

四川省科技支撐計劃項目（2016GZ0183）。

劉乾乾（1991-），男，碩士，研究方向：微結構表面形貌測量及質量檢測。

許斌（1983-），男，博士，副研究員，研究方向：精密測量。