張鵬賢 ，劉志輝 ，于 桐

（1.蘭州理工大學(xué)有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730050；2.蘭州理工大學(xué)有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

0 前言

隨著現(xiàn)代制造對(duì)焊接的生產(chǎn)率和質(zhì)量的要求越來(lái)越高，焊接過(guò)程由自動(dòng)化向智能化發(fā)展已成為必然趨勢(shì)[1]。其關(guān)鍵是在自動(dòng)化焊接系統(tǒng)上添加傳感器，使系統(tǒng)能夠自主地識(shí)別并理解焊接環(huán)境。在諸多傳感器中，視覺(jué)傳感因其獲取信息量大、抗干擾能力強(qiáng)而得到廣泛應(yīng)用。陳志翔等人[2]嘗試研制了一套基于視覺(jué)傳感的自適應(yīng)焊接系統(tǒng)，由單條紋激光視覺(jué)傳感器獲取待焊坡口的幾何信息，為焊接路徑規(guī)劃以及焊接工藝參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整提供依據(jù)，然而系統(tǒng)采集一副圖像只能獲取焊縫的一個(gè)截面信息，難以兼顧測(cè)量精度與速度。喬?hào)|虓等人[3]嘗試研制了一套以雙線激光作為主動(dòng)光源的焊縫跟蹤傳感器，同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)位置處的焊縫信息，有效地克服了單線激光視覺(jué)在焊縫跟蹤時(shí)的前導(dǎo)誤差問(wèn)題。C.Zhang等人[4]設(shè)計(jì)了手持式多線激光掃描儀，通過(guò)匹配左右攝像機(jī)激光條紋中心線，獲取了同名點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。相較于單條紋線激光的逐條掃描，多線同時(shí)掃描的方式使采集速度成倍增長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)并行處理，大大提高了系統(tǒng)獲取信息的響應(yīng)速度。本研究搭建了一套以激光光柵作為主動(dòng)光源的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)分析系統(tǒng)內(nèi)部攝像機(jī)與激光器的位置關(guān)系，以及掃描速度與攝像機(jī)曝光間隔時(shí)間的配合關(guān)系，使系統(tǒng)在不同掃描速度下均能連續(xù)獲取耦合了焊口信息的真實(shí)條紋圖像，并通過(guò)處理?xiàng)l紋圖像實(shí)現(xiàn)了焊口數(shù)字化輪廓的實(shí)時(shí)提取。

1 系統(tǒng)搭建

搭建的激光光柵視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，主要由數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、光柵激光器、行走小車和計(jì)算機(jī)等組成。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的型號(hào)為MER-132-30UM，分辨率為130萬(wàn)像素，與之搭配的鏡頭型號(hào)為H0514-MP2；光柵激光器選用富喆公司的25條平行線藍(lán)光激光器，型號(hào)為FU45025PXX100-GD16。系統(tǒng)工作前，根據(jù)焊口的待測(cè)區(qū)域范圍選擇系統(tǒng)的工作距離和激光器投射角度，并根據(jù)測(cè)量的精度要求選擇掃描速度，獲取掃描速度對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)曝光方式。工作時(shí)，行走小車以一定的速度帶動(dòng)視覺(jué)傳感系統(tǒng)與待測(cè)焊口發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，激光器投射的光柵條紋連續(xù)掃描待測(cè)區(qū)域，垂直于焊口的攝像機(jī)按照預(yù)定的曝光方式連續(xù)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(guò)USB傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)圖像處理軟件完成光柵條紋的提取及坐標(biāo)化，并通過(guò)擬合重構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)焊口數(shù)字化輪廓的實(shí)時(shí)獲取。

圖1 激光光柵視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)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(jī)的位置發(fā)生變化，系統(tǒng)將獲取不同質(zhì)量的原始圖像。測(cè)量系統(tǒng)的工作距離決定了攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍，由于攝像機(jī)的分辨率是一定的，造成了不同工作距離下單個(gè)像素所反映的物理尺寸不同。同時(shí)，系統(tǒng)的工作距離也決定了光柵條紋的覆蓋范圍，導(dǎo)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(jī)與待測(cè)坡口之間工作距離分別為95 mm、125 mm、150 mm時(shí)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(tǒng)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(cè)坡口輪廓區(qū)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(cè)對(duì)象信息的完整性和準(zhǔn)確性。在一定工作距離下，光柵激光器主光軸與攝像機(jī)主光軸在 15°、30°、45°三種不同夾角時(shí)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(qū)域長(zhǎng)度，依次為21 mm、33 mm、59 mm?？梢钥闯?，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(duì)變好。但夾角太小時(shí)造成條紋之間相互干擾加劇，坡口內(nèi)壁的劇烈反光產(chǎn)生大量噪聲，致使條紋難以識(shí)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(jī)的工作距離和激光器的投射角度共同決定了系統(tǒng)的測(cè)量視場(chǎng)范圍和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)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(duì)象，視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)在合理工作距離125 mm、激光器投射角度為22°時(shí)，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(tài)特征相同。圖3a中的V型坡口圖像，每一條光柵條紋對(duì)應(yīng)4條線段，其中ab、ef兩條豎線對(duì)應(yīng)于母材表面，bc、de兩條斜線對(duì)應(yīng)于坡口內(nèi)壁的斜面，c、d兩點(diǎn)在y方向的間距跟隨了坡口間隙的變化，b、e兩點(diǎn)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(duì)應(yīng)。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(nèi)壁的形態(tài)變化，cd弧線段是一道次焊的填充金屬部位，c、d兩點(diǎn)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(diǎn)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(tài)的信息源。

圖2 不同位置關(guān)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(tǒng)在進(jìn)行長(zhǎng)焊縫的實(shí)際測(cè)量時(shí)，行走小車帶動(dòng)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)連續(xù)掃描過(guò)整條焊縫，攝像機(jī)曝光一次，便可借助于條紋圖像記錄該時(shí)刻條紋所在位置的焊口輪廓信息。通過(guò)曝光間隔時(shí)間與條紋掃描速度的配合，可實(shí)現(xiàn)整條焊縫輪廓的測(cè)量。采集到的圖像經(jīng)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(zhǎng)，最大間距為dis。以L作為單位長(zhǎng)度，在該長(zhǎng)度范圍內(nèi)條紋的數(shù)目及其分布位置將決定系統(tǒng)的精度。在這個(gè)過(guò)程中，掃描速度和圖像處理速度決定了該長(zhǎng)度范圍內(nèi)系統(tǒng)能夠處理的圖像數(shù)目符合式（1），條紋數(shù)目符合式（2），通過(guò)設(shè)計(jì)定時(shí)曝光的時(shí)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(shù)目（正整數(shù)）；T0為處理一副圖像所用時(shí)間；v為掃描速度；Nx為條紋數(shù)目；Dmax為條紋的最大間距。

當(dāng)n分別為1、2、3時(shí)，連續(xù)獲取的條紋分布如圖4b～4d所示，分別采用a、2a、3a條條紋來(lái)表征長(zhǎng)度為L(zhǎng)的區(qū)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(jī)的曝光間隔時(shí)間。根據(jù)條紋的幾何分布，結(jié)合式（1）和式（3）可以確定各種掃描方式對(duì)應(yīng)的掃描速度范圍與攝像機(jī)定時(shí)曝光的時(shí)間間隔，如表1所示。其中v1=L/T0是系統(tǒng)的最大掃描速度，隨著掃描速度v的減小，Dmax會(huì)逐漸減小，條紋越來(lái)越密，精度越來(lái)越高。

圖4 工作方式示意Fig.4 Work method diagram

表1 工作方式的參數(shù)Table 1 Working parameters

通過(guò)以上掃描速度與攝像機(jī)曝光間隔時(shí)間的配合，可獲得投射在待測(cè)焊口輪廓上的一系列條紋圖像，單位長(zhǎng)度上分布的條紋越密集，輪廓信息數(shù)據(jù)越充分，獲取輪廓信息的精度越高。

4 數(shù)字輪廓建立及驗(yàn)證

以采集到的光柵條紋圖像作為信息源，提取焊口的數(shù)字化輪廓時(shí)首先需要通過(guò)條紋的分割、細(xì)化等圖像預(yù)處理方法，將光柵條紋從原始圖像中分離出來(lái)。圖5a為采用動(dòng)態(tài)閾值[5]與面積濾波算子相結(jié)合所分割出的光柵條紋圖像，25條條紋被完整地分割出來(lái)，并且相鄰條紋間沒(méi)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(cè)焊口的形態(tài)變化特征。

圖5 圖像的預(yù)處理Fig.5 Image preprocessing

經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理可以獲取條紋上任意點(diǎn)的像素坐標(biāo)（u，v），然后采用與單線結(jié)構(gòu)光相同的方法[8]，利用系統(tǒng)標(biāo)定得到像素坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，并結(jié)合三角形測(cè)深原理，獲取被測(cè)焊口輪廓上離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)（xw，yw，zw）。最后，采用griddata 函數(shù)算子，通過(guò)擬合插值的方法生成網(wǎng)格化的三維數(shù)據(jù)，對(duì)離散點(diǎn)沒(méi)有覆蓋到的區(qū)域進(jìn)行插值點(diǎn)的添加，再運(yùn)用mesh函數(shù)進(jìn)行三維重構(gòu)獲取焊口的數(shù)字化輪廓。當(dāng)系統(tǒng)掃描速度為0.8 m/min時(shí)，按照預(yù)定的工作方式采集數(shù)據(jù)信息，對(duì)V型坡口及一道次焊焊縫進(jìn)行三維重構(gòu)，結(jié)果如圖6所示，重構(gòu)的輪廓連續(xù)過(guò)渡、效果較好，能夠反映實(shí)際的焊口表面輪廓形態(tài)。

尺寸參數(shù)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(cè)量的深度、寬度。隨機(jī)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(jué)測(cè)量系統(tǒng)和游標(biāo)卡尺測(cè)量其不同截面處的寬度和深度，測(cè)量結(jié)果取3次測(cè)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(gè)不同測(cè)量位置，2-1、2-2、2-3表示一道次焊輪廓上的3個(gè)不同測(cè)量位置。Wa、Ha表示游標(biāo)卡尺測(cè)量值，Wv、Hv表示視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量值，吻合度表示視覺(jué)測(cè)量值接近人工測(cè)量值的程度。

測(cè)量結(jié)果表明，對(duì)于規(guī)則的V型坡口及非規(guī)則的一道次焊焊縫，視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量的寬度值和深度值都能夠代替人工測(cè)量結(jié)果，并且測(cè)量結(jié)果最高吻合度可達(dá)99.75%。

圖6 數(shù)字輪廓Fig.6 Digital contour

圖7 參數(shù)提取示意Fig.7 Parameter extraction diagram

表2 寬度與深度的測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of the width and depth

5 結(jié)論

基于光柵條紋連續(xù)掃描所建立的焊口數(shù)字輪廓實(shí)現(xiàn)方法是可行的。系統(tǒng)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(yàn)證結(jié)果表明，視覺(jué)提取的數(shù)字化輪廓可以作為表征焊口輪廓幾何形態(tài)特征的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。