基于线结构光扫描高频电阻焊焊缝形貌三维检测装置及检测方法与流程

本发明涉及三维检测，具体涉及基于线结构光扫描的高频电阻焊焊缝形貌三维检测。

背景技术：

目前主要采用焊接检验尺对钢筋焊缝进行检测。焊接检验尺是利用线纹和游标测量等原理，检验焊接件的焊缝宽度、高度、焊接间隙、坡口角度、咬边深度等的计量器具。检验尺在使用过程中受多方面因素的影响，检测出的结果会存在不同的误差，且人工检测费时费力、效率不高，无法实时获取焊缝表面三维形貌信息进行质量检测。

结构光法是机器视觉测量的方法之一，其包括点结构光、线结构光以及面结构光法，利用结构光法可以完成对于物体表面的形貌测量。但是，目前尚未见到利用结构光法对焊缝形貌进行测量的报道，主要面临的问题为如何快速、精确的获取关于焊缝形貌的点云数据，该问题产生的原因之一在于激光光条图像受到反射光的影响，无法精确的确定激光线在焊缝上的中心位置。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于线结构光扫描高频电阻焊焊缝形貌三维检测装置及检测方法；其操作简单，而且检测效率高，检测质量可靠。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于线结构光扫描高频电阻焊焊缝形貌三维检测装置，该三维检测装置包括线结构光传感器和计算机；所述线结构光传感器包括用于扫描被焊物件的激光器以及用于采集被焊物件激光光条图像的工业相机，激光器的线结构光平面与被焊物件表面的焊缝(在激光投射到焊缝上时)相交；工业相机与计算机相连；计算机包括软件系统，该软件系统包括视频数据采集模块、点云数据处理模块、i/o与控制模块及系统标定模块；

所述系统标定模块用于标定工业相机内部参数以及外部参数；所述外部参数是指线结构光平面与工业相机之间的位姿关系；

所述视频数据采集模块用于将工业相机采集的被焊物件激光光条图像传输至点云数据处理模块；所述被焊物件激光光条图像是指通过工业相机采集的投射在被焊物件表面并发生畸变的激光线图像；

所述点云数据处理模块用于根据被焊物件激光光条图像以及通过标定得到的光条图像像素坐标与实际世界坐标之间的关系获取焊缝三维点云数据，并测量焊缝的宽度和高度；

所述i/o与控制模块用于监控工业相机的输入并通知视频数据采集模块开始或停止采集视频图像，以及用于根据点云数据处理模块获取的点云数据和焊缝测量结果输出信号并由计算机显示。

优选的，所述点云数据处理模块包括子模块a、子模块b、子模块c及子模块d；子模块a为光条中心亚像素坐标提取模块，用于对激光光条中心坐标进行亚像素精度提取；子模块b为焊缝与物体分割模块，用于将激光光条中心按照被焊物件与焊缝进行分割，保留位于焊缝处的激光光条中心坐标；子模块c为图像坐标与世界坐标映射模块，用于将分割出的位于焊缝处的激光光条中心坐标转换为世界坐标，得到焊缝表面点云数据；子模块d为参数获取与显示模块，用于计算焊缝的宽度和高度信息并根据焊缝表面点云数据实时生成焊缝三维模型。

优选的，所述线结构光传感器中，激光器选自波长范围为630nm～660nm的红光激光器，红光激光发散度低、准直性好、透过率高，因此选取650nm左右的红光激光器；工业相机与竖直方向夹角范围为31°～43°，以确保工业相机所采集图像含有激光光条，其中，选取37°，可以使光条处于图像中心位置，便于提取完整光条图像信息。

优选的，所述三维检测装置还包括线位移传送系统以及位于该线位移传送系统上方的固定面板，激光器以及工业相机设置在固定面板上；线位移传送系统包括步进电机、步进电机控制器、由步进电机驱动的线性移动机械装置以及用于承载被焊物件的底座；底座固定在所述机械装置上；步进电机与步进电机控制器相连，步进电机控制器与所述计算机相连。

优选的，所述i/o与控制模块在通知视频数据采集模块停止采集视频图像的同时，使线位移传送系统停止驱动底座进行线性移动的动作。

一种基于线结构光扫描高频电阻焊焊缝形貌三维检测方法，包括以下步骤：

1)采用激光器产生的线结构光扫描被焊物件，同时由工业相机采集得到被焊物件激光光条图像；激光器的线结构光平面与被焊物件表面的焊缝(在激光投射到焊缝上时)相交；

2)通过对被焊物件激光光条图像进行处理得到焊缝三维点云数据以及焊缝宽度及高度形貌特征。

优选的，所述步骤2)具体包括以下步骤：将实时采集的被焊物件激光光条图像输入计算机，由计算机根据该被焊物件激光光条图像以及光条图像像素坐标与实际世界坐标之间的关系，将位于焊缝表面的激光光条中心坐标转换为世界坐标，得到焊缝表面激光光条上各点三维坐标值；由该坐标值测量出焊缝宽度(焊缝截面两端水平距离)以及高度(焊缝当前最高点与被焊物件表面最高点之间的垂直距离)。

优选的，所述焊缝表面的激光光条中心坐标的提取方法包括以下步骤：首先对被焊物件激光光条图像进行动态阈值分割，获取图像感兴趣区域；在感兴趣区域应用灰度阈值重心法求取结构光条纹初步中心；获得结构光条纹初步中心后，应用sobel算子获取条纹像素点的梯度向量，接着选取每个像素点的邻域(方向块竖直像素个数取值范围为5～11，由光条宽度决定，水平像素个数取值范围为2～5，由光条图像水平分辨率决定，例如7×2)作为该点的方向快，求取方向块的水平梯度和垂直梯度，通过水平梯度和垂直梯度计算得到方向块的方向角即该方向块的方向场，并沿方向场方向求取激光光条的亚像素精度中心；最后，在被焊物件激光光条图像上去除投射在被焊物件表面的亚像素中心点，保留投射在焊缝表面的亚像素中心点。

优选的，所述光条图像像素坐标与实际世界坐标之间的关系是通过对由激光器和工业相机构成的线结构光传感器进行标定而得到。

优选的，所述步骤1)具体包括以下步骤：将被焊物件放置在上述线位移传送系统的底座上，随着被焊物件移动，利用工业相机连续采集被焊物件激光光条图像，并依次输入计算机进行处理，直至激光完成对整个被焊物件上焊缝的扫描。

本发明的有益效果体现在：

本发明可以采用非接触测量方式获得焊缝的宽度和高度等形貌特征，可用于判断焊缝质量，以及实现焊缝质量的自动检测，具有精度高、安全可靠、实时检测等优点，提高了焊缝质量检测的效率。

进一步的，本发明通过光条中心亚像素坐标提取，解决了被焊物件光反射对于激光光条图像识别的影响，提高了测量精度。

附图说明

图1为高频电阻焊焊缝形貌三维检测装置的结构示意图；

图1中：1、激光器，2、工业相机，3、被焊物件，4、步进电机控制器，5、计算机，6、底座，7、机械装置。

图2为激光光条亚像素中心提取流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明进行限定。

实施例

参见图1，本发明所述基于线结构光扫描高频电阻焊焊缝形貌三维检测装置，包括650mm红光激光器、型号为wat-902h2的工业相机、步进电机控制器、计算机以及底座，红光激光器1与工业相机2固定在同一个面板内组成线结构光传感器，工业相机2向下倾斜，并与竖直方向呈37°的夹角，底座6固定在含有步进电机(型号为asm66ac)的机械装置7上，机械装置7在步进电机驱动下可使底座6进行线性移动，被焊物件3则固定在底座6上，工业相机2以及步进电机控制器4分别与计算机5相连，步进电机与步进电机控制器4相连。

上述装置是一种非接触式扫描装置，用于获取焊缝三维信息。在底座6放置一块具有焊缝的油气管道，步进电机控制器面板包括电源开关、前进指示灯以及后退指示灯，打开步进电机控制器电源开关以及接通红光激光器电源，将红色激光以垂直于焊缝的方式向下投射至被焊物件3(激光器的线结构光平面与被焊物件上的焊缝垂直相交)，通过计算机发出指令，步进电机控制器4接收用户指令控制，读取信号并发送给步进电机使其动作，带动底座6进行线性移动(若发送前进指令，则步进电机控制器接受指令，前进指示灯开始闪烁，控制步进电机按顺时针方向转动，在机械装置上带动底座6进行线位移动作，若发送后退指令，则步进电机控制器接受指令，后退指示灯开始闪烁，控制步进电机按逆时针方向转动，在机械装置上带动底座6进行反向线位移动作)，以及通知工业相机2开始采集视频。本装置含有自动终止功能，首先通过工业相机拍摄当前被焊物件图像，计算机对被焊物件图像进行处理，若在当前图像中激光光条不再投射在焊缝表面，则判断扫描完成，计算机发送停止指令使步进电机停止动作，且工业相机停止拍摄。此外，本装置还包含手动终止功能，当自动终止功能无效时，可手动终止系统，使电机停止动作，工业相机停止拍摄。

工业相机2拍摄投射在被焊物件表面并发生畸变的激光线图像即被焊物件激光光条图像，通过数据线将图像向计算机5传输，计算机5将采集的光条图像进行处理，获取焊缝的三维坐标值及重建出焊缝三维模型，并通过计算机显示器显示，具体包括以下步骤：

(1)光条中心亚像素坐标提取

如图2所示，首先对光条图像进行动态阈值分割，获取图像感兴趣区域(roi)，应用灰度阈值重心法初步求取条纹中心，获得结构光条纹初步中心后，应用sobel算子获取条纹像素点的梯度向量，接着选取每个像素点的7×2邻域作为该点的方向快，求取方向块的水平梯度和垂直梯度，通过水平梯度和垂直梯度可以计算得到方向块的方向角即该方向块的方向场，并沿方向场方向求取激光条纹的亚像素精度中心。

(2)焊缝与被焊物件的分割

由于被焊物件为油气管道，其截面为圆形，被激光投射的油气管道截面部分为弧形，选取第(1)步提取出的激光条纹亚像素精度中心左右两端(即沿焊缝宽度方向向外)各200个像素点(取决于被焊物件尺寸)进行曲线拟合(根据被焊物件截面形状可选择不同阶数的拟合)，得到油气管道截面形状的曲线方程。在被焊物件光条图像中去除属于该曲线方程上每个像素点3×3邻域内的像素点(即投射在被焊物件表面的亚像素中心点)，保留不在该邻域内的像素点，保留的点即为投射在焊缝表面的亚像素中心点，因此实现图像中焊缝与被焊物件的分割。

(3)线结构光传感器的标定

线结构光传感器的标定包括内部参数及外部参数的标定，通过棋盘格及张正友标定法对工业相机内部参数进行标定，外部参数为结构光平面与工业相机的位姿关系，通过锯齿靶标法对外部参数进行标定。最后标定结果即为光条图像中像素坐标与实际世界坐标之间的关系。

(4)图像坐标与世界坐标映射

随着步进电机继续动作，工业相机继续拍摄动作后的被焊物件激光光条图像，激光可以完成整个焊缝的扫描，获得各个时刻投射在焊缝上的激光光条中心点坐标，通过上述标定结果即光条图像中像素坐标与实际世界坐标之间的关系，可将所有中心点坐标转换为实际世界坐标，从而得到焊缝的点云数据；然后通过opengl建立世界坐标系并将点云数据绘制成三维模型，在显示器显示。

根据焊缝的三维坐标数据，可由计算机获得焊缝的实时宽度、高度等特征信息，且在显示器上直观显示宽度与高度数值，并通过特征信息与现有规范比较判断焊缝焊接质量。

本发明具有如下优点：

1.采用非接触式光学三维扫描，提高了系统的可靠性。

2.和人工检测技术相比，提高了检测效率。

3.测量精度高，可达0.1mm。

4.能够实现焊缝表面连续扫描。

5.可通过工业相机实时拍摄焊缝图像进行处理，便于实时检测。