張?zhí)煊?，夏仁波，趙吉賓，付生鵬，徐子恒,3

(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2.中國科學(xué)院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，沈陽 110169;3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

作為制造業(yè)中最常用的加工手段，焊接已成為工業(yè)領(lǐng)域中至關(guān)重要的一道工序。在工業(yè)零件焊接的過程中，其質(zhì)量的檢測尤為關(guān)鍵。工件焊縫表面質(zhì)量的檢測不僅可以保證焊接產(chǎn)品的機械性能、安全性和使用壽命，還為焊接技術(shù)的工藝水平提供了性能評價手段[1]。此外，工件焊接一般需要打磨加工處理，打磨前的加工軌跡路徑規(guī)劃和打磨后的加工性能評估，都需要對焊接部位進行準(zhǔn)確的外部質(zhì)量檢測[2]。

目前，在實際的工業(yè)現(xiàn)場中，大多數(shù)焊縫表面質(zhì)量檢測是借助量規(guī)和量具完成的，對工人經(jīng)驗依賴比較嚴(yán)重[3]。這種方式不僅效率低、準(zhǔn)確性差，而且缺乏明確的規(guī)則，無法客觀地確定焊縫質(zhì)量的評定結(jié)果。近年來，隨著機器視覺技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外一些學(xué)者利用視覺傳感器在焊縫質(zhì)量檢測方面進行了研究[4-7]，以提高焊接的自動化程度。他們幾乎都采用線結(jié)構(gòu)光傳感器，將線激光投射到待測焊接部位，通過相機對投射的光條進行圖像采集，后續(xù)處理獲取每個位置的焊縫質(zhì)量參數(shù)。這種方法的缺陷是點云數(shù)據(jù)拼接比較困難，通常有兩種拼接方式。一種拼接方法是認(rèn)為傳感器沿直線運動進行等距拼接，但是由于投射的線結(jié)構(gòu)光與焊縫無法嚴(yán)格垂直，需要進行測量坐標(biāo)的基準(zhǔn)線補償，否則影響幾何參數(shù)的分析[8-9]。另一種方法是在焊縫周圍粘貼人工標(biāo)志點，利用標(biāo)志點進行拼接，但這種方法難以實現(xiàn)自動化檢測。

本文采用面結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)，提出了一種基于點云的焊縫表面質(zhì)量檢測方法。該方法通過單次掃描可獲得較大范圍內(nèi)焊件表面的三維點云數(shù)據(jù)，通過點云分析可得到焊縫的主方向，無需對焊縫輪廓線進行角度補償和矯正，因此具有快速、高效的優(yōu)點。

1 焊縫質(zhì)量檢測系統(tǒng)

焊縫質(zhì)量檢測系統(tǒng)的硬件主要由六自由度工業(yè)機器人和面結(jié)構(gòu)光傳感器組成。如圖1所示，結(jié)構(gòu)光傳感器安裝在工業(yè)機器人的機械臂軸末端，被焊接工件固定不動，機械臂沿著規(guī)劃的路徑移動傳感器，可實現(xiàn)整個焊接件的測量。在每個測量點位置，結(jié)構(gòu)光傳感器對當(dāng)前焊縫進行掃描，獲取當(dāng)前位置下焊縫表面的三維形貌信息。

圖1 焊縫表面質(zhì)量檢測工作原理圖

結(jié)構(gòu)光視覺傳感器主要由兩個CCD相機和一個投影儀組成，投影儀用于生成光柵條紋并投射到焊縫位置，相機同步采集圖像，基于數(shù)字相移原理，可解算表面的相位信息，得到待分析的三維點云[10]，如圖2所示。

(a)焊接件實物 (b)焊接件點云

2 點云處理算法

點云處理算法是本文檢測方法的核心部分。對第1節(jié)中獲得的原始點云，進行點云分割、主方向分析和點云切片等處理可獲得連續(xù)的焊縫表面輪廓線，對單個輪廓線進行特征點提取，用于分析評價焊縫質(zhì)量。

2.1 焊縫點云分割

由于焊縫與基體連接在一起，為了獲得焊縫自身的數(shù)據(jù)信息，首先需要對掃描得到的焊接件點云進行分割處理。采用隨機采樣一致性(RANSAC)算法，根據(jù)設(shè)定的距離閾值s，可迭代擬合出基體所在平面，從原始點云中過濾掉位于平面的點，剩下的即為焊縫自身點云。對于基體厚度較小的零件，在焊接過程中存在形變，可通過多次擬合分割的方式獲得焊縫點云。值得注意的是，本節(jié)分割得到的焊縫點云只用于分析主方向，不要求數(shù)據(jù)非常完整。此外，設(shè)定一個距離閾值t，用于過濾焊縫體外的孤點。最終得到的焊縫點云如圖3所示。

圖3 分割后的焊縫點云

2.2 焊縫主方向分析

采用主成分分析(PCA)算法對焊縫點云進行處理，可得到點云的主方向，即焊縫的長度方向。

首先對點云中所有點(xi,yi,zi)進行中心化，計算質(zhì)心坐標(biāo)(xc,yc,zc)：

(1)

然后計算點云的歸一化協(xié)方差矩陣Cov(X,Y,Z)：

(2)

(3)

對歸一化協(xié)方差矩陣進行特征分解：

(4)

可以得到整體點云在x,y,z三個方向上的特征向量νx,νy和νz。其中，最大特征值對應(yīng)的特征向量νz即為點云的主方向。

2.3 點云切片

為獲取焊縫點云的截面輪廓線組，需要對整體點云進行切片處理。由于點云是空間中無序三維點集，采用一組垂直于點云主方向的平面，“切割”點云獲得切片。如圖4所示，采用法向量平行于點云主方向、距離為δ的兩個平面Wl和Wr，與整塊點云Q求交，W為Wl和Wr的中平面，將Wl和Wr之間的所有點云Qi向平面W投影，得到點云Qi′，即為該δ區(qū)間內(nèi)的輪廓線。

圖4 點云切片原理圖

點云切片時首先確定切片厚度，即區(qū)間δ的大小，本文取掃描點云的體素大小為切片厚度。根據(jù)點云在主方向上的投影長度L和切片厚度δ，可計算焊縫點云的輪廓線組數(shù)n：

L=n·δ

(5)

按照該組數(shù)n遍歷整個點云，可得到焊縫點云的所有輪廓線，如圖5所示。

圖5 焊縫點云切片圖

2.4 焊縫輪廓特征點提取

對焊縫點云切片得到的輪廓線，需要進行特征點提取處理，方便后續(xù)焊縫質(zhì)量評價。

如圖6所示，建立坐標(biāo)系，x軸為垂直于點云主方向且平行于基體所在平面的方向，y軸垂直于點云主方向和x軸方向。需要提取的輪廓特征點有5個：輪廓的左右端點A、E，左右拐點B、D和最高點C。首先，對輪廓線點云進行有序化處理，可得到左右端點A、E。然后，提取輪廓線的最高點C。最后，采用斜率比較法分析拐點，在左端點A和最高點C之間任取一點(xi,yi)，計算該點與C點所在直線的斜率ki：

圖6 焊縫輪廓關(guān)鍵點分析

(6)

遍歷左端點A和最高點C之間的所有點，ki最小時對應(yīng)的點即為左拐點B；同理，遍歷最高點C和右端點E之間的所有點，可得到右拐點D。

3 焊縫表面質(zhì)量評價

3.1 焊縫表面質(zhì)量評價指標(biāo)

焊縫的幾何尺寸和外觀形狀與焊接質(zhì)量存在密切的關(guān)聯(lián)。焊接工藝控制的水平不同，焊縫的形狀尺寸也會相應(yīng)地變化，因此，一般將焊縫輪廓的外形尺寸作為衡量焊接質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。本文將焊寬變化量ω、余高變化量η、直線度ζ和波峰數(shù)量λ作為焊接質(zhì)量的評價指標(biāo)[11]。

(1)焊寬變化量ω

在焊縫的輪廓線中，左拐點B和右拐點D之間的距離代表了焊縫的寬度。在一段待評價焊縫內(nèi)，最大寬度cmax與最小寬度cmin之差的絕對值為焊寬變化量ω。

(2)余高變化量η

在焊縫輪廓線中，最高點C到左右拐點B、D所在直線的距離代表焊縫的余高。在一段待評價焊縫內(nèi)，最大余高h(yuǎn)max與最小余高h(yuǎn)min之差的絕對值為余高變化量η。

(3)直線度ζ

在焊縫輪廓線中，右端點E代表焊縫的輪廓邊緣點。在一段待評價焊縫內(nèi)，設(shè)x坐標(biāo)值最大的邊緣點為p1，x坐標(biāo)值最小的邊緣點為p2，p1和p2的x坐標(biāo)值之差的絕對值為直線度ζ。其中，x軸為與焊縫主方向垂直并且平行于基體所在平面的方向。

(4)波峰數(shù)量λ

在焊縫輪廓線中，波峰的數(shù)量λ也側(cè)面反應(yīng)了焊接質(zhì)量。對于質(zhì)量較好的焊縫，最大波峰數(shù)量λ=1。

3.2 焊縫表面質(zhì)量檢測實驗

為了驗證本文所提方法的性能，以平板焊接件為例進行焊縫表面質(zhì)量檢測。如圖2所示，采用實驗室自主研發(fā)的數(shù)字相移測量設(shè)備SurfScan-X300，對焊接件進行三維掃描，獲得了三維點云。對點云進行兩次RANSAC平面分割，距離閾值s1和s2分別為0.45 mm和0.2 mm，噪聲距離閾值t為0.3 mm，獲得焊縫點云如圖3所示。進行主方向分析和點云切片，點云沿主方向的投影長度L為96 mm，切片厚度δ為0.15 mm，切片結(jié)果如圖5所示。對切片得到的焊縫輪廓線進行特征點提取，其中一條輪廓分析結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)焊縫外形尺寸》(GB10854-89)中，不同質(zhì)量評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，對焊縫進行分段質(zhì)量評價，評價結(jié)果如表1～3所示。

《鋼結(jié)構(gòu)焊縫外形尺寸》(GB10854-89)中規(guī)定，在任意50 mm焊縫長度范圍內(nèi)，ω不得大于4 mm，整個焊縫長度內(nèi)ω不得大于5 mm。由表1可以看到，在任意選取的50 mm評價段內(nèi)，ω最大為3.696 mm，且整個焊縫96 mm長度內(nèi)，ω最大為3.696 mm。表明該條焊縫的焊寬較為均勻，符合焊接質(zhì)量要求。

表1 指標(biāo)ω評價結(jié)果

《鋼結(jié)構(gòu)焊縫外形尺寸》(GB10854-89)中規(guī)定，在焊縫任意25 mm長度范圍內(nèi)，η不得大于2 mm。由表2可以看到，在任意選取的25 mm評價段內(nèi)，η最大為0.899 mm，且在整個焊縫96 mm長度內(nèi)，η最大為0.981 mm。表明該條焊縫的余高一致性較好，符合焊接質(zhì)量要求。

表2 指標(biāo)η評價結(jié)果

《鋼結(jié)構(gòu)焊縫外形尺寸》(GB10854-89)中規(guī)定，在任意300 mm連續(xù)焊縫長度內(nèi)，焊縫邊緣沿沿焊縫軸向的直線度ζ≤3 mm，本實驗中折算成96 mm(焊縫長度)的標(biāo)準(zhǔn)，直線度ζ≤0.96 mm。由表3可以看到，在整個焊縫96 mm長度內(nèi)，ζ為0.327 mm，表明該條焊縫的直線度較好。

表3 指標(biāo)ζ和λ評價結(jié)果

此外，在整個焊縫96 mm長度內(nèi)，最大波峰數(shù)量λ為1，也表明該焊縫質(zhì)量較好。從實驗結(jié)果可以看出，本文提出的焊縫質(zhì)量檢測方法可以一次測量整條焊縫的表面質(zhì)量，并分析任意評價段內(nèi)的指標(biāo)參數(shù)，無需基準(zhǔn)補償和修正，明顯提高了測量速度和測量效率。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于結(jié)構(gòu)光的焊縫表面質(zhì)量檢測方法。該方法采用工業(yè)機器人和面結(jié)構(gòu)光傳感器相結(jié)合，獲取焊接部位的表面三維點云，通過點云分割、主方向分析、點云切片、特征點提取等方法處理分析，可實現(xiàn)焊接件的質(zhì)量檢測。實驗結(jié)果表明，該方法可自動地檢測分析焊縫表面質(zhì)量，并判斷其評價指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，單次測量即可獲得范圍內(nèi)的所有質(zhì)量參數(shù)，無需進行角度的補償和矯正，同時也可獲得整個工件的三維點云模型，提高了測量速度和效率，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。未來的工作將致力于優(yōu)化點云處理算法，以提高魯棒性。