CN104006757A - 焊接变形实时检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接变形实时检测系统，其特征在于所述系统包括在被照射的焊接工件表面产生散斑场并形成散斑图像，然后采集焊接工件表面焊接时各个阶段的散斑图像的CCD摄像机(4)、提供采集散斑图像时焊接工件附近照明的环境光源(5)、对采集的散斑图像进行处理，根据各个阶段的散斑图像上识别散斑图像上焊接工件表面变形点的三维坐标变化，获得焊接工件表面的三维位移场和应变场的检测模块以及为CCD摄像机提供电力支持并控制图像采集过程的控制模块。该方法不仅降低了成本，而且提高了效率和精度，更有巨大的现实使用价值，经济和社会效益。

Description

焊接变形实时检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于变形测量技术领域，具体涉及一种焊接变形实时检测系统及其检测方法。

背景技术

焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩，这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。

残余变形的存在不仅影响结构的尺寸精度和外观，而且有可能降低其承载能力和机械性能，因此控制和调整焊接变形十分重要。对焊接变形进行快速、准确的检测，是评价控制和调整焊接变形效果的必要手段，同时也可用于验证焊接变形数值模拟结果的合理程度。因此，国内外研究者都花费了大量的时间去设计各种方法对焊接变形进行检测。

焊接变形的检测方法大致可以分为动态测量和静态测量两大类。动态测量需要在测量变形的同时对温度加以测量，得到一系列随着时间和温度变化而变化的变形数据，然后借助于数值计算得到变形量。常用动态测量方法有应变计测量法、传感器与热电偶测量法、高速摄影测量法。静态测量是指在焊接变形稳定之后，才对焊接变形进行测量，不需要测量温度，可以直接得到变形量，但是不能实时测量。常用静态测量方法有长度测量法、光学法。

对焊接变形进行快速准确的测量，是评价控制和调整焊接变形效果的必要手段。然而，现有的方法均有其各自的优点和不足：(1)应变计测量法：能够直接从焊接变形测量仪器上直接得到焊接变形的数值，但是比较手续麻烦，效率低，适应性差，难以工业化应用。(2)传感器测量法：能够实时地测出焊件的动态变形，对于焊接数值计算有较好的验证效果，可以充分检验数值计算中所做假设的合理性，但是需要借助于数值计算方法才能得到最终的焊接变形值，其值误差较大，精度较低，不适应于焊接变形的质量评估，而且由于焊接时环境恶劣，导致其测量设备的投资也是比较昂贵。(3)高速摄影测量法：为非接触式方法，因为需要贴标志点，所以不适用于复杂焊接变形及微小焊接变形。(4)长度测量法：不需要任何与焊接相关特殊匹配，可以很容易确定横向和纵向收缩，但是受人为影响因素大，精度不高。(5)光学法：精度是非常高的，但所测变形量过小。本发明因此而来。

发明内容

本发明目的在于提供一种焊接变形实时检测系统，解决了现有技术中传统的焊接变形测量方法所存在的种种不足。另外，鉴于传统的焊接变形测量方法所存在的种种优点与不足，本发明也提供了一种基于图像识别的三维散斑应变测量装置及其测量方法。这种测量方法采用两个CCD摄像机(工业相机)实时采集物体各个变形阶段的散斑图像，结合数字图像相关技术与双目立体视觉技术，利用计算机的图形识别功能，进行物体表面变形点的匹配，重建出匹配点的三维空间坐标，然后进行位移场数据的计算处理和变形信息的可视化分析，从而实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量，具有便携、速度快、精度高、易操作等特点。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种焊接变形实时检测系统，其特征在于所述系统包括在被照射的焊接工件表面产生散斑场并形成散斑图像，然后采集焊接工件表面焊接时各个阶段的散斑图像的CCD摄像机(4)、提供采集散斑图像时焊接工件附近照明的环境光源(5)、对采集的散斑图像进行处理，根据各个阶段的散斑图像上识别散斑图像上焊接工件表面变形点的三维坐标变化，获得焊接工件表面的三维位移场和应变场的检测模块以及为CCD摄像机提供电力支持并控制图像采集过程的控制模块。

优选的，所述CCD摄像机(4)架设在相机支架(3)上，所述相机支架通过旋转云台(2)安装在升降台(1)上；所述升降台(1)驱动CCD摄像机(4)进行上下移动；所述CCD摄像机(4)外侧设置环境光源(5)。

优选的，所述检测模块包括根据各个阶段的散斑图像上识别检测区域并通过在检测区域划分网格进行标记的标记子模块、在焊接前的散斑图像各个网格内确定种子点的种子点子模块、在各个阶段的散斑图像网格上进行种子点追踪的散斑匹配子模块、根据种子点追踪结果进行三维焊接工件重建的三维重建子模块、根据相应种子点的三维坐标位置变化判断焊接工件表面的三维位移场和应变场的变形检测子模块

优选的，所述应变场是根据种子点周围的9个点在不同阶段的三维坐标位移变化计算出来的。

优选的，所述CCD摄像机的数量为2个，两CCD摄像机同时对同一焊接工件进行拍摄。

本发明的另一目的在于提供一种采用所述的焊接变形实时检测系统进行检测的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)进行待焊接的焊接工件表面的预处理，使待焊接的焊接工件表面产生散斑场并形成散斑图像；

(2)在环境光源(5)提供稳定照明条件下，标定CCD摄像机，然后按照焊接工序利用CCD摄像机实时采集焊接工件表面焊接时各个阶段的散斑图像；

(3)对采集的散斑图像进行处理，根据各个焊接工序阶段的散斑图像上识别散斑图像上焊接工件表面变形点的三维坐标变化，获得焊接工件表面的三维位移场和应变场。

优选的，所述方法步骤(1)中形成散斑图像的方法是随机散斑法。

对焊接工件表面预处理的步骤可以是使用黑白哑光漆在核电组件表面喷涂黑白相间的随机散斑图案。

优选的，所述方法步骤(2)中标定CCD摄像机的方法是相同的照明条件下依次从八个不同方位采集标定板图像，然后根据采集的图像进行标定计算。

本发明采用了一种基于光束平差原理的自标定算法，通过采集标定板八个位置的图片进行计算相机的参数。

优选的，所述方法步骤(3)中利用两个CCD摄像机同时拍摄焊接工件，利用CCD摄像机的标定参数，以及数字图像匹配的结果，则可以得到焊接工件表面上对应点的三维坐标，根据焊接工件表面上对应点的三维坐标进行三维重建。

优选的，所述方法步骤(3)中利用同一CCD摄像机获得同一散斑点及其周围的9个点在不同焊接工序阶段的三维点坐标位移变化，得到焊接工件的三维应变场。

本发明技术方案属于测量技术领域的一种新型测量方法。其测量原理包括：

1、数字图像相关法(Digital Image Correlation Technique，DIC)：

也称为数字散斑相关技术DSCM(Digital Speckle Correlation Method)，是通过分析试件变形前后表面散斑图的变化，来获得位移和应变场。与传统的光测方法相比，数字散斑相关方法具有如下优点:光路简单，不需要特殊的光学仪器，可以使用白光做光源:对测试环境要求低，受外界影响小，便于实现工程现场应用；测量范围和灵敏度可以自由变化，可以适用于从微观到宏观、从大变形到微变形的测量；具有非接触性、无损测试的特点；数据处理自动化程度高。

本发明通过数字散斑相关技术DSCM在物体表面划分网格，该方法可以同时跟踪成百上千点在不同状态的位置。网格的大小，数目和距离均可根据需要自由设置。图1每一个矩形框代表一个点。

(2)全场测量：

通过在物体表面划分网格，该方法可以同时跟踪成百上千个点在不同状态的位置。网格的大小，数目和距离均可根据需要自由设置。图3中每一个矩形框代表一个点。

(3)双目立体视觉：

双目立体视觉(Binocular Stereo Vision)是机器视觉的一种重要形式，它是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。如果用两个相机同时拍摄变形物体，利用相机的标定参数，以及数字图像相关匹配的结果，则可以得到对应点的三维坐标，进而获得三维位移及应变场。

(4)三维位移及应变计算：

利用计算得到不同状态点的三维点坐标相减既可得到三维位移。利用某一点周围的9个点在不同状态的三维坐标可以计算可到该点的应变。最终得到所有点的三维坐标，三维位移场及应变场。

与现有传统检测方法相比，本发明技术方案的这种新型检测系统和新型的焊接变形检测方法具有巨大的优势和应用前景，具体表现在：

(1)这种新型的焊接变形检测方法具有实时性。由于传统的测量方法存在种种弊端，本发明提供的这种实时测量方法，即基于图像识别的三维散斑应变测量系统及其测量方法，可以实时检测，很好地解决了检测实时问题。

(2)本发明新型的检测方法实际应用效率很高。这种方法只需进行简单的散斑喷涂、图像采集，然后导入软件中进行计算测量，便可得出所需要的应力应变数据，节省了大量的劳动成本。

(3)本发明新型检测方法受环境因素的影响较小，不受空间，光线等因素的影响。而且，这种操作简便易行，在一些极端条件下(如焊缝狭小、曲折等)也可进行检测。测量幅面可自由调节：从几个毫米到几米的范围；应变测量范围：从最小0.01％到大于200％的范围；采集频率自由调节：0-12Hz，24Hz，480Hz，960Hz。

(4)本发明新型的焊接变形检测方法具有很高的精度。经过新型的检测方法所测得的数据与其他几种检测方法所得到的数据进行对比发现，这种检测方法趋近于其他几种检测方法的收敛值，完全可以满足实际的检测需求。

由于计算机技术和有关光学、数字图像处理、计算机视觉理论等方面的不断发展，因此基于图像识别的焊接变形检测应用将会有更大的发展。本发明的这套检测方法不仅降低了成本，而且提高了效率和精度，更有巨大的现实使用价值，经济和社会效益。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为用于核电组件焊接变形检测的具体方法流程图；

图2为喷涂后的核电组件；

图3为一个位置的标定图片；其中(a)左相机采集的图像(b)右相机采集的图像；

图4为左右相机实时采集的图像；其中(a)左相机采集的图像(b)右相机采集的图像；

图5为计算区域划分网格；

图6为添加种子点

图7为全场变形计算结果；

图8为单点变形分析数据；

图9为三维坐标转换的原理图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

本实施例采用的焊接变形实时检测系统，包括在被照射的焊接工件表面产生散斑场并形成散斑图像，然后采集焊接工件表面焊接时各个阶段的散斑图像的CCD摄像机4、提供采集散斑图像时焊接工件附近照明的环境光源5、对采集的散斑图像进行处理，根据各个阶段的散斑图像上识别散斑图像上焊接工件表面变形点的三维坐标变化，获得焊接工件表面的三维位移场和应变场的检测模块以及为CCD摄像机提供电力支持并控制图像采集过程的控制模块。所述CCD摄像机(4)架设在相机支架(3)上，所述相机支架通过旋转云台(2)安装在升降台(1)上；所述升降台(1)驱动CCD摄像机(4)进行上下移动；所述CCD摄像机(4)外侧设置环境光源(5)

具体应用时，可以采用以下硬件组成：(1)升降架及旋转云台：配合使用，用于调节测量系统的位置。(2)相机支架：用于调节两个CCD相机距离及支撑LED等。(3)CCD相机：用于焊接变形图像采集。(4)LED灯：提供可靠的环境光源，使拍摄效果明显，提高测量精度。(5)高性能计算机：通过配合该设备而开发的软件，对采集图像进行计算处理。(6)控制盒：为相机提供电力支持并控制图像记录。

如图1所示为具体进行焊接工件表面焊接变形的检测时，按照如下步骤进行：

(1)焊接工件的表面预处理制作人为散斑图案：

首先使用黑白哑光漆在核电组件表面喷涂黑白相间的随机散斑图案。下图1为喷涂后的核电组件。

如果被测物体仅有很少表面特征，例如它有一个均匀表面，则需要通过一些合适的方法来准备这些表面，例如使用随机散斑。

(2)相机调整及标定。

为了对采集焊接过程中的二维图像重建出核电组件表面的三维数据(坐标、位移等)，需要对本发明测量设备的双目相机进行标定。本发明采用了一种基于光束平差原理的自标定算法。需要采集标定板八个位置的图片进行计算相机的参数。其中一个位置的标定图片如图3所示。

采用八步法进行标定，即依次从八个不同方位采集标定板图像，然后根据采集的图像进行标定计算。两个摄像头的光轴所成的面称为中心面，标准距离1000mm，标定板顺时针旋转90°。

(3)焊接过程二维图像采集。

要分析一个物体的材料变形，需要拍摄很多物体在不同变形状态下的图像。由于测量过程中产生的所有资料都会自动存储在测量工程中，首先需要为测量任务创建一个新的工程，工程名同时也是工程目录名。之后设定工程参数，开始采集被测物体变形过程图像。

对核电组件焊接过程进行实时图像采集，采集设备的双目CCD相机采用了巴斯勒高速相机，相机分辨率为1024pixel*1024pixel，相机最高帧率340frame/s，焊接过程根据需求采集频率设置为5frame/s，每个焊接阶段持续二十分钟。采集图像如图4所示。

(4)焊接变形的三维位移及应变计算。

如图5图6所示，计算区域划分网格，进行计算之前首先标记计算区域、添加种子点然后进行变形计算。

计算结果可以显示全场三维位移及应变，其中一个状态的计算结果如下图7所示。也可以输出单个网格点的分析数据，如图8所示。

这些计算包括4个步骤：标记计算区域、添加种子点、散斑匹配计算、三维重建和变形计算。三维重建采用图9的原理进行计算，计算结果以三维色谱图的形式显示，主要有重建得到的三维信息、位移场数据以及应变场数据。如下图所示的位移场和应变场：

结果处理与输出。

系统可以减少数据的处理，绘制某一截线上的变形过程；也可对结果数据进行平滑处理，以减少不必要的噪声或者加强局部效应；如果计算结果显示有孔，例如某点的散斑匹配失败，需要通过插补来填满这些孔；为了优化显示效果，可以修改颜色条设置显示颜色。

最后将计算所得的所有数据如三维数据、位移数据、应变数据、状态数据、截线数据等以文档或图标形式输出，可支持txt、xls、avi、jpeg等格式。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种焊接变形实时检测系统，其特征在于所述系统包括在被照射的焊接工件表面产生散斑场并形成散斑图像，然后采集焊接工件表面焊接时各个阶段的散斑图像的CCD摄像机（4）、提供采集散斑图像时焊接工件附近照明的环境光源（5）、对采集的散斑图像进行处理，根据各个阶段的散斑图像上识别散斑图像上焊接工件表面变形点的三维坐标变化，获得焊接工件表面的三维位移场和应变场的检测模块以及为CCD摄像机提供电力支持并控制图像采集过程的控制模块。

2.根据权利要求1所述的焊接变形实时检测系统，其特征在于所述CCD摄像机（4）架设在相机支架（3）上，所述相机支架通过旋转云台（2）安装在升降台（1）上；所述升降台（1）驱动CCD摄像机（4）进行上下移动；所述CCD摄像机（4）外侧设置环境光源（5）。

3.根据权利要求1所述的焊接变形实时检测系统，其特征在于所述检测模块包括根据各个阶段的散斑图像上识别检测区域并通过在检测区域划分网格进行标记的标记子模块、在焊接前的散斑图像各个网格内确定种子点的种子点子模块、在各个阶段的散斑图像网格上进行种子点追踪的散斑匹配子模块、根据种子点追踪结果进行三维焊接工件重建的三维重建子模块、根据相应种子点的三维坐标位置变化判断焊接工件表面的三维位移场和应变场的变形检测子模块。

4.根据权利要求3所述的焊接变形实时检测系统，其特征在于所述应变场是根据种子点周围的9个点在不同阶段的三维坐标位移变化计算出来的。

5.根据权利要求3所述的焊接变形实时检测系统，其特征在于所述CCD摄像机的数量为2个，两CCD摄像机同时对同一焊接工件进行拍摄。

6.一种采用权利要求1~5任意一项所述的焊接变形实时检测系统进行检测的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

（1）进行待焊接的焊接工件表面的预处理，使待焊接的焊接工件表面产生散斑场并形成散斑图像；

（2）在环境光源（5）提供稳定照明条件下，标定CCD摄像机，然后按照焊接工序利用CCD摄像机实时采集焊接工件表面焊接时各个阶段的散斑图像；

（3）对采集的散斑图像进行处理，根据各个焊接工序阶段的散斑图像上识别散斑图像上焊接工件表面变形点的三维坐标变化，获得焊接工件表面的三维位移场和应变场。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法步骤（1）中形成散斑图像的方法是随机散斑法。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法步骤（2）中标定CCD摄像机的方法是相同的照明条件下依次从八个不同方位采集标定板图像，然后根据采集的图像进行标定计算。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法步骤（3）中利用两个CCD摄像机同时拍摄焊接工件，利用CCD摄像机的标定参数，以及数字图像匹配的结果，则可以得到焊接工件表面上对应点的三维坐标，根据焊接工件表面上对应点的三维坐标进行三维重建。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法步骤（3）中利用同一CCD摄像机获得同一散斑点及其周围的9个点在不同焊接工序阶段的三维点坐标位移变化，得到焊接工件的三维应变场。