一種用于焊縫形貌質(zhì)量檢測(cè)的精密線結(jié)構(gòu)光傳感器設(shè)計(jì)

劉乾乾許斌肖唐杰

（1.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065；2.中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司，四川成都 610036）

一種用于焊縫形貌質(zhì)量檢測(cè)的精密線結(jié)構(gòu)光傳感器設(shè)計(jì)

劉乾乾1許斌1肖唐杰2

（1.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065；2.中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司，四川成都 610036）

焊接技術(shù)廣泛用于現(xiàn)代裝備制造，焊縫表面形貌質(zhì)量是保障焊接結(jié)構(gòu)部件加工質(zhì)量和安全性能的重要指標(biāo)。針對(duì)焊接機(jī)器人的在線檢測(cè)技術(shù)需求，本文提出一種可用于微細(xì)焊縫面形質(zhì)量的精密線結(jié)構(gòu)光傳感器設(shè)計(jì)方法，所設(shè)計(jì)的傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，測(cè)量范圍是±20mm，分辨率是0.05mm。

焊縫；表面形貌；傳感器；線結(jié)構(gòu)光

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

目前，在工業(yè)中焊接工藝由人工和焊接機(jī)器人完成。人工焊接的焊接質(zhì)量主要依賴于焊接工人的個(gè)人技術(shù)，其焊接質(zhì)量的穩(wěn)定度不高；焊接機(jī)器人的焊接質(zhì)量可靠，重復(fù)性穩(wěn)定。無論是使用人工焊接或者焊接機(jī)器人，焊縫的形貌質(zhì)量均需要檢測(cè)。焊縫形貌檢測(cè)通常是由具備豐富經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員使用目測(cè)觀察或者是使用簡(jiǎn)單的幾何量測(cè)量工具進(jìn)行檢測(cè)［3，4］。技術(shù)人員目測(cè)觀測(cè)焊縫質(zhì)量，其檢測(cè)的可靠性和精確性不高；幾何量測(cè)量工具接觸式測(cè)量，該方法容易對(duì)焊縫造成損傷，且測(cè)量精度不高。以上2種方法通常用于焊接質(zhì)量要求不高的制造環(huán)節(jié)，且檢測(cè)結(jié)果通常為定性評(píng)價(jià)，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(duì)焊接質(zhì)量的要求也不斷提高。焊接機(jī)器人的廣泛運(yùn)用一定程度上提高了焊接工藝的可靠性和焊接質(zhì)量，各種現(xiàn)代化的幾何量檢測(cè)技術(shù)也不斷被運(yùn)用于焊縫質(zhì)量的精密檢測(cè)。焊縫質(zhì)量的精密檢測(cè)以非接觸表面形貌檢測(cè)技術(shù)為代表，如基于視覺或激光的焊縫質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。然而，這些檢測(cè)系統(tǒng)通常是對(duì)焊接部件焊縫質(zhì)量的離線檢測(cè)，難以用于焊接過程的在線檢測(cè)；而且這些系統(tǒng)是通用商業(yè)設(shè)備，通常其測(cè)量范圍較大，測(cè)量分辨率較低，難以滿足微小焊縫的焊縫質(zhì)量的精密檢測(cè)技術(shù)需求。

本文針對(duì)焊接機(jī)器人焊縫質(zhì)量在線檢測(cè)的技術(shù)需求，設(shè)計(jì)了一種基于線結(jié)構(gòu)光的位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了±20mm的測(cè)量范圍與0.05mm的測(cè)量分辨率。

1 線結(jié)構(gòu)光位移傳感器模型

如圖1所示，線結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光的光源，選用半導(dǎo)體激光器；半導(dǎo)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(zhǔn)面A與激光器之間設(shè)置鮑威爾棱鏡對(duì)激光器出射激光進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)調(diào)制投射到被測(cè)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(zhǔn)點(diǎn)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(dāng)被投射焊縫輪廓偏離基準(zhǔn)點(diǎn)O時(shí)（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(diǎn)將產(chǎn)生偏差δ，DSP中控處理器通過檢測(cè)像點(diǎn)偏差δ可以測(cè)量被測(cè)焊縫表面輪廓的二維信息，當(dāng)線結(jié)構(gòu)光位移傳感器隨著焊槍移動(dòng)時(shí)，可以得到被測(cè)焊縫表面的形貌的三維信息。

圖1 線結(jié)構(gòu)光傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2 位移傳感數(shù)學(xué)模型

假設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)O所在YOX平面為基準(zhǔn)面，基準(zhǔn)點(diǎn)O所在ZOY平面為被測(cè)面，OO′為凸透鏡的主光軸，基準(zhǔn)點(diǎn)O到凸透鏡光學(xué)中心的距離為a，基準(zhǔn)點(diǎn)O的像點(diǎn)O′到凸透鏡光學(xué)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(cè)位移量Δ高于基準(zhǔn)點(diǎn)O時(shí)設(shè)為Δ1（低于基準(zhǔn)點(diǎn)O時(shí)設(shè)為Δ1），CMOS圖像傳感器輸出像點(diǎn)位置左偏移O′時(shí)設(shè)為δ1（右偏移O′時(shí)設(shè)為δ2）。

傳感器的傳感模型表示如下：

3 傳感器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)

傳感器的測(cè)量性能要求為測(cè)量范圍±20mm，測(cè)量分辨率小于0.05mm，傳感器用于焊接過程中對(duì)焊縫表面形貌的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

由于傳感器在焊接過程中對(duì)線激光的投影線進(jìn)行檢測(cè)，焊接弧光將成為影響CMOS圖像傳感器檢測(cè)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(zhǎng)微405nm的半導(dǎo)體藍(lán)光激光器。

根據(jù)傳感器的設(shè)計(jì)要求，傳感器的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)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(jì)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(shè)像平面上每一個(gè)分辨率對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，那么像素的最小尺寸為0.13×0.05mm=6.35μm。所以，對(duì)CMOS圖像傳感器的要求是像素尺寸不大于6.35μm，像素個(gè)數(shù)不小于1 281。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)焊接機(jī)器人對(duì)焊縫質(zhì)量在線檢測(cè)與高精度檢測(cè)的技術(shù)需求，本文設(shè)計(jì)一種可用于焊接機(jī)器人的線結(jié)構(gòu)光位移傳感器，該位移傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)±20mm的測(cè)量范圍與0.05mm的測(cè)量分辨率。

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

［2］李軍.基于motorman自動(dòng)焊接平臺(tái)的轉(zhuǎn)軸焊接夾具及其工藝分析［D］.蘇州：蘇州大學(xué)，2008.

［3］喬?hào)|虓，鄭軍，潘際鑾.雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤傳感器及其特性［J］.電焊機(jī)，2010（11）：14-16.

［4］岳紅，孫立新.基于結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(jì)劃項(xiàng)目（2016GZ0183）。

劉乾乾（1991-），男，碩士，研究方向：微結(jié)構(gòu)表面形貌測(cè)量及質(zhì)量檢測(cè)。

許斌（1983-），男，博士，副研究員，研究方向：精密測(cè)量。