摘 要

随着科学技术的迅速发展，焊接也正在步入自动化、智能化，机器人自动焊接就是它的一个重要发展方向，因此焊缝跟踪是十分重要的。然而，在自动化焊接中，为了保证自动焊接焊缝的准确度，需要通过焊缝跟踪，从而调整焊枪进行焊接。但是在焊缝跟踪的过程中，相机获取的图像会受到大量噪声的干扰，对图像进行处理是焊缝跟踪的重要环节。激光具有单色性、高能量及高亮度的特点，因此基于直射式激光三角检测焊接焊缝宽度测量，这种方法不仅能检测焊缝的位置、宽度，还能对焊缝进行跟踪。采用这种方法可以在与焊接工件不接触的情况下，准确的获得焊缝的信息，不会对焊接表面有影响。此外它还具有着测量进度高、测量速度快、抗干扰能力强、结果简单，应用范围广的特点。本文阐述了激光三角测量原理，图像处理过程，通过实验简单的验证了直射式激光三角法测量宽度的原理，通过对比也让我们了解到直射式激光三角法当相机角度改变式，获取的图像的效果也是不一样的。当然此次实验也充分的体现出基于激光三角法测量宽度原理的优点。

关键词：激光三角法；焊缝跟踪；图像处理

Measurement of Welding Seam Width Based on Direct Type Laser Triangulation

Abstract

With the rapid development of science and technology, welding is stepping into automation and intelligence. Robot automatic welding is an important development direction of welding. Therefore, seam tracking is very important.However, in automatic welding, in order to ensure the accuracy of automatic welding seam, it is necessary to adjust the welding torch through welding seam tracking.But in the process of seam tracking, the image acquired by the camera will be disturbed by a lot of noise, and the image processing is an important part of seam tracking.The laser has the characteristics of monochromatic, high energy and high brightness. Therefore, this method can detect not only the position, width, but also the seam of the weld seam.With this method, the welding seam information can be obtained accurately without contact with the welding workpiece, and the welding surface will not be affected.In addition, it has the characteristics of high measuring speed, fast measuring speed, strong anti-interference ability, simple result and wide application.This paper expounds the principle of laser triangulation and the process of image processing,through simple experiments verify the principle of measuring the width of direct laser triangulation,through the comparison also allows us to understand the direct laser triangulation when the camera angle changes, the image effect is different.Of course, this experiment also fully embody the advantages of measuring the width of laser triangulation based on principle.

Key words: laser triangulation; seam tracking; image processing

目录

1 绪论 - 1 -

1.1 课题的研究背景 - 1 -

1.2 国内外研究概况 - 1 -

1.3 课题研究的目的及意义 - 2 -

1.4 课题的主要研究内容 - 3 -

2 激光三角原理 - 4 -

2.1 直射式激光三角测量宽度原理 - 4 -

2.1.1 厚度测量模型推导 - 5 -

2.1.2 宽度测量模型推导 - 7 -

2.2 斜射式激光三角法测宽度原理 - 8 -

2.2.1 厚度测量模型推导 - 9 -

2.2.2 宽度测量模型推导 - 12 -

3 图像处理原理 - 14 -

3.1 图像处理 - 14 -

3.1.1 图像滤波 - 14 -

3.1.2 图像增强 - 15 -

3.1.3 图像二值化处理 - 15 -

3.1.4 图像的边缘检测 - 17 -

3.2 焊缝跟踪技术 - 18 -

4 实验方案设计及结果 - 20 -

4.1 实验目的 - 20 -

4.2 实验器材 - 20 -

4.3 实验原理及实验装置 - 20 -

4.4 实验步骤 - 23 -

4.5.1 误差来源 - 31 -

4.5.2 实验结论 - 31 -

结论 - 33 -

致谢 - 34 -

参考文献 - 35 -

1 绪论

1.1 课题的研究背景

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。有着可将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低。目前采用机械手与激光相结合的技术日益用在空间三维焊接中。如果被焊接的两块材料之间间隙小的时候可以直接焊接，缝隙较大时则需要处理，焊接前往往需要观察来设计焊接的工艺。采用激光三角测距来测量焊缝的宽度将提高焊接时效率和自动化水平。而且不受环境光的影响。

1.2 国内外研究概况

目前，我国的激光三角测距技术的研究相对于国外还有很大的差距，但是，国内对于激光测距的研究也在不断的投入大量的人力物力，已经有许多激光测距设备投入市场并使用，同时，激光测距仪是主要产品，它已经获得各个行业消费者的认可。国内各大高校和激光行业公司也在不断地对基于激光三角技术进行大量的研究，同时也在对影响激光三角测距的因素、提高激光三角的测距范围等等投入大量的研究，现在也有很多的激光测距产品及仪器。如天津大学的学者研究了用于机器视觉的焊缝图像获取及图像处理，以及基于TOTA-400Ⅱ型CCD摄像机、OK-C20采集卡、640nm～660nm带通滤波片等的试验条件，上海交通大学的学者研究了针对CMOS图像传感器的高效采集卡，用于管道焊缝X射线无损实时检测系统。^[9]在国外，基于激光三角原理测距技术相对于国内比较成熟，已经开发出能够满足市场需求的激光三角测距设备并投入使用。如德国 Miebach 公司联合 Falldorf 公司推出了激光焊接质量检测系统，加拿大 Servo-Ｒobot 公司推出了具有焊缝跟踪及焊接质量检测以及激光焊接过控制功能的 DIGI-LAS 产品，^[9]日本基恩士公司生产的基于激光三角测距技术的CCD激光传感器等等。

1.3 课题研究的目的及意义

随着时代变迁，科学技术的飞速发展，焊接也从手工焊迈入智能化、自动化焊接的时代。在智能化、自动化焊接中，存在许多的问题，焊缝跟踪就是一个重要的研究方向。现代自动化、机器人化及智能化焊接的过程中，传感技术是检测焊缝重要环节之一。焊接过程的传感是实现焊接过程质量控制的。焊接传感器按其使用目的可分为测量和检测操作环境、检测和监控焊接过程两大类。^[7]在传感原理方面，主要分为声学、力学、弧、光学传感等。

常用的焊缝跟踪方法有基于机械式、光学式、声学式、电磁式及视觉传感器来检测焊缝。他们各有各的优缺点，而光学传感方法不仅能检测出焊缝的中心位置，而且还能获得焊缝的形状和尺寸等特征参量，并且是无接触的，因而是目前使用较多、很有前途的一种方法。^[3]基于激光三角法进行焊缝检测由于抗干扰能力较强，能检测出焊缝的截面形状，同时受光的影响较小，因而是最有前途的一种方法。