本發(fā)明涉及焊縫無損檢測，特別涉及對接以及角接焊縫接頭質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)，尤指一種便攜式焊縫接頭質(zhì)量檢測儀及檢測方法。

背景技術(shù)：

1、通過焊接檢驗(yàn)?zāi)艽_保焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和可靠性。通過對焊縫的檢驗(yàn)，可以及時發(fā)現(xiàn)焊接過程中產(chǎn)生的缺陷，如凸度過大、凹陷、錯邊等，避免這些缺陷在使用過程中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，從而保障人員和設(shè)備的安全；此外，許多行業(yè)對焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有嚴(yán)格的規(guī)定，進(jìn)行檢驗(yàn)是確保合規(guī)性的必要措施。現(xiàn)有的焊接質(zhì)量檢測方法大多數(shù)以目視檢查的方法，焊接質(zhì)量檢測方法還有2d視覺檢測和3d視覺檢測，分別存在以下問題：

2、1、傳統(tǒng)目視檢測法存在低效率、低智能、低精度的缺點(diǎn)。檢測的過程還嚴(yán)重依賴人工評估，離線方法極易受工人經(jīng)驗(yàn)水平、責(zé)任感和主觀情緒的影響，無法高效、高精度地檢測所有焊縫，更無法滿足在線智能檢測的需求。

3、2、2d視覺進(jìn)行檢測是比較智能化的方法，通常使用各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和圖像處理算法對其表面缺陷進(jìn)行檢測，但是，2d視覺檢測很難對焊縫表面缺陷的幾何參數(shù)進(jìn)行測量和定位。

4、3、3d視覺檢測是目前主流的檢測方法，但還未開發(fā)出比較完善的焊縫幾何缺陷的測量體系，對于一些較為狹窄的焊縫區(qū)域很難進(jìn)行檢測，并且3d視覺傳感器依賴于機(jī)器手臂的夾持，是一種成本很高的方法。

5、為此，急需要開發(fā)一種便攜式焊縫檢測儀及檢測方法來滿足隨時隨檢的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種便攜式焊縫接頭質(zhì)量檢測儀及檢測方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的無法隨時隨地在線對焊縫測量的問題。本發(fā)明將復(fù)雜的焊縫幾何尺寸測量問題和繁瑣的焊縫幾何缺陷識別、分類、定位和定量評價問題轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)光視覺掃描任務(wù)。通過智能識別算法來識別對接以及角接焊縫，使用圖像處理算法來對焊縫中心線的提取，再通過特征點(diǎn)提取算法來對中心線上的特征點(diǎn)進(jìn)行提取，最后依據(jù)提取的特征點(diǎn)對缺陷進(jìn)行分類和焊縫的幾何尺寸以及焊縫缺陷的幾何尺寸的求取，并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)在線自動評估焊縫缺陷的質(zhì)量水平，減輕了工人的勞動量，提高了焊縫檢測效率。

2、本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、便攜式焊縫接頭質(zhì)量檢測儀，包括：結(jié)構(gòu)光視覺傳感器、保護(hù)套外殼3、手柄4、連接架12、編碼器6。所述結(jié)構(gòu)光視覺傳感器固定在保護(hù)套外殼3的下方，所述保護(hù)套外殼3后端與手柄4相連，保護(hù)套外殼3底端固定有連接架12，所述的連接架12底端與編碼器6相連；所述結(jié)構(gòu)光視覺傳感器包括位于待檢測焊接接頭上方的線激光發(fā)生器1和ccd工業(yè)相機(jī)2，所述線激光發(fā)生器1通過嵌入的方式固定在ccd工業(yè)相機(jī)2的前方，線激光發(fā)生器1發(fā)射線性結(jié)構(gòu)光條紋照射在焊縫表面，ccd工業(yè)相機(jī)2接收焊縫表面反射回來的激光條紋；所述保護(hù)套外殼3通過螺釘11進(jìn)行安裝，前方嵌入usb端數(shù)據(jù)接口8，內(nèi)部嵌入顯示屏7、集成芯片9；所述手柄4的內(nèi)部嵌入電源模塊5；所述的連接架12通過螺桿10與編碼器6相連接。

4、本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于便攜式焊縫接頭質(zhì)量檢測儀實(shí)現(xiàn)的焊縫接頭質(zhì)量檢測方法，包括如下步驟：

5、s1：傳感器的標(biāo)定；

6、s2：便攜式質(zhì)檢準(zhǔn)備；

7、s3：焊縫表面結(jié)構(gòu)光的采集；

8、s4：智能識別和圖像處理；

9、s5：對接及角接焊縫特征點(diǎn)的提??；

10、s6：焊縫幾何尺寸及焊縫缺陷幾何尺寸的計(jì)算；

11、s7：焊縫缺陷的質(zhì)量等級評定；

12、步驟s1所述的傳感器的標(biāo)定，采用光源 p發(fā)射激光條紋形成光平面打在標(biāo)定板上，分別對 z軸方向和 x軸方向上進(jìn)行標(biāo)定，完成像素坐標(biāo)系 o-uv到圖像坐標(biāo)系 o p -x p z p的轉(zhuǎn)換；

13、s1.1： z軸方向上的標(biāo)定：

14、在 z軸方向上的傳感器標(biāo)定過程：在像素坐標(biāo)系下選取中間的結(jié)構(gòu)光條紋作為標(biāo)定過程的基準(zhǔn)線，激光打在焊縫表面的條紋與橢球中心的截面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)；在像素坐標(biāo)系下選取多幀結(jié)構(gòu)光條紋圖像，每幀圖像的坐標(biāo)原點(diǎn) o 1、 o 2、 o 3…與基準(zhǔn)線的坐標(biāo)原點(diǎn) o的距離為 v1、 v2、 v3…；在圖像坐標(biāo)系下，每幀圖像的坐標(biāo)原點(diǎn) o' 1、 o' 2、 o' 3…與基準(zhǔn)線的坐標(biāo)原點(diǎn) o'?對應(yīng)的距離為 z1、 z2、 z3…；根據(jù)最小二乘法一階多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)z軸方向上像素坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；

15、構(gòu)建矩陣 a、 c、 d，矩陣 a包含數(shù)據(jù)點(diǎn)的 v值以及常數(shù)項(xiàng)1，而矩陣 c包含 z所有的值，系數(shù)向量 d為關(guān)系表達(dá)式中的系數(shù)：

16、

17、通過構(gòu)建誤差函數(shù) i：

18、

19、使用求導(dǎo)方法來尋找誤差函數(shù)的最小值，求取系數(shù)向量 d：

20、

21、利用求得的系數(shù)向量 d確定的多項(xiàng)式 f?( u)：

22、

23、s1.2： x軸方向上的標(biāo)定：

24、在 x軸方向上的傳感器標(biāo)定過程：在標(biāo)定板上選擇不同的標(biāo)定點(diǎn)，標(biāo)定點(diǎn)的選取規(guī)則：選取一條直線從原點(diǎn)出發(fā)，與x軸正方向形成45°角，以及另一條直線與x軸負(fù)方向形成45°角，直線與結(jié)構(gòu)光條紋的交點(diǎn)為標(biāo)定點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)光條紋上選取 n 1、 n 2、 n 3、 n 4…個標(biāo)定點(diǎn)，標(biāo)定點(diǎn) n 1、 n 2、 n 3、 n 4…的像素坐標(biāo)分別為( u1， v1)、( u2， v2)、( u3， v3)、( u4， v4)…；在圖像坐標(biāo)系下，這些標(biāo)定點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn) o'?對應(yīng)的橫向距離為 x1、 x2、 x3、 x4…；根據(jù)最小二乘法二階多項(xiàng)式來建立像素坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的在 x軸方向上對應(yīng)的關(guān)系表達(dá)式；使用的二階多項(xiàng)式的基函數(shù)集合為：

25、

26、先構(gòu)建矩陣 m、 n、 r，矩陣 m包含數(shù)據(jù)點(diǎn)的 u值和 v值以及常數(shù)項(xiàng)1，而矩陣 n包含 x所有的值，系數(shù)向量 r為關(guān)系表達(dá)式中的系數(shù)：

27、

28、通過構(gòu)建誤差函數(shù) l：

29、

30、使用求導(dǎo)方法來尋找誤差函數(shù)的最小值，以求取系數(shù)向量 r：

31、

32、利用求得的系數(shù)向量 r和基函數(shù)集合確定的多項(xiàng)式 f?( u, v)?：

33、

34、 z軸方向和 x軸方向關(guān)系表達(dá)式分別為：

35、

36、步驟s2所述的便攜式質(zhì)檢準(zhǔn)備是：

37、使用便攜式焊縫接頭質(zhì)量檢測儀在使用前需要進(jìn)行質(zhì)檢的準(zhǔn)備，在掃描之前，需要對ccd工業(yè)相機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，考慮到曝光率會影響后續(xù)提取的中心線的難易程度，在系統(tǒng)中將相機(jī)的曝光率設(shè)置到合適的參數(shù)。掃描時，使編碼器與焊縫表面相接觸，掃描方向?yàn)? y軸方向。同時，通過顯示屏與焊縫表面相平行來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光條紋垂直的打在待檢測焊縫的表面，同結(jié)構(gòu)光條紋平行方向?yàn)? x軸方向，結(jié)構(gòu)光照射方向?yàn)? z軸方向。

38、步驟s3所述的焊縫表面結(jié)構(gòu)光的采集是：

39、使用便攜式焊縫接頭質(zhì)量檢測儀逐幀掃描待檢測的焊接接頭，線激光發(fā)生器發(fā)射激光條紋垂直的打在待檢測的焊縫表面，ccd工業(yè)相機(jī)以幀數(shù) f對帶有結(jié)構(gòu)光條紋的待檢測焊縫進(jìn)行拍照，在時間 t內(nèi)得到了 f*t張帶有結(jié)構(gòu)光條紋的圖像。

40、步驟s4所述的智能識別和圖像處理是：

41、s4.1：智能識別：

42、基于不同類型的焊接接頭會反射出不同的結(jié)構(gòu)光條紋圖像，在系統(tǒng)中構(gòu)建了智能識別算法，通過對所采集的結(jié)構(gòu)光條紋的圖像進(jìn)行智能識別，來準(zhǔn)確定位焊縫的roi、精準(zhǔn)識別和分類對接以及角接焊縫的類型。

43、s4.2：圖像處理：

44、為了能夠很好地避免圖像雜質(zhì)信息對準(zhǔn)確的尋找特征點(diǎn)位置的影響，需要對帶有焊縫的結(jié)構(gòu)光條紋進(jìn)行圖像處理，ccd工業(yè)相機(jī)與集成芯片相連接，將拍攝的每一幀帶有結(jié)構(gòu)光條紋影線的焊縫圖像傳遞于集成芯片，進(jìn)入圖像處理程序；圖像處理包含圖像預(yù)處理與中心線提取，圖像預(yù)處理包含視頻取幀、閾值分割、小連通區(qū)域去除和形態(tài)學(xué)處理，通過圖像預(yù)處理來消除圖像中的斑點(diǎn)和毛刺，最后基于steger算法對結(jié)構(gòu)光條紋進(jìn)行中心線提取。

45、步驟s5所述的特征點(diǎn)的提取，將表征焊縫幾何輪廓形貌的激光中心線圖像傳遞于集成芯片，對對接焊縫表面特征點(diǎn) e1、 e2、 e t、 e b、 e u和角接焊縫表面特征點(diǎn) k1、 k2、 k t、 k3進(jìn)行提?。?

46、s5.1：對接焊縫表面特征點(diǎn)的提取：

47、s5.1.1：特征點(diǎn) e1、 e2的求?。?

48、從結(jié)構(gòu)光的最左側(cè)依次進(jìn)行迭代計(jì)算，如果點(diǎn) q 1到左側(cè)擬合直線 ql的絕對距離小于等于2個像素單位時，點(diǎn) q 1為異常特征點(diǎn)，直到點(diǎn) q 1到左側(cè)擬合直線 ql的絕對距離大于2個像素單位時，點(diǎn) q 1為真正特征點(diǎn) e1：

49、

50、式中： length()為計(jì)算點(diǎn)到直線的絕對距離的函數(shù)；

51、從結(jié)構(gòu)光的最右側(cè)依次進(jìn)行迭代計(jì)算，如果點(diǎn) q 2到右側(cè)擬合直線 qr的絕對距離小于等于2個像素單位時，點(diǎn) q 2為異常特征點(diǎn)，繼續(xù)采用迭代方式來尋找特征點(diǎn)，如果點(diǎn) q 2到右側(cè)擬合直線 qr的絕對距離大于2個像素單位時，點(diǎn) q 2為真正特征點(diǎn) e2：

52、

53、s5.1.2：特征點(diǎn) e t、 e b、 e u的求?。?

54、通過使用最小二乘法來擬合直線 e 1 e 2，再使用迭代的方式來計(jì)算焊縫表面上的點(diǎn) p e到擬合直線 e 1 e 2的相對距離：

55、

56、式中： signedlength()為計(jì)算點(diǎn)到直線相對距離的函數(shù)； h e為點(diǎn) p e到擬合直線 e 1 e 2的相對距離；

57、如果點(diǎn) p e位于直線 e 1 e 2上方計(jì)算結(jié)果為正值，當(dāng)點(diǎn) p e位于直線 e 1 e 2下方計(jì)算結(jié)果為負(fù)值：

58、

59、式中：代表點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；是通過特征點(diǎn) e 1， e 2擬合的直線線性方程參數(shù)；

60、將計(jì)算出 h e的最大值和最小值賦給 e t和 e b，咬邊缺陷面積的最低點(diǎn)的值賦給 e u：

61、

62、s5.2：角接焊縫表面特征點(diǎn)的提?。?/p>

63、s5.2.1：特征點(diǎn) k1、 k2的求?。?

64、角接焊縫焊縫邊緣特征點(diǎn) k 1， k 2的求取原理同對接焊縫 e 1， e 2相同；

65、s5.2.2：特征點(diǎn) k t、 k3的求?。?

66、通過使用最小二乘法擬合直線 k 1 k 2，再使用迭代的方式計(jì)算焊縫表面上的點(diǎn) p k到擬合直線 k 1 k 2的相對距離：

67、

68、式中： h k為點(diǎn) p k到擬合直線 k 1 k 2的相對距離；

69、將計(jì)算出 h k的最大值賦給 k t，擬合的線性方程 ql和 qr的交點(diǎn)為 k 3：

70、

71、準(zhǔn)確提取固定出現(xiàn)的特征點(diǎn) e1、 e2、 k1、 k2，同時滿足動態(tài)特征點(diǎn) e t、 e b、 k t、 k3、 e u的提取要求。

72、步驟s6所述的焊縫幾何尺寸及焊縫缺陷幾何尺寸的計(jì)算，具體是：

73、s6.1：焊縫幾何尺寸的計(jì)算：

74、根據(jù)提取的特征點(diǎn) e1、 e2、 e t、 k1、 k2、 k3確定焊縫幾何尺寸，焊縫寬度 w、焊縫余高 d、角焊縫支腿尺寸 a、 b和 c：

75、s6.1.1：焊縫寬度 w的計(jì)算公式：

76、

77、式中：代表點(diǎn) e1在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；代表點(diǎn) e2在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

78、s6.1.2：焊縫余高 d的計(jì)算公式：

79、

80、式中：代表點(diǎn) e t在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

81、s6.1.3：角焊縫支腿尺寸 a、 b和 c的求取公式：

82、

83、式中：代表點(diǎn) k1在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；代表點(diǎn) k2在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；代表點(diǎn) k3在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

84、s6.2：焊縫缺陷幾何尺寸的計(jì)算：

85、通過特征點(diǎn)提取算法識別的特征點(diǎn) e1、 e2、 k1、 k2、 e t、 e u、 e b、 k t、 k3計(jì)算焊縫缺陷的幾何參數(shù)；焊縫缺陷包括：對接焊縫凸度過大缺陷、凹陷缺陷、錯邊缺陷，角焊縫不對稱缺陷、角焊縫凸度過大缺陷；焊縫缺陷的幾何尺寸推導(dǎo)如下：

86、s6.2.1：對接焊縫凸度過大缺陷的幾何尺寸計(jì)算公式：

87、焊縫凸度過大的幾何參數(shù)為焊縫寬度 w和焊縫余高 d，由焊縫的幾何尺寸公式求得。

88、s6.2.2：凹陷缺陷的幾何尺寸計(jì)算式：

89、

90、式中：為點(diǎn) e b在圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

91、s6.2.3：錯邊缺陷的幾何尺寸計(jì)算式：

92、

93、式中：表示點(diǎn) e 1在圖像坐標(biāo)系下高度方向的坐標(biāo)；示點(diǎn) e 2在圖像坐標(biāo)系下高度方向的坐標(biāo)；

94、s6.2.4：咬邊缺陷的幾何尺寸：

95、

96、式中：為點(diǎn) e u在圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)；

97、s6.2.5：角焊縫不對稱缺陷的幾何尺寸計(jì)算公式：

98、

99、s6.2.6：角焊縫凸度過大缺陷的幾何尺寸計(jì)算公式：

100、

101、式中：代表點(diǎn) k t在圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；是通過特征點(diǎn) k1， k2擬合的直線線性方程參數(shù)。

102、步驟s7所述的焊縫缺陷的質(zhì)量等級評定，具體是：

103、焊縫缺陷類型的分類，對接焊縫幾何缺陷是指凸度過大、凹陷、錯邊、咬邊和焊瘤；角焊縫幾何缺陷是指角焊縫不對稱、凸度過大和焊瘤。焊接缺陷可通過特征點(diǎn)（ e1、 e2、 k1、 k2、 e t、 e b、 k t、 k3、 e u）來確定；通過上述公式計(jì)算獲得所有不同缺陷的幾何參數(shù)，在系統(tǒng)中將焊縫缺陷的幾何尺寸與焊縫缺陷的國家評估標(biāo)準(zhǔn)iso?5817:1992進(jìn)行對比，來實(shí)現(xiàn)對焊縫缺陷質(zhì)量水平的自主評估。

104、本發(fā)明的有益效果在于：

105、1.本發(fā)明的便攜式焊縫接頭質(zhì)量檢測裝置，攜帶輕便，適合于各種類型金屬焊縫的檢測。

106、2.本發(fā)明的焊縫檢測裝置在對焊接接頭檢測的過程中能自動實(shí)時識別、完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)化、求取焊縫的特征點(diǎn)、并計(jì)算出焊縫的幾何尺寸以及判斷焊縫缺陷的類型以及幾何尺寸，實(shí)現(xiàn)了按照國家標(biāo)準(zhǔn)在線自動評估缺陷的質(zhì)量水平。

107、3.本發(fā)明提出了新的傳感器標(biāo)定的方式，來解決傳統(tǒng)坐標(biāo)標(biāo)定方法無法實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的問題。

108、4.本發(fā)明提出了特征點(diǎn)提取算法來對特征點(diǎn)定位策略，以提取大量動態(tài)的焊縫表面幾何特征點(diǎn)。

109、5.本發(fā)明的質(zhì)量檢測技術(shù)能夠精確測量焊縫幾何尺寸，檢測精度達(dá)到10?~?2mm，對焊縫缺陷質(zhì)量等級的評定率達(dá)到100%。