钨极氩弧焊熔池三维面形测量系统的标定研究

论文摘要

钨极气体保护焊（Gas Tungsten Arc Welding, GTAW）是一种重要的机械制造热加工工艺,在工业生产中得到了广泛的应用。目前实现焊接过程自动化和智能化的前提条件是准确可靠地检测出反映熔接质量的信息。焊接熔池是影响焊接质量的重要参数,准确可靠地检测出熔池表面的三维尺寸对于研究熔池质量及熔透控制具有重要意义。传统的傅里叶变换轮廓术（FTP）主要是针对表面是漫反射的物体,它在熔池（或类镜面物体）的表面形貌恢复中遇到了问题,由于熔池表面类镜面反射特性,使得熔池表面高度的测量十分困难。本文提出一种方法来解决相位高度映射问题。以朗奇光栅产生的结构光场投影到钨针下面的待测熔池表面,在焊接过程中,融熔状态的熔池表面具有类镜面反射特性,能反射大部分入射光。以熔池表面作为输入面在反射光路放置4f系统,利用4f系统把携带有熔池表面形貌信息的变形光栅条纹图像实时的转移到输出面,在输出面放置白屏接收输出图像。根据透镜的傅里叶变换特性,输出面的像分布与输入面的物分布相等,CCD对屏成像可以看作是对熔池表面成像,且白屏的漫反射表面改变了激光的传播方向,变镜面反射为漫反射。因此,整个测量系统可以简化为传统的三角测量模型。在此基础上,根据FTP的原理建立起Z方向的相位高度映射关系,通过在Z方向采样一系列的高度和对应的相位值,采用最小二乘法计算出高度和相位之间的映射关系式。本文采用针孔摄像机模型对于系统进行横向标定,并对标定结果的误差进行了分析。根据横向和纵向的标定结果,建立起X,Y面内的特征点的世界坐标和对应的图像点的像素坐标之间的映射关系,以及Z方向上相位-高度的准确的映射关系,将熔池的测量结果映射到世界空间坐标系中。实验结果初步给出了熔池表面的三维面形恢复图。讨论了正交光轴测量系统中避免阴影和频谱混叠并保证测量精度的方法,根据等效波长的定义,对FTP的光栅节距进行选择和优化,并讨论了CCD抽样对FTP的影响,给出了抽样条件及满足抽样条件的方法,说明了在实验条件下投影光栅节距的选择范围,并给出了最佳的光栅节距参数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 熔池传感技术的研究现状
• 1.2.1 被动式视觉传感
• 1.2.2 主动式视觉传感
• 1.3 基于投影栅的三维传感系统标定技术
• 1.4 本课题的选题意义和本文主要研究内容
• 第2章 傅里叶变换轮廓术
• 2.1 傅里叶变换轮廓术原理
• 2.2 相位展开
• 2.3 FTP中避免频谱混叠
• 2.3.1 FTP方法的测量范围
• 2.3.2 抽样对FTP的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 熔池表面形貌三维传感系统及标定设计方案
• 3.1 熔池表面三维传感原理
• 3.1.1 投影系统
• 3.1.2 4f系统
• 3.1.3 拍摄系统
• 3.2 投影系统光栅节距的选择
• 3.2.1 理论分析
• 3.2.2 实验结果
• 3.3 系统标定流程
• 3.4 本章小结
• 第4章 熔池面形三维传感系统标定研究
• 4.1 系统纵向标定原理
• 4.1.1 系统结构分析
• 4.1.2 与系统结构无关的隐式标定方法
• 4.1.3 弧焊熔池三维面形测量系统的纵向标定
• 4.1.4 纵向标定实验
• 4.2 系统横向标定原理
• 4.2.1 摄像机标定方法
• 4.2.2 坐标系介绍
• 4.2.3 线性摄像机模型
• 4.2.4 线性摄像机模型标定
• 4.2.5 摄像机标定实验
• 4.3 熔池表面形貌的三维恢复结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果