一种用于焊缝形貌质量检测的精密线结构光传感器设计

刘乾乾许斌肖唐杰

（1.四川大学制造科学与工程学院，四川成都 610065；2.中国东方电气集团有限公司，四川成都 610036）

一种用于焊缝形貌质量检测的精密线结构光传感器设计

刘乾乾1许斌1肖唐杰2

（1.四川大学制造科学与工程学院，四川成都 610065；2.中国东方电气集团有限公司，四川成都 610036）

焊接技术广泛用于现代装备制造，焊缝表面形貌质量是保障焊接结构部件加工质量和安全性能的重要指标。针对焊接机器人的在线检测技术需求，本文提出一种可用于微细焊缝面形质量的精密线结构光传感器设计方法，所设计的传感器具有结构紧凑的特点，测量范围是±20mm，分辨率是0.05mm。

焊缝；表面形貌；传感器；线结构光

焊接是装备制造的重要技术，如航空燃机、涡轮叶片与轨道交通等关键器件的制造［1，2］。焊缝的形貌质量决定了焊接结构零部件的加工质量和安全性能。所以，焊接结构零部件的焊缝形貌质量（如焊缝表面的形状、轮廓、波纹度及特征几何尺寸）需要进行精密检测，以保障焊缝工艺的加工质量［3，4］。

目前，在工业中焊接工艺由人工和焊接机器人完成。人工焊接的焊接质量主要依赖于焊接工人的个人技术，其焊接质量的稳定度不高；焊接机器人的焊接质量可靠，重复性稳定。无论是使用人工焊接或者焊接机器人，焊缝的形貌质量均需要检测。焊缝形貌检测通常是由具备丰富经验的技术人员使用目测观察或者是使用简单的几何量测量工具进行检测［3，4］。技术人员目测观测焊缝质量，其检测的可靠性和精确性不高；几何量测量工具接触式测量，该方法容易对焊缝造成损伤，且测量精度不高。以上2种方法通常用于焊接质量要求不高的制造环节，且检测结果通常为定性评价，无法量化。

随着制造行业的发展，装备制造的精度和可靠性不断提高，对焊接质量的要求也不断提高。焊接机器人的广泛运用一定程度上提高了焊接工艺的可靠性和焊接质量，各种现代化的几何量检测技术也不断被运用于焊缝质量的精密检测。焊缝质量的精密检测以非接触表面形貌检测技术为代表，如基于视觉或激光的焊缝质量检测系统。然而，这些检测系统通常是对焊接部件焊缝质量的离线检测，难以用于焊接过程的在线检测；而且这些系统是通用商业设备，通常其测量范围较大，测量分辨率较低，难以满足微小焊缝的焊缝质量的精密检测技术需求。

本文针对焊接机器人焊缝质量在线检测的技术需求，设计了一种基于线结构光的位移传感器，实现了±20mm的测量范围与0.05mm的测量分辨率。

1 线结构光位移传感器模型

如图1所示，线结构光位移传感器主要由激光器、鲍威尔棱镜、CMOS图像传感器和凸透镜组成。激光器作为线结构光的光源，选用半导体激光器；半导体激光器的出射光为沿着光轴两垂直方向均有发散角的椭圆形激光速，在基准面A与激光器之间设置鲍威尔棱镜对激光器出射激光进行调制，经调制投射到被测面ZOY的投影为一条激光线。投射激光线经过凸透镜汇聚后可在CMOS图像传感器的光敏元件阵列上成像。如在基准点O处的激光光斑在CMOS图像传感器的光敏元件B′B″列O′成像。当被投射焊缝轮廓偏离基准点O时（即高度偏差为Δ），那么在CMOS图像传感器的光敏元件阵列上像点将产生偏差δ，DSP中控处理器通过检测像点偏差δ可以测量被测焊缝表面轮廓的二维信息，当线结构光位移传感器随着焊枪移动时，可以得到被测焊缝表面的形貌的三维信息。

图1 线结构光传感器结构示意图

2 位移传感数学模型

假设基准点O所在YOX平面为基准面，基准点O所在ZOY平面为被测面，OO′为凸透镜的主光轴，基准点O到凸透镜光学中心的距离为a，基准点O的像点O′到凸透镜光学中心的距离为b，凸透镜主光轴与激光束光轴的夹角为θ2，凸透镜主光轴与CMOS图像传感器光敏元件阵列平面的夹角为θ3，CMOS图像传感器光敏元件阵列平面平行于YOX平面，被测位移量Δ高于基准点O时设为Δ1（低于基准点O时设为Δ1），CMOS图像传感器输出像点位置左偏移O′时设为δ1（右偏移O′时设为δ2）。

传感器的传感模型表示如下：

3 传感器关键参数的设计

传感器的测量性能要求为测量范围±20mm，测量分辨率小于0.05mm，传感器用于焊接过程中对焊缝表面形貌的实时检测。

由于传感器在焊接过程中对线激光的投影线进行检测，焊接弧光将成为影响CMOS图像传感器检测线激光投影位置的重要干扰源。为了避免焊接弧光的影响，激光器选用波长微405nm的半导体蓝光激光器。

根据传感器的设计要求，传感器的关键参数设置为a=100mm，b=33mm，θ2=30°，θ3=60°，Δ1=Δ2=20mm。

根据传感器的传感模型（公式1），可以得到在CMOS图像传感器光敏元件阵列平面的成像范围δ1=3.13mm，δ2=5.00mm。所以，CMOS图像传感器光敏元件阵列的宽度至少为8.13mm。

由公式（1）可以得到公式（2）：

公式（2）表示传感器输入输出的灵敏度系数，计算得出灵敏度系数最小值为0.13mm。由于传感器的灵敏度系数非线性，为了保证最小分辨率的0.05mm要求。假设像平面上每一个分辨率对应一个像素，那么像素的最小尺寸为0.13×0.05mm=6.35μm。所以，对CMOS图像传感器的要求是像素尺寸不大于6.35μm，像素个数不小于1 281。

4 结语

针对焊接机器人对焊缝质量在线检测与高精度检测的技术需求，本文设计一种可用于焊接机器人的线结构光位移传感器，该位移传感器具有结构紧凑的特点，能够实现±20mm的测量范围与0.05mm的测量分辨率。

［1］谭一炯，周方明，王江超，等.焊接机器人技术现状与发展趋势［J］.电焊机，2006（3）：6-10.

［2］李军.基于motorman自动焊接平台的转轴焊接夹具及其工艺分析［D］.苏州：苏州大学，2008.

［3］乔东虓，郑军，潘际銮.双线结构光焊缝跟踪传感器及其特性［J］.电焊机，2010（11）：14-16.

［4］岳红，孙立新.基于结构光焊缝跟踪系统的研究［J］.河北工业大学学报，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

四川省科技支撑计划项目（2016GZ0183）。

刘乾乾（1991-），男，硕士，研究方向：微结构表面形貌测量及质量检测。

许斌（1983-），男，博士，副研究员，研究方向：精密测量。