[发明专利]一种三维薄壁结构焊缝的高精度全局视觉测量方法

说明书

本发明涉及一种三维薄壁结构焊缝的高精度全局视觉测量方法，(1)准备工件及测量系统；(2)测量系统标定及参数优化；(3)空间曲线焊缝的测量；(4)数据拼接及焊缝提取；(5)拼接蒙皮下料；(6)机器人焊接轨迹校准。本发明创新的用于三维轮廓焊缝的测量领域，实现了实际空间曲线焊缝三维轮廓的现场自动测量，并对焊缝位置及焊缝的轮廓特征进行识别和提取，以此为依据实现机器人离线编程过程中焊缝轨迹校准，并可以实现焊缝装配过程中蒙皮的精确下料。

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，涉及一种三维薄壁结构焊缝的高精度全局视觉测量方法。

背景技术

在大型航天器结构中，为保证功率器件散热或载人密封舱温度控制，存在大量薄壁热控部件，载人飞船、天宫系列、大功率卫星等航天器都涉及到这类形式产品的制造问题。热管流体管耦合板式散热器作为一种新型的热控部件，呈圆形、锥形或方形布置于航天器外侧，每个筒体由多个单元组成。在热控设计上采用了由带翅片的热管和薄壁蒙皮拼接而成的结构形式增加散热，材料均为铝合金，结构形式多样。

在航天大型复杂薄壁焊接结构制造过程中，带翅片的热管由手工弯制而成，待焊接的三维变曲率区域边缘轮廓的实际加工形位精度难以控制，致使实际待焊接区域轮廓与设计数模上的待焊区域轮廓具有较大的偏差，并且材料为铝合金，表面反光性强，采用传统的视觉非接触测量方法容易出现数据失真或测量偏差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种三维薄壁结构焊缝的高精度全局视觉测量方法，对焊缝位置及焊缝的轮廓特征进行识别和提取，以此为依据实现机器人离线编程过程中焊缝轨迹校准，并可以实现焊缝装配过程中蒙皮的精确下料。

本发明解决技术的方案是：

一种三维薄壁结构焊缝的高精度全局视觉测量方法，该方法的步骤包括：

(1)准备工件及测量系统：工件包括焊接工装和薄壁结构；测量系统包括视觉测量头和工业机器人；

(2)测量系统标定及参数优化：对视觉测量头的光学坐标与工业机器人工具坐标进行标定，优化视觉测量头的测量角度、光场强度、工业机器人的运行轨迹和速度；

(3)空间曲线焊缝的测量：通过工业机器人搭载测量头，执行依据带有空间曲线焊缝的薄壁结构模型编制的工业机器人的运行轨迹，进行薄壁结构空间曲线焊缝的测量，获取薄壁结构的三维空间点云数据；

(4)数据拼接及焊缝提取：将三维空间点云数据发送给外界数据处理模块，数据处理模块首先进行数据的清洗去噪及拼接，得到完整的薄壁结构三维空间点云数据；随后，数据处理模块进行焊缝位置识别与特征提取，最终得到实际焊缝的三维轮廓曲线；

(5)拼接蒙皮下料：将实际焊缝的三维轮廓曲线展开成二维图纸，以此为依据实施焊缝装配过程中蒙皮的精确下料，根据焊缝装配间隙尺寸验证测量方法的有效性；

(6)机器人焊接轨迹校准：提取实际焊缝的三维轮廓曲线，以此为依据实现焊接机器人离线编程过程中焊缝轨迹校准，根据实际焊接机器人运行轨迹验证测量方法的有效性。

进一步的，步骤(2)中，对视觉测量头的光学坐标与工业机器人工具坐标进行标定时，通过制作标定靶标，对靶标进行多方位拍摄，实现视觉测量头中1个面结构光测量头和2个工业相机的自身参数标定，以及视觉测量头的光学坐标与工业机器人工具坐标关系标定。

进一步的，步骤(2)中，优化视觉测量头的测量角度、光场强度、工业机器人的运行轨迹和速度时，通过典型薄壁结构零件进行测量试验，调整各个测量参数，通过多次试验形成有利于立体成像的结构光场调制图像，进而生成便于焊缝位置识别和三维焊接轮廓曲线特征识别的三维空间点云数据。