針對傳統(tǒng)測量方式難以實(shí)現(xiàn)焊接條件下筒形件全場變形測量的問題，采用新拓三維XTDP三維光學(xué)攝影測量技術(shù)，對焊接條件下筒形件全場變形測量。

為驗(yàn)證測量方法的可行性，設(shè)計(jì)并實(shí)施筒形件焊接實(shí)驗(yàn)，并采用標(biāo)定十字架進(jìn)行精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明：該方法測得的變形測量精度為 0.020 mm/1 m，能夠?qū)崿F(xiàn)筒形件焊接三維全場靜態(tài)變形測量。

一、項(xiàng)目試驗(yàn)背景

筒形件是航空飛行器、海洋船舶和石化機(jī)械等的關(guān)鍵部件，如何實(shí)現(xiàn)其焊接變形的測量并加以控 制，已成為高端裝備制造業(yè)中急需解決的關(guān)鍵問題。

筒形件三維全場變形測量，可輔助分析影響焊接變形的因素、揭示變形機(jī)理以及預(yù)測變形趨勢，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的合理性，對于消除焊接殘余應(yīng)力、優(yōu)化焊接工藝和提高使用壽命等具有重要的意義。

采用新拓三維XTDP三維光學(xué)攝影測量系統(tǒng)，通過追蹤粘貼于筒形件外表面的密集非編碼標(biāo)志點(diǎn)，計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)在焊前和焊后的三維坐標(biāo)，以此解算出三維全場靜態(tài)變形。

二、三維全場靜態(tài)變形測量系統(tǒng)

三維全場靜態(tài)變形測量系統(tǒng) XTDP組成

高分辨率數(shù)碼相機(jī)(1200萬像素以上)

閃光燈、編碼標(biāo)志點(diǎn)、非編碼標(biāo)志點(diǎn)、比標(biāo)尺

高性能計(jì)算機(jī)和測量分析軟件

三維全場靜態(tài)變形測量系統(tǒng)

三、實(shí)驗(yàn)裝置及過程

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括焊接機(jī)器人和 XTDP 三維光學(xué)攝影測量系統(tǒng)，其中，焊機(jī)機(jī)器人用于執(zhí)行焊接操作，XTDP 三維光學(xué)攝影測量系統(tǒng)用于圖像的采集、計(jì)算和分析。在此基礎(chǔ)上，分別對某筒形件在MIG焊和激光焊條件下進(jìn)行靜態(tài)變形測量實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)裝置

為避免筒形件下半圓因遮擋而難以獲取三維全場變形，采用如下非編碼點(diǎn)粘貼方案；對于筒形件上半圓，非編碼點(diǎn)粘貼于柱面外側(cè)，且靠近焊縫區(qū)粘貼密度變大；對于筒形件下半圓，粘貼于柱面內(nèi)側(cè)，且遠(yuǎn)離焊縫區(qū)粘貼密度變小。

單位：mm (a) 俯視圖；(b) 軸視圖

筒形件非編碼標(biāo)志點(diǎn)粘貼示意圖

變形測量過程主要包括：

1) 采用焊接機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、激光焊槍實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行激光焊焊接全場變形測量。

2) 分別在筒形件周圍布置適量編碼點(diǎn)和2根比例尺，并保證測量過程位置不發(fā)生改變。

4) 利用XTDP系統(tǒng)單反相機(jī)從不同空間方位進(jìn)行拍攝，獲取焊接前筒形件未變形圖像。

5) 待焊接結(jié)束后，再次從不同空間方位拍攝，獲取焊接后筒形件變形圖像。

6）XTDP 軟件計(jì)算分析，獲取變形測量結(jié)果。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1、MIG 焊焊接實(shí)驗(yàn)

焊接高溫會導(dǎo)致部分非編碼點(diǎn)燒灼而出現(xiàn)殘損，進(jìn)而影響其識別和坐標(biāo)計(jì)算，但采用深度搜索后，可成功匹配并解算出變形大小，這對于分析焊縫關(guān)鍵區(qū)域變形機(jī)理具有重要意義。

筒形件激光電弧復(fù)合焊靜態(tài)變形實(shí)驗(yàn)，靜態(tài)變形測量結(jié)果如下圖所示：

MIG焊變形測量結(jié)果

2、激光焊焊接實(shí)驗(yàn)

激光焊引起的筒形件變形與MIG焊相似，經(jīng)深度搜索同樣可以實(shí)現(xiàn)焊縫區(qū)弱變形點(diǎn)匹配計(jì)算。

利用同一個(gè)筒形件，在MIG焊焊縫區(qū)對立面處進(jìn)行激光焊焊接實(shí)驗(yàn)，測量結(jié)果如下圖所示：

激光焊接變形測量結(jié)果

2 組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：深度搜索算法能夠使焊縫區(qū)弱變形點(diǎn)成功匹配并進(jìn)行變形計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)筒形件焊接三維全場靜態(tài)變形測量，且測量結(jié)果與實(shí)際變形結(jié)果相符。

3、精度驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證XTDP三維光學(xué)攝影測量系統(tǒng)的整體測量精度及穩(wěn)定性，選擇德國GOM公司的商業(yè)系統(tǒng)TRITOP作為測量基準(zhǔn)，對XTDP三維光學(xué)攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

采用雙基準(zhǔn)標(biāo)尺與標(biāo)定十字架子尺分別成夾角45°的布置形式，在定焦模式下進(jìn)行 XTDP 系統(tǒng)精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如下表和下圖所示。

非編碼點(diǎn)對間距測量結(jié)果表

由上表可知：二者間距平均值很接近， XTDP 計(jì)算值整體略微偏小，測量偏差小于 0.020 mm/1 m(最大偏差為?0.012 mm/1 m)。

標(biāo)準(zhǔn)差測量結(jié)果

由上圖可知：XTDP 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差比TRITOP系統(tǒng)的略大，但二者整體比較接近，且隨著測量距離增加，二者的標(biāo)準(zhǔn)差也同步上升，較好地驗(yàn)證了 XTDP 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 因此，XTDP 系統(tǒng)測量偏差小于0.020 mm/1m，系統(tǒng)穩(wěn)定性與TRITOP系統(tǒng)接近，最大標(biāo)準(zhǔn)差偏差為 0.007 mm，能夠滿足筒形件焊接三維全場靜態(tài)變形測量要求，進(jìn)而有效驗(yàn)證了XTDP系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析

1) 針對筒形件焊接靜態(tài)變形測量需求，提出一種基于深度搜索的同名點(diǎn)匹配算法，研制用于筒形件焊接三維全場靜態(tài)變形測量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對其進(jìn)行MIG焊、激光焊和精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

2) 深度搜索算法能使弱變形點(diǎn)匹配成功，XTDP三維光學(xué)攝影測量系統(tǒng)測量精度(0.02 mm/1 m)和穩(wěn)定性與TRITOP的相當(dāng)， 不僅可以實(shí)現(xiàn)焊縫區(qū)密集變形測量，而且還能獲取三維全場變形。

3) 該方法屬于非接觸式光學(xué)測量，可獲取三維全場靜態(tài)變形數(shù)據(jù)，為解決其他大型結(jié)構(gòu)件焊接三維全場靜態(tài)變形提供了一種參考方案，同時(shí)對預(yù)測焊接變形、改進(jìn)焊接工藝和提高焊件使用壽命具有重要意義。

案例摘自：【梁晉，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，筒形件焊接三維全場變形測量】