点激光传感的焊缝表面检测误差分析*

        焊缝表面成形是影响焊接质量的重要原因之一， 凹陷、裂纹、咬边等表面会大大降低焊接工件的合格 率［1－2］。目前主要靠人工检测焊接，检测结果依赖工 人的主观判断，检测效果与工人的经验有关。机器视 觉在工业检测方面的应用越来越广泛，激光视觉检测 焊缝表面也得到了大力发展［3－4］。点激光焊缝检测是 一种无损检测技术，具有非接触、精度高、易于操作等 优点。激光位移传感的测量原理基于激光三角测量法，通过激光入射到待测物体表面后的反射光被光敏 元件接收，光信号转变为电信号，经过控制器等设备一 系列处理得到位移差，最后根据光路的几何关系得到 待测物体表面高度。

       焊接表面的倾斜程度影响激光反射的能量，以该 表面法线方向来确定表面倾角。在焊接检测中，对检 测误差有影响的因素有表面颜色、表面粗糙度、表面倾 角等［5］。待测焊缝表面粗糙度影响散射光的强度和光斑形状，表面倾角影响反射光的光能质心位置。当 前基于激光测距的焊缝表面检测研究很多，但在测量 精度方面还有待提高。为此对点激光检测的机理进行 研究，分析待测表面倾角变化对激光检测误差的影响， 为精确检测焊缝表面提供了一种误差分析方法。

1    点激光焊缝表面检测系统

      试验平台组成部分包括点激光位移传感器、工 作平台、两轴步进电机和运动控制柜，如图 1 所示。 在检测焊缝表面过程中，待测焊件置于工作平台上， 点激光位移传感器固定在夹具上，夹具在垂直于工 作平台方向上调整，以使焊件处于传感器量程之内。 第一步调整点激光位移传感器和采集软件为工作状 态，选定检 测 起 始 点，使工作平台与传感器相对运 动，直到点激光的光斑到达指定初始位置。第二步 编辑运动控制参数，设定传感器扫描路径，试验中采 用的是折线形扫描。第三步按预定路径扫描并采集 扫描数据点。第四步待扫描结束后导出缓存的数据 点进行处理。

2    点激光位移传感器测量原理

      三角测量原理分为直射式和斜射式两种，点激光 位移传感器基于直射式激光三角法，表 1 是传感器主 要参数。

        直射式激光三角法是当入射光线垂直射入参考平 面，入射光线经过焊缝表面漫反射被 CCD( charge － coupled device) 相机拍摄，在接收反射光的光敏元件 上，光信号转变成电信号，再通过后续模数转换处理检测到位移变化量［6］。点激光位移传感器在测量时， CCD 像面几何中心、激光发射器轴线、接收透镜的光 轴位于同一个平面内。激光发射器发射出平行激光 束，通过会聚焦镜聚焦在焊缝表面，其中产生漫反射的 激光穿过接收透镜成像于 CCD 像面。

       如图 2 所示，激光器发射的激光沿会聚透镜主光 轴垂直射入被测物体表面 A 点，该点是入射点，在此 处的光经漫反射被接收透镜会聚到 CCD 像面上 A'点。 入射光线经被测物反射之后，其夹角为 α，CCD 像面与 反射光线之间有一定的倾角，设该倾角为 β，A 点对应 的像点是 A'，B 点在像面上的对应点为 B'。

       当激光位移传感器发射的激光照射在待测物体表 面的位置 B 时，反射光点在 CCD 像面上的成像位置为 B'，当被测物体移动到 A 处时，移动距离为 x，对应像 点在 CCD 像面上位移为 x'，在 ΔAOB 中，由三角函数 可知:

        式中: γ 表示两条反射激光之间的夹角; α 为入射激光与接收透镜中心线之间的夹角。

       经过点激光位移传感器的电路处理，电信号与待 测物表面位移 x 在一定范围内成线性关系，由此可计 算得到点激光在被测表面的位移变化量［7］。由图 3 所 示可知，被测表面各点的高度都是以对基准平面为参 考系的，在 CCD 成像面上各像点位置的不同，实际被 测表面与之有一一对应关系，利用三角几何关系得到 被测点实际高度值。

        传感器内部参数的设计是以激光束垂直入射被测 物表面为基准，当传感器入射激光与被测物表面不垂 直就会产生倾角误差［8］。因为待测表面的倾斜会使 激光漫反射的方向发生改变，CCD 接收到的光斑质心 也会发生偏移，用垂直入射的标定模型来计算位移量 会有误差。对此研究激光位移传感器的入射倾角误 差，得到定性和定量误差分析有利于改进传感器的测 量精度和加大测量范围。

       当待测表面倾斜时，表面上的光斑法线方向与入 射激光束方向不再重合。如图 3 所示，ω 为倾斜的待 测表面法线与入射激光束的夹角，设待测表面法线相 对入射激光束顺时针转动为正值，逆时针为负值，x 表 示待测表面位移量。

3    误差分析

       分析图 3 中被测表面存在倾角的情况，光路示意 图如图 4 所示，Os表示激光束光轴，经会聚透镜折射， 成像于 CCD 像面上 C 点。Q'为 P 的像点，像点 Q'与 接收透镜之间距离为 n，物点 P 与接收透镜之间距离 为 m，接收透镜焦距为 f，有如下关系［9］:

        光线 PN 在 CCD 像面上的入射点 C 与激光束光 轴的距离 OC 为:

         由三角形 ΔANQ' 和 ΔBCQ' 相似的性质可得:

         根据几何关系可知 AN = m·tanθ' = x·sinα ，所以 可得:

        根据图 4 所示，由几何知识可知:

        再将式( 9) 和式( 15) 代入式( 16) 可得:

        根据激光束垂直入射待测表面与否计算分析，由 倾角产生的误差可表示为:

        公式( 17) 是激光位移传感器测量物体表面高度 信息的倾角误差表达式，当需要高精度检测焊缝微小

时，提供了误差补偿纠偏的计算公式。定量分析了表 面倾角对激光测距的误差影响。当待测表面倾角 ω 一定时，点激光位移传感器的测量误差随着测量深度 的增加而增加。当待测表面位移量 x 一定时，点激光位移传感器的测量误差随着待测表面的倾角增加而 增加。

        图 5 为焊缝实物及其轮廓和凹坑补偿图，焊缝实 物图如图 5a 所示，将测量的焊缝表面轮廓数据拟合成 二维曲线，用点激光倾角误差补偿公式对原数据点计 算补偿。图 5b 是图 5a 中长为 30 mm 处第 190 个点和 第 340 个点之间有两段倾角为 70°的焊缝表面，图 5c 是图 5a 中长为 45 mm 处第 120 个点到第 150 个点之 间的倾角约为 45°，实线为测量值，虚线为补偿值。表 2 是图 5c 所示凹坑误差补偿表。

4    结语

      ( 1) 利用激光测距原理，得出待测表面倾角误差 的原因，提出点激光倾角测量误差补偿模型和有效的 凹坑误差补偿方法。

      ( 2) 通过定量分析表面倾角和测量深度对测量误 差的影响，得出点激光位移传感器测量误差会随着测 量深度和待测表面倾角的增加而增加。