一种基于图像处理的质量监测方法及装置与流程

1.本发明涉及工程质量监测领域，尤其是一种基于图像处理的质量监测方法及装置。


背景技术：

2.工程质量监测中需要关注施工工件的残余应力，通常进行断裂失效分析。残余应力(residual stress)是工件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响就是残余应力。
3.以焊接工件为例，在焊接热过程中因变形受到约束而产生的残留在焊接结构中的内应力，其中尤以焊缝金属熔化后再凝固、冷却收缩受到约束而产生的热应力最为显著，是残余应力的主要部分。在焊接冷却过程中内部金相组织变化时出现的内应力是残余应力的次要部分。现有技术中通常会通过焊后的热处理、过载处理、振动处理等方法消除残余应力，或者在焊接过程中的焊接工艺、温度控制等方法来减少残余应力的产生，现有方案中通常会通过有限元分析来计算残余应力，但现有计算模型只针对温度、形变等参数建立模型，在质量监测精度要求较高时难以满足要求。例如cn114528733a用于钢桥面板的多点分布式热源焊接残余应力调控方法，有针对性调节钢桥面板焊缝不同位置处残余应力，从而在焊接过程中减少残余应力的产生，但该方法是针对焊接过程进行持续的调控，难以应用于批量工件的快速质量监测，并且未实现对焊接完成之后的工件最终状态进行监测以及压力测试。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种基于图像处理的计算量少、提高分析预警的准确性的质量监测数据采集方法及系统。
5.本发明所采用的一个技术方案是：一种基于图像处理的质量监测方法，包括有以下步骤：
6.s1、获取第一时间的待测物件第一三维扫描数据和第二时间的待测物件第二三维扫描数据，基于第二三维扫描数据建立第一三维有限元分析模型；
7.s2、获取第一时间至第二时间内待测物件的至少两个时间点的红外图像数据，基于至少两个时间点的红外图像数据插值获得多个时间点的红外图像数据，并输入至三维有限元分析模型得到第一应力场特征；
8.s3、将第一三维扫描数据输入至第一三维有限元分析模型得到第二应力场特征；
9.s4、根据第一应力场特征与第二应力场特征得到第三应力场特征数据；
10.s5、根据第三应力场特征进行监测，当存在应力大于设定应力阈值时发出预警。
11.本发明所采用的另一个技术方案是：一种基于图像处理的质量监测装置，包括：
12.图像数据采集设备，用于获取第一时间的待测物件第一三维扫描数据和第二时间
的待测物件第二三维扫描数据；
13.红外数据采集设备，用于获取第一时间至第二时间内待测物件的至少两个时间点的红外图像数据；
14.数据生成设备，用于
15.基于第二三维扫描数据建立第一三维有限元分析模型；
16.基于至少两个时间点的红外图像数据插值获得多个时间点的红外图像数据，并输入至三维有限元分析模型得到第一应力场特征；
17.将第一三维扫描数据输入至第一三维有限元分析模型得到第二应力场特征；
18.根据第一应力场特征与第二应力场特征得到第三应力场特征数据；
19.监测预警设备，用于根据第三应力场特征进行监测，当存在应力大于设定应力阈值时发出预警。
20.本发明的有益效果是：通过本发明方法和系统，实现在流水线上对工件数据的快速采集，设备成本低，效率高，适用于数据批量采集处理，无论是自由形变还是约束状态下造成的形变均可适用，通过分别计算温度与形变的影响并且突出应力集中点进行分析，且避免了常规模型中同时考虑温度与形变时由于变化趋势不一致造成的应力分析结果无法反映实际情况,实现减少计算量、提高分析预警的准确性。
附图说明
21.图1为本技术第一具体实施例的步骤流程图；
22.图2为本技术第二具体实施例的步骤流程图；
23.图3为本技术具体实施例的焊接工件残余应力示意图；
24.图4为本技术具体实施例的分割和合并前的网格示意图；
25.图5为本技术具体实施例的分割和合并后的网格示意图；
26.图6为本技术具体实施例合并后网格的一种分割方式示意图；
27.图7为本技术具体实施例合并后网格的另一分割方式示意图；
28.图8为本技术具体实施例网格单元第一比例分割方式示意图；
29.图9为本技术具体实施例网格单元第二比例分割方式示意图；
30.图10为本技术具体实施例网格单元第三比例分割方式示意图；
31.图11为本技术具体实施例的温度拟合曲线；
32.图12为本技术具体实施例中相邻网格节点的温度拟合曲线；
33.图13为本技术质量监测装置的架构示意图。
具体实施方式
34.现有技术方案中，有针对性调节钢桥面板焊缝不同位置处残余应力，从而在焊接过程中减少残余应力的产生，但现有方法是针对焊接过程进行持续的调控，一次焊接过程中只能操作一个工件，难以应用于批量工件的快速数据采集以及监控，并且工件在焊接之后的冷却过程中因为内部的金相结构变化或者存在裂缝处产生影响，最终应力分布情况与模型预测情况仍然存在区别，因此必须对焊接工件的质量进行监测分析。
35.现有方案中，应力数据通常都是通过有限元分析获得，分析过程中同时考虑弹性
形变与温度分布特征的影响，但实践中发现在对工件焊接残余应力进行分析的结果对工件缺陷的监测方面灵敏度会过低，尤其是焊缝内部存在空焊而表面完整时，通常只有采用x射线探伤仪等专业设备才能检测出焊缝缺陷，因此在利用有限元分析进行质量监测是存在较大安全隐患。究其原因，主要在于焊缝内部存在空焊或者裂缝时，温度在空焊或者裂缝处影响应力的变化趋势与形变在空焊或者裂缝处影响应力的变化趋势并不一致，即空焊或者裂缝处影响应力对温度传导的影响与对形变应力传导的影响不一致，因此通过有限元分析得到的应力数据难以反映实际情况。其中的空焊或者裂缝，可能是焊接不完全导致的，也可能是焊接后冷却降温收缩时产生的。
36.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本技术实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本技术的技术方案，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.参照图1，本技术第一具体实施例提供了一种基于图像处理的质量监测方法，包括有以下步骤：
38.s1、获取第一时间的待测物件第一三维扫描数据和第二时间的待测物件第二三维扫描数据，基于第二三维扫描数据建立第一三维有限元分析模型；
39.第一时间的待测物件第一三维扫描数据具体是指待测物件(即焊接工件)完成焊接时的三维扫描数据；第二时间的待测物件第二三维扫描数据具体是指待测物件冷却定型后的三维扫描数据，而用于计算的基本模型是基于冷却定型后的三维扫描数据来建立的。焊接工件冷却定型后的三维扫描数据与标准工件可能存在区别，即焊接工件某些部分的表面可能是因冷却变形而存在一定弯曲度的平面，典型的建模方法为预先生成均匀的三角网格，然后将其投影至焊接工件的表面而生成三角网格模型。
40.s2、获取第一时间至第二时间内待测物件的至少两个时间点的红外图像数据，基于至少两个时间点的红外图像数据差值获得多个时间点的红外图像数据，并输入至三维有限元分析模型得到第一应力场特征；第一应力场特征反映的是焊接工件在冷却过程中温度变化造成的应力分布的影响。
41.具体实施方式中至少在第一时间、第二时间两个时间点获取待测物件的红外图像数据；也可在第一时间、第二时间两个时间点的某些时间点增加获取红外图像数据的操作，但也会相应地增加数据处理量或者采集设备成本，因此还可以通过数据插值的方式生成第一时间、第二时间两个时间点之间的多个时间点的红外图像数据，具体的插值方式不限，可采用线性插值或者基于温度传导模型的非线性插值，前者生成数据速度快，后者数据更精确，可根据实际需求选择合适的插值方法。
42.s3、将第一三维扫描数据输入至第一三维有限元分析模型得到第二应力场特征；第二应力场特征反映的是焊接工件在冷却前后的形变造成的对应力分布的影响。第一三维扫描数据和第二三维扫描数据分别是焊接工件冷却前后的相应数据，因此将第一三维扫描数据输入至基于第二三维扫描数据建立的第一三维有限元分析模型可以反映出焊接工件的形变，形变更大的位置造成的应力影响更大；尤其是形变更大的位置内部可能对应产生了裂缝，此处应力传导往往是不连续的，因此常规有限元分析模型往往难以计算得到真实数据。
43.本技术具体实施例中，由于空焊或者裂缝处影响应力对温度传导的影响与对形变应力传导的影响不一致，在焊接工件外部完整但内部可能存在裂缝的情况时，利用扫描获取的工件表面三维数据通过有限元分析分别计算温度传导的影响与对形变应力传导的影响来捕捉到应力奇异点，从而发现可能隐藏的内部裂缝。
44.s4、根据第一应力场特征与第二应力场特征得到第三应力场特征数据；
45.在计算焊接工件的残余应力是往往还要考虑是自由形变还是在约束状态下的形变。若约束状态下焊接，可能不产生弯曲形变、扭曲形变等，此时应力未释放，集中于内部，在有限元模型中即体现为第应力场特征与第二应力场特征叠加时有部分应力增强，则判断附近可能存在应力集中点；；若自由形变，则应力作用于工件产生外部形变从而使部分应力得到释放，在有限元模型中即体现为第一应力场特征与第二应力场特征叠加时有部分应力抵消。
46.s5、根据第三应力场特征进行监测，当存在应力大于设定应力阈值时发出预警；
47.在有限元模型中即体现为第一应力场特征与第二应力场特征叠加时有部分应力增强且超过设定应力阈值，需要发出预警提示。此时用户可根据预警提示信息对其采用专业设备再进一步检测。
48.进一步作为优选的实施方式，所述步骤s2具体为：
49.s21、获取第一时间至第二时间内待测物件的至少两个时间点的红外图像数据，基于至少两个时间点的红外图像数据插值获得多个时间点的红外图像数据；
50.s22、基于网格节点，计算每个节点在时间维度上的温度拟合曲线；
51.网格节点即有限元模型中建立的网格节点，每个网格节点对应红外图像数据中的一个点，每个点都有对应的温度数据；由于每个网格节点在时间维度上对应的温度数据是不断变化的，因此可以基于时间-温度曲线对数据进行插值，从而模拟得到每个网格节点上随时间的温度变化，用于后续计算。如图11所示，对于红外图像的每一个点都有相对应的温度数据，每一个点第一时间t1、第二时间t2对应的温度分别为ti1和ti2，由于温度较高时焊接工件与环境温度温差大，散热效率更高，温度变化通常不是线性变化，因此常用非线性插值方法以及非线性拟合方法对温度曲线进行拟合，例如最基本的最小二乘法。
52.理论上，由于温度变化同时可能会带来形变，网格节点对应的点则可能产生位移,不考虑网格节点的位移会带来计算误差。但实际上一方面由于工程施工中焊接的金属工件导热率高，即使存在焊缝也可以忽略对温度传导的影响，另一方面由于实际焊接中位移通常不会很大，且在后续步骤s3中独立计算形变的影响，因此网格节点实际位移的误差可忽略；同时，还通过对有限元模型中建立的网格节点密度的调整弥补了上述缺陷。
53.s23、基于三维有限元分析模型计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的积分，并计算第一应力场方向特征；
54.如图12所示，假设有两个相邻的网格节点a和b，在第一时间至第二时间内的前一段时间[t1,tm]节点a的温度变化率更大，由于都是降温过程，a点收缩幅度比b点更大，应力方向为b指向a；后一段时间[tm,t2]节点b的温度变化率更大，b点收缩幅度比点更大，应力方向为a指向b。因此从宏观角度看，各时间段内积累的应力最终指向方向由节点a、b之间温度变化率差值的积分来决定。
[0055]
s24、基于三维有限元分析模型计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率差
异度的积分，并计算第一应力场应力变化特征；
[0056]
同时，由于前一段时间[t1,tm]应力方向为b指向a、后一段时间[tm,t2]应力方向为a指向b，可能造成应力抵消，但实际从微观角度观察，由于工件在三维空间内还存在层间应力，采用的模型仅能根据工件表面三维数据建模仅能反映表面情况。如果用实体单元模拟，厚度方向至少三层网格才能捕捉厚度方向的应力梯度，网格数量将非常庞大，因此简化为工件表面的单层网格将极大地减少网格数量，提高求解效率，但是又需要考虑层间滑移产生的应力,不同时间段内的应力指向变化可能在微观层面带来的是应力积累而非应力抵消。因此本技术具体实施例的三维有限元分析模型(第一三维有限元分析模型、第二三维有限元分析模型、第三三维有限元分析模型)均为根据工件表面三维数据建模的基于单层网格的模型，所以步骤s24中需要计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率差异度的积分，每相邻两个节点之间单位时间温度变化率差异度与每相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值正相关，从而获取极端条件下微观层面带来的应力积累。
[0057]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s22具体为：
[0058]
s221、基于网格节点，计算每个节点在时间维度上的温度拟合曲线；此处的网格节点为初始网格节点，即第一三维有限元分析模型中建立的网格节点；
[0059]
s222、计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率，并计算单位时间温度变化率差值的绝对值，当相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值的均值m处于对应的变化率阈值区间时，在相邻两个节点对应的网格中增加节点对网格进行分割或者合并操作，得到第二三维有限元分析模型；
[0060]
实际实施过程中可将变化率阈值区间分为三个区间：[0,m1]、(m 1
,m 2
)、[m 2
,+∞)，对应的分割比例分别为3、4、6，即每个网格单元分割后的网格单元数量，分别如图8-10所示；也可根据阈值区间设置相应的分割比例，阈值区间对应的数值大小与分割比例正相关。
[0061]
单位时间温度变化率差值的绝对值体现的是冷却过程中温度变化带来的应力影响，若上述均值处于对应较小的变化率阈值区间，则表明相邻两个节点之间温度变化差异较小，应力变化可以忽略，可以合并网格以减小网格密度进行分析计算，减少计算量；若上述均值处于对应较大的变化率阈值区间，则表明相邻两个节点之间温度变化差异较大，可能产生应力集中，需要分割网格以加大网格密度进行分析计算，利于捕捉应力奇异点；而对于变化率阈值区间适中的节点，则不需要改变网格密度。如图3-5所示，图3展示了两块部件以对接焊缝焊接时产生的残余应力，但此时两块部件已经焊接为一体，因此此时图中焊缝周边位置的xy轴方向的收缩位移难以通过三维扫描数据体现，而网格节点的温度变化则可以反映如图xy轴方向的应力，因此针对例如图4的网格单元进行分割或者合并操作，效果图如图5所示。
[0062]
s223、计算增加的节点在时间维度上的温度拟合曲线；对于新增的网格节点，需要增加计算生成其相应的温度拟合曲线。
[0063]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s23和s24中的三维有限元分析模型为第二三维有限元分析模型；以更新网格节点之后的第二三维有限元分析模型计算第一应力场方向特征和第一应力场应力变化特征，第一应力场特征包括第一应力场方向特征和第一应力场应力变化特征。
[0064]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s222具体为：
[0065]
s2221、计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率，并计算单位时间温度变化率差值的绝对值；
[0066]
s2222、当相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值的均值大于变化率阈值时，在相邻两个节点对应的网格中增加节点对网格进行分割；
[0067]
s2223、当相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值的均值小于变化率阈值时，将相邻两个节点对应的网格进行合并，得到第二三维有限元分析模型。
[0068]
由于合并网格单元之后，可能形成多边形不规则网格单元，不利于分析计算，所以需要将其进行分割以适用于后续数值计算，因此进一步作为优选的实施方式，所述步骤s2223具体为：
[0069]
s2223、当相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值的均值小于变化率阈值时，将相邻两个节点对应的网格进行合并，将合并后的网格单元分割为多个子网格单元，所述子网格单元小于合并前的网格单元数量，得到第二三维有限元分析模型。
[0070]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s2223中多个子网格单元为三角子网格和/或四边形子网格，将合并后的网格单元分割为多个子网格单元时优先选择分割为四边形子网格。
[0071]
如图6所示，其中多个网格单元合并成如实线所示的网格单元时，需将其划分为三角子网格和/或四边形子网格，划分方式如图6中虚线所示。除此之外，划分方式还可以如图7中虚线所示。由于被合并的相邻网格单元的变化值均小于预设阈值，因此采用图6、图7或者其他不同划分方式的造成的计算结果差异可以忽略不计。
[0072]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s3具体为：
[0073]
s31、基于第一三维扫描数据和第二三维扫描数据调整三维有限元分析模型中的网格节点得到第三三维有限元分析模型，第一三维扫描数据输入至第三三维有限元分析模型得到第二应力场分布特征。
[0074]
在有限元分析软件中，如ansys程序中通常会提供误差估计以及自适应网格划分功能来减少网格划分带来的误差，如利用预先定义的宏adapt.mac来实现自适应网格划分来减小误差，例如避免在集中载荷区域和边界约束条件附近采用过大的网格密度造成计算分析结果中应力集中。但自适应网格划分的功能中还需要用户在初始网格中手动选择自适应改进区域，并且adapt过程通常是针对集中载荷区域和边界约束条件附近的过密网格进行网格增大的处理，从而排除掉某些应力奇异点，应力奇异点的数值通常相比其他区域更大，例如集中载荷区域。
[0075]
本技术具体实施例中，由于空焊或者裂缝处影响应力对温度传导的影响与对形变应力传导的影响不一致，因此反而需要在形变较大的区域增加网格密度，从而捕捉到应力奇异点，在焊接工件外部完整但内部可能存在裂缝的情况时，利用扫描获取的工件表面三维数据通过有限元分析分别计算温度传导的影响与对形变应力传导的影响，从而发现可能隐藏的内部裂缝。
[0076]
如图3所示，其中展示了两块部件以对接焊缝焊接时产生的残余应力，阴影部分为中间的对接焊缝，焊缝的冷却收缩使两块部件之间有相向弯曲的趋势，如图3中虚线所示；且越接近中心的位置，弯曲的趋势越大，图3中相应地用箭头长度表示，但此时两块部件已
经焊接为一体，因此此时图中焊缝周边位置的xy轴方向的收缩位移难以通过三维扫描数据体现，但此时三维直角坐标系的z轴上的收缩位移可以通过形变区域分布特征(即第一三维扫描数据和第二三维扫描数据在z轴上的差值)体现，xy轴方向的收缩位移仅仅在边缘位置能够体现，但边缘位置应力往往较小，可以忽略。当焊接工件为复杂形状时，形变区域分布特征即对应的扫描点在其法向上第一三维扫描数据和第二三维扫描数据的差值的集合，原理与上述三维直角坐标系的z轴上的差值计算相同，此处不赘述。
[0077]
由于第二三维有限元分析模型和第三三维有限元分析模型中的网格节点不同，因此进一步作为优选的实施方式，所述步骤s4具体为：
[0078]
根据第二三维有限元分析模型的网格节点和第三三维有限元分析模型的网格节点生成合并网格节点；合并网格节点包括所有第二三维有限元分析模型的网格节点和第三三维有限元分析模型的网格节点；
[0079]
根据第一应力场特征与第二三维有限元分析模型的网格节点的对应关系，更新合并网格节点所对应的第一应力场特征；即针对所有合并网格节点中不是第二三维有限元分析模型中的网格节点所对应的第一应力场特征数据进行插值补充。由于该数据是插值补充，而不是通过增加网格密度计算得到，因此不会额外引入应力奇异点数据。
[0080]
同理，根据第二应力场特征与第三三维有限元分析模型的网格节点的对应关系，更新与合并网格节点所对应的第二应力场特征；
[0081]
根据第一应力场特征与第二应力场特征叠加得到第三应力场特征数据。当第三应力场特征数据中存在网格节点对应的应力超过设定应力阈值时，则该数据可能表明焊接工件质量存在问题，需要发出预警信息。
[0082]
参照图2，本技术第二具体实施例提供一种基于图像处理的质量监测方法，包括有以下步骤：
[0083]
s1、获取第一时间的待测物件第一三维扫描数据和第二时间的待测物件第二三维扫描数据，基于第二三维扫描数据建立第一三维有限元分析模型；
[0084]
第一时间的待测物件第一三维扫描数据具体是指待测物件(即焊接工件)完成焊接时的三维扫描数据；第二时间的待测物件第二三维扫描数据具体是指待测物件冷却定型后的三维扫描数据，而用于计算的基本模型是基于冷却定型后的三维扫描数据来建立的。焊接工件冷却定型后的三维扫描数据与标准工件可能存在区别，即焊接工件某些部分的表面可能是因冷却变形而存在一定弯曲度的平面，典型的建模方法为预先生成均匀的三角网格，然后将其投影至焊接工件的表面而生成三角网格模型。
[0085]
s2、获取第一时间至第二时间内待测物件的至少两个时间点的红外图像数据，基于至少两个时间点的红外图像数据插值获得多个时间点的红外图像数据，并输入至三维有限元分析模型得到第一应力场特征；第一应力场特征反映的是焊接工件在冷却过程中温度变化造成的应力分布的影响。
[0086]
具体实施方式中至少在第一时间、第二时间两个时间点获取待测物件的红外图像数据；也可在第一时间、第二时间两个时间点的某些时间点增加获取红外图像数据的操作，但也会相应地增加数据处理量或者采集设备成本，因此还可以通过数据插值的方式生成第一时间、第二时间两个时间点之间的多个时间点的红外图像数据，具体的插值方式不限，可采用线性插值或者基于温度传导模型的非线性插值，前者生成数据速度快，后者数据更精
确，可根据实际需求选择合适的插值方法。
[0087]
s3、基于第一三维扫描数据和第二三维扫描数据调整三维有限元分析模型中的网格节点得到第三三维有限元分析模型，第一三维扫描数据输入至第三三维有限元分析模型得到第二应力场特征；第二应力场特征反映的是焊接工件在冷却前后的形变造成的对应力分布的影响。
[0088]
第一三维扫描数据和第二三维扫描数据分别是焊接工件冷却前后的相应数据，因此通过两个数据可以反映出焊接工件的形变，形变更大的位置造成的应力影响更大；尤其是形变更大的位置内部可能对应产生了裂缝，此处应力传导往往是不连续的，因此常规有限元分析模型往往难以计算得到真实数据。
[0089]
在有限元分析软件中，如ansys程序中通常会提供误差估计以及自适应网格划分功能来减少网格划分带来的误差，即利用预先定义的宏adapt.mac来实现自适应网格划分来减小误差，例如避免在集中载荷区域和边界约束条件附近采用过大的网格密度造成计算分析结果中表明存在应力集中。但自适应网格划分的功能中还需要用户在初始网格中手动选择自适应改进区域，并且adapt过程通常是针对集中载荷区域和边界约束条件附近的过密网格进行网格增大的处理，从而排除掉某些应力奇异点，应力奇异点的数值通常相比其他区域更大，例如集中载荷区域。
[0090]
本技术具体实施例中，由于空焊或者裂缝处影响应力对温度传导的影响与对形变应力传导的影响不一致，因此反而需要在形变较大的区域增加网格密度，从而捕捉到应力奇异点，在焊接工件外部完整但内部可能存在裂缝的情况时，利用扫描获取的工件表面三维数据通过有限元分析分别计算温度传导的影响与对形变应力传导的影响，从而发现可能隐藏的内部裂缝。
[0091]
s4、根据第一应力场特征与第二应力场特征得到第三应力场特征数据；
[0092]
在计算焊接工件的残余应力是往往还要考虑是自由形变还是在约束状态下的形变。若约束状态下焊接，可能不产生弯曲形变、扭曲形变等，此时应力未释放，集中于内部，在有限元模型中即体现为第一应力场特征与第二应力场特征叠加时有部分应力增强，则此处数据可能反映了附近存在应力集中点；若自由形变，则应力作用于工件产生外部形变从而使部分应力得到释放，在有限元模型中即体现为第一应力场特征与第二应力场特征叠加时有部分应力抵消。
[0093]
s5、根据第三应力场特征进行监测，当存在应力大于设定应力阈值时发出预警。
[0094]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s2具体为：
[0095]
s21、获取第一时间至第二时间内待测物件的至少两个时间点的红外图像数据，基于至少两个时间点的红外图像数据插值获得多个时间点的红外图像数据；
[0096]
s22、基于网格节点，计算每个节点在时间维度上的温度拟合曲线；
[0097]
网格节点即有限元模型中建立的网格节点，每个网格节点对应红外图像数据中的一个点，每个点都有对应的温度数据；由于每个网格节点在时间维度上对应的温度数据是不断变化的，因此可以基于时间-温度曲线对数据进行插值，从而得到模拟的温度变化，用于后续计算。如图11所示，对于红外图像的每一个点都有相对应的温度数据，每一个点第一时间t1、第二时间t2对应的温度分别为ti1和ti2，由于温度较高时焊接工件与环境温度温差大，散热效率更高，温度变化通常不是线性变化，因此常用非线性插值方法以及非线性拟合
方法对温度曲线进行拟合，例如最基本的最小二乘法。
[0098]
理论上，由于温度变化同时可能会带来形变，网格节点对应的点则可能产生位移,不考虑网格节点的位移会带来计算误差。但实际上一方面由于工程施工中焊接的金属工件导热率高，即使存在焊缝也可以忽略对温度传导的影响，另一方面由于实际焊接中位移通常不会很大，且在后续步骤s3中独立计算形变的影响，因此网格节点实际位移的误差可忽略；同时，还通过对有限元模型中建立的网格节点密度的调整弥补了上述缺陷。
[0099]
s23、基于三维有限元分析模型计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的积分，并计算第一应力场方向特征；
[0100]
如图12所示，假设有两个相邻的网格节点a和b，在第一时间t1至第二时间t2内的前一段时间[t1,tm]节点a的温度变化率更大，由于都是降温过程，a点收缩幅度比b点更大，应力方向为b指向a；后一段时间[tm,t2]节点b的温度变化率更大，b点收缩幅度比点更大，应力方向为a指向b。因此从宏观角度看，各时间段内积累的应力最终指向方向由节点a、b之间温度变化率差值的积分来决定。
[0101]
s24、基于三维有限元分析模型计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率差异度的积分，并计算第一应力场应力变化特征；
[0102]
同时，由于前一段时间[t1,tm]应力方向为b指向a、后一段时间[tm,t2]应力方向为a指向b，可能造成应力抵消，但实际从微观角度观察，由于工件在三维空间内还存在层间应力，采用的模型仅能根据工件表面三维数据建模仅能反映表面情况。如果用实体单元模拟，厚度方向至少三层网格才能捕捉厚度方向的应力梯度，网格数量将非常庞大，因此简化为工件表面的单层网格将极大地减少网格数量，提高求解效率，但是又需要考虑层间滑移产生的应力,不同时间段内的应力指向变化可能在微观层面带来的是应力积累而非应力抵消。因此本技术具体实施例的三维有限元分析模型(第一三维有限元分析模型、第二三维有限元分析模型、第三三维有限元分析模型)均为根据工件表面三维数据建模的基于单层网格的模型，所以步骤s24中需要计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率差异度的积分，每相邻两个节点之间单位时间温度变化率差异度与每相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值正相关，从而获取极端条件下微观层面带来的应力积累。
[0103]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s22具体为：
[0104]
s221、基于网格节点，计算每个节点在时间维度上的温度拟合曲线；
[0105]
此处的网格节点为初始网格节点，即第一三维有限元分析模型中建立的网格节点；
[0106]
s222、计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率，并计算单位时间温度变化率差值的绝对值，当相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值的均值处于对应的变化率阈值区间时，在相邻两个节点对应的网格中增加节点对网格进行分割或者合并操作，得到第二三维有限元分析模型。
[0107]
实际实施过程中可将变化率阈值区间分为三个区间：[0,m1]、(m 1
,m 2
)、[m 2
,+∞)，对应的分割比例分别为3、4、6，即每个网格单元分割后的网格单元数量，分别如图8-10所示；也可根据阈值区间设置相应的分割比例，阈值区间对应的数值大小与分割比例正相关。
[0108]
单位时间温度变化率差值的绝对值体现的是冷却过程中温度变化带来的应力影
响，若上述均值处于对应较小的变化率阈值区间，则表明相邻两个节点之间温度变化差异较小，应力变化可以忽略，可以合并网格以减小网格密度进行分析计算，减少计算量；若上述均值处于对应较大的变化率阈值区间，则表明相邻两个节点之间温度变化差异较大，可能产生应力集中，需要分割网格以加大网格密度进行分析计算，利于捕捉应力奇异点；而对于变化率阈值区间适中的节点，则不需要改变网格密度。如图3-5所示，图3展示了两块部件以对接焊缝焊接时产生的残余应力，但此时两块部件已经焊接为一体，因此此时图中焊缝周边位置的xy轴方向的收缩位移难以通过三维扫描数据体现，而网格节点的温度变化则可以反映如图xy轴方向的应力，因此针对例如图4的网格单元进行分割或者合并操作，效果图如图5所示。
[0109]
s223、计算增加的节点在时间维度上的温度拟合曲线；对于新增的网格节点，需要增加计算生成其相应的温度拟合曲线。
[0110]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s23和s24中的三维有限元分析模型为第二三维有限元分析模型；
[0111]
以更新网格节点之后的第二三维有限元分析模型计算第一应力场方向特征和第一应力场应力变化特征，第一应力场特征包括第一应力场方向特征和第一应力场应力变化特征。
[0112]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s222具体为：
[0113]
s2221、计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率，并计算单位时间温度变化率差值的绝对值；
[0114]
s2222、当相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值的均值大于变化率阈值时，在相邻两个节点对应的网格中增加节点对网格进行分割；
[0115]
s2223、当相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值的均值小于变化率阈值时，将相邻两个节点对应的网格进行合并，得到第二三维有限元分析模型。
[0116]
由于合并网格单元之后，可能形成多边形不规则网格单元，不利于分析计算，所以需要将其进行分割以适用于后续数值计算，因此进一步作为优选的实施方式，所述步骤s2223具体为：
[0117]
s2223、当相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值的均值小于变化率阈值时，将相邻两个节点对应的网格进行合并，将合并后的网格单元分割为多个子网格单元，所述子网格单元小于合并前的网格单元数量，得到第二三维有限元分析模型。
[0118]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s2223中多个子网格单元为三角子网格和/或四边形子网格，将合并后的网格单元分割为多个子网格单元时优先选择分割为四边形子网格。
[0119]
如图6所示，其中多个网格单元合并成如实线所示的网格单元时，需将其划分为三角子网格和/或四边形子网格，划分方式如图6中虚线所示。除此之外，划分方式还可以如图7中虚线所示。由于被合并的相邻网格单元的变化值均小于预设阈值，因此采用图6、图7或者其他不同划分方式的造成的计算结果差异可以忽略不计。
[0120]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s3具体为：
[0121]
s31、基于第一三维扫描数据和第二三维扫描数据得到形变区域分布特征；
[0122]
第二应力场特征反映的是焊接工件在冷却前后的形变造成的对应力分布的影响，
因此利用第一三维扫描数据和第二三维扫描数据得到形变区域分布特征作为后续网格调整的依据。
[0123]
如图3所示，其中展示了两块部件以对接焊缝焊接时产生的残余应力，阴影部分为中间的对接焊缝，焊缝的冷却收缩使两块部件之间有相向弯曲的趋势，如图3中虚线所示；且越接近中心的位置，弯曲的趋势越大，图3中相应地用箭头长度表示，但此时两块部件已经焊接为一体，因此此时图中焊缝周边位置的xy轴方向的收缩位移难以通过三维扫描数据体现，但此时三维直角坐标系的z轴上的收缩位移可以通过形变区域分布特征(即第一三维扫描数据和第二三维扫描数据在z轴上的差值)体现，xy轴方向的收缩位移仅仅在边缘位置能够体现，但边缘位置应力往往较小，可以忽略。当焊接工件为复杂形状时，形变区域分布特征即对应的扫描点在其法向上第一三维扫描数据和第二三维扫描数据的差值的集合，原理与上述三维直角坐标系的z轴上的差值计算相同。
[0124]
s32、基于形变区域分布特征调整对应的第一三维有限元分析模型中的网格节点得到第三三维有限元分析模型；
[0125]
s33、将第一三维扫描数据输入至第三三维有限元分析模型得到第二应力场特征。
[0126]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s33具体为：
[0127]
s331、基于形变区域分布特征计算模型中对应网格单元的变化值；
[0128]
网格单元的变化值反映的是焊接工件冷却前后对应的网格单元变化，例如焊接工件冷却后焊接部分收缩，则收缩部分所对应的网格位置相对于冷却之前的位置会发生更大的位移。具体的网格单元变化值可采用网格上各节点在冷却前后位置差值的均值或者网格中心(例如三角形网格的重心)在冷却前后位置差值，能反映焊接工件冷却前后对应的网格单元位置变化即可。
[0129]
s332、当变化值大于预设阈值时，分割对应网格单元；
[0130]
当变化值大于预设阀值时即表明此处以及此处对应的工件内部可能产生较大应力，需要增加网格密度从而在获取的数据中能发现应力奇异点。如图4、5所示，其中间部位对应图3中的阴影部分焊缝位置。
[0131]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s33具体还包括：
[0132]
s333、当变化值小于预设阈值时，遍历对应网格单元的相邻网格单元，若存在相邻网格单元变化值小于预设阈值时，合并对应网格单元与该相邻网格单元。
[0133]
当相邻网格单元的变化值均小于预设阈值时，可以将网格单元进行合并以减少有限元分析中的计算量以提高计算速度。合并对应网格单元的效果图如图5所示，其左右两端部位对应图3中的阴影部分焊缝两侧的位置。需注意的是步骤s2和s3均用到图4和图5进行原理说明，但由于温度变化和形变变化对应力的影响并不相同，因此步骤s2和s3基于相同的图4进行分割、合并操作的实际结果并不会产生相同的图5所示结果。
[0134]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s33具体还包括：
[0135]
s334、将合并后的网格单元分割为多个子网格单元，所述子网格单元小于合并前的网格单元数量。
[0136]
经过上述步骤s333中合并网格单元之后，可能形成多边形不规则网格单元，不利于分析计算，所以需要将其进行分割以适用于后续数值计算，因此进一步作为优选的实施方式，所述步骤s334具体为：
[0137]
所述多个子网格单元为三角子网格和/或四边形子网格，将合并后的网格单元分割为多个子网格单元时优先选择分割为四边形子网格。
[0138]
如图6所示，其中多个网格单元合并成如实线所示的网格单元时，需将其划分为三角子网格和/或四边形子网格，划分方式如图6中虚线所示。除此之外，划分方式还可以如图7中虚线所示。由于被合并的相邻网格单元的变化值均小于预设阈值，因此采用图6、图7或者其他不同划分方式的造成的计算结果差异可以忽略不计。
[0139]
进一步作为优选的实施方式，所述步骤s332具体为：
[0140]
s3321、当变化值大于预设阈值t时，确定变化值所对应的阈值区间；
[0141]
s3322、根据阈值区间对应的分割比例对网格单元进行分割；
[0142]
实际实施过程中可将大于预设阈值的数值区间[t,+∞)分为三个区间[t,t1)、[t1,t2)、[t2,+∞)，分割比例分别为2、4、6，如图所示；也可根据阈值t1、t2设置相应的分割比例，阈值区间对应的数值大小与分割比例正相关。
[0143]
由于第二三维有限元分析模型和第三三维有限元分析模型中的网格节点不同，因此进一步作为优选的实施方式，所述步骤s4具体为：
[0144]
根据第二三维有限元分析模型的网格节点和第三三维有限元分析模型的网格节点生成合并网格节点；合并网格节点包括所有第二三维有限元分析模型的网格节点和第三三维有限元分析模型的网格节点；
[0145]
根据第一应力场特征与第二三维有限元分析模型的网格节点的对应关系，更新合并网格节点所对应的第一应力场特征；即针对所有合并网格节点中不是第二三维有限元分析模型中的网格节点所对应的第一应力场特征数据进行插值补充。由于该数据是插值补充，而不是通过增加网格密度计算得到，因此不会额外引入应力奇异点数据。
[0146]
同理，根据第二应力场特征与第三三维有限元分析模型的网格节点的对应关系，更新与合并网格节点所对应的第二应力场特征；
[0147]
根据第一应力场特征与第二应力场特征叠加得到第三应力场特征数据。当第三应力场特征数据中存在网格节点对应的应力超过设定应力阈值时，则该数据可能表明焊接工件质量存在问题，需要发出预警信息。
[0148]
参照图13，本技术第三具体实施例提供一种基于图像处理的质量监测装置，与前述第一、二具体实施例提供一种基于图像处理的质量监测方法相对应，该装置包括：
[0149]
图像数据采集设备11、12，用于获取第一时间的待测物件60第一三维扫描数据和第二时间的待测物件60第二三维扫描数据；
[0150]
红外数据采集设备21、22，用于获取第一时间至第二时间内待测物件60的至少两个时间点的红外图像数据；
[0151]
数据生成设备30，用于
[0152]
基于第二三维扫描数据建立第一三维有限元分析模型；
[0153]
基于至少两个时间点的红外图像数据插值获得多个时间点的红外图像数据，并输入至三维有限元分析模型得到第一应力场特征；
[0154]
将第一三维扫描数据输入至第一三维有限元分析模型得到第二应力场特征；
[0155]
根据第一应力场特征与第二应力场特征得到第三应力场特征数据
[0156]
监测预警设备40，用于根据第三应力场特征进行监测，当存在应力大于设定应力
阈值时发出预警。
[0157]
如图13所示，进一步作为优选的实施方式，还包括待测物件传送设备50，所述图像数据采集设备至少包括第一图像数据采集设备11和第二图像数据采集设备12，所述红外数据采集设备至少包括第一红外数据采集设备21和第二红外数据采集设备22，所述第一图像数据采集设备11和第-红外数据采集设备21设置于待测物件传送设备50的第一传送点，所述第二图像数据采集设备12和第二红外数据采集设备22设置于待测物件传送设备50的第二传送点。
[0158]
所述第一图像数据采集设备和第一红外数据采集设备设置于待测物件传送设备的第一传送点用于采集完成焊接时的焊接工件在第一时间的第一三维扫描数据和第一时间的第一红外图像数据；焊接工件在传送设备上经过一段时间从第一传送点输送至第二传送点，并在该时间段内进行冷却，所述第二图像数据采集设备和第二红外数据采集设备设置于待测物件传送设备的第二传送点用于采集完成焊接后且冷却一段时间的焊接工件在第二时间的第二三维扫描数据和第二时间的第二红外图像数据。
[0159]
本技术具体实施例中的质量监测装置在采集数据时无需设备停顿,且能够连续对批量焊接工件进行数据采集,处理效率高。
[0160]
进一步作为优选的实施例，数据生成设备将第一三维扫描数据输入至第一三维有限元分析模型得到第二应力场特征时，具体为：
[0161]
基于第一三维扫描数据和第二三维扫描数据调整三维有限元分析模型中的网格节点得到第三三维有限元分析模型，将第一三维扫描数据输入至第三三维有限元分析模型得到第二应力场特征。
[0162]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，需注意的是上述仅为较佳实施例，本领域技术人员会理解本技术不限于上述特定实施例，对其来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不脱离本技术的保护范围。因此，虽通过以上实施例进行详细的说明，但本技术不仅限于以上实施例，在不脱离本技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本技术的范围由所附的权利要求范围决定。

技术特征：
1.一种基于图像处理的质量监测方法，其特征在于，包括有以下步骤：s1、获取第一时间的待测物件第一三维扫描数据和第二时间的待测物件第二三维扫描数据，基于第二三维扫描数据建立第一三维有限元分析模型；s2、获取第一时间至第二时间内待测物件的至少两个时间点的红外图像数据，基于至少两个时间点的红外图像数据插值获得多个时间点的红外图像数据，并输入至三维有限元分析模型得到第一应力场特征；s3、将第一三维扫描数据输入至第一三维有限元分析模型得到第二应力场特征；s4、根据第一应力场特征与第二应力场特征得到第三应力场特征数据；s5、根据第三应力场特征进行监测，当存在应力大于设定应力阈值时发出预警。2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的质量监测方法，其特征在于：所述步骤s2具体为：s21、获取第一时间至第二时间内待测物件的至少两个时间点的红外图像数据，基于至少两个时间点的红外图像数据插值获得多个时间点的红外图像数据；s22、基于网格节点，计算每个节点在时间维度上的温度拟合曲线；s23、基于三维有限元分析模型计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的积分，并计算第一应力场方向特征；s24、基于三维有限元分析模型计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率差异度的积分，并计算第一应力场应力变化特征。3.根据权利要求2所述的一种基于图像处理的质量监测方法，其特征在于：所述步骤s22具体为：s221、基于网格节点，计算每个节点在时间维度上的温度拟合曲线；s222、计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率，并计算单位时间温度变化率差值的绝对值，当相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值的均值处于对应的变化率阈值区间时,在相邻两个节点对应的网格中增加节点对网格进行分割或者合并操作,得到第二三维有限元分析模型；s223、计算增加的节点在时间维度上的温度拟合曲线。4.根据权利要求3所述的一种基于图像处理的质量监测方法，其特征在于：所述步骤s23和s24中的三维有限元分析模型为第二三维有限元分析模型。5.根据权利要求求3所述的一种基于图像处理的质量监测方法，其特征在于：所述步骤s222具体为：s2221、计算每相邻两个节点之间单位时间温度变化率，并计算单位时间温度变化率差值的绝对值；s2222、当相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值的均值大于变化率阈值时，在相邻两个节点对应的网格中增加节点对网格进行分割；s2223、当相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值的均值小于变化率阈值时，将相邻两个节点对应的网格进行合并，得到第二三维有限元分析模型。6.根据权利要求5所述的一种基于图像处理的质量监测方法，其特征在于：所述步骤s2223具体为：s2223、当相邻两个节点之间单位时间温度变化率差值的绝对值的均值小于变化率阈
值时，将相邻两个节点对应的网格进行合并，将合并后的网格单元分割为多个子网格单元，所述子网格单元小于合并前的网格单元数量，得到第二三维有限元分析模型。7.根据权利要求6所述的一种基于图像处理的质量监测方法，其特征在于：所述步骤s2223中多个子网格单元为三角子网格和/或四边形子网格，将合并后的网格单元分割为多个子网格单元时优先选择分割为四边形子网格。8.根据权利要求2-4中任一所述的一种基于图像处理的质量监测方法，其特征在于：所述步骤s3具体为：s3、基于第一三维扫描数据和第二三维扫描数据调整三维有限元分析模型中的网格节点得到第三三维有限元分析模型，第一三维扫描数据输入至第三三维有限元分析模型得到第二应力场特征。9.一种基于图像处理的质量监测装置，其特征在于，包括：图像数据采集设备，用于获取第一时间的待测物件第一三维扫描数据和第二时间的待测物件第二三维扫描数据；红外数据采集设备，用于获取第一时间至第二时间内待测物件的至少两个时间点的红外图像数据；数据生成设备，用于基于第二三维扫描数据建立第一三维有限元分析模型；基于至少两个时间点的红外图像数据插值获得多个时间点的红外图像数据，并输入至三维有限元分析模型得到第一应力场特征；将第一三维扫描数据输入至第一三维有限元分析模型得到第二应力场特征；根据第一应力场特征与第二应力场特征得到第三应力场特征数据；监测预警设备，用于根据第三应力场特征进行监测，当存在应力大于设定应力阈值时发出预警。10.根据权利要求9所述的一种基于图像处理的质量监测装置，其特征在于，还包括待测物件传送设备，所述图像数据采集设备至少包括第一图像数据采集设备和第二图像数据采集设备，所述红外数据采集设备至少包括第一红外数据采集设备和第二红外数据采集设备，所述第一图像数据采集设备和第一红外数据采集设备设置于待测物件传送设备的第一传送点，所述第二图像数据采集设备和第二红外数据采集设备设置于待测物件传送设备的第二传送点。

技术总结
本发明公开了一种基于图像处理的质量监测方法和装置，通过本发明实现在流水线上对工件数据的快速采集，设备成本低，效率高，适用于数据批量采集处理，无论是自由形变还是约束状态下造成的形变均可适用，通过分别计算温度与形变的影响并且突出应力集中点进行分析，且避免了常规模型中同时考虑温度与形变时由于变化趋势不一致造成的应力分析结果无法反映实际情况,实现减少计算量、提高分析预警的准确性。本发明作为一种基于图像处理的质量监测方法和系统装置可广泛应用于工程质量监测领域。法和系统装置可广泛应用于工程质量监测领域。法和系统装置可广泛应用于工程质量监测领域。


技术研发人员：陈朝恩 雷梓斌 温皇鑫 钟永明 董灶安
受保护的技术使用者：广东省建筑工程监理有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/23