基于多視覺(jué)的熔池圖像處理與特征提取

熊震宇，顧網(wǎng)平，王 健，薛 誠(chéng)

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，視覺(jué)傳感在焊接過(guò)程中的應(yīng)用受到人們的重視。視覺(jué)傳感器可用于焊接質(zhì)量的在線(xiàn)監(jiān)控，通過(guò)觀察熔池形狀從而判斷焊接質(zhì)量的高低[1-2]。熔池信息能直接反映焊縫外觀形狀、外部缺陷以及判斷內(nèi)部成形是否良好。由于焊接熔池是動(dòng)態(tài)的，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈弧光以及熔池類(lèi)鏡面反射等特性，使得實(shí)時(shí)獲取熔池信息比較困難。

熔池形狀參數(shù)通常包括熔池半長(zhǎng)、最大熔寬和熔池面積等。對(duì)熔池圖像進(jìn)行處理的目的是檢測(cè)熔池邊緣，進(jìn)而獲得熔池特征。針對(duì)熔池特征提取人們已經(jīng)做了很多研究，文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)對(duì)焊接熔池圖像進(jìn)行提取和分析，成功提取熔池邊緣和激光條紋邊緣，計(jì)算出熔池表面三維形狀；文獻(xiàn)[5]利用近紅外CCD攝像機(jī)配合復(fù)合濾光系統(tǒng)，采集到大量高清晰的MAG焊熔池圖像。本研究針對(duì)CO2氣體保護(hù)焊構(gòu)建多視覺(jué)傳感系統(tǒng)，采集和分析熔池形態(tài)，獲得熔池邊緣輪廓、后托角以及堆高，為熔池質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供依據(jù)。

1 多視覺(jué)傳感系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

整個(gè)視覺(jué)傳感裝置如圖1所示，該裝置由兩個(gè)面陣CCD攝像機(jī)和兩套復(fù)合濾光系統(tǒng)組成。整個(gè)視覺(jué)傳感裝置以焊槍為基準(zhǔn)進(jìn)行固定，CCD攝像機(jī)沿焊接方向分別安裝在焊槍的兩側(cè)，超前方向的記為CCD1，滯后方向的記為CCD2。CCD1的工作角度α1為CCD1的光軸中心與工件水平方向夾角，CCD2的工作角度α2為CCD2的光軸中心與工件水平方向夾角。CCD1的焦距f1為CCD1的鏡頭到焊絲正下方的距離；CCD2的焦距f2為CCD2的鏡頭到焊絲正下方的距離。

圖1 試驗(yàn)傳感器裝置示意

在焊接過(guò)程中，由于熔敷金屬在試件表面堆積，使得熔池表面與試件表面形成一定傾角，為獲取豐富的熔池信息，經(jīng)過(guò)大量工藝試驗(yàn)確定出對(duì)焊接采集有重要影響的傳感器的幾何參數(shù)，具體的參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 復(fù)合濾光的選擇

復(fù)合濾光法是指根據(jù)對(duì)電弧光譜的分析選取特殊組合的濾光片和減光片，組成復(fù)合濾光系統(tǒng)，安裝在CCD攝像機(jī)鏡頭前，只允許特定波長(zhǎng)的光通過(guò)，從而減小弧光等外界環(huán)境對(duì)熔池特征采集的干擾。由于本采集系統(tǒng)在被動(dòng)視覺(jué)光源條件下進(jìn)行，相比激光等其他主動(dòng)光源，濾光要求更為嚴(yán)格。根據(jù)GMAW焊接時(shí)的光譜分布[6]，弧光約650 nm處于波谷階段，是可見(jiàn)光范圍內(nèi)比較適合拍攝的波段，在近紅外波段內(nèi)，1 000 nm以上弧光都比較弱，因此本研究選定650 nm和1064 nm波段濾光進(jìn)行熔池拍攝試驗(yàn)，試驗(yàn)所用濾光片參數(shù)如表2所示，減光片為1%中性減光片+5%中性減光片，不同濾光條件下CCD采集的熔池圖像如圖2所示。

表2 濾光片參數(shù)

圖2 CCD采集的熔池圖像

在圖2中，弧光在648 nm和1 064 nm窄帶濾光片條件下，都可以拍攝到熔池輪廓，但648 nm窄帶濾光片下的電弧輪廓比1 064 nm窄帶濾光片的大，電弧覆蓋面積大，形成的光圈干擾不利于連續(xù)拍攝圖片的實(shí)時(shí)處理。因此，本試驗(yàn)選定1 064 nm波段的窄帶濾光組合。

1.3 焊接試驗(yàn)

試驗(yàn)焊接參數(shù)見(jiàn)表3，材料為普通低碳鋼板，規(guī)格100 mm×596 mm×7 mm，采用GMAW焊接方法，焊接速度30 cm/min，由焊接機(jī)器人在試板上進(jìn)行堆焊試驗(yàn)。CCD攝像機(jī)采集的焊接圖像如圖3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

為保證CCD1和CCD2所拍攝圖像是完全相同的部分，CCD1熔池尾部有部分信息被焊絲遮擋，CCD2熔池圖像中前端部分信息被噴嘴遮擋，所以需要對(duì)兩幅圖片進(jìn)行不同的熔池特征的選取方法。

2 熔池圖像處理

圖3 CCD采集的焊接圖像

本研究針對(duì)CCD1和CCD2采集的圖像的不同特點(diǎn)，提出了兩種圖像處理流程，如圖4所示。

圖4 圖像處理流程

2.1 圖像去噪

由于在圖像采集過(guò)程的環(huán)境光照是不穩(wěn)定的，加之受CCD噪聲、信號(hào)傳輸中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲等因素的影響，使CCD采集到的數(shù)字圖像中摻雜了不同程度的噪聲，因此需要對(duì)CCD采集的圖像先進(jìn)行去噪處理。根據(jù)以上分析，首先使用中值濾波法對(duì)原始圖像濾波，本研究使用的中值器模板為9 Pixel×9 Pixel，中值濾波處理結(jié)果如圖5所示。由圖可知，中值濾波有效的抑制了噪聲，減弱了弧光對(duì)熔池邊界的干擾。

圖5 中值濾波處理

2.2 邊緣檢測(cè)

CANNY算子具有良好的穩(wěn)定性和較高的信噪比，既考慮到梯度的大小，又利用了梯度的方向，二值化過(guò)程也具有一定的智能性，所以在邊緣檢測(cè)中應(yīng)用廣泛。針對(duì)采集的熔池圖像的特點(diǎn)，采用CANNY雙閾值檢測(cè)熔池邊緣。CANNY雙閾值檢測(cè)是指對(duì)N（x，y）作用兩個(gè)閾值τ1和τ2，則N（x，y）中像素大于高閾值的點(diǎn)為邊緣，小于低閾值的不是邊緣，介于兩個(gè)閾值之間的，如果其鄰接像素有大于高閾值的則為邊緣，反之則不是。CCD1和CCD2圖像處理采用的CANNY雙閾值分別為（0.1，3）和（0.2，3），邊緣提取結(jié)果如圖6所示。邊緣提取結(jié)果表明，采用CANNY雙閾值法可以有效地提取熔池特征邊緣。CCD1邊緣提取后的圖像中存在大量的偽邊緣，需要對(duì)CCD1邊緣提取后的圖像進(jìn)行去偽邊緣處理。CCD2邊緣提取的圖像中也存在偽邊緣，但對(duì)熔池特征不產(chǎn)生影響，因此不進(jìn)行去偽邊緣處理。

圖6 Canny算子雙閾值邊緣提取

2.3 去偽邊緣

CCD1采集的圖像在CANNY算子雙閾值法提取后，發(fā)現(xiàn)熔池內(nèi)部存在其他非熔池邊緣的線(xiàn)條，如焊絲邊緣、電弧邊緣等。為了去除這些偽邊緣，分別從圖像的左側(cè)、右側(cè)、下側(cè)對(duì)圖像進(jìn)行掃描，掃描到第一個(gè)亮點(diǎn)后，停止掃描并記住該點(diǎn)，同時(shí)檢測(cè)設(shè)置焊絲所占區(qū)域灰度值為0，從而可得到如圖7所示熔池特征圖像。

圖7 CCD1去除偽邊緣

2.4 多項(xiàng)式擬合

在理想狀態(tài)下的熔池邊緣為光滑的，可依照熔池形狀的非線(xiàn)性擬合函數(shù)進(jìn)行擬合[7]。但實(shí)際焊接過(guò)程中，焊縫形成過(guò)程中受周?chē)蛩赜绊?，鋪展并不是完全均勻光滑的，熔池面也不一定是平衡的，因此并不是完全?duì)稱(chēng)的，本實(shí)驗(yàn)中熔池邊緣擬合選用多項(xiàng)式擬合的方法。CCD1采集的圖像經(jīng)過(guò)5次疊代擬合后可得到如圖8a所示的熔池輪廓。CCD2采集的圖像經(jīng)4次迭代擬合后可得到如圖8b所示的熔池輪廓。

圖8 曲線(xiàn)擬合圖像

將經(jīng)過(guò)本研究提出的圖像處理方法處理后的熔池特征與原圖對(duì)比，擬合后熔池輪廓與實(shí)際采集的熔池圖像相符。

3 熔池特征提取

3.1 熔池傾斜角和堆高的提取

假設(shè)熔池整體為圖9中AB連接的斜面，則熔池與CCD攝像機(jī)拍攝圖像有如圖10所示位置關(guān)系。

圖9 焊縫熔池輪廓

圖10 CCD與熔池斜面角度關(guān)系

圖中AB長(zhǎng)度為L(zhǎng)，AB在CCD1拍攝面上的投影為l1，AB在CCD2拍攝面上的投影為l2，β為熔池后托角。根據(jù)熔池和CCD攝像機(jī)的位置三角關(guān)系，可以得出如下方程：

聯(lián)立式（1）、式（2），組成一個(gè)關(guān)于β和L的二元一次方程組。其中l(wèi)1的長(zhǎng)度由CCD1采集的圖片計(jì)算得出，l2的長(zhǎng)度由CCD2所采集的圖片計(jì)算得出。本研究中CCD1和CCD2采集的為同一處的熔池，由于熔池和CCD攝像機(jī)的位置關(guān)系不同，同一段熔池寬度在圖片中的l1和l2的長(zhǎng)度不同，因此選取同一段熔池寬度帶入方程組，從而求得β和L。

由圖8中熔池和CCD攝像機(jī)的三角關(guān)系，可得如下關(guān)系式：

式中 h為熔池堆高。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

在不同參數(shù)下拍攝并計(jì)算熔池高度，表4為不同電流電壓值情況下熔池的傾斜角和熔池高度。CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，隨焊接電流的增大，熱輸入增加，熔池長(zhǎng)度增加的幅度大于熔池高度增大幅度，因此傾斜角β減小。將計(jì)算的熔池堆高與實(shí)測(cè)焊縫堆高對(duì)比，偏差小于0.06 mm，證明雙視覺(jué)特征提取在熔池圖像中的可行性。

表4 不同電流下熔池后托角和熔池堆高

4 結(jié)論

（1）基于GMAW低碳鋼焊接時(shí)的光譜分布特點(diǎn)，采用1 064 nm窄帶復(fù)合濾光系統(tǒng)，獲得了較為清晰的熔池圖像，并且圖像中的電弧對(duì)熔池畫(huà)面干擾小。（2）針對(duì)多視覺(jué)傳感器，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)處理熔池圖像，提取熔池邊緣輪廓。根據(jù)CCD攝像機(jī)與熔池的三角關(guān)系，獲得熔池后托角及堆高，為熔池質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供依據(jù)。

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