基于一維線(xiàn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量焊道高度的方法研究

沈小華 ，陶孟侖 ，張海鷗 ，王桂蘭 ，陳定方

(1 武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所，湖北 武漢 430063；2 華中科技大學(xué) 塑性成形模擬及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

基于一維線(xiàn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量焊道高度的方法研究

沈小華1，陶孟侖1，張海鷗2，王桂蘭2，陳定方1

(1 武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所，湖北 武漢 430063；2 華中科技大學(xué) 塑性成形模擬及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

為了獲取精度高的成形零件，對(duì)熔積成形過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲取熔積層焊道高度信息。采用一維線(xiàn)結(jié)構(gòu)光主動(dòng)視覺(jué)的測(cè)量方法對(duì)熔積層進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)開(kāi)發(fā)的圖像采集軟件對(duì)CCD采集的原始焊道圖像進(jìn)行圖像處理，采用細(xì)化法提取光條中心線(xiàn)，并基于三角測(cè)量原理計(jì)算出熔積層上任意點(diǎn)的累積焊道高度。

金屬零件熔積成形； 一維線(xiàn)結(jié)構(gòu)光； 數(shù)字圖像處理； 機(jī)器視覺(jué)； 熔積層焊道高度

增材制造成形技術(shù)因產(chǎn)品研發(fā)周期短，成形零件綜合力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，逐漸被研究者重視[1]。然而，金屬零件熔積成形是一個(gè)結(jié)合光、電、熱的復(fù)雜過(guò)程，受到零件形狀、高溫、外界因素等多種因素的影響。若不能實(shí)時(shí)獲取熔積層的形貌變化信息，會(huì)導(dǎo)致成形金屬零件質(zhì)量差、精度低。本文基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)熔積層焊道高度進(jìn)行可視化檢測(cè)，對(duì)基于線(xiàn)結(jié)構(gòu)光的熔積層焊道高度測(cè)量原理進(jìn)行研究，對(duì)于提高成形零件的成形質(zhì)量和成形效率有著重要意義[2]。

1 線(xiàn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量幾何模型的建立

1.1 投影方式選擇

線(xiàn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)的投影方式有很多種。為方便建立光路幾何模型，便于設(shè)備的安裝與調(diào)整，應(yīng)將CCD或者激光器正投射于熔積層上(圖1)。

兩種安裝方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：CCD正投影安裝方便緊湊，有利于測(cè)量精度提高，獲取的圖像不需要進(jìn)行末端坐標(biāo)系變換，但是采集到的弧段高度信息滯后；激光器正投影得到的弧段信息不會(huì)滯后，但是安裝不便且圖像運(yùn)算多一次坐標(biāo)變換，影響測(cè)量精度[3]。

由于該裝置需要安裝在微型軋制機(jī)構(gòu)后面，空間有限。綜合考慮測(cè)量精度與安裝的方便性，本文選擇CCD正投影的方式進(jìn)行圖像采集。

(a)CCD正投影

(b)激光器正投影

1.2 基線(xiàn)逐層提升的實(shí)現(xiàn)

本文采用一字型激光器投射主動(dòng)光逐層掃描熔積層獲取焊道高度信息，激光器發(fā)出一束激光面，當(dāng)激光面與熔積層相交時(shí)會(huì)產(chǎn)生一段弧線(xiàn)，而與基準(zhǔn)板相交產(chǎn)生直線(xiàn)(圖2)，相交弧線(xiàn)上的點(diǎn)與直線(xiàn)會(huì)有一些偏移，通過(guò)CCD采集相交線(xiàn)灰度圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理后獲取弧線(xiàn)上相應(yīng)點(diǎn)的偏移值，然后通過(guò)建立的空間幾何模型求出相應(yīng)位置的高度信息。

為了保證基線(xiàn)不離開(kāi)CCD視場(chǎng)，在熔積層堆高的同時(shí)將基線(xiàn)也相應(yīng)抬高。本文利用基準(zhǔn)薄片擋光的方法來(lái)保證基線(xiàn)始終出現(xiàn)在CCD的視場(chǎng)中，同時(shí)避免基線(xiàn)的發(fā)散問(wèn)題(圖3)。

圖 2 一字型激光器掃描示意圖

圖 3 基準(zhǔn)薄片擋光示意圖

1.3 攝像機(jī)光路幾何模型建立

攝像機(jī)光路幾何模型是對(duì)攝像機(jī)光學(xué)成像關(guān)系的簡(jiǎn)化，它是進(jìn)行數(shù)字圖像處理定量分析的基礎(chǔ)，利用相機(jī)幾何模型可以將三維空間點(diǎn)和二維圖像點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。本文采用針孔模型作為光學(xué)成像簡(jiǎn)化模型，它是以透鏡的成像原理推出(圖4)。

圖 4 透鏡成像原理示意圖

當(dāng)圖像平面和拍攝物體分別位于投影中心兩側(cè)時(shí)，這種針孔模型叫做后投影模型，反之為前投影模型。在實(shí)際數(shù)字圖像處理中，圖像采集卡傳送給圖像采集軟件的是物體的正像，前投影模型更符合人類(lèi)的視覺(jué)習(xí)慣，本文采用前投影模型作為攝像機(jī)光路幾何模型(圖5)。其中投影中心Oc即為攝像機(jī)鏡頭位置，圖像平面到鏡頭距離為焦距f，而Zc與光路主軸重合，即CCD攝像機(jī)的觀察方向[4]。

圖 5 前投影模型

2 線(xiàn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量焊道高度原理

本文采用CCD正投影的方式，激光器發(fā)射激光面與熔積層相交產(chǎn)生斜截面，以經(jīng)過(guò)CCD光軸的熔積層橫截面建立跟隨坐標(biāo)系。X軸為焊槍的移動(dòng)方向，Y軸為基線(xiàn)所在方向，Z軸平行于CCD光軸，定義X-Y面為基準(zhǔn)面，見(jiàn)圖6?；【€(xiàn)ACB投射到熔積層上的激光線(xiàn)，其中點(diǎn)A和點(diǎn)B分別為激光弧線(xiàn)的左右端點(diǎn)，A1A0和B1B0為投射在薄板上的激光線(xiàn)，即基線(xiàn)。角α即為光軸與入射激光面的夾角。

圖 6 斜截面激光三角測(cè)量原理示意圖

過(guò)激光弧線(xiàn)ACB上任一點(diǎn)C向平面OXY作垂線(xiàn)CH交于H點(diǎn)，則CH⊥HO。由空間幾何理論可以證明角α即為激光入射面與平面OXY的夾角，可以證明熔積層激光線(xiàn)上的任一點(diǎn)采用類(lèi)似方式獲得的三角形都是相似的，線(xiàn)段CH的長(zhǎng)度即為熔積層上點(diǎn)C相對(duì)于基線(xiàn)的焊道高度，又由

|CH|=|HO|×tanα

可知，只要確定了線(xiàn)段HO的長(zhǎng)度就可以求出熔積層上任意點(diǎn)相對(duì)于基線(xiàn)的高度信息，通過(guò)數(shù)字圖像處理獲得點(diǎn)H和點(diǎn)O對(duì)應(yīng)于像素坐標(biāo)系下的像素點(diǎn)之間的偏差，然后乘以標(biāo)定獲得的比例系數(shù)dx，得到跟隨坐標(biāo)系下線(xiàn)段HO的物理長(zhǎng)度，同理可以求出激光弧線(xiàn)上所有點(diǎn)的相對(duì)焊道高度。

在進(jìn)行第i層熔焊時(shí)，設(shè)熔積層激光弧線(xiàn)在平面OXY的投影弧線(xiàn)上的任意點(diǎn)P(x,y)到基線(xiàn)的偏差為Si(x,y)，基準(zhǔn)薄片到基準(zhǔn)板的初始距離h0，相對(duì)基準(zhǔn)薄板的高度為hi(x,y)，完成第i層堆焊后焊槍的提升高度為ti，即機(jī)器人Z軸運(yùn)動(dòng)量，則堆積第i層熔積層激光弧線(xiàn)上的點(diǎn)(x,y)的累積焊道高度

3 焊道圖像采集及處理

3.1 圖像采集軟件開(kāi)發(fā)

本文基于MFC作為圖像采集軟件界面開(kāi)發(fā)工具，在VisualStudio2012開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成界面設(shè)計(jì)及編程工作，基于Opencv計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)完成數(shù)字圖像處理算法實(shí)現(xiàn)。圖像采集軟件包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、焊道高度計(jì)算模塊(圖7)。

圖 7 圖像采集軟件界面

3.2 圖像預(yù)處理

由于金屬零件熔積成形環(huán)境較為惡劣，CCD采集的灰度圖像在不同程度上會(huì)受到噪聲的干擾，影響了熔積層焊道高度的測(cè)量精度，因此對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理對(duì)于提高系統(tǒng)測(cè)量精度有重要意義。本文選用中值濾波的方法對(duì)采集的灰度圖像進(jìn)行濾波處理。

中值濾波是一種非線(xiàn)性處理的去噪方法，將原像素點(diǎn)鄰域內(nèi)的灰度值(包括原像素值)進(jìn)行排序后獲得一個(gè)灰度值序列{x1,x2,x3,...,xn}，則用這個(gè)序列的中值y替換原像素點(diǎn)的灰度值。本文實(shí)驗(yàn)圖像經(jīng)過(guò)中值濾波處理后如圖8所示。

圖 8 中值濾波處理圖像

3.3 圖像二值化

為了實(shí)現(xiàn)背景與激光線(xiàn)分割，去掉不必要圖像信息的干擾，方便后續(xù)的熔積層激光弧線(xiàn)提取及高度計(jì)算，有必要對(duì)采集的圖像進(jìn)行二值化處理，即像素的灰度值只有0和255。二值化的基本思想是選取合適的閾值，對(duì)圖像像素點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，與閾值進(jìn)行比較，超過(guò)閾值的像素點(diǎn)將其灰度值賦值255，低于閾值的像素點(diǎn)將其灰度值賦值0。

本文采集的焊道圖像是一系列類(lèi)似圖像，處理方式相同，經(jīng)測(cè)試只要設(shè)置閾值在250～254之間都能滿(mǎn)足要求，因此本文采用手動(dòng)設(shè)置閾值的方式進(jìn)行圖像二值化處理，獲得的二值化圖像見(jiàn)圖9。

圖 9 手動(dòng)設(shè)置閾值253獲得二值化圖像

3.4 熔積層激光弧線(xiàn)細(xì)化及提取

采集的焊道圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理、二值化處理后獲得的激光條紋仍然很粗，不便于后續(xù)焊道高度計(jì)算，對(duì)激光條紋中心線(xiàn)的提取是整個(gè)測(cè)量過(guò)程的關(guān)鍵步驟之一。本文采用細(xì)化法對(duì)激光條紋中心線(xiàn)進(jìn)行提取，經(jīng)過(guò)細(xì)化法處理的二值化圖像見(jiàn)圖10[5]。

圖10 細(xì)化法提取激光條紋中心線(xiàn)結(jié)果

為了實(shí)現(xiàn)熔積層焊道高度計(jì)算，需要提取熔積層激光弧線(xiàn)光點(diǎn)坐標(biāo)并存入數(shù)組中。本文采用熔積層激光弧線(xiàn)掃描算法提取光點(diǎn)坐標(biāo)，由于基準(zhǔn)薄板位置固定，設(shè)定掃描區(qū)間為[107,280], 增加上限閾值T，設(shè)定T=155。M為跳變閾值，根據(jù)實(shí)際情況選擇，本文設(shè)定M=20。本文所采用的熔積層激光弧線(xiàn)掃描算法具體實(shí)施步驟如下：

1)從左至右對(duì)圖片逐點(diǎn)掃描，若在掃描區(qū)間中第一次掃描到光點(diǎn)(xi,yi)，則以此為基準(zhǔn)向右推進(jìn)并逐個(gè)判斷：

a)當(dāng)掃描到下一光點(diǎn)(xi+1,yi+1)時(shí)，則對(duì)其進(jìn)行判斷，若兩個(gè)光點(diǎn)滿(mǎn)足|yi+1—yi|>20，并且yi<155，則第一次掃描到的基準(zhǔn)光點(diǎn)為熔積層激光弧線(xiàn)邊界點(diǎn)，若不滿(mǎn)足判定式，則繼續(xù)向右掃描；

b)若在掃描30步內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)光點(diǎn)，且滿(mǎn)足yi<155，則第一次掃描到的基準(zhǔn)光點(diǎn)為熔積層激光弧線(xiàn)邊界點(diǎn)；

c)若在同一掃描線(xiàn)上掃描出多個(gè)光點(diǎn)，則取這些光點(diǎn)中縱坐標(biāo)最小的點(diǎn)。

2)若在掃描區(qū)間內(nèi)均為發(fā)現(xiàn)光點(diǎn)，則表示此時(shí)基準(zhǔn)薄板中間無(wú)熔積層激光弧線(xiàn)。

3)將掃描到的熔積層激光弧線(xiàn)光點(diǎn)坐標(biāo)存入數(shù)組中，方便后續(xù)的高度計(jì)算。通過(guò)熔積層激光弧線(xiàn)掃描算法提取的激光線(xiàn)見(jiàn)圖11。

圖11 采用熔積層激光弧線(xiàn)掃描算法提取結(jié)果

4 總結(jié)

本文對(duì)一維線(xiàn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量焊道高度的非接觸式測(cè)量方法進(jìn)行研究，通過(guò)開(kāi)發(fā)的圖像采集軟件對(duì)CCD采集的焊道圖像進(jìn)行一系列圖像處理，獲得了

信息較為完整的二值化圖像。以熔積層激光弧線(xiàn)掃描算法提取熔積層激光線(xiàn)坐標(biāo)，保證了焊道高度計(jì)算的可靠性，為視覺(jué)引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行高質(zhì)量的三維熔積成形打下基礎(chǔ)。

[1] 張海鷗,王 超,胡幫友,等.金屬零件直接快速制造技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].航空航天技術(shù),2010(08):43-46.

[2] 孟 飛，張海鷗，王桂蘭. 基于工業(yè)機(jī)器人的快速制造原型技術(shù)[J].機(jī)床與液壓，2010(10):126-128.

[3] 王慧玲.基于機(jī)器視覺(jué)的焊縫缺陷檢測(cè)技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2008.

[4] 曾圣璞.基于線(xiàn)結(jié)構(gòu)光的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2009.

[5] 許 寧. 線(xiàn)結(jié)構(gòu)光光條圖像處理方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2007.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

Study on Measurement Method of Bead Height Based on One-dimensional Line Structure Light

SHEN Xiaohua, TAO Menglun, ZHANG Hai′ou, WANG Guilan, CHEN Dingfang

(1IntelligentManufacturingandControlInstitute,WuhanUniv.ofTech.,Wuhan430063,China;2StateKeyLaboratoryofPlasticFormingSimulationandDie&MouldTech.,HuazhongUniv.ofSci.andTech.，Wuhan430074,China)

In order to obtain high precision forming parts, the study carried a real-time monitoring of deposition forming process to get the height information deposition layer bead. It then used one-dimensional structured light measurement method of active vision to detect the deposition layer. By the developing image acquisition software for the original weld image acquisition of CCD for image processing, and used the refinement of the method extracting the light strip center line. Based on the principle of triangulation, it finally calculated the cumulative bead height on the powder deposition layer at any point.

the forming of metal parts deposition; one-dimensional structured light; digital image processing; machine vision;the bead height of the powder deposition layer

2015-04-20

沈小華(1991-)，男，湖北來(lái)鳳人，武漢理工大學(xué)本科生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化

1003-4684(2015)04-0112-04

TP391.4

A