CO2焊熔池圖像采集與處理研究

劉曉剛　黃詩　劉天元

摘 要：本文用視覺檢測系統(tǒng)采集二氧化碳焊熔池的圖像，對熔池圖像用Matlab軟件進(jìn)行處理和邊緣提取，獲得高質(zhì)量的熔池圖像，為進(jìn)一步進(jìn)行熔池圖像處理和焊縫跟蹤技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：熔池圖像；圖像處理；邊緣提取

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.026

0 引言

科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，焊接機(jī)器人在焊接領(lǐng)域占有舉足輕重的地位，焊接過程中，焊接自動(dòng)化直接影響焊接的質(zhì)量。近幾年許多研究者利用CCD相機(jī)獲取熔池圖像，將獲取的圖像利用Matlab軟件對圖像進(jìn)行處理，獲得清晰的熔池圖像[1-2]。影響焊接質(zhì)量的因素很多，其中焊縫寬度最為突出，只有獲得清晰的熔池圖像才能為后續(xù)的研究做好準(zhǔn)備。熔池的幾何形狀可以為后續(xù)的焊縫跟蹤技術(shù)奠定基礎(chǔ)[1]。但是，焊接時(shí)弧光干擾和飛濺成為獲得清晰圖像的主要障礙[3]。為了掃清這一障礙不少研究人員也提出了解決辦法。

1 CO2焊熔池視覺系統(tǒng)

目前計(jì)算機(jī)不斷更新，各硬件和軟件的不斷升級，許多研究者用圖像傳感設(shè)備使許多機(jī)器人也具備了一定視覺功能。它們既具有焊接工人的視覺感知能力，也可以獲取飛濺干擾下的焊縫圖像、實(shí)時(shí)提取焊接熔池特征參數(shù)、預(yù)測焊縫的組織結(jié)構(gòu)和性能等工作，確保焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定和可靠[4]。建立如圖1所示的CO2熔池視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)由焊接電源、機(jī)械手、焊機(jī)控制箱、計(jì)算機(jī)、采集卡、近紅外CCD、濾光片、試件、工作臺(tái)等部分組成[5]。焊接試驗(yàn)采用短路過渡二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，電弧電壓15V，焊接電流 100A，焊接速度 1200mm/min，板材為低碳鋼，板厚6mm，焊絲為￠1.2mm，氣體流量為20L/min。焊接時(shí)CCD攝像機(jī)將熔池圖像信息傳送給圖像采集卡，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給計(jì)算機(jī)，經(jīng)過處理后提取出清晰的熔池圖像，如圖2。

2 圖像預(yù)處理

由于CCD攝像機(jī)自身的特點(diǎn)，在采集熔池圖像的過程中，往往會(huì)受到許多因素干擾，產(chǎn)生很大的噪聲。通常消除噪聲的方法有兩類：一類是不考慮噪聲產(chǎn)生的原因，只顯示對我們有用的部分，弱化不重要的信息；另一類是考慮噪聲的來源，對其補(bǔ)償，使補(bǔ)償后的圖像非常接近原圖像。第一類降噪的常用方法有均值濾波、圖像平滑等，這類方法可以降低一定的噪聲，但是需要較好的算法，否則圖像會(huì)變得更加模糊。第二類方法主要包括逆濾波器、最小二乘約束復(fù)原等方法，這類方法有時(shí)能獲得較好的效果，但是算法相當(dāng)復(fù)雜[6]。 針對采集到的熔池圖像普遍存有水平條紋這個(gè)特點(diǎn)，通常選擇圖像濾波對圖像進(jìn)行預(yù)處理。

2.1 熔池圖像的濾波去噪

在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，圖像噪聲可以分為加性噪聲和乘性噪聲，數(shù)學(xué)公式如下表示：

g（x，y）= f（x，y）+n（x，y） （1）

g（x，y）= f（x，y）*n（x，y） （2）

公式中g(shù)（x，y）表示處理后的圖像，f（x，y）表示圖像輸入信號，n（x，y）表示干擾信號。其中加性噪聲的圖像信號強(qiáng)度不隨噪聲的變化而變化；而乘性噪聲的圖像信號強(qiáng)度會(huì)隨噪聲的變化而變化。

2.2 均值濾波

在焊接過程中，由于熔池圖像中存在噪聲顆粒使得焊接過程中的熔池圖像的灰度往往會(huì)發(fā)生突變，此時(shí)我們對圖像進(jìn)行均值濾波處理。均值濾波的核心方法是鄰域平均法，用平均值來代替原圖像中的單個(gè)的像素值是均值濾波的核心理論。例如，有一張剛采集的熔池圖像，取圖像上的一個(gè)像素點(diǎn)A（x，y），以點(diǎn)A（x， y）為中心的領(lǐng)域的各點(diǎn)形成模塊，對模塊的各點(diǎn)取均值，最后把A（x，y）的值用均值代替，此時(shí)點(diǎn)A的值為其灰度 g（x0，y0），如公式（3）所示：

均值濾波的主要特點(diǎn)是算法比較簡單和計(jì)算速度快，但它是不能很好地保護(hù)圖像細(xì)節(jié)，使圖像邊緣變得更加模糊。通常的解決辦法是取閾值，用所取的閥值與像素的灰度值進(jìn)行比較，如果大于閥值，則用閥值代替，如果小于閥值就保持不變。通常表示為：

對熔池圖像用均值濾波處理，如圖3所示。

3 熔池圖像邊緣提取

經(jīng)過預(yù)處理得到的熔池圖像仍有少部分被弧光所掩蓋，只有提取出完整的熔池邊緣，就可以獲得較好的熔池形狀。

邊緣提取的本質(zhì)思想使離散點(diǎn)連續(xù)化。本文用Sobel算子對熔池圖像進(jìn)行邊緣檢測，其計(jì)算公式如下所示：

Tx=[f（x+1，y-1）+2*f（x+1，y）+f（x+1，y+1）]-[f（x-1，y-1）+2*f（x-1，y）+f（x-1，y+1）]

Ty=[f（x-1，y+1）+2*f（x，y+1）+f（x+1，y+1）]-[f（x-1，y-1）+2*f（x，y-1）+f（x+1，y-1）]

通過計(jì)算可知 Sobel 算子卷積模板為：

用Sobel算子進(jìn)行邊緣提取，如圖4。

4 結(jié)論

（1）利用機(jī)器人視覺獲得到清晰的二氧化碳焊的熔池圖像。

（2）將得到的熔池圖像利用均值濾波處理，得到我們需要部分。

（3）采用Sobel檢測算子對圖像進(jìn)行邊緣檢測，得到完整的熔池邊緣。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉明濤，高向東，陳建輝等.基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的熔池圖像處理[J].焊接，2008（05）：29-32.

[2]Gao X D，Na S J. Detection of weld position and seam tracking based on Kalman filtering of weld pool images [J]. J.Manuf.Syst.2005，24（01）：1-12.

[3]汪巖峰，劉南生，林浩亮等.基于結(jié)構(gòu)光投影的焊接熔池圖像獲取與處理[J].焊接學(xué)報(bào)，2008，29（10）：81-84.

[4]陳強(qiáng)，孫振國.計(jì)算機(jī)視覺傳感技術(shù)在焊接中的應(yīng)用[J].焊接學(xué)報(bào)，2001，01（22）：83.

[5]劉曉剛，張成鋒.二氧化碳保護(hù)焊熔池圖像增強(qiáng)技術(shù)研究[J].輕工科技，2013（01）：52-53.

[6]章夔晉.圖像處理與分析[J].北京清華大學(xué)出版社，2000.

作者簡介：劉曉剛（1964-），男，內(nèi)蒙古包頭人，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事：焊接機(jī)器人方面的科研和教學(xué)工作。