基于圖像技術(shù)的電阻點焊電極對中性檢測系統(tǒng)

唐國坤，李彥清，張清芳，劉雙宇，任濤

（1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022；2.長春理工大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130022）

電阻點焊是將工件裝配成搭接接頭形式，夾緊于兩電極之間，通以電流，利用電阻熱溶化板材，使兩個分離表面的金屬原子達(dá)到晶格距離形成金屬鍵，在結(jié)合面上產(chǎn)生足夠的共同晶粒，從而形成焊點的焊接方法［1］。作為一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的重要金屬連接方法，點焊已經(jīng)在電子工業(yè)、儀表、白色家電等行業(yè)的裝配連接上得到了廣泛應(yīng)用，同時也大量應(yīng)用于車輛制造、航空、航天工業(yè)等［2］。尤其是在汽車制造業(yè)中，轎車白車身的焊接幾乎全部靠點焊的方法來完成，點焊的質(zhì)量對轎車車身的質(zhì)量有很大的影響，因此保證點焊的質(zhì)量就顯得格外重要。

影響焊接質(zhì)量的因素有焊接電流、焊接電阻、焊接壓力、焊接時間、焊接材料的表面狀況等。關(guān)于焊接過程中電極失效問題，南昌航空大學(xué)帥歌旺等人研究了鉻鋯銅電極在電阻點焊鍍鋅鋼板時的失效形式，其研究中監(jiān)測了電極內(nèi)部組織及其硬度、導(dǎo)電性能在焊接過程中的動態(tài)變化，表明鉻鋯銅電極的失效形式主要是塑性變形、合金化和坑燭［3］。Micheal A等人在銅電極表面電鍍一層鎳來改善電極的抗燒損性能，研究結(jié)果表明：不同的電極表面粗糙度及鎳鍍層厚度都影響其對改善電極壽命的效果；同時還指出不管采用怎樣的工件清理方法，用不帶鍍層的電極進(jìn)行焊接，電極與工件之間的粘連是不可避免的［4］。Ulrich Dilthey等人對影響電極壽命的鋁合金點焊電極燒損過程進(jìn)行了冶金分析［5］。程方杰從鋁合金點焊的接觸電阻問題入手，對鋁合金點焊過程中，電極燒損的機(jī)理及其主要影響因素進(jìn)行了研究［6］。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所的劉要武利用高功率密度激光在銅基材料表面涂敷一層具有優(yōu)異性能的鎳基合金層來提高材料硬度［7］。劉丹通過對鋁合金點焊電極燒損失效機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，點焊時電極與鋁合金工件接觸面間的不均勻點接觸造成通電瞬間局部小爆炸致使電極端面局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，這種局部的塑性變形反過來又加劇了電極與工件接觸面間的不均勻點接觸，由不均勻點接觸引起的局部小爆炸和銅鋁合金交互作用，使電極失效速度加快［8］。當(dāng)焊接裝置使用一段時間后，焊鉗及機(jī)械手臂會發(fā)生一部分塑性形變及材料損耗，從而使上下電極帽的對中性發(fā)生改變［9］。電極對中性因素，包括上下電極的同軸度檢測及上下電極的空間角度，會直接影響焊接過程中的電流、電阻、壓力等因素。當(dāng)上下電極軸線不在同一直線時，上下電極帽會產(chǎn)生偏移，使焊點形狀改變，增大焊點面積。焊點面積增大會使焊接電阻減小，進(jìn)而使焊接電流增大，直接影響焊接質(zhì)量［10］。當(dāng)上下電極帽的軸線在空間出現(xiàn)角度時，會使焊點面積減小，焊接壓力增大，焊接電阻增大，焊接電流減小，從而直接影響焊接質(zhì)量。電極對中性的好壞，不只影響焊接質(zhì)量，對電極壽命也有很大的影響。

現(xiàn)階段電極對中性的判斷仍以肉眼觀察為主，借助于直尺進(jìn)行測量和調(diào)整。這種方法誤差較大，實際生產(chǎn)中也會造成不便，使生產(chǎn)效率降低［11-12］。本檢測裝置通過兩臺工業(yè)CCD相機(jī)從同一平面內(nèi)兩個互相垂直角度拍攝電阻點焊上下焊鉗的圖像，經(jīng)圖像處理擬合出焊鉗電極帽的軸線，計算出兩軸線空間夾角及電極帽中心點的距離，為焊鉗的調(diào)整或電極帽的更換提供依據(jù)。

1 測量系統(tǒng)

1.1 電阻點焊機(jī)

本裝置測量的電阻點焊機(jī)用于白車身焊接，點焊機(jī)如圖1所示。上下電極加壓，利用焊接區(qū)金屬的電阻熱和在壓力作用下的塑性變形，使接合面的金屬原子之間達(dá)到晶格距離，形成金屬鍵，產(chǎn)生足夠的共同晶粒，在外壓力作用下得到焊點、焊縫或?qū)咏宇^。

圖1 電阻點焊機(jī)

1.2 系統(tǒng)組成

測量系統(tǒng)由兩個工業(yè)照相機(jī)、千兆交換機(jī)、AD轉(zhuǎn)換卡、兩個對準(zhǔn)激光器和計算機(jī)組成。其測量系統(tǒng)原理如圖2所示。使用相機(jī)專用三腳架固定兩臺CCD相機(jī)處于同一平面上且互相垂直，如圖3所示。

圖2 測量系統(tǒng)原理圖

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 圖像采集及處理

由于本裝置需要拍攝兩組垂直方向上焊鉗的清晰圖像，兩臺相機(jī)需要同時對焦到焊鉗位置。該裝置采取點狀紅光對準(zhǔn)方案，兩臺CCD相機(jī)上裝有紅光點狀激光發(fā)射器，經(jīng)調(diào)整后固定于相機(jī)上，當(dāng)兩束激光斑點均對準(zhǔn)焊鉗中點時，焊鉗即處于兩臺相機(jī)全部清晰處。在焊鉗后放置藍(lán)色背景，兩個相互垂直的相機(jī)分別獲取電極在XY面和XZ面的圖像，如圖4所示。

圖4 電極帽XY面、XZ面圖像

圖像信號在采集、傳輸和保存等不同的階段均會受到多種不同因素的干擾而遭受不同類型的噪聲污染，由此會嚴(yán)重影響圖像特征提取、圖像變換、圖像編碼等系列后續(xù)處理過程［13］，因此需要在檢測前對圖像進(jìn)行濾波降噪處理。增加藍(lán)色背景后，電極帽顏色與背景顏色具有較大差異，可以輕松完成背景建模，將藍(lán)色背景替換為純藍(lán)色，以便使邊緣提取更準(zhǔn)確。采用Canny算子的方法提取圖像邊緣，使用變分法，尋找優(yōu)化特定功能的函數(shù)。最優(yōu)檢測使用四個指數(shù)函數(shù)項表示，近似于高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)。具體方法可以分為以下5個步驟：（1）應(yīng)用高斯濾波來平滑圖像，目的是去除噪聲；（2）找尋圖像的強(qiáng)度梯度；（3）應(yīng)用非最大抑制技術(shù)來消除邊誤檢；（4）應(yīng)用雙閾值的方法來決定可能的（潛在的）邊界；（5）利用滯后技術(shù)來跟蹤邊界［14］。將焊鉗圖像的有效區(qū)域提取出來。在電極帽圖像兩側(cè)邊緣按一定的步長取邊緣點坐標(biāo)并計算出中點坐標(biāo)，采用最小二乘法擬合兩電極的中心軸線。由兩組中心軸線計算出焊鉗的偏移距離和角度。

1.4 電極帽軸線擬合及同軸度計算

在三維空間中設(shè)沿下電極軸向為X方向，電極端面為Y方向，與X、Y方向垂直的為Z向。采用計算機(jī)圖像處理技術(shù)獲得電極在二維平面上的方位數(shù)據(jù)。工業(yè)相機(jī)像素是3456X4068，通過調(diào)整鏡頭焦距、方位，獲得兩電極完全、清晰的圖像。在本系統(tǒng)中，經(jīng)過標(biāo)定每個像素對應(yīng)電極的尺寸是0.028mm。取物高150mm，測量精度小于0.2mm。

如圖4在取景框內(nèi)取電極帽有效圖像。利用Canny算法提取電極帽圖像，用濾波法去除邊緣效應(yīng)，得到焊鉗有效部位的圖像［15］。取有效圖像中心點，用最小二乘法擬合出電極帽軸線，如圖5所示。

圖5 擬合電極帽的XY、XZ面軸線

設(shè)XY面上電極軸線的直線方程為：

設(shè)XY面下電極軸線的直線方程為：

根據(jù)軸線的直線方程可計算出兩軸線在中心點的距離Dxy。

XZ面上電極軸線的直線方程為：

XZ面下電極軸線的直線方程為：

根據(jù)軸線的直線方程可計算出兩軸線在中心點的距離Dxz。從而計算出兩軸線在中心點的空間距離。

根據(jù)兩個面上的直線方程可以獲得上電極軸線的空間直線方程：

和下電極軸線的空間直線方程：

根據(jù)兩條直線的空間方程可計算出空間的夾角和距離。在上軸線上任意取2個點形成空間向量(a1,a2,a3)，在下軸線上任意取2個點形成空間向量(b1,b2,b3)，兩向量的夾角即為兩直線的空間夾角θ。

在上下軸線各任取一點構(gòu)成空間向量(c1,c2,c3)，則兩軸線的空間距離為d：

測量界面如圖6所示。

圖6 測量界面

其中，頂點距離為上下電極軸線在兩電極中點并垂直于下電極軸線所在平面內(nèi)的距離?？臻g夾角即上下電極軸線的空間夾角。

1.5 誤差分析

影響本裝置測量精度的因素有相機(jī)安裝精度、現(xiàn)場光線、邊緣提取的準(zhǔn)確性等。

相機(jī)安裝精度對測量有很大影響，應(yīng)盡可能使兩相機(jī)焦點重合，否則會出現(xiàn)其中一個相機(jī)無法對焦，甚至出現(xiàn)電極帽無法出現(xiàn)在取景框內(nèi)的情況。為此特別在相機(jī)安裝處分別精加工一個相機(jī)安裝定位槽，便于相機(jī)安裝時的位置確定，提高相機(jī)安裝精度。

現(xiàn)場光線對于電極帽邊緣提取影響很大，過暗或過亮的光線會使背景與電極帽很難區(qū)分，使邊緣提取增加難度。對此該裝置應(yīng)用相機(jī)的自動曝光和曝光增益功能來調(diào)整圖像清晰度，如果突然出現(xiàn)光線明暗變化較大的時刻，應(yīng)使相機(jī)穩(wěn)定數(shù)秒后繼續(xù)測量。

在相機(jī)固定位置精確，對焦清晰的情況下，邊緣提取的準(zhǔn)確性直接影響測量精度。經(jīng)過多次試驗，確定高斯濾波器大小，以達(dá)到較好的去噪效果，以便更好提取邊緣信息。閾值的高低會對邊緣信息的提取產(chǎn)生影響。設(shè)置的閾值過高，可能會漏掉重要信息；閾值過低，將會把枝節(jié)信息看得很重要。使用雙閾值算法可以更準(zhǔn)確的確定邊緣信息，達(dá)到很高的測量精度，滿足工業(yè)檢測要求。

2 實驗結(jié)果

2.1 測量方法

本次測量的電極帽分兩種型號，直徑分別為16mm和13mm，分別用編號A和B表示。為了檢驗該測量方法及系統(tǒng)的測量效果及精度，安裝固定了一系列具有軸線夾角和空間距離的電極帽，如圖3所示。采用美國FARO三坐標(biāo)測量儀（圖7）測量兩個電極帽軸線的空間距離和空間夾角，作為測量結(jié)果的參考標(biāo)準(zhǔn)。

測量時，在實際應(yīng)用環(huán)境中，對每組電極帽進(jìn)行三次測量，得到三組空間距離和軸線夾角的測量值，計算三次測量值的平均值，并與三坐標(biāo)測量儀測量值進(jìn)行比對。（以下表格中測量值均為三次測量的平均值）。

圖7 美國FARO三坐標(biāo)測量儀

2.2 測量結(jié)果

2.2.1 空間距離測量結(jié)果比較，用本裝置的空間距離的測量結(jié)果，與美國FARO三坐標(biāo)測量儀測量值進(jìn)行對比，得到絕對誤差值，如表1所示。

表1 空間距離測量結(jié)果

2.2.2 軸線空間夾角測量結(jié)果比較，用本裝置的軸線空間夾角的測量結(jié)果，與美國FARO三坐標(biāo)測量儀測量值進(jìn)行對比，得到絕對誤差值，如表2所示。

表2 軸線空間夾角測量結(jié)果

3 結(jié)論

設(shè)計了電阻點焊電極對中性的檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有較好的實用性。

綜合利用了傳統(tǒng)閾值分割算法和背景建模方法，采取先背景建模，消除背景噪音干擾，再進(jìn)行閾值分割，提高了分割的準(zhǔn)確性。

應(yīng)用最小二乘法擬合電極軸線計算出的空間距離及角度，滿足精度要求。

實驗表明，該系統(tǒng)使用方便，可在實驗室或生產(chǎn)線等多種環(huán)境下使用。

經(jīng)試驗驗證，空間距離精度小于0.2mm，軸線夾角精度小于0.5°，完全可以達(dá)到工業(yè)檢測要求。