專利名稱：一種電子束焊接熔池形狀參數(shù)的視覺檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子束焊接熔池形狀參數(shù)的視覺檢測方法，特別是一種電子束焊接熔池形狀參數(shù)的視覺檢測方法。
背景技術(shù)：
對熔池圖像進(jìn)行處理的最終目的是獲取熔池寬度、熔池半長和熔池后拖角等與焊接質(zhì)量有關(guān)的表面形狀參數(shù)，進(jìn)而建立表面形狀參數(shù)和焊接規(guī)范之間的數(shù)學(xué)模型，為實(shí)現(xiàn)焊接過程自動(dòng)控制提供理論依據(jù)。因此，從焊件正面檢測熔池形狀參數(shù)對于實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。目前，陳章蘭等人雖然在電焊機(jī)(2005，Vol35, No. 2 :58_61)上發(fā)表的“基于視覺傳感的焊縫中心檢測技術(shù)研究”，提出了采用傳統(tǒng)的邊緣檢測算子處理熔池圖像的技術(shù)，但該方法同樣存在弊端，該方法對空域邊緣檢測算子對噪聲都比較敏感，并且常常會(huì)在檢測邊緣的同時(shí)加強(qiáng)噪聲。電子束焊接過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高溫金屬蒸汽以及電磁干擾，使得焊接熔池圖像背景噪聲十分強(qiáng)烈，采用以上邊緣檢測方法效果較差，無法獲得完整的電子束焊接熔池邊緣。王建軍等人在機(jī)械工程學(xué)報(bào)(2003，Vol39，No. 5:125-129)上發(fā)表的“鋁合金TIG焊熔池圖像的獲取與處理”，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換檢測鋁合金TIG焊熔池特征，但是該方法的程序復(fù)雜，計(jì)算量大，不便于實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有熔池圖像處理中存在噪聲干擾大，無法獲得連續(xù)， 光滑的電子束焊熔池邊緣的問題，而提供一種電子束焊接熔池形狀參數(shù)的視覺檢測方法。本發(fā)明的一種電子束焊接熔池形狀參數(shù)的視覺檢測方法具體過程如下步驟A、將待焊工件放入真空室內(nèi)固定；步驟B、啟動(dòng)真空室內(nèi)攝像機(jī)，對電子束焊彩色熔池圖像視覺傳感系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定 一、以焊接工件表面的焊接起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)0，焊接方向?yàn)棣遁S正方向，垂直于焊接方向向下為y軸正方向，建立坐標(biāo)系oxy，即為工件坐標(biāo)系；二、然后以工件坐標(biāo)系為參照系畫一組同心圓，其中最小圓的半徑為1毫米，每個(gè)同心圓的半徑以1毫米為單位遞增，最小的圓與 oy軸的交點(diǎn)為A點(diǎn)，最小的圓與ox軸的交點(diǎn)為B點(diǎn)；三、對步驟二所畫的坐標(biāo)系進(jìn)行拍照； 四、以照片平面的左上角為原點(diǎn)0，原點(diǎn)0正下方為Y軸正方向，與Y軸垂直向右為X軸正方向，建立坐標(biāo)系0ΧΥ，即為圖像坐標(biāo)系；五、然后通過下列公式計(jì)算出圖像坐標(biāo)系中單位像素在工件坐標(biāo)系中xy方向上的實(shí)際尺寸
_8]義如-丄,…2
_9] 如-對1普W Wx為熔池寬度；wy為熔池長度；X。為圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)；XB為圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)B點(diǎn)；Xa為圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)A點(diǎn)；步驟C、提取熔池圖像邊緣(1)采用二值形態(tài)學(xué)提取熔池圖像邊緣，具體過程如下設(shè)熔池圖像灰度值為 0 255，設(shè)熔池圖像灰度閾值為k，將比k大的熔池圖像灰度值設(shè)為W1 (k)，平均灰度值為 M1GO,方差為O1GO ；將比k小的熔池圖像灰度值設(shè)為W2 (k)，，平均灰度值為M2(k)，方差為 02(k)；設(shè)熔池圖像灰度值的總平均值為Mt，則類內(nèi)方差σ頭間方差σ.和灰度值的總平均值Mt的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為σ2ψ = w1u12 + w2g22σ] = W1 (M1 -Mr) + W1 {Μλ - M1) = —
Ol + ^2)
O1 + w2)當(dāng)a〗/c4取得最大值，即σ〗為最大值，σ為最小值時(shí)，閾值k為最佳閾值，通過最佳閾值k對圖像進(jìn)行閾值分割，將圖像轉(zhuǎn)化為目標(biāo)和背景分離的二值圖像；(2)熔池圖像腐蝕處理通過以下數(shù)學(xué)表達(dá)式獲得熔池圖像腐蝕E (X)的處理結(jié)果E(X) ={α\Βο^Χ}=ΧΘΒ其中，X為被處理圖像；B為結(jié)構(gòu)元素；a為像素點(diǎn)；(3)熔池圖像膨脹處理通過以下數(shù)學(xué)表達(dá)式獲得熔池圖像膨脹D (X)的處理結(jié)果D(X) ={α\ αηΧ}=ΧΦ 其中，X為被處理圖像；B為結(jié)構(gòu)元素；a為像素點(diǎn)；(4)熔池圖像邊緣檢測，具體過程如下熔池圖像邊緣F(X)是通過熔池圖像膨脹 D(X)與熔池圖像腐蝕E(X)相減獲得的，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式所示F (X) =D (X) -E (X)步驟D、對熔池形狀參數(shù)進(jìn)行提取，具體過程如下(1)熔寬的提取在圖像坐標(biāo)系OXY中以熔池中心點(diǎn)0(XQ，YQ)為起點(diǎn)沿oy方向搜索邊緣點(diǎn)，當(dāng)遇到邊緣點(diǎn)A時(shí)停止搜索，記下A點(diǎn)的坐標(biāo)值A(chǔ) (XA，Ya)，則熔池寬度Wa的計(jì)算公式為Wa =Ya)2 + Y^2通過系統(tǒng)標(biāo)定后得到的圖像像素與實(shí)際尺寸的對應(yīng)關(guān)系即可得到熔寬的實(shí)際尺寸wb，具體計(jì)算公式如下Wh = 2w -Iri)' +(Y-V:y上式所述的Wy為熔池長度；(2)熔池長度的提取在圖像坐標(biāo)系OXY中以熔池中心點(diǎn)O(Xc^Yci)為起點(diǎn)沿ox方向搜索邊緣點(diǎn)，當(dāng)遇到邊緣點(diǎn)B時(shí)停止搜索，記下B點(diǎn)的坐標(biāo)值B (ΧΒ，ΥΒ)，則熔池長度1的計(jì)算公式為/= I^Xo-Fb)2, {F0-Fb)2通過系統(tǒng)標(biāo)定后得到的圖像像素與實(shí)際尺寸的對應(yīng)關(guān)系即可得到熔池長度的實(shí)際尺寸，即
權(quán)利要求
1. 一種電子束焊接熔池形狀參數(shù)的視覺檢測方法，其特征在于所述的電子束焊接熔池形狀參數(shù)的視覺檢測方法具體過程如下步驟A、將待焊工件放入真空室內(nèi)固定；步驟B、啟動(dòng)真空室內(nèi)攝像機(jī)，對電子束焊彩色熔池圖像視覺傳感系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定一、以焊接工件表面的焊接起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)0，焊接方向?yàn)棣州S正方向，垂直于焊接方向向下為y軸正方向，建立坐標(biāo)系oxy，即為工件坐標(biāo)系；二、然后以工件坐標(biāo)系為參照系畫一組同心圓，其中最小圓的半徑為1毫米，每個(gè)同心圓的半徑以1毫米為單位遞增，最小的圓與oy軸的交點(diǎn)為A點(diǎn)，最小的圓與ox軸的交點(diǎn)為B點(diǎn)；三、對步驟二所畫的坐標(biāo)系進(jìn)行拍照；四、以照片平面的左上角為原點(diǎn)0，原點(diǎn)O正下方為Y軸正方向，與Y軸垂直向右為X軸正方向，建立坐標(biāo)系0ΧΥ，即為圖像坐標(biāo)系；五、然后通過下列公式計(jì)算出圖像坐標(biāo)系中單位像素在工件坐標(biāo)系中xy方向上的實(shí)際尺寸 1Wx = I=^(Xb-Xo)2 +(ΥΒ-ΥΟ)2 1Wy = I=(Xa-Xof +(Ya-Yo)1Wx為熔池寬度；Wt為熔池長度；X。為圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)；XB為圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)B點(diǎn)； Xa為圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)A點(diǎn)；步驟C、提取熔池圖像邊緣(1)采用二值形態(tài)學(xué)提取熔池圖像邊緣，具體過程如下設(shè)熔池圖像灰度值為O 255， 設(shè)熔池圖像灰度閾值為k，k分別取值1，2···，m，將比k大的熔池圖像灰度值設(shè)為Wl(k)，平均灰度值為M1GO,方差為0l(k)；將比k小的熔池圖像灰度值設(shè)為W2 (k)，平均灰度值為 M2(k)，方差為o2(k)；設(shè)熔池圖像灰度值的總平均值為Mt，則類內(nèi)方差σ、類間方差σ和灰度值的總平均值Mt的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為O1w = WxG1x + W1G11σ]=叫 W -Μτ) + -Μτ)=—；州卞Ol + ^2)M_ MXWX +M2W2r Oi + M72)當(dāng)σ〗/4取得最大值，即σ〗為最大值，σ .為最小值時(shí)，閾值k為最佳閾值，通過最佳閾值 k對圖像進(jìn)行閾值分割，將圖像轉(zhuǎn)化為目標(biāo)和背景分離的二值圖像；(2)熔池圖像腐蝕處理通過以下數(shù)學(xué)表達(dá)式獲得熔池圖像腐蝕E(X)的處理結(jié)果E(X) ={α\Βα^Χ}=ΧΘΒ其中，X為被處理圖像；B為結(jié)構(gòu)元素；a為像素點(diǎn)；(3)熔池圖像膨脹處理通過以下數(shù)學(xué)表達(dá)式獲得熔池圖像膨脹D(X)的處理結(jié)果D(X) ={a\Bar\X}=X B其中，X為被處理圖像；B為結(jié)構(gòu)元素；a為像素點(diǎn)；(4)熔池圖像邊緣檢測，具體過程如下熔池圖像邊緣F(X)是通過熔池圖像膨脹D(X) 與熔池圖像腐蝕E(X)相減獲得的，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式所示F (X) =D (X) -E (X)步驟D、對熔池形狀參數(shù)進(jìn)行提取，具體過程如下(1)熔寬的提取在圖像坐標(biāo)系OXY中以熔池中心點(diǎn)O(Xc^Yci)為起點(diǎn)沿oy方向搜索邊緣點(diǎn)，當(dāng)遇到邊緣點(diǎn)A時(shí)停止搜索，記下A點(diǎn)的坐標(biāo)值A(chǔ) (XA，Ya)，則熔池寬度Wa的計(jì)算公式為Wa = Ya)2 + Y^2通過系統(tǒng)標(biāo)定后得到的圖像像素與實(shí)際尺寸的對應(yīng)關(guān)系即可得到熔寬的實(shí)際尺寸wb， 具體計(jì)算公式如下= 2w- Υ)'上式所述的Wy為熔池長度；(2)熔池長度的提取在圖像坐標(biāo)系OXY中以熔池中心點(diǎn)O(Xc^Yci)為起點(diǎn)沿ox方向搜索邊緣點(diǎn)，當(dāng)遇到邊緣點(diǎn)B時(shí)停止搜索，記下B點(diǎn)的坐標(biāo)值B ((XB，Yb)，則熔池長度1的計(jì)算公式為/=I^(X0-Fjs)2 ,(F0-Fj3)2通過系統(tǒng)標(biāo)定后得到的圖像像素與實(shí)際尺寸的對應(yīng)關(guān)系即可得到熔池長度的實(shí)際尺寸，即/= Iw^(X0-Fb)2 ,(F0-Fb)2其中，在焊接過程中采用導(dǎo)電布纏繞在攝像機(jī)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子束焊接熔池形狀參數(shù)的視覺檢測方法，其特征在于步驟B中所述的結(jié)構(gòu)元素包含2 5個(gè)像素和1個(gè)中心點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子束焊接熔池形狀參數(shù)的視覺檢測方法，其特征在于步驟B中所述的結(jié)構(gòu)元素B為圓盤形、正方形、菱形或六邊形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子束焊接熔池形狀參數(shù)的視覺檢測方法，其特征在于步驟B中所述的結(jié)構(gòu)元素中心點(diǎn)為系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定。
全文摘要
一種電子束焊接熔池形狀參數(shù)的視覺檢測方法，它涉及電子束焊接熔池形狀參數(shù)的視覺檢測方法，本發(fā)明要解決現(xiàn)有熔池圖像處理中存在噪聲干擾大，無法獲得連續(xù)，光滑的電子束焊熔池邊緣的問題，本發(fā)明對子束焊彩色熔池圖像視覺傳感系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，然后啟動(dòng)系統(tǒng)采集熔池圖像，采用二值形態(tài)學(xué)圖像處理算法提取熔池圖像邊緣，最后利用熔池形狀參數(shù)提取算法對熔池形狀參數(shù)進(jìn)行提??；本發(fā)明提取的熔池邊緣圖像完全消除了噪聲的影響，邊緣連續(xù)光滑，熔池形狀參數(shù)提取精確度高，整個(gè)處理過程所需時(shí)間大約為30ms，完全可以滿足實(shí)時(shí)檢測的需要，本發(fā)明應(yīng)用于焊接自動(dòng)化領(lǐng)域。
文檔編號G06T5/00GK102519387SQ20111033137
公開日2012年6月27日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者馮吉才, 張秉剛, 石銘霄, 陳國慶 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)