基于形態(tài)學(xué)算法的2219鋁合金鎢極氦弧焊熔池圖像特征提取

肖 宏 宋建嶺 劉憲力 李慶慶 常保華

（1 天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462）

（2 首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

（3 清華大學(xué)機(jī)械學(xué)院，北京 100084）

文 摘 根據(jù)2219 鋁合金氦弧焊特點(diǎn)，構(gòu)建了焊接過(guò)程實(shí)時(shí)視覺(jué)傳感系統(tǒng)，獲取了熔池清晰圖像；為獲得2219 鋁合金氦弧焊熔池尺寸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池特征的分析，采用了形態(tài)學(xué)算法，提取了典型熔池圖像邊緣形狀，并獲得了熔池寬度特征尺寸；通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，提取的熔池圖像寬度特征能夠準(zhǔn)確反映出熔池尺寸信息及變化趨勢(shì)。研究結(jié)果表明：形態(tài)學(xué)算法準(zhǔn)確度高、計(jì)算速度快，滿足2219 鋁合金氦弧焊熔池圖像實(shí)時(shí)處理需求，不同閾值及結(jié)構(gòu)元素對(duì)圖像特征提取效果均會(huì)產(chǎn)生較大影響，研究閾值自適應(yīng)算法，可以滿足工程上焊縫熔池特征實(shí)時(shí)視覺(jué)監(jiān)測(cè)的復(fù)雜需求。

0 引言

隨著焊接自動(dòng)化的發(fā)展，基于視覺(jué)傳感的焊接過(guò)程信息監(jiān)測(cè)技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。采用機(jī)器視覺(jué)傳感技術(shù)，對(duì)焊接過(guò)程焊縫圖像信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效的監(jiān)測(cè)，通過(guò)進(jìn)一步的圖像處理技術(shù)，提取出有效的的熔池特征，能為焊接過(guò)程焊縫質(zhì)量分析判斷提供直接參考。熔池邊緣檢測(cè)是焊接領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛成熟的圖像處理技術(shù)之一，常用的方法包括傳統(tǒng)梯度邊緣檢測(cè)算子，例如Roberts 算子、Sobel 算子、Prewitt 算子；二階微分邊緣檢測(cè)算子，例如LOG 算子、Laplace 算子、Canny 算子；基于小波變換的邊緣檢測(cè)算法、曲面擬合邊緣檢測(cè)算法、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)檢測(cè)算法等［1］。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法是通過(guò)集合論及結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行圖像分析及特征提取的一種現(xiàn)代算法工具，和傳統(tǒng)邊緣檢測(cè)算子相比更加靈活多變，在邊緣定位、檢測(cè)精度上也優(yōu)于傳統(tǒng)算子，結(jié)合二值化圖像的形態(tài)學(xué)方法，算法快捷，計(jì)算效率高，在焊接領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。薛家祥［2］采用二值形態(tài)學(xué)方法，對(duì)TIG 焊視覺(jué)圖像進(jìn)行了熔池特征提取，獲取了清晰的熔池邊緣。其研究表明，采取合適的結(jié)構(gòu)元素能簡(jiǎn)單快捷的實(shí)現(xiàn)TIG 焊圖像邊緣提取。石圩［3］采用二值化形態(tài)學(xué)方法，進(jìn)行了鋁合金脈沖MIG 焊熔池圖像特征分析，采用形態(tài)學(xué)開(kāi)、閉、腐蝕、膨脹、邊緣檢測(cè)等運(yùn)算，獲得了理想的熔池邊緣圖像。王建軍［4］針對(duì)可見(jiàn)光范圍內(nèi)，熔融態(tài)和固態(tài)鋁合金對(duì)比特點(diǎn)不明顯，構(gòu)建和焊接電源特性相匹配的鋁合金焊接熔池圖像采集系統(tǒng)，成功采集了鋁合金交流TIG焊熔池圖像并實(shí)現(xiàn)了熔池特征提取。以上研究均表明，采用形態(tài)學(xué)算法獲取熔池邊緣形狀技術(shù)成熟可靠，具備工程上推廣應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。

我國(guó)新一代航天器燃料貯箱，基體材料為2219鋁合金，普遍采用了TIG 自動(dòng)焊工藝，由于焊接結(jié)構(gòu)件尺寸巨大，焊接過(guò)程焊縫圖像信息的監(jiān)測(cè)采集全部采用了機(jī)器視覺(jué)傳感技術(shù)。工程實(shí)施過(guò)程中，受焊接煙塵、弧光、鋁合金表面反射等影響，實(shí)時(shí)采集的圖像噪聲很大，為實(shí)現(xiàn)焊接圖像信息的有效分析及使用，本文設(shè)計(jì)了焊接過(guò)程視覺(jué)實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)，開(kāi)展了基于形態(tài)學(xué)算法的2219鋁合金氦弧焊熔池圖像提取技術(shù)研究，依據(jù)焊縫圖像的形態(tài)特征，采用不同的結(jié)構(gòu)元素對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)運(yùn)算，提取出焊縫熔池圖像，并通過(guò)邊緣提取算法計(jì)算出熔池寬度，得到焊接過(guò)程焊縫寬度變換情況的準(zhǔn)確反饋。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 2219鋁合金氦弧光譜分析

焊接過(guò)程弧光干擾是影響攝像系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要因素，必須采用合適的濾光手段盡可能地消除弧光對(duì)熔池圖像的不利影響［5］。利用USB2000 光纖光譜儀進(jìn)行了2219鋁合金氦弧焊接過(guò)程的電弧光譜分布采集分析（圖1）。

圖1 2219鋁合金氦弧焊光譜分布特征Fig.1 Spectral characteristics of helium gas tungsten arc welding of 2219 aluminum alloy

電弧光譜主要由連續(xù)的熱發(fā)射譜和保護(hù)氣體、金屬蒸氣的特征線譜組成，且特征線譜強(qiáng)度往往遠(yuǎn)高于熱發(fā)射譜。從采集數(shù)據(jù)分析得出，在610～690 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，氦弧弧光強(qiáng)度較弱，在該波段內(nèi)采取帶通濾光措施可有效地消除弧光干擾。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)由直流氦弧焊機(jī)，2219 鋁合金焊接工裝、高速攝像機(jī)、濾光片、工業(yè)計(jì)算機(jī)等部分組成。核心部件高速攝像機(jī)采用瑞士Photonfocus 公司生產(chǎn)的MV-D1024E-160CL，1024×1024 格式圖像下最高幀頻150 fps；濾光片中心波長(zhǎng)為660 nm，半高寬為10 nm，固定于高速相機(jī)鏡頭前端，用于濾除鋁合金焊接過(guò)程的弧光干擾。系統(tǒng)構(gòu)建如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test system

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 熔池圖像獲取

焊接材料為9.5 mm 厚2219 T6 態(tài)鋁合金，焊接工藝方法為TIG 氦弧自動(dòng)焊工藝。根據(jù)試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)，采取將攝像機(jī)布置于焊槍行走方向后方的方案，與工件表面成固定夾角拍攝焊接過(guò)程實(shí)時(shí)圖像。具體試驗(yàn)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 焊接工藝參數(shù)Tab.1 Welding process parameters

表2 高速攝像參數(shù)Tab.2 Parameters of high-speed camera

2.2 圖像處理

在2219 鋁合金大型結(jié)構(gòu)件氦弧焊過(guò)程中，受裝配狀態(tài)、焊接位置、焊接熱循環(huán)、焊接電壓波動(dòng)等因素影響，熔池寬度會(huì)發(fā)生較大變化；通過(guò)圖像處理方法獲得焊接熔池形狀，并對(duì)其進(jìn)行邊緣提取，可以獲得直接有效的焊縫熔池寬度。

2.2.1 圖像預(yù)處理

通過(guò)高速攝像機(jī)及物理濾光的方式采集的原始熔池圖像，存在飛濺、煙塵、高頻電噪聲等產(chǎn)生的各類噪聲信號(hào)，以及鎢極倒影等干擾影像。為獲得真實(shí)的熔池圖像，對(duì)原始圖像進(jìn)行了預(yù)處理，包括圖像裁剪、噪聲算法過(guò)濾及圖像增強(qiáng)，如圖3～4所示。

圖3 熔池圖像分析Fig.3 Image analysis of welding pool

圖4 預(yù)處理后圖像Fig.4 Preprocessed image of welding pool

2.2.2 圖像形態(tài)學(xué)處理

形態(tài)學(xué)處理基于二值圖像，實(shí)施基本算法包括形態(tài)膨脹、形態(tài)腐蝕、形態(tài)開(kāi)運(yùn)算、形態(tài)閉運(yùn)算、填充運(yùn)算、邊緣提取等［6］，如圖5示。

圖5 形態(tài)學(xué)處理算法框圖Fig.5 Block diagram of morphological processing algorithm

選擇合適的閾值進(jìn)行圖像二值化轉(zhuǎn)換是形態(tài)學(xué)計(jì)算的前提，采取最大類間方差法可實(shí)現(xiàn)二值圖像閾值的最優(yōu)化設(shè)置［7］，且獲得二值化后的圖像和熔池圖像基本一致。針對(duì)二值化圖像后的“椒鹽”噪點(diǎn)，首先通過(guò)形態(tài)開(kāi)、閉計(jì)算，進(jìn)行內(nèi)外濾波，消除離散噪點(diǎn)；然后選取不同結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行腐蝕、膨脹試驗(yàn)，進(jìn)一步消除局部剩余大噪點(diǎn)模塊。腐蝕膨脹操作后存在的不規(guī)則孔洞，采用形態(tài)學(xué)重構(gòu)的方式，對(duì)其進(jìn)行填充，獲得完整的形態(tài)學(xué)處理圖像，最終通過(guò)邊緣計(jì)算獲得熔池邊緣形狀，試驗(yàn)過(guò)程示意如圖6所示。

圖6 圖像形態(tài)學(xué)處理過(guò)程Fig.6 Image processing of morphological algorithm

2.2.3 熔池寬度提取

邊緣提取圖像可以認(rèn)為是熔池基本輪廓形狀，將熔池最大寬度定義為垂直于焊接方向距離值最大的兩個(gè)像素點(diǎn)距離，結(jié)合試驗(yàn)標(biāo)定信息，通過(guò)matlab編程算法可以計(jì)算出圖像熔池寬度。

3 結(jié)果分析

為驗(yàn)證試驗(yàn)方法的可靠及準(zhǔn)確性，分別選擇了工程產(chǎn)品爬坡焊接位置、平焊位置進(jìn)行了熔池圖像邊緣提取及寬度計(jì)算，并和實(shí)際焊縫測(cè)量寬度進(jìn)行對(duì)比（兩處焊接位置電流及熔池狀態(tài)差異較大，能直觀對(duì)比熔池尺寸）。對(duì)在標(biāo)定時(shí)間段采集的典型焊接位置熔池圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理及寬度提取，并將圖像算法提取熔池寬度數(shù)據(jù)和焊縫實(shí)測(cè)值比較，結(jié)果如圖7～8所示。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)比結(jié)果分析可知，爬坡焊位置圖像提取熔池寬度值12.2～14.2 mm，實(shí)際測(cè)量焊縫寬度11.4～13.0 mm；平焊位置圖像提取熔池寬度值10.4～11.6 mm，實(shí)際測(cè)量焊縫寬度9.4～10.8 mm；兩處位置圖像檢測(cè)算法計(jì)算出的熔池寬度均略大于焊縫實(shí)測(cè)寬度，這是由于2219 鋁合金熔融狀態(tài)和正常狀態(tài)下色澤變化不明顯，反映出在圖像邊緣提取過(guò)程中依舊存在一定的理論偏差。

圖7 爬坡焊位置［電流（300±10）A］熔池寬度提取結(jié)果Fig.7 Welding pool width of climbing-welding position

圖8 平焊位置［電流（260±10）A］熔池寬度提取結(jié)果Fig.8 Welding pool width of flat-welding position

在爬坡焊位置圖像提取的熔池寬度要大于平焊位置，熔池寬度值波動(dòng)也較大，這是由于爬坡焊位置焊接電流（300±10）A 要大于平焊位置焊接電流（260±10）A，熔池穩(wěn)定性要差于平焊位置，反映在熔池圖像中的特征是邊緣寬度更大，邊緣形狀變化波動(dòng)更明顯。試驗(yàn)結(jié)果和熔池理論變化趨勢(shì)相一致。工程角度來(lái)說(shuō)，形態(tài)學(xué)檢測(cè)算法提取的熔池圖像寬度特征已經(jīng)準(zhǔn)確反映出焊縫尺寸信息及變化趨勢(shì)，達(dá)到了研究目的。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用的形態(tài)學(xué)算法具有提取準(zhǔn)確、效率高、計(jì)算靈活等優(yōu)點(diǎn)。研究也發(fā)現(xiàn)在圖像形態(tài)學(xué)處理提取中，設(shè)定閾值及結(jié)構(gòu)元素的選擇對(duì)圖像特征提取效果較為關(guān)鍵，采用的最大類間方差法選取閾值，一定程度上優(yōu)化了閾值設(shè)定流程。進(jìn)一步開(kāi)展圖像閾值、結(jié)構(gòu)元素自適應(yīng)算法研究，同時(shí)結(jié)合模糊控制學(xué)理論，根據(jù)熔池尺寸實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)，建立熔池圖像特征在線監(jiān)測(cè)及智能控制專家系統(tǒng)，可以作為未來(lái)研究的重要參考方向，滿足工程上焊縫熔池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制的復(fù)雜需求，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程智能監(jiān)控技術(shù)在工程上的推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)2219 鋁合金氦弧焊特點(diǎn)，構(gòu)建了基于高速攝像的焊接過(guò)程實(shí)時(shí)視覺(jué)傳感系統(tǒng)，獲得了2219鋁合金氦弧焊熔池圖像的清晰采集。

（2）采用二值圖像形態(tài)學(xué)算法提取了典型熔池圖像邊緣形狀，并獲得了熔池寬度特征尺寸；通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該算法準(zhǔn)確度高、計(jì)算速度快，能準(zhǔn)確反映出熔池尺寸信息及變化趨勢(shì)，滿足2219 鋁合金氦弧焊熔池圖像實(shí)時(shí)處理需求。

（3）閾值及結(jié)構(gòu)元素對(duì)圖像特征提取效果較為關(guān)鍵，研究閾值自適應(yīng)算法，對(duì)焊縫熔池特征實(shí)時(shí)視覺(jué)監(jiān)測(cè)技術(shù)在工程上的推廣應(yīng)用有著關(guān)鍵意義。