棱形管與法蘭角焊縫圖像處理及特征提取

劉瑩， 劉維， 高進(jìn)強(qiáng)

(1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院洛陽分院，河南 洛陽 471000;2.濰柴動(dòng)力股份有限公司， 山東 濰坊 261001；3.山東大學(xué)，濟(jì)南 250100)

0 前言

目前，以棱形截面鋼管作為主要承力構(gòu)件的鋼管塔在輸電鐵塔中的應(yīng)用逐漸增多[1]，在其生產(chǎn)過程中焊接工序所耗費(fèi)的時(shí)間比重較大，人工焊接時(shí)焊接工人不但要對(duì)管體長縱縫進(jìn)行焊接，還有管體和法蘭內(nèi)外環(huán)縫以及筋板與管體和法蘭盤的焊接[2]，批量化生產(chǎn)中，焊接工作量大，僅依靠人工生產(chǎn)效率較低，質(zhì)量不穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)鋼管塔的自動(dòng)化焊接對(duì)于提高鋼管塔的生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量具有重要的意義。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于加工條件較差和受生產(chǎn)成本的限制，棱形管成形精度較差，與法蘭裝配后接縫形狀、間隙存在變化，焊接過程中由于焊接變形，也會(huì)導(dǎo)致角焊縫位置和間隙的變化，焊接時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)的焊工通過肉眼觀察該信息，進(jìn)而對(duì)焊槍進(jìn)行調(diào)整、擺動(dòng)等，保證焊槍的對(duì)中和焊縫成形。因而，自動(dòng)化焊接過程中，該信息的檢測和獲取對(duì)于保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。文中基于單條紋光源和CMOS相機(jī)，搭建了一套棱形管與法蘭環(huán)焊縫的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)角焊縫信息的采集。在基于視覺的自動(dòng)化焊接中，圖像處理技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)之一[3-5]，文中重點(diǎn)研究激光條紋圖像的處理和信息提取，實(shí)現(xiàn)角焊縫位置的準(zhǔn)確提取和間隙大小的識(shí)別。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成：第1部分是激光視覺傳感器，主要由相機(jī)、激光器、濾光系統(tǒng)和保護(hù)裝置組成，傳感器以預(yù)設(shè)的前置距離安裝在焊槍上，延時(shí)時(shí)間由前置距離和焊接速度決定[6]；第2部分是圖像采集與處理系統(tǒng)，此部分由工控機(jī)相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)；第3部分是機(jī)械運(yùn)動(dòng)和調(diào)控系統(tǒng)，包括PLC控制的焊接操作機(jī)三維運(yùn)動(dòng)，以及偏差和焊接參數(shù)的調(diào)控。系統(tǒng)工作時(shí)，工控機(jī)控制焊槍沿焊接方向運(yùn)動(dòng)，程序中設(shè)置計(jì)時(shí)器定時(shí)采集焊縫圖像并實(shí)時(shí)處理，得到焊縫中心位置和間隙大小，設(shè)計(jì)延時(shí)調(diào)節(jié)的比例控制算法，將調(diào)整量輸出到運(yùn)動(dòng)控制卡，控制十字滑塊實(shí)現(xiàn)焊槍對(duì)中，并根據(jù)焊縫成形設(shè)計(jì)焊接參數(shù)隨間隙變化的分段區(qū)間調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)隨間隙變化的控制，保證焊縫的成形良好。

圖1 焊縫跟蹤系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)簡圖

2 焊縫圖像預(yù)處理

視覺傳感器采集角焊縫圖像，通過對(duì)圖像進(jìn)行處理，獲取特征點(diǎn)，進(jìn)而計(jì)算出角焊縫的位置以及間隙等信息。圖像處理的好壞對(duì)于特征點(diǎn)像素坐標(biāo)準(zhǔn)確提取非常關(guān)鍵，直接影響到角焊縫信息的提取。

2.1 感興趣區(qū)域(ROI)提取

傳感器采集灰度圖像，像素大小為2 592×1 944。為減小飛濺和弧光的影響，并盡可能的減少圖像處理耗時(shí)，需設(shè)置感興趣區(qū)域(ROI)[7]。試驗(yàn)中根據(jù)傳感器在不同工作位置下激光條紋的角度和位置，設(shè)置圖像中間像素大小為1 392×1 944的區(qū)域作為ROI，相比于直接處理原始圖像，經(jīng)過圖像的ROI提取后理論上在像素處理的時(shí)間可節(jié)省約46%。

2.2 圖像增強(qiáng)

在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于環(huán)境較為復(fù)雜，再加上工件反光或凹凸不平，會(huì)使圖像部分區(qū)域較暗、對(duì)比度較小，對(duì)圖像處理的過程產(chǎn)生不利影響，因此需要將圖像做增強(qiáng)處理，使得焊縫圖像的特征更加明顯。文中使用線性灰度增強(qiáng)法對(duì)焊縫圖像進(jìn)行增強(qiáng)。該方法首先使用灰度變換函數(shù)來變換圖像中點(diǎn)的灰度，然后使用線性單值函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行線性擴(kuò)展[8]。圖2為增強(qiáng)前后的圖像灰度分布圖，可以看出原始圖像的下半部激光條紋線灰度值較低且分布不均勻，經(jīng)過灰度增強(qiáng)后，該處激光條紋的灰度值均一化提高，對(duì)比度有明顯改善。

圖2 灰度增強(qiáng)前后的圖像灰度分布

2.3 圖像降噪

圖像在采集、傳輸和處理過程中的噪聲會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量造成一定的惡化，對(duì)圖像分析造成不利影響[9]。文中采用均值濾波法，用5×5大小的濾波模板來消除噪聲，設(shè)f(i,j)為給定的未經(jīng)降噪處理的圖像，g(i,j)為經(jīng)降噪處理后的圖像。根據(jù)式(1)可對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)利用均值濾波法進(jìn)行降噪[10]：

(1)

式中：(i,j)∈S，S是在中心點(diǎn)(x,y)處、大小為nm的矩形子圖像窗口(鄰域)中的像素坐標(biāo)，nm是S內(nèi)的像素總數(shù)。

2.4 形態(tài)學(xué)處理

工件表面凹凸不平會(huì)造成激光條紋各處亮度不均勻，條紋局部存在一些微小的毛刺、孔洞甚至斷裂，因此使用閉運(yùn)算對(duì)圖像進(jìn)行處理，修復(fù)了激光條紋中的缺陷部分[11]。處理前后的激光條紋局部如圖3所示，可以看出經(jīng)過形態(tài)學(xué)處理，激光條紋的斷裂處得到了修補(bǔ)，使整個(gè)條紋各處連通，有助于提高中心線的擬合精度。

圖3 形態(tài)學(xué)處理前后局部位置

3 焊縫圖像后處理及特征提取

3.1 激光條紋中心點(diǎn)提取

經(jīng)過預(yù)處理后，激光條紋的像素寬度不一，不利于后續(xù)特征參數(shù)的識(shí)別，需進(jìn)一步提取出條紋的中心點(diǎn)。文中選用極值法來提取激光條紋的中心點(diǎn)，即尋找圖像中每一行灰度值最大點(diǎn)，并將其作為條紋中心點(diǎn)，如圖4所示。

實(shí)際焊接中存在著弧光和飛濺，因此圖像中亮度較高的飛濺條紋在提取過程中會(huì)產(chǎn)生偽中心點(diǎn)。圖4a為焊接過程中傳感器采集到的灰度圖像，圖4b為圖4a中第900行像素的灰度分布，此行的灰度值有3處峰值，峰值點(diǎn)A是由焊接時(shí)的飛濺顆粒產(chǎn)生的，峰值點(diǎn)B所處位置即為激光條紋中心點(diǎn)的位置，峰值區(qū)域C則對(duì)應(yīng)圖4a中右側(cè)的弧光區(qū)域。由于預(yù)處理時(shí)設(shè)置了ROI，并且將C區(qū)域裁剪出所提取的ROI，因此在后處理的中心點(diǎn)的提取中不會(huì)受到此區(qū)域的影響。試驗(yàn)中采集了大量焊接過程的圖像，預(yù)先根據(jù)灰度分布圖中的峰值點(diǎn)B設(shè)置灰度值判斷閾值δ，根據(jù)此閾值提取后續(xù)每一行的條紋中心點(diǎn)。圖4c為條紋中心點(diǎn)提取結(jié)果，可以看出采用該方法提取激光條紋中心點(diǎn)比較準(zhǔn)確，但仍會(huì)從飛濺條紋中提取到中心點(diǎn)。相比于其它方法，極值法的計(jì)算量小，處理速度較快且精度高。

圖4 預(yù)處理后的焊縫圖像、灰度分布及中心點(diǎn)提取結(jié)果

3.2 焊縫中心位置提取

根據(jù)分析，經(jīng)過極值法初步提取中心點(diǎn)時(shí)會(huì)提取到飛濺條紋上的點(diǎn)，因此需要從這些點(diǎn)中找到激光條紋中心點(diǎn)并提取中心線。文中用霍夫變換將極值法初步判斷出的中心點(diǎn)轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間，統(tǒng)計(jì)同一點(diǎn)出現(xiàn)的次數(shù)，并找到峰值[12]。此外為減少霍夫變換計(jì)算量，需要預(yù)先計(jì)算焊縫圖像中2條激光條紋角度θ。根據(jù)角度θ將霍夫變換中的搜索角度設(shè)置為[-5°,45°]，搜索步長設(shè)置為0.5°，以加快處理速度。

使用最小二乘法把提取的條紋中心點(diǎn)擬合為2條直線，兩條擬合直線的交點(diǎn)坐標(biāo)就是焊縫中心位置坐標(biāo)，結(jié)果如圖5所示。此方法能夠在存在弧光飛濺等干擾的情況下排除干擾點(diǎn)，準(zhǔn)確提取出條紋中心線并得到焊縫中心位置，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

圖5 條紋中心線及焊縫中心位置提取結(jié)果

3.3 焊縫間隙提取及精度驗(yàn)證

在自動(dòng)化焊接的過程中，為保證焊縫成形，需要根據(jù)間隙大小來調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，如何準(zhǔn)確地提取焊縫間隙大小較為關(guān)鍵。圖6是激光線打在工件上的示意圖，AB，DE分別為采集焊縫圖像的兩條激光線，C為兩條激光線的交點(diǎn)。

建立世界坐標(biāo)系時(shí)，設(shè)定焊接方向沿-y方向，水平面上垂直于焊縫的方向?yàn)閤的方向，根據(jù)右手法則能夠確定z的方向，如圖6所示。在世界坐標(biāo)系中，焊縫間隙的大小d等于兩條激光線AB和DE的交點(diǎn)C的x軸坐標(biāo)值Xc與端點(diǎn)A的x軸坐標(biāo)值Xa之差的絕對(duì)值，即d=|Xc-Xa|。故要計(jì)算焊縫間隙大小時(shí)需要提取出A點(diǎn)的坐標(biāo)值。

圖6 間隙計(jì)算模型建立

圖7為端點(diǎn)搜索原理和提取結(jié)果。提取中心線后的局部圖像如圖7a。為提取出端點(diǎn)A的坐標(biāo)值，設(shè)通過霍夫變換后找到的中心點(diǎn)坐標(biāo)為(mi,nj)，經(jīng)過極值法提初步提取出的的中心點(diǎn)為(ui,vj)。設(shè)定一個(gè)較小閾值τ，當(dāng)(ui,vj)第一次滿足式(2)時(shí)，該點(diǎn)即為條紋端點(diǎn)。由于端點(diǎn)的位置在交點(diǎn)(u，v)上方，并且為避免下方激光條紋中滿足式(2)的點(diǎn)的干擾，預(yù)設(shè)一個(gè)距離Δd，只有點(diǎn)的縱坐標(biāo)vj>v+d時(shí)才該點(diǎn)判斷該點(diǎn)是否滿足式(2)，即從距交點(diǎn)上側(cè)Δd處開始向上搜索。

ui-mi<τ

(2)

圖7b為采用上述算法處理后的結(jié)果。能夠看出當(dāng)圖像中存在弧光飛濺等干擾時(shí)，此方法依然可以準(zhǔn)確地尋找到激光條紋端點(diǎn)與焊縫中心位置。

圖7 端點(diǎn)搜索原理和提取結(jié)果

提取出焊縫中心位置和激光條紋端點(diǎn)的坐標(biāo)之后，需要再把之前視覺系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系中，通過計(jì)算這兩點(diǎn)的x坐標(biāo)值的差得到焊縫間隙大小。試驗(yàn)中基于張正友標(biāo)定法和交比不變?cè)淼玫降耐队熬仃嚭图す馄矫娴臉?biāo)定結(jié)果如下：

(3)

光平面方程為：

0.003 481 7xg-0.067 891yg-0.034 517zg+0.997 09=0

(4)

根據(jù)投影矩陣M和激光平面方程的標(biāo)定結(jié)果，便可把圖像特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)。為驗(yàn)證圖像處理的精度，對(duì)間隙1.5 mm，2.5 mm和3.5 mm的角接試板掃描提取間隙?？紤]到工件表面不平整等造成的提取出的間隙大小上下波動(dòng)的問題，使用連續(xù)處理出的5個(gè)間隙值的平均值作為實(shí)際間隙值的大小，以提高結(jié)果的準(zhǔn)確度，圖8為計(jì)算結(jié)果。圖中虛線分別為此3塊試板間隙大小提取結(jié)果的平均值，分別為1.62 mm， 2.57 mm和3.53 mm，與實(shí)際間隙值相差很小，表明文中所設(shè)計(jì)的圖像處理算法能夠滿足焊接過程中特征提取的精度要求。一幀圖像處理時(shí)間約為130 ms，能夠滿足焊縫實(shí)時(shí)跟蹤的需要。在得到準(zhǔn)確的焊縫間隙信息后，便可以根據(jù)試驗(yàn)所得間隙和焊接工藝參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，進(jìn)而得到良好的焊縫成形。

圖8 間隙大小提取結(jié)果

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了合適的焊縫圖像處理流程，對(duì)圖像設(shè)置感興趣區(qū)域提高其處理速度，采用灰度增強(qiáng)和濾波、形態(tài)學(xué)處理減弱噪聲提高條紋對(duì)比度及連續(xù)性，極值法提取的光條中心點(diǎn)準(zhǔn)確、速度快，可以滿足焊縫跟蹤的實(shí)時(shí)性。

(2)提取2條紋中心線的交點(diǎn)作為焊縫中心位置，設(shè)計(jì)了條紋端點(diǎn)搜索算法，由端點(diǎn)坐標(biāo)和焊縫中心位置坐標(biāo)計(jì)算間隙大小，對(duì)焊接過程圖像處理結(jié)果表明，該圖像處理算法抗干擾能力較強(qiáng)，對(duì)間隙1.5 mm，2.5 mm和3.5 mm的角接試板間隙提取精度結(jié)果表明，其相對(duì)誤差最大為0.12 mm，能夠較準(zhǔn)確的提取出焊縫中心位置和間隙大小。