CN101664853A - 基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种金属焊接技术领域的基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法，通过图像处理结果代替焊工视觉信息，实时调整焊枪位置等敏感工艺参数控制焊接质量：采用一侧夹具位于水平位置，且与另一侧夹具成90°－180°的焊接夹具固定薄板；步进电机控制夹具移动；通过图像处理算法检测钨极位置；根据结果实时调整钨极至最佳参数的焊接质量控制方法。本发明大大降低了废品率，提高了生产效率，同时计算速度快，计算精度可控适合于其它柱状图像的检测，在焊接图像检测中有很广泛的应用前景。

Description

基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法

技术领域

本发明涉及的是一种金属焊接技术领域的方法，具体是一种基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法。

背景技术

不锈钢薄板焊接，由于导热系数小、线膨胀系数较大、自身约束较小等原因，在焊接中容易出现烧穿和焊接变形等缺陷。因此基本工艺要求电流小、焊接速度快，这样可以减少焊接热输入、减少焊接变形。但是在相同规范参数条件下，何种焊枪位置及运动方式更利于保证焊缝质量的问题，目前国内外的研究还比较少。

经过对现有技术的检索发现，王亮阳等人在《电焊机》(2009，Vol.39，No.3：77-79)上发表的“焊工操作手法对不锈钢薄板角焊焊缝质量的影响”一文中指出了焊缝质量随焊枪角度等参数变化的敏感性，并采用直线往复法代替直线法焊接，回避焊枪位置对焊接质量的影响，改善焊缝成型。但是该技术过度依赖于焊工焊接技术，不适应大规模工业化生产，且成品率低；同时直线往复法焊接效率低，要往复焊接才能达到焊接效果。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法，能够一次焊接成型，提高焊接效率，通过CCD视觉传感信息代替焊工视觉信息，降低废品率，实现焊接自动化。

本发明是通过以下技术方案实现，本发明通过图像处理结果代替焊工视觉信息，实时调整焊枪位置等敏感工艺参数控制焊接质量：采用一侧夹具位于水平位置，且与另一侧夹具成90°-180°的焊接夹具固定薄板；步进电机控制夹具移动；通过图像处理算法检测钨极位置；根据结果实时调整钨极至最佳参数的焊接质量控制方法。

本发明包括以下步骤：

第一步、采用钨极氩弧焊对不锈钢薄板进行角焊焊接，在钨极氩弧焊的上方安装CCD传感器进行焊接连动图像采集。

所述的焊接连动图像采集是指：当CCD传感器检测到钨极氩弧焊的脉冲下降沿时触发，并在触发延迟后进行图像拍摄。

第二步、通过CCD传感器进行单位标定圆图像采集获得两张标定图像，然后通过对标定图像进行标定处理，获得标定图像中每个像素分别在焊缝平面和钨极平面内二维方向上所代表的实际距离及焊缝、钨极和送丝位置的计算范围。

所述的单位标定圆是指直径为1cm并包含两条相互垂直的标定直径线的圆。

所述的图像采集是指：在不起弧不加滤光系统的条件下由CCD传感器进行两次拍摄，第一次拍摄获得的单位标定圆处于焊缝平面内，其一条标定直径线与焊缝重合，其圆心与钨极投影点重合的标定圆图像；第二次拍摄时获得的单位标定圆处于钨极平面内，其一条标定直径线与焊缝平行，其圆心与钨极重合的标定圆图像。

所述的标定处理，具体步骤是指：

①在标定图像的单位标定圆的两个标定直径线的方向内，分别用单位标定圆的标定直径除以两个标定直径线所通过的像素的个数，获得每个像素二维方向上所代表的实际距离；

②分别确定角焊焊接的起始焊缝位置ab、钨极相对于喷嘴的起始位置cd和送丝尖端相对于送丝喷嘴的起始位置ef；

③分别以ab、cd和ef设定计算焊缝、钨极和送丝位置的计算范围。

第三步、针对两张标定图像，根据第二步得到的焊缝、钨极和送丝位置的计算范围内进行图像复原及中值滤波，获得初始图像。

第四步、根据初始图像，采用Sobel边缘检测钨极喷嘴边缘，将得到的点的坐标，通过斜率差值求和法和基于灰度值积分的二分发法计算，获得钨极的位置；

所述的钨极的位置具体通过以下步骤获得：

a)采用经典轮廓检测算法中的Sobel边缘检测算子提取钨极喷嘴边缘，从右下角到左上角检索提取到的边缘，每行只保留一个检索点，其坐标为(x_i，y_i)，得到原始焊枪喷嘴轮廓点。

b)将步骤a)所得到的原始焊枪喷嘴轮廓点每点(x_i，y_i)，带入斜率差值求和法，判断是否为伪边缘点，去除伪边缘点，得到焊枪喷嘴轮廓点。

所述斜率插值法是指：

该方法能够判断是否是钨极

轮廓的伪边缘点。η的值会影响判断精度。

c)将步骤b)得到焊枪喷嘴轮廓点，进行线性拟合，得到焊枪喷嘴轮廓线。

d)将原始图像坐标系xoy转换为x’o’y’坐标系，即以步骤c)得到焊枪喷嘴轮廓线为x’轴，以与x’轴垂直方向为y’轴的坐标系。

e)在步骤d)所得到的x’o’y’坐标系下，对初始图像灰度值，进行基于灰度值积分的二分发法，获得在焊枪喷嘴轮廓线附近最大灰度积分上升沿和最大灰度积分下降沿。

所述基于灰度值积分的二分法是指：

L为计算长度；p为步长或计算精度，第一次计算p为钨极的宽度的像素数。当p满足精度要求时，结束计算。

f)根据步骤e)得到的最大灰度上升沿和灰度下降沿，求其中心点，并按照第二步中标定cd长度和方向延长中心点位置，获得钨极的位置。

第五步、针对初始图像，根据第二步中确定的焊缝、钨极和送丝位置的计算范围，采用经典轮廓检测中的Sobel算子检测焊缝轮廓点，并对所得到的轮廓点进行线性拟合，获得焊缝的位置。

第六步、针对初始图像，确定送丝位置，具体包括以下步骤：

6.1)送丝喷嘴轮廓提取。使用Sobel边缘检索右上方部分，只保留每行检索到的第一个轮廓点。

6.2)对步骤6.1)得到轮廓点进行坐标系转换，对检索到的轮廓点坐标进行二次曲线拟合。

所述的坐标系转换是指：由图像xoy坐标系，转换成以送丝方向为纵坐标的，新的x”o”y”坐标系。

6.3)确定二次曲线的极值点。

6.4)将极值点坐标由x”o”y”坐标下转换为xoy坐标。

6.5)根据步骤6.4)得到的xoy坐标，按送丝喷嘴的起始位置ef的方向和大小进行延长，得到送丝位置。

第七步、根据第二步得到的标定信息，将第四步得到的钨极位置，第五步得到的焊缝位置，第六步得到的送丝位置分别于原始位置进行比对并获得钨极、焊缝和送丝的偏移量。

第八步、根据钨极、焊缝和送丝的偏移量，判断钨极及送丝位置是否处于合理范围并相应控制步进电机，移动焊枪和送丝机构进行纠正。

本发明有益效果为：对不锈钢薄板焊接，在已经掌握了合适焊接工艺参数的前提下，计算机通过基于图像处理的结果实时控制焊枪和送丝位置，控制焊缝的精密成型，大大降低了废品率；该方法摆脱了薄板精密焊接对焊工焊接技术的依赖，实现焊接自动化；一次焊接成型，提高了生产效率。本发明所使用图像处理算法是根据钨极图像特征所设计的基于灰度值积分的二分发法和斜率差值求和法，基于灰度值积分的二分发法较传统图像轮廓检测方法具有抽样计算，计算速度快，计算精度可控等特点，该方法还适合于其它柱状图像的检测，在焊接图像检测中有很广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实例的总体结构示意图。

图2为本发明实例的正视图。

图3为本发明实施例的俯视图。

图4为本发明实例的熔池与焊丝的关系图。

图5为本发明实例典型标定单位标定圆图像。

图6为本发明实例典型提取图像。

图7为本发明实例图像处理结果。

图8为本发明实例图像处理结果。

图9为本发明实例的焊接焊缝正面。

图10为本发明实例的焊接焊缝反面。

图中：1斜板、2平板、3焊条、4焊枪和钨极、5熔池、6焊枪喷嘴、7钨极、8送丝喷嘴、9焊缝、10、焊枪喷嘴轮廓点、11计算得到的钨极实际位置、12、计算得到的送丝位置、13、拟合焊缝、14送丝喷嘴轮廓点拟合曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例焊接对象为0.9mm不锈钢薄板、150°焊接夹角、2Hz焊接频率，焊接环境设置如下：

1.薄板的固定

1.1)如图1所示，固定斜板，调整斜板夹具，控制斜板夹具的角度，其可调范围为与另一侧平板夹具呈90°-180°，调整到理想角度后，将斜板固定于斜板夹具上；

1.2)如图1所示，将平板固定于平板夹具上。固定时应调整平板的位置，尽量使得平板于斜板的交线与焊枪相对于夹具行走的方向平行。

2.确定焊枪的位置：调整焊枪的位置，使得从焊接的俯视角度即图3来看，焊枪垂直于水平面，钨极偏向斜板一侧，并从正视图方向即图2来看，钨极垂直与水平面，调整它与它在斜板上的垂直投影之间的距离，使之为2mm。

3.调整焊丝位置

3.1)焊接过程中使用的焊丝直径为1.0mm，调整焊丝的位置，使得从俯视角度即图3来看，焊丝位于平板上方，送丝方向与焊缝前进方向约15°；

3.2)从正视图方向即图2来看，送丝方向与水平方向成30°；

3.3)焊丝不能正对熔池中心，如图4所示，焊丝应该偏向平板一侧约0.5mm；

4.根据不同的薄板夹角和厚度，选择不同的焊接工艺参数。焊接工艺参数包括：钨极与焊缝水平垂直距离在0-2mm、钨极与斜板垂直距离在0-3mm之间、送丝方向与焊缝前进方向约成5°-30°、送丝尖端偏向平板一侧约0-1mm、送丝方向在垂直平面内成0°-30°、焊接电流90A-130A、送丝速度7mm/s-14mm/s、焊接速度2m/s-6m/s。

本实施例具体通过以下步骤实现：

第一步、采用钨极氩弧焊对不锈钢薄板进行角焊焊接，在钨极氩弧焊的上方安装CCD传感器进行焊接连动图像采集。

所述的焊接连动图像采集是指：当CCD传感器检测到钨极氩弧焊的脉冲下降沿时触发，并在触发延迟后进行图像拍摄。

第二步、通过CCD传感器进行单位标定圆图像采集获得两张标定图像，然后通过对标定图像进行标定处理，获得标定图像中每个像素分别在焊缝平面和钨极平面内二维方向上所代表的实际距离及焊缝、钨极和送丝位置的计算范围。

所述的单位标定圆是指直径为1cm并包含两条相互垂直的标定直径线的圆。

所述的图像采集是指：在不起弧不加滤光系统的条件下由CCD传感器进行两次拍摄，第一次拍摄获得的单位标定圆处于焊缝平面内，其一条标定直径线与焊缝重合，其圆心与钨极投影点重合的标定圆图像；第二次拍摄时获得的单位标定圆处于钨极平面内，其一条标定直径线与焊缝平行，其圆心与钨极重合的标定圆图像。

所述的标定处理，具体步骤是指：

通过单位标定圆进行。分别标定每个像素点在焊缝平面和钨极平面内x、y方向上(方向如图1所示)所代表的实际距离。以便用来计算焊缝和钨极的实际位置。

分别标定焊缝位置ab和焊枪的起始位置cd，如图5所示

以标定位置为中心分别设定焊缝和焊枪计算范围，减少干扰信息，加快计算速度。

第三步、针对两张标定图像，根据第二步得到的焊缝、钨极和送丝位置的计算范围内进行图像复原及中值滤波，获得初始图像，如图6所示。

第四步、根据初始图像，采用Sobel边缘检测钨极喷嘴边缘，将得到的点的坐标，通过斜率差值求和法和基于灰度值积分的二分发法计算，获得钨极的位置，具体步骤包括：

4.1)检索钨极喷嘴边缘。使用Sobel边缘检测算法提取边缘，从右下角到左上角检索提取到的边缘，每行只保留一个检索点，其坐标为(xi，yi)。采用斜率差值求和法去除伪边缘。计算平均斜率差值。

$\mathrm{Avg}=\frac{\underset{m=2}{\overset{m=n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=2}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}|\frac{y_i-y_1}{x_i-x_1}-\frac{y_m-y_1}{x_m-x_1}|}{n-1}$

判断任意一个边缘点(x_i，y_i)是否为伪边缘。η为根据焊枪倾斜角度所设定阈值。去除伪边缘。

4.2)检索钨极中心与喷嘴边缘交点。

①根据伪边缘点坐标拟合直线y＝ax+b。

②将xoy坐标系转换为x’o’y’坐标系。

该坐标系以y＝ax+b为x’轴，以(x_i，y_i)为新的坐标原点o’，与x’轴垂直方向为y’轴。

在该坐标下灰度值分部为g’(x’，y’)＝g(x，y)·P。g(x，y)为xoy坐标系下灰度分部函数，P为旋转平移矩阵。

假定在x’o’y’坐标系下，钨极的宽度约为N个像素。

喷嘴轮廓的坐标为(x₁′，y₁′)，(x₂′，y₂′)，...，(x_L′，y_L′)。

4.3)以基于灰度值积分的二分发法确定钨极轮廓点。

在任意一个轮廓点(x_i’，y_i’)周围取(2m+1)x(2n+1)的灰度矩阵，并对其灰度值做积分

灰度矩阵的大小会直接影响计算效果。

二分法的步长为2≤d≤N，d的大小会影响计算时间和精度。

若最大灰度上升沿坐标为(x_i’，y_i’)，则表示在(x_i’-p，y_i’)到(x_i’+p，y_i’)之间一定存在钨极轮廓，且其轮廓在x方向是由暗到亮的变化。

若最大灰度下降沿坐标为(x_i’，y_i’)，则表示在(x_i’-p，y_i’)到(x_i’+p，y_i’)之间也一定存在钨极轮廓，但其轮廓在x’方向是由亮到暗的变化。

以最大灰度上升沿为例。为了增加计算精度，在(x_i’-p，y_i’)到(x_i’+p，y_i’)之间继续使用基于灰度值积分的二分法，改变步长，新步长为

2≤d’≤p。

如此缩小计算范围，直至达到计算精度。

根据同样的方法得到最大灰度下降沿。

4.4)求得钨极轮廓中心线与喷嘴的交点M。

取喷嘴轮廓线上灰度上升沿与下降沿中点M’，将M’点坐标转换到xoy坐标系中，即为M点。

4.5)求钨极实际位置F。

以M点为起点，按

方向延长|cd|长度，延伸点F即为钨极实际位置。

第五步、针对初始图像，根据第二步中确定的焊缝、钨极和送丝位置的计算范围，采用经典轮廓检测中的Sobel算子检测焊缝轮廓点，并对所得到的轮廓点进行线性拟合，获得焊缝的位置，如图7所示。

第六步、针对初始图像，确定送丝位置将钨极实际位置点F坐标与标定点c坐标相减，根据标定信息，确定钨极移动的实际方向和距离，具体步骤包括：

6.1)分别将标定点a＝(x₁，y₁)、b＝(x₂，y₂)的横坐标带入第5点得到的曲线，根据计算值得到两个点a’＝(x₁，y₁’)、b’＝(x₂，y₂’)，根据

相对

的变化确定焊缝移动的像素数。根据标定信息，确定钨极移动的实际方向和距离。

6.2)计算钨极相对焊缝的实际位置。判定钨极是否超出预定范围。

第七步、根据第二步得到的标定信息，将第四步得到的钨极位置，第五步得到的焊缝位置，第六步得到的送丝位置分别于原始位置进行比对并获得钨极、焊缝和送丝的偏移量，如图8所示，具体步骤包括：

7.1)、送丝喷嘴轮廓提取。使用Sobel边缘检索右上方部分，只保留每行检索到的第一个轮廓点。

7.2)、坐标系转换，对检索到的轮廓点坐标进行二次曲线拟合。

7.3)、送丝中心线与喷嘴轮廓交点为二次曲线极值点。

7.4)、根据标定信息，确定送丝位置变化。

第八步、根据钨极、焊缝和送丝的偏移量，判断钨极及送丝位置是否处于合理范围并相应控制步进电机，移动焊枪和送丝机构进行纠正。

如图9和图10所示，本实施例通过基于图像处理的结果实时控制焊枪和送丝位置，控制焊缝的精密成型，大大降低了废品率，提高了生产效率，同时计算速度快，计算精度可控适合于其它柱状图像的检测，在焊接图像检测中有很广泛的应用前景。

Claims (8)

1.一种基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、采用钨极氩弧焊对不锈钢薄板进行角焊焊接，在钨极氩弧焊的上方安装CCD传感器进行焊接连动图像采集；

第二步、通过CCD传感器进行单位标定圆图像采集获得两张标定图像，然后通过对标定图像进行标定处理，获得标定图像中每个像素分别在焊缝平面和钨极平面内二维方向上所代表的实际距离及焊缝、钨极和送丝位置的计算范围；

第三步、针对两张标定图像，根据第二步得到的焊缝、钨极和送丝位置的计算范围内进行图像复原及中值滤波，获得初始图像；

第四步、根据初始图像，采用Sobel边缘检测钨极喷嘴边缘，将得到的点的坐标，通过斜率差值求和法和基于灰度值积分的二分发法计算，获得钨极的位置；

第五步、针对初始图像，根据第二步中确定的焊缝、钨极和送丝位置的计算范围，采用经典轮廓检测中的Sobel算子检测焊缝轮廓点，并对所得到的轮廓点进行线性拟合，获得焊缝的位置；

第六步、针对初始图像，确定送丝位置；

第七步、根据第二步得到的标定信息，将第四步得到的钨极位置，第五步得到的焊缝位置，第六步得到的送丝位置分别于原始位置进行比对并获得钨极、焊缝和送丝的偏移量；

第八步、根据钨极、焊缝和送丝的偏移量，判断钨极及送丝位置是否处于合理范围并相应控制步进电机，移动焊枪和送丝机构进行纠正。

2.根据权利要求1所述的基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法，其特征是，所述的焊接连动图像采集是指：当CCD传感器检测到钨极氩弧焊的脉冲下降沿时触发，并在触发延迟后进行图像拍摄。

3.根据权利要求1所述的基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法，其特征是，所述的单位标定圆是指直径为1cm并包含两条相互垂直的标定直径线的圆。

4.根据权利要求1所述的基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法，其特征是，所述的图像采集是指：由CCD传感器进行两次拍摄，第一次拍摄获得的单位标定圆处于焊缝平面内，其一条标定直径线与焊缝重合，其圆心与钨极投影点重合的标定圆图像；第二次拍摄时获得的单位标定圆处于钨极平面内，其一条标定直径线与焊缝平行，其圆心与钨极重合的标定圆图像。

5.根据权利要求1所述的基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法，其特征是，所述的标定处理，包括步骤如下：

①在标定图像的单位标定圆的两个标定直径线的方向内，分别用单位标定圆的标定直径除以两个标定直径线所通过的像素的个数，获得每个像素二维方向上所代表的实际距离；

②分别确定角焊焊接的起始焊缝位置ab、钨极相对于喷嘴的起始位置cd和送丝尖端相对于送丝喷嘴的起始位置ef；

③分别以ab、cd和ef设定计算焊缝、钨极和送丝位置的计算范围。

6.根据权利要求1所述的基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法，其特征是，获得所述的钨极位置的步骤如下：

a)采用经典轮廓检测算法中的Sobel边缘检测算子提取钨极喷嘴边缘，从右下角到左上角检索提取到的边缘，每行只保留一个检索点，其坐标为(xi，yi)，得到原始焊枪喷嘴轮廓点；

b)将步骤a)所得到的原始焊枪喷嘴轮廓点每点(xi，yi)，带入斜率差值求和法，判断是否为伪边缘点，去除伪边缘点，得到焊枪喷嘴轮廓点；

c)将步骤b)得到焊枪喷嘴轮廓点，进行线性拟合，得到焊枪喷嘴轮廓线；

d)将原始图像坐标系xoy转换为x’o’y’坐标系，即以步骤c)得到焊枪喷嘴轮廓线为x’轴，以与x’轴垂直方向为y’轴的坐标系；

e)在步骤d)所得到的x’o’y’坐标系下，对初始图像灰度值，进行基于灰度值积分的二分发法，获得在焊枪喷嘴轮廓线附近最大灰度积分上升沿和最大灰度积分下降沿；

f)根据步骤e)得到的最大灰度上升沿和灰度下降沿，求其中心点，并按照第二步中标定cd长度和方向延长中心点位置，获得钨极的位置。

7.根据权利要求6所述的基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法，其特征是，所述基于灰度值积分的二分法是指：

其中：L为计算长度；p为步长或计算精度，第一次计算p为钨极的宽度的像素数。当p满足精度要求时，结束计算。

8.根据权利要求1所述的基于图像处理的不锈钢薄板角焊焊接方法，其特征是，第六步中所述确定送丝位置，包括以下步骤：

1)送丝喷嘴轮廓提取，使用Sobel边缘检索右上方部分，只保留每行检索到的第一个轮廓点；

2)对步骤1)得到轮廓点进行坐标系转换，对检索到的轮廓点坐标进行二次曲线拟合；

所述的坐标系转换是指：由图像xoy坐标系，转换成以送丝方向为纵坐标的，新的x”o”y”坐标系；

3)确定二次曲线的极值点；

4)将极值点坐标由x”o”y”坐标下转换为xoy坐标；

5)根据步骤4)得到的xoy坐标，按送丝喷嘴的起始位置ef的方向和大小进行延长，得到送丝位置。

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