CN107486608B - 图像处理的gtaw增材制造堆积高度视觉检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉检测方法及系统，CCD摄像机轴线垂直于GTAW焊枪轴线和导丝管轴线构成的平面；开启连续图像采集，完成传感系统的标定，确定钨极尖端的位置；测定钨极尖端到基板表面的初始距离，启动GTAW电弧与填丝系统；图像处理算法提取堆积层熔池尾部表面特征；计算相邻连续图像对应列的堆积层熔池表面行坐标均方差，阈值法确定堆积层表面熔池尾部液态与固态金属的交界点；堆积第n层时，根据钨极尖端到基板表面的初始距离、钨极尖端位置、堆积层液固交界点位置计算当前时刻堆积层总高度，本发明方法有效解决了GTAW增材制造堆积高度难以实时检测的难题，具有检测过程简单，信息量直观丰富的优点。
Description
技术领域
本发明属于电弧填丝增材制造技术领域，具体涉及一种基于图像处理的钨极惰性气体保护焊(Gas tungsten arc welding，GTAW)增材制造堆积高度视觉传感检测方法及检测系统。
背景技术
GTAW增材制造是电弧填丝增材制造技术的一个重要分支，以GTAW作为热源，金属丝材为填充材料，依据设定路径层层堆积成形金属构件。该技术具有热输入小、成形精度高的优点，适合成形中大尺寸金属构件。目前，在钛合金、不锈钢、镍基合金、铝合金构件的直接制造上应用广泛。
在GTAW增材制造中，每堆积一个层片，工作平台下降或GTAW焊枪升高一个设定层高。然而实际堆积过程与期望结果相距甚远，由于各种干扰因素的存在，使得实际堆积的层高与期待层高不一致。特别是多层堆积后，工件总堆积高度与理想高度产生偏差，如果偏差过大，导致电弧弧长增大，熔滴逐渐呈现排斥大滴方式过渡，堆积过程稳定性急剧下降，堆积层保护效果变差；如果偏差过小，钨极及送丝装置易与堆积层接触，以致产生污染，堆积过程不能继续进行。因此，如果能保证堆积层总高度与理想高度一致，则可以有效避免堆积缺陷。这就提出GTAW增材制造堆积高度的实时检测与控制难题，而对堆积高度进行实时检测是控制的基础。目前国内外关于GTAW增材制造堆积高度的实时检测尚属空白，亟需开发一种能够实时检测GTAW增材制造堆积高度的方法。
发明内容
本发明的目的是为解决GTAW增材制造过程中堆积高度与期待高度不一致引起的堆积缺陷问题，提供一种图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉传感检测方法及系统。
为实现上述发明目的，本发明提供一种图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉传感检测方法，其技术方案如下：
图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉传感检测方法，包括以下步骤：
步骤一：CCD摄像机安装在GTAW焊枪侧面，CCD摄像机轴线垂直于GTAW焊枪轴线和导丝管轴线构成的平面；
步骤二：将平面网格模板置于钨极正下方，平面网格模板位于GTAW焊枪轴线与导丝管轴线构成的平面内，调节CCD摄像机微聚焦；开启连续图像采集，通过采集图像的标定处理，获得标定图像在行方向上的像素比例因子P和列方向上的像素比例因子Q；确定钨极尖端在图像中的行坐标M和列坐标N；在采集的图像中，根据钨极尖端的列坐标N、列方向的像素比例因子Q和堆积层熔池长度L，确定图像处理窗口左侧列坐标WL和右侧列坐标WR，确定的原则是保证堆积层熔池尾部列坐标在WL和WR之间；
步骤三：在CCD摄像机前端安装滤光片、中性密度减光片，调节CCD摄像机镜头光圈；
步骤四：GTAW焊枪运动至基板上方，测定钨极尖端到基板表面的距离H0，设定第一层堆积路径，启动GTAW电弧与填丝系统，采用图像处理算法对采集图像窗口范围内堆积层熔池尾部表面特征进行提取，确定熔池尾部表面在图像中的行坐标S1；
步骤五：堆积完第一层后，GTAW焊枪提升一个分层切片高度h；
步骤六：重复步骤四和步骤五，当堆积第n层时，图像处理算法检测堆积层表面在图像中的行坐标为Sn，则当前图像采集时刻，堆积层总高度Hn表示为：
Hn＝h(n-1)+H0-P(Sn-M)；
作为优选方式，CCD摄像机轴线在GTAW焊枪轴线和导丝管轴线构成的平面上的投影点低于钨极尖端1-4mm。这样设置能够保证钨极尖端位于采集图像中上部，堆积层熔池表面位于图像中部。
作为优选方式，步骤二中所述的平面网格模板是由边长为1-3mm的正方形网格构成的。
作为优选方式，步骤二中所述的连续图像采集指采集图像是动态变化的，采集帧数为20-45帧/秒。如果采集帧数太低，CCD摄像机检测的灵敏度及响应速度降低；如果采集帧数太高，不利于图像处理算法对堆积层熔池尾部特征的实时提取。
作为优选方式，步骤二中所述的堆积层熔池长度L指钨极尖端到熔池尾部液态与固态金属分界点的水平距离，L为7-18mm。熔池长度设定在这个范围内是因为当在基板上堆积时，散热条件最好，检测的熔池长度最小，随着堆积层数的增加，热积累及层间温度的影响使得熔池长度稳定在一最大值附近，同时熔池长度与工艺参数也相关，综合来看，GTAW增材制造的熔池长度为7-18mm。
作为优选方式，步骤二中所述的图像处理窗口左、右侧列坐标计算如下：GTAW焊枪从右向左运动时，图像处理窗口左侧列坐标WL＝2L/3Q+N，右侧列坐标WR＝7L/6Q+N；GTAW焊枪从左向右运动时，图像处理窗口左侧列坐标WL＝-7L/6Q+N和右侧列坐标WR＝-2L/3Q+N。
作为优选方式，步骤二中所述的采集图像标定处理，包括如下步骤：
(a)采集带平面网格模板的图像，在图像中确定钨极尖端位置；
(b)在钨极尖端下方沿列方向确定a个方形网格，从左至右搜索确定第一个网格的左边缘列坐标b1和第a个网格的右边缘列坐标ba，计算确定图像列方向上的像素比例因子Q＝(ba-b1)/a；
(c)在钨极尖端下方沿行方向确定c个方形网格，从上至下搜索确定第一个网格的上边缘行坐标d1和第c个网格的下边缘行坐标dc，计算确定图像行方向上的像素比例因子P＝(dc-d1)/c；
作为优选方式，步骤四中所述的图像处理算法，包括如下步骤：
1)采集连续的n帧图像，n＝3～8，存储n帧图像窗口范围内的像素点列坐标、行坐标和灰度值；采集n帧图像的原因是可以计算堆积层熔池液态与固态金属的交界点，熔池表面边缘点行坐标是动态波动的，而已经凝固的堆积层边缘点行坐标变化较小，但是这些特征在1帧图像中是不能获得的，必须采集n帧图像；n值设定在3～8是因为n设定过小，采集的n帧图像中熔池表面波动特征不显著，如果n设定过大，实际图像处理时需要计算的图像帧数太多，计算量太大，不利于实时图像处理。
2)采用中值滤波算法对图像窗口内所有像素点进行计算，结果赋给当前像素点的灰度值；
3)采用轮廓检测算法Sobel算子对中值滤波后的图像窗口进行处理，从窗口左下角至右上角的所有像素点依次计算，提取堆积层熔池尾部上边缘点；
4)对轮廓检测算子处理的图像继续从左至右沿列方向进行扫描，在每一列上确定堆积层熔池尾部边缘灰度值最大点的行坐标，若存在多个灰度值最大点，则取中间位置像素点的行坐标作为堆积层熔池尾部上边缘的行坐标；
5)从图像窗口左侧列坐标至窗口右侧列坐标开始搜索，依次计算相邻n帧图像所确定的对应列上的堆积层熔池尾部上边缘所有行坐标的均方差σ，如果σ小于阈值T,则该列坐标确定为堆积层熔池尾部液态与固态金属的交界点，确定当前采集图像在交界点处行坐标S。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉检测系统，包括：基板，基板上方垂直于基板的GTAW焊枪，GTAW焊枪的末端为钨极，GTAW焊枪的侧面为导丝管，GTAW焊枪侧面安装有CCD摄像机，CCD摄像机的轴线垂直于GTAW焊枪轴线和导丝管轴线构成的平面；基板上方、钨极正下方设有平面网格模板，平面网格模板位于GTAW焊枪轴线与导丝管轴线构成的平面内，CCD摄像机前端安装红光滤波片、中性密度减光片。
本发明的有益效果为：本发明方法设计了一套可监测GTAW增材制造堆积高度的视觉检测装置，视觉传感器安装位置可灵活调整，用于监测钨极端部到堆积层熔池表面的距离，并开发了一种图像处理算法确定堆积层表面熔池固液分界点的方法，最后根据钨极端部到堆积层表面的距离、焊枪升高距离，确定堆积层的总高度。本发明方法有效解决了GTAW增材制造堆积高度难以实时检测的难题，具有检测过程简单，信息量直观、丰富等优点，为后续堆积高度控制奠定了坚实的基础。
附图说明
图1是GTAW增材制造堆积高度视觉传感检测系统示意图；
图2是GTAW增材制造视觉系统标定平面网格模板；
图3是CCD摄像机采集的堆积层高度图像；
图4是中值滤波算法处理后的图像；
图5是Sobel算子检测堆积层熔池尾部表面图像；
图6是检测的堆积层熔池尾部液态和固态分界点位置。
1-GTAW焊枪，2-钨极，3-导丝管，4-CCD摄像机，5-红光滤波片，6-中性密度减光片，7-基板，8-平面网格模板。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种基于图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉传感检测系统，如图1所示，包括：基板7，基板7上方垂直于基板7的GTAW焊枪1，GTAW焊枪1的末端为钨极2，GTAW焊枪1的侧面为导丝管3，GTAW焊枪1侧面安装有CCD摄像机4，CCD摄像机4的轴线垂直于GTAW焊枪1轴线和导丝管3轴线构成的平面；基板7上方、钨极2正下方设有平面网格模板8，平面网格模板8位于GTAW焊枪1轴线与导丝管3轴线构成的平面内，CCD摄像机4前端安装红光滤波片5、中性密度减光片6。
本发明的具体试验平台：GTAW电源为Fronius MW300，GTAW焊枪安装在MOTOMAN机器人第六轴末端上，机器人带动GTAW焊枪的运动，堆积过程填充丝材材质为JQ.MG70-G-1碳钢焊丝，焊丝直径1.2mm，工艺参数为：堆积电流150A，堆积速度3.3mm/s，送丝速度1.5m/min，保护气为纯氩，气体流量12L/min。
利用上述系统的基于图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉传感检测方法，包括以下步骤：
步骤一：CCD摄像机安装在GTAW焊枪侧面，CCD摄像机轴线垂直于GTAW焊枪轴线和导丝管轴线构成的平面；
步骤二：将平面网格模板置于钨极正下方，平面网格模板位于GTAW焊枪轴线与导丝管轴线构成的平面内，调节CCD摄像机微聚焦；开启连续图像采集，通过采集图像的标定处理，获得标定图像在行方向上的像素比例因子P和列方向上的像素比例因子Q；确定钨极尖端在图像中的行坐标M和列坐标N；在采集的图像中，根据钨极尖端的列坐标N、列方向的像素比例因子Q和堆积层熔池长度L，确定图像处理窗口左侧列坐标WL和右侧列坐标WR，确定的原则是保证堆积层熔池尾部列坐标在WL和WR之间；
步骤三：在CCD摄像机前端安装滤光片、中性密度减光片，调节CCD摄像机镜头光圈；
步骤四：GTAW焊枪运动至基板上方，测定钨极尖端到基板表面的距离H0，设定第一层堆积路径，启动GTAW电弧与填丝系统，采用图像处理算法对采集图像窗口范围内堆积层熔池尾部表面特征进行提取，确定熔池尾部表面在图像中的行坐标S1；
步骤五：堆积完第一层后，GTAW焊枪提升一个分层切片高度h；
步骤六：重复步骤四和步骤五，当堆积第n层时，图像处理算法检测堆积层表面在图像中的行坐标为Sn，则当前图像采集时刻，堆积层总高度Hn可以表示为：
Hn＝h(n-1)+H0-P(Sn-M)；
具体的，步骤一中CCD摄像机轴线在GTAW焊枪轴线和导丝管轴线构成的平面上的投影点低于钨极尖端1-4mm。
具体的，步骤二中所述的平面网格模板是由边长为1-3mm的正方形网格构成的。
具体的，步骤二中所述的连续图像采集指采集图像是动态变化的，采集帧数为20-45帧/秒。
具体的，步骤二中所述的堆积层熔池长度L指钨极尖端到熔池尾部液态与固态金属分界点的水平距离，L为7-18mm。
具体的，步骤二中所述的图像处理窗口左、右侧列坐标计算如下：GTAW焊枪从右向左运动时，图像处理窗口左侧列坐标WL＝2L/3Q+N，右侧列坐标WR＝7L/6Q+N；GTAW焊枪从左向右运动时，图像处理窗口左侧列坐标WL＝-7L/6Q+N和右侧列坐标WR＝-2L/3Q+N。
具体的，步骤二中所述的采集图像标定处理，包括如下步骤：
(a)采集带平面网格模板的图像，如图2所示，在图像中确定钨极尖端位置；
(b)在钨极尖端下方沿列方向确定a个方形网格，a＝2-8，从左至右搜索确定第一个网格的左边缘列坐标b1和第a个网格的右边缘列坐标ba，计算确定图像列方向上的像素比例因子Q＝(ba-b1)/a；
(c)在钨极尖端下方沿行方向确定c个方形网格，c＝1-6，从上至下搜索确定第一个网格的上边缘行坐标d1和第c个网格的下边缘行坐标dc，计算确定图像行方向上的像素比例因子P＝(dc-d1)/c；
具体的，步骤四中所述的图像处理算法，包括如下步骤：
1)采集连续的n帧图像，n＝3～8，采集的典型图像如图3所示，存储n帧图像窗口范围内的像素点列坐标、行坐标和灰度值；
2)采用中值滤波算法对图像窗口内所有像素点进行计算，结果赋给当前像素点的灰度值，中值滤波后的图像如图4所示；
3)采用轮廓检测算法Sobel算子对中值滤波后的图像窗口进行处理，从窗口左下角至右上角的所有像素点依次计算，提取堆积层熔池尾部上边缘点，如图5所示；
4)对轮廓检测算子处理的图像继续从左至右沿列方向进行扫描，在每一列上确定堆积层熔池尾部边缘灰度值最大点的行坐标，若存在多个灰度值最大点，则取中间位置像素点的行坐标作为堆积层熔池尾部上边缘的行坐标；
5)从图像窗口左侧列坐标至窗口右侧列坐标开始搜索，依次计算相邻n帧图像所确定的对应列上的堆积层熔池尾部上边缘所有行坐标的均方差σ，如果σ小于阈值T,则该列坐标确定为堆积层熔池尾部液态与固态金属的交界点，确定当前采集图像在交界点处行坐标S，如图6所示。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉检测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：CCD摄像机安装在GTAW焊枪侧面，CCD摄像机轴线垂直于GTAW焊枪轴线和导丝管轴线构成的平面；
步骤二：将平面网格模板置于钨极正下方，平面网格模板位于GTAW焊枪轴线与导丝管轴线构成的平面内，调节CCD摄像机微聚焦；开启连续图像采集，通过采集图像的标定处理，获得标定图像在行方向上的像素比例因子P和列方向上的像素比例因子Q；确定钨极尖端在图像中的行坐标M和列坐标N；在采集的图像中，根据钨极尖端的列坐标N、列方向的像素比例因子Q和堆积层熔池长度L，确定图像处理窗口左侧列坐标WL和右侧列坐标WR，确定的原则是保证堆积层熔池尾部列坐标在WL和WR之间；
步骤三：在CCD摄像机前端安装滤光片、中性密度减光片，调节CCD摄像机镜头光圈；
步骤四：GTAW焊枪运动至基板上方，测定钨极尖端到基板表面的距离H0，设定第一层堆积路径，启动GTAW电弧与填丝系统，采用图像处理算法对采集图像窗口范围内堆积层熔池尾部表面特征进行提取，确定熔池尾部表面在图像中的行坐标S1；所述的图像处理算法，包括如下步骤：
1)采集连续的n帧图像，n＝3～8，存储n帧图像窗口范围内的像素点列坐标、行坐标和灰度值；
2)采用中值滤波算法对图像窗口内所有像素点进行计算，结果赋给当前像素点的灰度值；
3)采用轮廓检测算法Sobel算子对中值滤波后的图像窗口进行处理，从窗口左下角至右上角的所有像素点依次计算，提取堆积层熔池尾部上边缘点；
4)对轮廓检测算子处理的图像继续从左至右沿列方向进行扫描，在每一列上确定堆积层熔池尾部边缘灰度值最大点的行坐标，若存在多个灰度值最大点，则取中间位置像素点的行坐标作为堆积层熔池尾部上边缘的行坐标；
5)从图像窗口左侧列坐标至窗口右侧列坐标开始搜索，依次计算相邻n帧图像所确定的对应列上的堆积层熔池尾部上边缘所有行坐标的均方差σ，如果σ小于阈值T，则该列坐标确定为堆积层熔池尾部液态与固态金属的交界点，确定当前采集图像在交界点处行坐标S；
步骤五：堆积完第一层后，GTAW焊枪提升一个分层切片高度h；
步骤六：重复步骤四和步骤五，当堆积第n层时，图像处理算法检测堆积层表面在图像中的行坐标为Sn，则当前图像采集时刻，堆积层总高度Hn表示为：
Hn＝h(n-1)+H0-P(Sn-M)。
2.根据权利要求1所述的图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉检测方法，其特征在于：步骤一中CCD摄像机轴线在GTAW焊枪轴线和导丝管轴线构成的平面上的投影点低于钨极尖端1-4mm。
3.根据权利要求1所述的图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉检测方法，其特征在于：步骤二中所述的平面网格模板是由边长为1-3mm的正方形网格构成的。
4.根据权利要求1所述的图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉检测方法，其特征在于：步骤二中所述的连续图像采集指采集图像是动态变化的，采集帧数为20-45帧/秒。
5.根据权利要求1所述的图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉检测方法，其特征在于：步骤二中所述的堆积层熔池长度L指钨极尖端到熔池尾部液态与固态金属分界点的水平距离，L为7-18mm。
6.根据权利要求1所述的图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉检测方法，其特征在于：步骤二中所述的图像处理窗口左、右侧列坐标计算如下：GTAW焊枪从右向左运动时，图像处理窗口左侧列坐标WL＝2L/3Q+N，右侧列坐标WR＝7L/6Q+N；GTAW焊枪从左向右运动时，图像处理窗口左侧列坐标WL＝-7L/6Q+N和右侧列坐标WR＝-2L/3Q+N。
7.根据权利要求1所述的图像处理的GTAW增材制造堆积高度视觉检测方法，其特征在于步骤二中所述的采集图像标定处理，包括如下步骤：
(a)采集带平面网格模板的图像，在图像中确定钨极尖端位置；
(b)在钨极尖端下方沿列方向确定a个方形网格，从左至右搜索确定第一个网格的左边缘列坐标b1和第a个网格的右边缘列坐标ba，计算确定图像列方向上的像素比例因子Q＝(ba-b1)/a；
(c)在钨极尖端下方沿行方向确定c个方形网格，从上至下搜索确定第一个网格的上边缘行坐标d1和第c个网格的下边缘行坐标dc，计算确定图像行方向上的像素比例因子P＝(dc-d1)/c。
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