CN109978853B - 一种直线焊缝激光拼焊中焊接位置与焊缝偏差计算方法 - Google Patents

一种直线焊缝激光拼焊中焊接位置与焊缝偏差计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直线焊缝激光拼焊中焊接位置与焊缝偏差计算方法，将激光直线焊缝拼焊中焊接位置与焊缝偏差的计算转化为在熔池图像中计算焊接位置与焊缝垂线间用像素数表示的距离。以熔池图像上部凸起部分亚像素边缘点经曲线拟合后得到的顶点位置为焊缝位置，以去除凸起部分的熔池亚像素边缘点经椭圆拟合后得到熔池中心为焊接位置，计算的偏差量为两者在水平方向上的像素数目。该方法能通过在激光拼焊过程中拍摄的熔池图像检测焊缝与焊接位置偏差，实现非接触测量。

Description

一种直线焊缝激光拼焊中焊接位置与焊缝偏差计算方法
技术领域
本发明属于视觉检测领域，具体说是一种直线焊缝激光拼焊中焊接位置与焊缝偏差计算方法。
背景技术
激光焊接是利用高能激光束作用在待焊工件上进行焊接的一种精密焊接方法。相对于电弧焊，激光焊接能精确控制焊接时的能量，已被广泛应用于船舶、石油化工、航空航天、机床、汽车等设备和产品的制造，成为机械制造行业中关键技术之一。受到夹具的加工精度和焊接过程中焊件受热变形等因素的影响，焊接过程中焊接位置会与预设的焊接轨迹发生偏离。由于激光热影响区较窄，这种偏离会造成焊接质量的下降，甚至造成焊接失效。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本申请提供一种直线焊缝激光拼焊中焊接位置与焊缝的偏差计算方法，该计算方法适用性强、可靠性好,能为激光拼焊质量的提供检测方面的技术支持。
为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种直线焊缝激光拼焊中焊接位置与焊缝偏差计算方法，具体步骤为：
第一步：初步确定熔池中心；
第二步：精确求取熔池中心；
第三步：计算焊缝位置。
进一步的，所述初步确定熔池中心的具体方法为：在激光拼焊过程中拍摄熔池图像，截取包含熔池的子图像，对子图像高斯滤波后表示为G。在图像G中建立坐标系Oxy，坐标系的原点O位于图像左下角，水平方向为x轴，竖直方向为y轴；设图像G在水平方向上像素的数目为m，在竖直方向上像素的数目为n，则在水平方向上的偏导数为Gx(it,j1)，在竖直方向上的偏导数为Gy(i2,jt)；分别表示为：Gx(it,j)＝G(it1,j)-G(it2,j)，其中，it＝2,3···,m-1，it1＝3,4,5···,m，it2＝1,2,3···,m-2，j＝1,2,3···,n；Gy(i,jt)＝G(i,jt1)-G(i,jt2)，其中，jt＝2,3···,n-1，jt1＝3,4,5···,n，jt2＝1,2,3···,n-2，i＝1,2,3···,m；根据图像在x轴和y轴方向的偏导数，利用式
Figure BDA0002004443000000021
求图像中各像素的梯度；在图像的梯度中搜索，得到灰度值最大的像素位置O'；取点O'横轴上各像素，根据像素灰度值变化趋势在x轴方向上得到两个峰值点O'和Pb；若峰值点O'和Pb间像素数小于10个像素，则取灰度值第二大的像素点位置为O'；以此类推，直到O'和Pb间像素数大于10个像素为止；求得O'后，在点O'的y轴方向上得到峰值点Pa；O'Pb的垂直平分线为l2，O'Pa的垂直平分线为l1，l1和l2的交点为Ot；Ot为初步确定的熔池中心。
进一步的，所述精确求取熔池中心的具体方法为：以熔池内的Ot点为中心，在原图像的梯度图像中每间隔10°绘制一条线段；由于熔池上部为焊缝区域，所绘制的线段不包含焊缝区域，即在竖直方向上左右一定角度范围
Figure BDA0002004443000000022
内不选取边缘点；角度范围的选取根据熔池中焊缝的大小确定，分别提取所绘制各线段上像素的坐标，并在梯度图像中提取各像素点的灰度值；确定在各线段上各像素灰度最大的像素坐标；所得像素坐标即为熔池的像素级边缘点集PS；
根据熔池像素级边缘点集PS，利用亚像素边缘求解方法，求得对应于像素级边缘点的亚像素级边缘点，所求得的亚像素边缘点集用Py表示，对亚像素边缘点集Py进行椭圆拟合，拟合椭圆的中心即为熔池的中心。
进一步的，计算熔池中焊缝位置具体方法为：Ot的横纵坐标分别用xt和yt表示；G的梯度图像中，在yt列上提取纵坐标大于xt的各像素，得到灰度最大值的像素位置Pt1；以Pt1为起始点，在梯度图像上分别向两边搜索灰度最大的像素位置，得熔池中焊缝的像素级边缘点Pti(i＝1,2,…,N)，像素级边缘点的数目N，由拍摄的熔池图像中焊缝所占区域
Figure BDA0002004443000000031
确定；利用亚像素边缘点计算方法，计算每个像素级边缘点对应的亚像素级边缘点；对求得的边缘点进行曲线拟合，拟合曲线的顶点Pw为熔池中焊缝的位置；过Pw绘制垂线用lN表示，则直线lN与数控机床的y轴平行；
熔池图像中，在图像坐标系的x轴方向上，熔池中心ON点到直线lN的距离为用像素数表示的焊接偏差。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：该方法将直线焊缝激光拼焊中焊接偏差的计算转化为在熔池图像中计算焊接位置与焊缝垂线间用像素数表示的距离。以熔池图像上部凸起部分亚像素边缘点经曲线拟合后得到的顶点位置为焊缝位置，以去除凸起部分的熔池亚像素边缘点经椭圆拟合后得到熔池中心为焊接位置，计算的偏差量为两者在水平方向上的像素数目。该方法能通过在激光拼焊过程中拍摄的熔池图像检测焊缝与焊接位置以像素数表示的偏差量，实现非接触测量。
附图说明
图1为焊接过程中拍摄的熔池部位图像；
图2为图像G的梯度图像；
图3为梯度图像上过O'点横坐标方向上像素灰度；
图4为图像G中焊缝像素级边缘；其中(a)为梯度图像中显示像素级边缘点；(b)为熔池图像中显示亚像素级边缘点；
图5为图像G中熔池亚像素级边缘点集及拟合椭圆；
图6为图像G中熔池中焊缝的像素级边缘点；其中(a)为梯度图像中显示图；(b)为熔池图像中显示图；
图7为图像G中焊缝亚像素边缘点及拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。
该方法中用到的多功能数控激光焊接机床设备型号为JHM-1GXY-700B，拼焊用激光为脉冲激光。激光焊接头安装在数控焊接机床的Z轴上，待焊件放置在可沿X轴和Y轴移动的焊接平台上，焊接过程中数控机床的Z轴不动，焊接平台按预设轨迹移动实现焊接。待焊工件夹装后，使直线焊缝与数控焊接机床的Y轴平行。那么，焊接中检测熔池中心与焊缝在X轴方向上距离为焊接偏差。
焊接用脉冲激光器最大功率为700W。工业CCD相机(型号MV-VDM200SM)安装在激光焊接头上，拍摄熔池和焊缝图像时，为有效去除熔池辐射光线对图像质量的影响选择使用截止波长为430nm的短波通滤光片。工业CCD相机为黑白相机，帧率为20帧/秒。处理拍摄的熔池图像时，要先从连续拍摄的图像中提取激光束在焊件上形成熔池时刻的图像，作为本发明检测偏差用图像。在提取的图像中截取熔池部分的子图像G，利用5╳5高斯滤波器对图像G进行滤波，降低噪声对图像处理的影响。本实施例中截取熔池部分图像的长度和宽度均为90个像素，如图1所示。直线焊缝激光拼焊焊接位置与焊缝偏差计算方法的具体实现步骤如下：
第一步：初步确定熔池的中心
计算中所用图像为图像G。在图像G中建立坐标系Oxy，坐标系的原点O位于图像左下角，水平方向为x轴，竖直方向为y轴。设图像G在水平和竖直方向上像素的数目分别为m和n，则在水平和竖直方向上的偏导数Gx(it,j1)和Gy(i2,jt)，可分别表示为：Gx(it,j)＝G(it1,j)-G(it2,j)，其中，it＝2,3···,m-1，it1＝3,4,5···,m，it2＝1,2,3···,m-2，j＝1,2,3···,n；Gy(i,jt)＝G(i,jt1)-G(i,jt2)，其中，jt＝2,3···,n-1，jt1＝3,4,5···,n，jt2＝1,2,3···,n-2，i＝1,2,3···,m。根据图像在x轴和y轴方向的偏导数，利用式
Figure BDA0002004443000000051
求图像中各像素的梯度。在图像G的梯度图2中搜索，得到灰度值最大的像素位置O'。取点O'横轴上各像素，其灰度值如图3所示。由图3可知，根据像素灰度值变化趋势可在x轴方向上得到两个峰值点O'和Pb。若峰值点O'和Pb间像素数小于10个像素，则取灰度值第二大的像素点位置为O'；以此类推，直到O'和Pb间像素数大于10个像素为止。求得O'后，在点O'的y轴方向上得到峰值点Pa。O'Pb的垂直平分线为l2，O'Pa的垂直平分线为l1，l1和l2的交点为Ot。Ot为初步确定的熔池中心。
第二步：精确求取熔池中心
以上述方法得到的熔池内的Ot点为中心，在原图像的梯度图像中每间隔10°绘制一条线段。由于熔池上部为焊缝区域，所绘制的线段不包含焊缝区域，即在竖直方向上左右一定角度范围
Figure BDA0002004443000000062
内不选取边缘点。角度范围的选取根据熔池中焊缝的大小确定，本实施例中选取的角度为
Figure BDA0002004443000000063
分别提取所绘制各线段上像素的坐标，并在梯度图像中提取各像素点的灰度值，并确定在各线段上各像素灰度最大的像素坐标。如图4所示，所得像素坐标即为熔池的像素级边缘点集PS。
根据熔池像素级边缘点集PS，利用亚像素边缘求解方法，求得对应于像素级边缘点的亚像素级边缘点。所求得的亚像素边缘点集用Py表示。对亚像素边缘点集Py进行椭圆拟合，拟合椭圆的中心即为熔池的中心，如图5所示。
第三步：计算熔池中焊缝位置
Ot的横纵坐标分别用xt和yt表示。G的梯度图像中，在yt列上提取纵坐标大于xt的各像素，得到灰度最大值的像素位置Pt1。以Pt1为起始点，在梯度图像中分别向两边搜索灰度最大的像素，可得熔池中焊缝的像素级边缘点Pti(i＝1,2,…,N)，如图6所示。像素级边缘点的数目N，由拍摄的熔池图像中焊缝所占区域
Figure BDA0002004443000000061
确定。利用亚像素边缘点计算方法，计算每个像素级边缘点对应的亚像素级边缘点。计算得到的焊缝亚像素边缘点如图7所示。对求得到边缘点进行曲线拟合，拟合曲线的顶点Pw为熔池中焊缝的位置。过Pw绘制垂线lN，则直线lN与数控机床的y轴平行。
熔池图像中，在图像坐标系的x轴方向上，熔池中心ON点到直线lN的距离为用像素数表示的焊接位置与焊缝间的偏差。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种直线焊缝激光拼焊中焊接位置与焊缝偏差计算方法，其特征在于，具体步骤为：
第一步：初步确定熔池中心；
第二步：精确求取熔池中心；
第三步：计算焊缝位置；
所述初步确定熔池中心的具体方法为：在激光拼焊过程中拍摄熔池图像，截取包含熔池的子图像，对子图像高斯滤波后表示为G；在图像G中建立坐标系Oxy，坐标系的原点O位于图像左下角，水平方向为x轴，竖直方向为y轴；在图像G的梯度中搜索，得到灰度值最大的像素位置；取点横轴上各像素，根据像素灰度值变化趋势在x轴方向上得到两个峰值点和；若峰值点和间像素数小于10个像素，则取灰度值第二大的像素点位置为；以此类推，直到和间像素数大于10个像素为止；求得后，在点的y轴方向上得到峰值点；的垂直平分线为l 2，的垂直平分线为l 1，l 1和l 2的交点为O t ；O t 为初步确定的熔池中心；
所述精确求取熔池中心的具体方法为：以熔池内的O t 点为中心，在原图像的梯度图像中每间隔10°绘制一条线段；由于熔池上部为焊缝区域，所绘制的线段不包含焊缝区域，即在竖直方向上左右一定角度范围φ内不选取边缘点；角度范围的选取根据熔池中焊缝的大小确定，分别提取所绘制各线段上像素的坐标，并在梯度图像中提取各像素点的灰度值；确定在各线段上各像素灰度最大的像素坐标；所得像素坐标即为熔池的像素级边缘点集；
根据熔池像素级边缘点集，利用亚像素边缘求解方法，求得对应于像素级边缘点的亚像素级边缘点，所求得的亚像素边缘点集用表示，对亚像素边缘点集进行椭圆拟合，拟合椭圆的中心即为熔池的中心；
计算熔池中焊缝位置具体方法为：O t 的横纵坐标分别用x t 和y t 表示；G的梯度图像中，在y t 列上提取纵坐标大于x t 的各像素，得到灰度最大值的像素位置P t1；以P t1为起始点，在梯度图像上分别向两边搜索灰度最大的像素位置，得到熔池中焊缝的像素级边缘点，像素级边缘点的数目由拍摄的熔池图像中焊缝所占区域φ确定；利用亚像素边缘点计算方法，计算每个像素级边缘点对应的亚像素级边缘点；对求得的边缘点进行曲线拟合，拟合曲线的顶点P w为熔池中焊缝的位置；过P w绘制垂线用l N表示，则直线l N与数控机床的y轴平行；
熔池图像中，在图像坐标系的x轴方向上，熔池中心O N点到直线l N的距离为用像素数表示的焊接位置与焊缝间的偏差。
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