基于圖像技術的電阻點焊電極對中性檢測系統

唐國坤，李彥清，張清芳，劉雙宇，任濤

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 計算機科學與技術學院，長春 130022）

電阻點焊是將工件裝配成搭接接頭形式，夾緊于兩電極之間，通以電流，利用電阻熱溶化板材，使兩個分離表面的金屬原子達到晶格距離形成金屬鍵，在結合面上產生足夠的共同晶粒，從而形成焊點的焊接方法［1］。作為一種高效、經濟、環保的重要金屬連接方法，點焊已經在電子工業、儀表、白色家電等行業的裝配連接上得到了廣泛應用，同時也大量應用于車輛制造、航空、航天工業等［2］。尤其是在汽車制造業中，轎車白車身的焊接幾乎全部靠點焊的方法來完成，點焊的質量對轎車車身的質量有很大的影響，因此保證點焊的質量就顯得格外重要。

影響焊接質量的因素有焊接電流、焊接電阻、焊接壓力、焊接時間、焊接材料的表面狀況等。關于焊接過程中電極失效問題，南昌航空大學帥歌旺等人研究了鉻鋯銅電極在電阻點焊鍍鋅鋼板時的失效形式，其研究中監測了電極內部組織及其硬度、導電性能在焊接過程中的動態變化，表明鉻鋯銅電極的失效形式主要是塑性變形、合金化和坑燭［3］。Micheal A等人在銅電極表面電鍍一層鎳來改善電極的抗燒損性能，研究結果表明：不同的電極表面粗糙度及鎳鍍層厚度都影響其對改善電極壽命的效果；同時還指出不管采用怎樣的工件清理方法，用不帶鍍層的電極進行焊接，電極與工件之間的粘連是不可避免的［4］。Ulrich Dilthey等人對影響電極壽命的鋁合金點焊電極燒損過程進行了冶金分析［5］。程方杰從鋁合金點焊的接觸電阻問題入手，對鋁合金點焊過程中，電極燒損的機理及其主要影響因素進行了研究［6］。中國科學院長春光學精密機械研究所的劉要武利用高功率密度激光在銅基材料表面涂敷一層具有優異性能的鎳基合金層來提高材料硬度［7］。劉丹通過對鋁合金點焊電極燒損失效機理的研究發現，點焊時電極與鋁合金工件接觸面間的不均勻點接觸造成通電瞬間局部小爆炸致使電極端面局部區域產生塑性變形，這種局部的塑性變形反過來又加劇了電極與工件接觸面間的不均勻點接觸，由不均勻點接觸引起的局部小爆炸和銅鋁合金交互作用，使電極失效速度加快［8］。當焊接裝置使用一段時間后，焊鉗及機械手臂會發生一部分塑性形變及材料損耗，從而使上下電極帽的對中性發生改變［9］。電極對中性因素，包括上下電極的同軸度檢測及上下電極的空間角度，會直接影響焊接過程中的電流、電阻、壓力等因素。當上下電極軸線不在同一直線時，上下電極帽會產生偏移，使焊點形狀改變，增大焊點面積。焊點面積增大會使焊接電阻減小，進而使焊接電流增大，直接影響焊接質量［10］。當上下電極帽的軸線在空間出現角度時，會使焊點面積減小，焊接壓力增大，焊接電阻增大，焊接電流減小，從而直接影響焊接質量。電極對中性的好壞，不只影響焊接質量，對電極壽命也有很大的影響。

現階段電極對中性的判斷仍以肉眼觀察為主，借助于直尺進行測量和調整。這種方法誤差較大，實際生產中也會造成不便，使生產效率降低［11-12］。本檢測裝置通過兩臺工業CCD相機從同一平面內兩個互相垂直角度拍攝電阻點焊上下焊鉗的圖像，經圖像處理擬合出焊鉗電極帽的軸線，計算出兩軸線空間夾角及電極帽中心點的距離，為焊鉗的調整或電極帽的更換提供依據。

1 測量系統

1.1 電阻點焊機

本裝置測量的電阻點焊機用于白車身焊接，點焊機如圖1所示。上下電極加壓，利用焊接區金屬的電阻熱和在壓力作用下的塑性變形，使接合面的金屬原子之間達到晶格距離，形成金屬鍵，產生足夠的共同晶粒，在外壓力作用下得到焊點、焊縫或對接接頭。

圖1 電阻點焊機

1.2 系統組成

測量系統由兩個工業照相機、千兆交換機、AD轉換卡、兩個對準激光器和計算機組成。其測量系統原理如圖2所示。使用相機專用三腳架固定兩臺CCD相機處于同一平面上且互相垂直，如圖3所示。

圖2 測量系統原理圖

圖3 系統結構示意圖

1.3 圖像采集及處理

由于本裝置需要拍攝兩組垂直方向上焊鉗的清晰圖像，兩臺相機需要同時對焦到焊鉗位置。該裝置采取點狀紅光對準方案，兩臺CCD相機上裝有紅光點狀激光發射器，經調整后固定于相機上，當兩束激光斑點均對準焊鉗中點時，焊鉗即處于兩臺相機全部清晰處。在焊鉗后放置藍色背景，兩個相互垂直的相機分別獲取電極在XY面和XZ面的圖像，如圖4所示。

圖4 電極帽XY面、XZ面圖像

圖像信號在采集、傳輸和保存等不同的階段均會受到多種不同因素的干擾而遭受不同類型的噪聲污染，由此會嚴重影響圖像特征提取、圖像變換、圖像編碼等系列后續處理過程［13］，因此需要在檢測前對圖像進行濾波降噪處理。增加藍色背景后，電極帽顏色與背景顏色具有較大差異，可以輕松完成背景建模，將藍色背景替換為純藍色，以便使邊緣提取更準確。采用Canny算子的方法提取圖像邊緣，使用變分法，尋找優化特定功能的函數。最優檢測使用四個指數函數項表示，近似于高斯函數的一階導數。具體方法可以分為以下5個步驟：（1）應用高斯濾波來平滑圖像，目的是去除噪聲；（2）找尋圖像的強度梯度；（3）應用非最大抑制技術來消除邊誤檢；（4）應用雙閾值的方法來決定可能的（潛在的）邊界；（5）利用滯后技術來跟蹤邊界［14］。將焊鉗圖像的有效區域提取出來。在電極帽圖像兩側邊緣按一定的步長取邊緣點坐標并計算出中點坐標，采用最小二乘法擬合兩電極的中心軸線。由兩組中心軸線計算出焊鉗的偏移距離和角度。

1.4 電極帽軸線擬合及同軸度計算

在三維空間中設沿下電極軸向為X方向，電極端面為Y方向，與X、Y方向垂直的為Z向。采用計算機圖像處理技術獲得電極在二維平面上的方位數據。工業相機像素是3456X4068，通過調整鏡頭焦距、方位，獲得兩電極完全、清晰的圖像。在本系統中，經過標定每個像素對應電極的尺寸是0.028mm。取物高150mm，測量精度小于0.2mm。

如圖4在取景框內取電極帽有效圖像。利用Canny算法提取電極帽圖像，用濾波法去除邊緣效應，得到焊鉗有效部位的圖像［15］。取有效圖像中心點，用最小二乘法擬合出電極帽軸線，如圖5所示。

圖5 擬合電極帽的XY、XZ面軸線

設XY面上電極軸線的直線方程為：

設XY面下電極軸線的直線方程為：

根據軸線的直線方程可計算出兩軸線在中心點的距離Dxy。

XZ面上電極軸線的直線方程為：

XZ面下電極軸線的直線方程為：

根據軸線的直線方程可計算出兩軸線在中心點的距離Dxz。從而計算出兩軸線在中心點的空間距離。

根據兩個面上的直線方程可以獲得上電極軸線的空間直線方程：

和下電極軸線的空間直線方程：

根據兩條直線的空間方程可計算出空間的夾角和距離。在上軸線上任意取2個點形成空間向量(a1,a2,a3)，在下軸線上任意取2個點形成空間向量(b1,b2,b3)，兩向量的夾角即為兩直線的空間夾角θ。

在上下軸線各任取一點構成空間向量(c1,c2,c3)，則兩軸線的空間距離為d：

測量界面如圖6所示。

圖6 測量界面

其中，頂點距離為上下電極軸線在兩電極中點并垂直于下電極軸線所在平面內的距離。空間夾角即上下電極軸線的空間夾角。

1.5 誤差分析

影響本裝置測量精度的因素有相機安裝精度、現場光線、邊緣提取的準確性等。

相機安裝精度對測量有很大影響，應盡可能使兩相機焦點重合，否則會出現其中一個相機無法對焦，甚至出現電極帽無法出現在取景框內的情況。為此特別在相機安裝處分別精加工一個相機安裝定位槽，便于相機安裝時的位置確定，提高相機安裝精度。

現場光線對于電極帽邊緣提取影響很大，過暗或過亮的光線會使背景與電極帽很難區分，使邊緣提取增加難度。對此該裝置應用相機的自動曝光和曝光增益功能來調整圖像清晰度，如果突然出現光線明暗變化較大的時刻，應使相機穩定數秒后繼續測量。

在相機固定位置精確，對焦清晰的情況下，邊緣提取的準確性直接影響測量精度。經過多次試驗，確定高斯濾波器大小，以達到較好的去噪效果，以便更好提取邊緣信息。閾值的高低會對邊緣信息的提取產生影響。設置的閾值過高，可能會漏掉重要信息；閾值過低，將會把枝節信息看得很重要。使用雙閾值算法可以更準確的確定邊緣信息，達到很高的測量精度，滿足工業檢測要求。

2 實驗結果

2.1 測量方法

本次測量的電極帽分兩種型號，直徑分別為16mm和13mm，分別用編號A和B表示。為了檢驗該測量方法及系統的測量效果及精度，安裝固定了一系列具有軸線夾角和空間距離的電極帽，如圖3所示。采用美國FARO三坐標測量儀（圖7）測量兩個電極帽軸線的空間距離和空間夾角，作為測量結果的參考標準。

測量時，在實際應用環境中，對每組電極帽進行三次測量，得到三組空間距離和軸線夾角的測量值，計算三次測量值的平均值，并與三坐標測量儀測量值進行比對。（以下表格中測量值均為三次測量的平均值）。

圖7 美國FARO三坐標測量儀

2.2 測量結果

2.2.1 空間距離測量結果比較，用本裝置的空間距離的測量結果，與美國FARO三坐標測量儀測量值進行對比，得到絕對誤差值，如表1所示。

表1 空間距離測量結果

2.2.2 軸線空間夾角測量結果比較，用本裝置的軸線空間夾角的測量結果，與美國FARO三坐標測量儀測量值進行對比，得到絕對誤差值，如表2所示。

表2 軸線空間夾角測量結果

3 結論

設計了電阻點焊電極對中性的檢測系統，該系統在工業生產中有較好的實用性。

綜合利用了傳統閾值分割算法和背景建模方法，采取先背景建模，消除背景噪音干擾，再進行閾值分割，提高了分割的準確性。

應用最小二乘法擬合電極軸線計算出的空間距離及角度，滿足精度要求。

實驗表明，該系統使用方便，可在實驗室或生產線等多種環境下使用。

經試驗驗證，空間距離精度小于0.2mm，軸線夾角精度小于0.5°，完全可以達到工業檢測要求。