集裝箱鎖座鉸鏈焊縫識(shí)別方法

劉剛

摘 要：目前集裝箱鎖座鉸鏈都是人工焊接，而常用的機(jī)器焊接的方法是對(duì)于一種固定尺寸和外形的焊接件，先示教，再讓機(jī)械手重復(fù)，這種方法只能對(duì)特定形狀和尺寸的焊接件進(jìn)行焊接，好的焊接方法能同時(shí)對(duì)多種形狀和尺寸的焊接件進(jìn)行焊接，為了達(dá)到這個(gè)目的，首先要能自動(dòng)識(shí)別焊縫。文章提出了一種針對(duì)集裝箱鎖座鉸鏈焊縫識(shí)別方法，通過(guò)去噪、形態(tài)學(xué)處理和邊緣檢測(cè)處理，最終得到了焊縫邊緣，具有一定的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：鎖座鉸鏈；焊縫；邊緣檢測(cè)

焊接是制造業(yè)中普遍使用的一種加工方法，特別是在集裝箱的生產(chǎn)中，大量地使用了焊接工藝，目前焊接現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境一般比較惡劣，噪音大，粉塵多，為了防止焊接弧光傷害，在炎熱的夏季，焊工還要穿著很厚的工作服，愿意從事焊接工作的工人越來(lái)越少。用機(jī)器自動(dòng)焊接來(lái)取代人手工焊接是目前的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的機(jī)器焊接方法是采用示教的方式，一般要設(shè)置大量的示教點(diǎn)，每一種焊接件都需要一套專門的示教程序，而且一旦焊接件的位置發(fā)生一點(diǎn)改變，就需要重新示教。為了提高生產(chǎn)效率，就需要有一種不需要示教，能夠自動(dòng)識(shí)別出焊接件的位置和焊縫位置的方法。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)已經(jīng)能用于自動(dòng)焊接。工業(yè)照相機(jī)拍到焊接件的照片后，利用圖像處理技術(shù)，識(shí)別出焊縫，再將焊縫位置信息轉(zhuǎn)換為機(jī)器人坐標(biāo)用于焊接機(jī)器人的焊接，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。國(guó)內(nèi)很多研究者在這方面做了相應(yīng)的研究，申俊琦等[1]利用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)來(lái)進(jìn)行焊縫圖像邊緣提取，提升了去噪的效果。錢曉明等[2]提出了一種基于改進(jìn)的邊界追蹤算法的管道法蘭焊縫識(shí)別方法，對(duì)焊縫邊緣的偽邊緣處理效果較好。皮冬冬等[3]開(kāi)發(fā)了一套基于雙色光源視覺(jué)的機(jī)器人焊接定位系統(tǒng)，圖像處理算法采用焊接工件的初步定位和焊縫的精確定位兩個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)，分步圖像處理算法，提高了定位算法的可靠性。本文提出了一種集裝箱鉸鏈焊縫識(shí)別方法，包括基于輪廓點(diǎn)個(gè)數(shù)的去燥方法，基于霍夫變換的焊縫直線段提取方法，焊接定位點(diǎn)的去除方法，以及焊縫輪廓段的拼接方法。在焊接件圖像噪點(diǎn)較多的情況下仍然能夠完整地提取出集裝箱鉸鏈的焊縫邊緣。

1 研究方法

要準(zhǔn)確識(shí)別到焊縫，圖像要經(jīng)過(guò)去噪、形態(tài)學(xué)處理和邊緣檢測(cè)處理。經(jīng)過(guò)攝像機(jī)直接采集或掃描所得到的圖像通常比較大，且存在各種噪聲，這樣的圖像不能直接應(yīng)用于進(jìn)一步的處理，因此，首先應(yīng)該對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，濾去噪聲，增強(qiáng)有用信息，獲得我們所需要的目標(biāo)特征。本文的焊縫邊緣識(shí)別的方法主要包括三大部分，分別是圖像預(yù)處理、工件輪廓提取和焊縫邊緣提取。具體焊縫識(shí)別過(guò)程總圖如圖1所示。

2 去噪方法

傳統(tǒng)的去除噪點(diǎn)的方法是采用濾波的方式，如高斯濾波，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致絕大多數(shù)邊緣和細(xì)節(jié)紋理特征被模糊掉，損失了大量的信息。或者中值濾波，該方法忽略了像素點(diǎn)間的相關(guān)性，當(dāng)目標(biāo)圖像細(xì)節(jié)紋理復(fù)雜時(shí)，中值濾波的結(jié)果會(huì)破壞其部分紋理。采用濾波的方法時(shí)，濾波函數(shù)需要設(shè)定一些閾值，這些值可能對(duì)某一張工件圖像效果較好，但是輸入其他工件圖像時(shí)，效果就不好了。在獲取到工件圖像外輪廓圖后，圖中的噪點(diǎn)實(shí)際上是一系列孤立的點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)的集合，也就是一系列的點(diǎn)構(gòu)成的輪廓。鉸鏈外邊緣是一個(gè)大的輪廓，首先通過(guò)輪廓提取函數(shù)FindContours獲得輪廓總個(gè)數(shù)，接著建立一個(gè)長(zhǎng)度為輪廓總個(gè)數(shù)的一維數(shù)組，再使用求最大值函數(shù)求出點(diǎn)最多的那個(gè)輪廓，也就是鉸鏈輪廓，其他的輪廓就是噪點(diǎn)輪廓。最后對(duì)于每個(gè)噪點(diǎn)輪廓，在其內(nèi)部畫(huà)黑色線，從而去掉噪點(diǎn)輪廓，只留下鉸鏈邊緣輪廓，完成去噪過(guò)程。去噪開(kāi)始前如圖2所示，去噪結(jié)束后如圖3所示。

3 焊縫邊緣提取

從圖3可以看到鉸鏈上半部分的左右兩邊緣是直線，這兩條直線可以通過(guò)霍夫變換識(shí)別出來(lái)。同時(shí)，在直線段上，可以看到各有一個(gè)突出的點(diǎn)，這是工人用來(lái)定位鉸鏈的點(diǎn)焊點(diǎn)，在實(shí)際的自動(dòng)焊接過(guò)程中，這兩個(gè)點(diǎn)要去掉。去掉的方法是識(shí)別出左右兩條直線輪廓后，用直線來(lái)替代帶有點(diǎn)焊點(diǎn)的直線輪廓。

如圖4所示，鉸鏈的整個(gè)邊緣中，只有上半部分是焊縫邊緣，即從點(diǎn)D開(kāi)始沿順時(shí)針到點(diǎn)E。左邊直線與第二段圓弧的交界點(diǎn)為點(diǎn)A，第一段圓弧與第二段圓弧的交界點(diǎn)為點(diǎn)B，第二段圓弧與右邊直線的交界點(diǎn)為點(diǎn)C。焊縫的起點(diǎn)，也是左邊直線的下方端點(diǎn)為點(diǎn)D；焊縫的終點(diǎn)，也是右邊直線的下方端點(diǎn)為點(diǎn)E。

焊縫起點(diǎn)D的定義是：鉸鏈的左邊緣實(shí)際是相交的兩段直線，這兩段直線的交點(diǎn)就是焊縫起點(diǎn)D。焊縫終點(diǎn)的定義同理：鉸鏈的右邊邊緣是相交的兩段直線，這兩段直線的交點(diǎn)就是焊縫終點(diǎn)。

根據(jù)此定義，在已知左邊霍夫直線的直線方程和鉸鏈外輪廓點(diǎn)坐標(biāo)的情況下，以鉸鏈外輪廓的左下角為起點(diǎn)，向上方遍歷計(jì)算點(diǎn)與左邊霍夫直線的距離，當(dāng)距離小于某一設(shè)定的閾值時(shí)，認(rèn)為找到了焊縫起點(diǎn)D。找焊縫終點(diǎn)E的方法同理。

下面說(shuō)明找直線段和圓弧段的分界點(diǎn)A和C的方法。

尋找點(diǎn)A：在已經(jīng)找到左右焊縫的起點(diǎn)和終點(diǎn)DE的情況下，從B點(diǎn)開(kāi)始，以B點(diǎn)到D點(diǎn)的方向遍歷，不斷計(jì)算輪廓點(diǎn)與左邊霍夫直線的最短距離，當(dāng)最短距離小于2時(shí)，認(rèn)為找到了圓弧段與左邊直線段的交界點(diǎn)A。

尋找點(diǎn)C：從B點(diǎn)開(kāi)始，以B點(diǎn)到E點(diǎn)的方向遍歷，計(jì)算輪廓點(diǎn)與右邊霍夫直線的最短距離。當(dāng)最短距離小于2時(shí)，認(rèn)為找到了右邊圓弧段與右邊直線段的交界點(diǎn)C。已知點(diǎn)A和點(diǎn)D，連接AD即為左邊直線段，用直線段AD來(lái)代替帶有點(diǎn)焊輪廓的焊縫左邊直線段，同理得到直線段CE。拼接4段焊縫段，得到完整的焊縫邊緣D-A-B-C-E。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種集裝箱鎖座鉸鏈識(shí)別的方法，通過(guò)一系列圖像處理算法對(duì)鉸鏈的原始圖像進(jìn)行了處理，最終獲得了集裝箱鎖座鉸鏈的焊縫邊緣，為下一步焊接程序提供了有效數(shù)據(jù)，有一定的實(shí)用性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]申俊琦，胡繩蓀，馮勝?gòu)?qiáng)，等.基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的焊縫圖像邊緣提取[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）：373-377.

[2]錢曉明，楊麗娟，樓佩煌.基于改進(jìn)的邊界追蹤算法的管道法蘭焊縫識(shí)別[J].焊接學(xué)報(bào)，2016（12）：115-119，134.

[3]皮冬冬，閆志鴻，盧振洋，等.基于雙色光源視覺(jué)的標(biāo)準(zhǔn)焊接工件搜尋與焊縫定位[J].電焊機(jī)，2018（6）：81-86.