基于圖像處理的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)研究?

孫增光 王士軍 周永鑫 張臨松 陳 偉

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255000)

隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，其在生產(chǎn)和施工中的應(yīng)用日益廣泛，已成為一種重要的加工方法。由于焊接過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱量、煙霧和電弧，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣，工人的健康受到威脅，采用自動(dòng)化、機(jī)器人化的焊接系統(tǒng)是將人從手工焊接的惡劣環(huán)境中解放出來(lái)的根本途徑[1］。

目前學(xué)者多用結(jié)構(gòu)光法對(duì)焊縫跟蹤，需要加裝線激光，在焊接前要對(duì)焊件打磨拋光，如果不平整會(huì)導(dǎo)致線激光散射[2］。此外線激光在焊件上形成的線不是直線，會(huì)隨著照射面的結(jié)構(gòu)變化而變化，形成的拐點(diǎn)就是焊縫位置，這樣在實(shí)際生產(chǎn)中需要處理大量圖像才能由拐點(diǎn)形成焊縫中心線，由于以上弊端提出了主動(dòng)光法。該方法采用視覺傳感器把采集到的焊縫圖像實(shí)時(shí)傳到電腦中，實(shí)時(shí)處理焊縫圖像最終獲取焊縫中心線，通過(guò)調(diào)整焊槍與焊縫中心線之間的位置偏差，從而使得焊接具有實(shí)時(shí)性和高準(zhǔn)確度[3］。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的組成

焊縫跟蹤系統(tǒng)主要有四部分組成:圖像采集模塊、計(jì)算機(jī)、控制器和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)[4］。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

焊縫實(shí)時(shí)跟蹤的工作原理為:圖像采集模塊獲取工件的焊縫圖像，實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，提取焊縫輪廓并生成焊縫中心線。在焊接時(shí)控制焊槍始終與焊縫中心對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤。

根據(jù)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)出焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，其組成如圖2所示。

跟蹤機(jī)構(gòu)的焊槍和相機(jī)通過(guò)安裝板剛性連接，焊槍和相機(jī)的中點(diǎn)連線要始終保持一條直線[5］。相機(jī)安裝在焊槍前方一定距離，使采集到的焊縫圖像避開強(qiáng)烈的弧光。由于焊接過(guò)程中存在飛濺、弧光和煙塵的影響，通常會(huì)給焊縫的準(zhǔn)確提取帶來(lái)困難，因此需要加入防護(hù)罩進(jìn)行機(jī)械防護(hù)。

對(duì)電弧光譜分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)弧光波長(zhǎng)的范圍在600～760 nm時(shí)，焊接電弧相對(duì)強(qiáng)度比較穩(wěn)定，鏡頭前加入濾光片可以減弱弧光影響，所以選用中心波長(zhǎng)為660 nm的窄帶濾光片。

1.2 圖像采集模塊及計(jì)算機(jī)

選擇的acA1300-30uc工業(yè)相機(jī)，具有體積小，質(zhì)量輕，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，分辨率達(dá)到1296像素×966像素，最大幀率30幀/s，可以通過(guò)USB線直接供電或者傳輸，通過(guò)Windows操作系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用軟件進(jìn)行曝光控制。

計(jì)算機(jī)主要起計(jì)算像素值的作用，要求具有處理圖像速度快，性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。又由于工作環(huán)境惡劣，設(shè)計(jì)選用了M4650工控PC機(jī)，該P(yáng)C機(jī)具有抗干擾、防塵且多擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)[6］。

1.3 機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)

機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用ABB IRB 1410弧焊機(jī)器人，它的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，重復(fù)定位精度高[7］。借助離線編程軟件RobotStudio，可在不影響生產(chǎn)的前提下編程和優(yōu)化任務(wù)，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，縮短換線時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。建立焊接機(jī)器人工作站如圖3所示。

2 焊縫圖像的處理

2.1 提高圖像對(duì)比度

彩色圖像獲取后可以看出焊縫和邊緣分界不明顯，不利于提取焊縫重要信息。為使圖像中焊縫明顯，與工件區(qū)分大，就要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理提高對(duì)比度。處理后的圖像如圖4所示。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理后可以看出圖4b圖像提高了對(duì)比度，焊縫明顯，區(qū)分度高，方便后期處理。

2.2 灰度處理

為了減少圖像信息，加快后續(xù)處理速度，需要對(duì)彩色圖像進(jìn)行灰度處理，這樣處理后不影響圖像的輪廓主要信息，僅包含亮度信息，不含色彩信息的圖像。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，直接灰度處理焊縫和工件的輪廓區(qū)分度不高，不利于提取焊縫邊緣。對(duì)灰度處理后的圖像需要進(jìn)行后處理。常用的方法有圖像均衡化，圖像規(guī)定化，如圖5所示。

灰度圖處理后，會(huì)產(chǎn)生對(duì)比度不足的缺點(diǎn)，使圖像中的細(xì)節(jié)分辨不清晰，這時(shí)需將灰度范圍進(jìn)行線性擴(kuò)展。灰度變換是基于點(diǎn)操作的增強(qiáng)方法，它將每一個(gè)像素的灰度按照一定的數(shù)學(xué)變換公式轉(zhuǎn)換為一個(gè)新的灰度值[8］。

采用線性變換對(duì)圖像中每一個(gè)像素做線性拉伸，將有效地改善圖像視覺效果。設(shè)預(yù)想為f(x，y)，其灰度范圍為[a，b］；變換后的圖像為g(x，y)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

如果圖中大部分像素的灰度級(jí)分布在區(qū)間[a，b］內(nèi)，原圖的最大灰度級(jí)為maxf，只有小部分的灰度超出此區(qū)間，為了改善增強(qiáng)效果，可以令:

灰度線性變化后，并對(duì)圖像局部灰度范圍進(jìn)行擴(kuò)展，通過(guò)局部拉伸把[0.1，0.5］內(nèi)的灰度拉伸為[0，1］，這樣可以使得圖像明暗對(duì)比增強(qiáng)，圖像較亮。處理后的圖像，如圖6所示。

與圖像均衡化和圖像規(guī)定化相比較，灰度線性變化后圖像如圖6a焊縫清晰，輪廓明顯，對(duì)比度較高，為后續(xù)處理帶來(lái)方便。

2.3 圖像二值化和散點(diǎn)祛除

圖像二值化就是將圖像上的像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為0或255，將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果的過(guò)程[9］。圖像的二值化有利于圖像的進(jìn)一步處理，使圖像變得簡(jiǎn)單，突出焊縫的輪廓。

若二值化后的圖像會(huì)存在雜點(diǎn)則需要進(jìn)行散點(diǎn)祛除，通過(guò)散點(diǎn)祛除除掉白色的干擾點(diǎn)和黑色的雜點(diǎn)，但不會(huì)影響焊縫的輪廓。

散點(diǎn)祛除后進(jìn)行圖像求反，方便與原焊縫圖像作對(duì)比，便于提取輪廓進(jìn)行邊緣檢測(cè)。通過(guò)一系列處理后，可以看出求反后的圖像中間白色焊縫與原始圖像焊縫基本一致，如圖7所示。

3 邊緣檢測(cè)

3.1 焊縫輪廓邊緣檢測(cè)

常用的邊緣檢測(cè)有:Roberts算子檢測(cè)，Prewitt算子檢測(cè)，Canny算子檢測(cè)，LOG算子檢測(cè)，如圖8所示。

邊緣檢測(cè)后通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)Prewitt算子邊緣檢測(cè)不能滿足要求，其邊緣輪廓不清晰，不能提取完整焊縫。其他邊緣檢測(cè)算法處理后圖像和原始圖像對(duì)比發(fā)現(xiàn)，焊縫輪廓和原始圖像焊縫輪廓一致吻合，證明圖像處理合格。

3.2 中心線提取

圖像的骨架提取就是以目標(biāo)中心為基準(zhǔn)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行細(xì)化，提取圖形的一部分取中心線，這樣可以去掉不必要的信息，方便識(shí)別。將提取中心線后的圖像顯示在坐標(biāo)系中，選擇多個(gè)特殊點(diǎn)進(jìn)行直線擬合，所得的直線與焊縫所求中心線幾乎重合，在機(jī)器人控制時(shí)，只需按選取的這些特殊點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行控制即可，這樣就能實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟蹤[10］，如圖9所示。

4 結(jié)果測(cè)試

通過(guò)多次試驗(yàn)得出圖像處理的一般流程，如圖10所示。

在平面焊縫的焊接過(guò)程，常見的焊縫有直線、圓弧、折線等情況。根據(jù)得出的圖像處理流程，按同樣的方法也可以處理采集到的圖像，并且能夠準(zhǔn)確得出帶有焊縫中心線的圖像，如圖11所示。

為了使采集到的焊縫圖像處理方便，設(shè)計(jì)焊縫跟蹤實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，可以將采集到的圖像迅速地處理成帶有中心線的圖像，如圖12所示。

在焊接時(shí)，焊件固定在工作臺(tái)上，相機(jī)實(shí)時(shí)獲取焊槍運(yùn)動(dòng)前方的焊縫圖像，通過(guò)設(shè)計(jì)的焊縫實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，進(jìn)行焊縫輪廓提取、生成中心線，通過(guò)控制機(jī)器人調(diào)整焊槍的方向和距離，確保焊槍始終與焊縫中心對(duì)齊，從而實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中焊縫實(shí)時(shí)跟蹤。

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先通過(guò)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行γ值調(diào)整，然后進(jìn)行灰度拉伸，可以提高對(duì)比度，使其變?yōu)橐子谧R(shí)別焊縫的圖像。圖像經(jīng)過(guò)二值化處理后轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥泻诎仔Ч膱D像，突出了焊縫輪廓。圖像求反后進(jìn)行邊緣檢測(cè)，與采集到的圖像對(duì)比后發(fā)現(xiàn)輪廓一致，同時(shí)生成了帶有中心線的焊縫圖像。為了使采集到的焊縫圖像處理方便，設(shè)計(jì)焊縫跟蹤實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，通過(guò)研究焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接提供了可靠保證。