基于一維線結構光測量焊道高度的方法研究

沈小華 ，陶孟侖 ，張海鷗 ，王桂蘭 ，陳定方

(1 武漢理工大學智能制造與控制研究所，湖北 武漢 430063；2 華中科技大學 塑性成形模擬及模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

基于一維線結構光測量焊道高度的方法研究

沈小華1，陶孟侖1，張海鷗2，王桂蘭2，陳定方1

(1 武漢理工大學智能制造與控制研究所，湖北 武漢 430063；2 華中科技大學 塑性成形模擬及模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

為了獲取精度高的成形零件，對熔積成形過程進行實時監(jiān)控，獲取熔積層焊道高度信息。采用一維線結構光主動視覺的測量方法對熔積層進行檢測，通過開發(fā)的圖像采集軟件對CCD采集的原始焊道圖像進行圖像處理，采用細化法提取光條中心線，并基于三角測量原理計算出熔積層上任意點的累積焊道高度。

金屬零件熔積成形； 一維線結構光； 數(shù)字圖像處理； 機器視覺； 熔積層焊道高度

增材制造成形技術因產品研發(fā)周期短，成形零件綜合力學性能優(yōu)良的特點，逐漸被研究者重視[1]。然而，金屬零件熔積成形是一個結合光、電、熱的復雜過程，受到零件形狀、高溫、外界因素等多種因素的影響。若不能實時獲取熔積層的形貌變化信息，會導致成形金屬零件質量差、精度低。本文基于機器視覺技術對熔積層焊道高度進行可視化檢測，對基于線結構光的熔積層焊道高度測量原理進行研究，對于提高成形零件的成形質量和成形效率有著重要意義[2]。

1 線結構光測量幾何模型的建立

1.1 投影方式選擇

線結構光測量系統(tǒng)的投影方式有很多種。為方便建立光路幾何模型，便于設備的安裝與調整，應將CCD或者激光器正投射于熔積層上(圖1)。

兩種安裝方式各有優(yōu)缺點：CCD正投影安裝方便緊湊，有利于測量精度提高，獲取的圖像不需要進行末端坐標系變換，但是采集到的弧段高度信息滯后；激光器正投影得到的弧段信息不會滯后，但是安裝不便且圖像運算多一次坐標變換，影響測量精度[3]。

由于該裝置需要安裝在微型軋制機構后面，空間有限。綜合考慮測量精度與安裝的方便性，本文選擇CCD正投影的方式進行圖像采集。

(a)CCD正投影

(b)激光器正投影

1.2 基線逐層提升的實現(xiàn)

本文采用一字型激光器投射主動光逐層掃描熔積層獲取焊道高度信息，激光器發(fā)出一束激光面，當激光面與熔積層相交時會產生一段弧線，而與基準板相交產生直線(圖2)，相交弧線上的點與直線會有一些偏移，通過CCD采集相交線灰度圖像，經過圖像處理后獲取弧線上相應點的偏移值，然后通過建立的空間幾何模型求出相應位置的高度信息。

為了保證基線不離開CCD視場，在熔積層堆高的同時將基線也相應抬高。本文利用基準薄片擋光的方法來保證基線始終出現(xiàn)在CCD的視場中，同時避免基線的發(fā)散問題(圖3)。

圖 2 一字型激光器掃描示意圖

圖 3 基準薄片擋光示意圖

1.3 攝像機光路幾何模型建立

攝像機光路幾何模型是對攝像機光學成像關系的簡化，它是進行數(shù)字圖像處理定量分析的基礎，利用相機幾何模型可以將三維空間點和二維圖像點聯(lián)系起來。本文采用針孔模型作為光學成像簡化模型，它是以透鏡的成像原理推出(圖4)。

圖 4 透鏡成像原理示意圖

當圖像平面和拍攝物體分別位于投影中心兩側時，這種針孔模型叫做后投影模型，反之為前投影模型。在實際數(shù)字圖像處理中，圖像采集卡傳送給圖像采集軟件的是物體的正像，前投影模型更符合人類的視覺習慣，本文采用前投影模型作為攝像機光路幾何模型(圖5)。其中投影中心Oc即為攝像機鏡頭位置，圖像平面到鏡頭距離為焦距f，而Zc與光路主軸重合，即CCD攝像機的觀察方向[4]。

圖 5 前投影模型

2 線結構光測量焊道高度原理

本文采用CCD正投影的方式，激光器發(fā)射激光面與熔積層相交產生斜截面，以經過CCD光軸的熔積層橫截面建立跟隨坐標系。X軸為焊槍的移動方向，Y軸為基線所在方向，Z軸平行于CCD光軸，定義X-Y面為基準面，見圖6。弧線ACB投射到熔積層上的激光線，其中點A和點B分別為激光弧線的左右端點，A1A0和B1B0為投射在薄板上的激光線，即基線。角α即為光軸與入射激光面的夾角。

圖 6 斜截面激光三角測量原理示意圖

過激光弧線ACB上任一點C向平面OXY作垂線CH交于H點，則CH⊥HO。由空間幾何理論可以證明角α即為激光入射面與平面OXY的夾角，可以證明熔積層激光線上的任一點采用類似方式獲得的三角形都是相似的，線段CH的長度即為熔積層上點C相對于基線的焊道高度，又由

|CH|=|HO|×tanα

可知，只要確定了線段HO的長度就可以求出熔積層上任意點相對于基線的高度信息，通過數(shù)字圖像處理獲得點H和點O對應于像素坐標系下的像素點之間的偏差，然后乘以標定獲得的比例系數(shù)dx，得到跟隨坐標系下線段HO的物理長度，同理可以求出激光弧線上所有點的相對焊道高度。

在進行第i層熔焊時，設熔積層激光弧線在平面OXY的投影弧線上的任意點P(x,y)到基線的偏差為Si(x,y)，基準薄片到基準板的初始距離h0，相對基準薄板的高度為hi(x,y)，完成第i層堆焊后焊槍的提升高度為ti，即機器人Z軸運動量，則堆積第i層熔積層激光弧線上的點(x,y)的累積焊道高度

3 焊道圖像采集及處理

3.1 圖像采集軟件開發(fā)

本文基于MFC作為圖像采集軟件界面開發(fā)工具，在VisualStudio2012開發(fā)環(huán)境下完成界面設計及編程工作，基于Opencv計算機視覺庫完成數(shù)字圖像處理算法實現(xiàn)。圖像采集軟件包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、焊道高度計算模塊(圖7)。

圖 7 圖像采集軟件界面

3.2 圖像預處理

由于金屬零件熔積成形環(huán)境較為惡劣，CCD采集的灰度圖像在不同程度上會受到噪聲的干擾，影響了熔積層焊道高度的測量精度，因此對圖像進行濾波處理對于提高系統(tǒng)測量精度有重要意義。本文選用中值濾波的方法對采集的灰度圖像進行濾波處理。

中值濾波是一種非線性處理的去噪方法，將原像素點鄰域內的灰度值(包括原像素值)進行排序后獲得一個灰度值序列{x1,x2,x3,...,xn}，則用這個序列的中值y替換原像素點的灰度值。本文實驗圖像經過中值濾波處理后如圖8所示。

圖 8 中值濾波處理圖像

3.3 圖像二值化

為了實現(xiàn)背景與激光線分割，去掉不必要圖像信息的干擾，方便后續(xù)的熔積層激光弧線提取及高度計算，有必要對采集的圖像進行二值化處理，即像素的灰度值只有0和255。二值化的基本思想是選取合適的閾值，對圖像像素點進行逐點掃描，與閾值進行比較，超過閾值的像素點將其灰度值賦值255，低于閾值的像素點將其灰度值賦值0。

本文采集的焊道圖像是一系列類似圖像，處理方式相同，經測試只要設置閾值在250～254之間都能滿足要求，因此本文采用手動設置閾值的方式進行圖像二值化處理，獲得的二值化圖像見圖9。

圖 9 手動設置閾值253獲得二值化圖像

3.4 熔積層激光弧線細化及提取

采集的焊道圖像經過預處理、二值化處理后獲得的激光條紋仍然很粗，不便于后續(xù)焊道高度計算，對激光條紋中心線的提取是整個測量過程的關鍵步驟之一。本文采用細化法對激光條紋中心線進行提取，經過細化法處理的二值化圖像見圖10[5]。

圖10 細化法提取激光條紋中心線結果

為了實現(xiàn)熔積層焊道高度計算，需要提取熔積層激光弧線光點坐標并存入數(shù)組中。本文采用熔積層激光弧線掃描算法提取光點坐標，由于基準薄板位置固定，設定掃描區(qū)間為[107,280], 增加上限閾值T，設定T=155。M為跳變閾值，根據(jù)實際情況選擇，本文設定M=20。本文所采用的熔積層激光弧線掃描算法具體實施步驟如下：

1)從左至右對圖片逐點掃描，若在掃描區(qū)間中第一次掃描到光點(xi,yi)，則以此為基準向右推進并逐個判斷：

a)當掃描到下一光點(xi+1,yi+1)時，則對其進行判斷，若兩個光點滿足|yi+1—yi|>20，并且yi<155，則第一次掃描到的基準光點為熔積層激光弧線邊界點，若不滿足判定式，則繼續(xù)向右掃描；

b)若在掃描30步內均未發(fā)現(xiàn)光點，且滿足yi<155，則第一次掃描到的基準光點為熔積層激光弧線邊界點；

c)若在同一掃描線上掃描出多個光點，則取這些光點中縱坐標最小的點。

2)若在掃描區(qū)間內均為發(fā)現(xiàn)光點，則表示此時基準薄板中間無熔積層激光弧線。

3)將掃描到的熔積層激光弧線光點坐標存入數(shù)組中，方便后續(xù)的高度計算。通過熔積層激光弧線掃描算法提取的激光線見圖11。

圖11 采用熔積層激光弧線掃描算法提取結果

4 總結

本文對一維線結構光測量焊道高度的非接觸式測量方法進行研究，通過開發(fā)的圖像采集軟件對CCD采集的焊道圖像進行一系列圖像處理，獲得了

信息較為完整的二值化圖像。以熔積層激光弧線掃描算法提取熔積層激光線坐標，保證了焊道高度計算的可靠性，為視覺引導機器人進行高質量的三維熔積成形打下基礎。

[1] 張海鷗,王 超,胡幫友,等.金屬零件直接快速制造技術及發(fā)展趨勢[J].航空航天技術,2010(08):43-46.

[2] 孟 飛，張海鷗，王桂蘭. 基于工業(yè)機器人的快速制造原型技術[J].機床與液壓，2010(10):126-128.

[3] 王慧玲.基于機器視覺的焊縫缺陷檢測技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2008.

[4] 曾圣璞.基于線結構光的測量系統(tǒng)設計與實驗研究[D].武漢:華中科技大學,2009.

[5] 許 寧. 線結構光光條圖像處理方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2007.

[責任編校： 張巖芳]

Study on Measurement Method of Bead Height Based on One-dimensional Line Structure Light

SHEN Xiaohua, TAO Menglun, ZHANG Hai′ou, WANG Guilan, CHEN Dingfang

(1IntelligentManufacturingandControlInstitute,WuhanUniv.ofTech.,Wuhan430063,China;2StateKeyLaboratoryofPlasticFormingSimulationandDie&MouldTech.,HuazhongUniv.ofSci.andTech.，Wuhan430074,China)

In order to obtain high precision forming parts, the study carried a real-time monitoring of deposition forming process to get the height information deposition layer bead. It then used one-dimensional structured light measurement method of active vision to detect the deposition layer. By the developing image acquisition software for the original weld image acquisition of CCD for image processing, and used the refinement of the method extracting the light strip center line. Based on the principle of triangulation, it finally calculated the cumulative bead height on the powder deposition layer at any point.

the forming of metal parts deposition; one-dimensional structured light; digital image processing; machine vision;the bead height of the powder deposition layer

2015-04-20

沈小華(1991-)，男，湖北來鳳人，武漢理工大學本科生，研究方向為機械設計制造及其自動化

1003-4684(2015)04-0112-04

TP391.4

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