集裝箱鎖座鉸鏈焊縫識別方法

劉剛

摘 要：目前集裝箱鎖座鉸鏈都是人工焊接，而常用的機器焊接的方法是對于一種固定尺寸和外形的焊接件，先示教，再讓機械手重復，這種方法只能對特定形狀和尺寸的焊接件進行焊接，好的焊接方法能同時對多種形狀和尺寸的焊接件進行焊接，為了達到這個目的，首先要能自動識別焊縫。文章提出了一種針對集裝箱鎖座鉸鏈焊縫識別方法，通過去噪、形態(tài)學處理和邊緣檢測處理，最終得到了焊縫邊緣，具有一定的實用性。

關鍵詞：鎖座鉸鏈；焊縫；邊緣檢測

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越少。用機器自動焊接來取代人手工焊接是目前的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的機器焊接方法是采用示教的方式，一般要設置大量的示教點，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，能夠自動識別出焊接件的位置和焊縫位置的方法。隨著計算機視覺技術的發(fā)展，機器視覺已經(jīng)能用于自動焊接。工業(yè)照相機拍到焊接件的照片后，利用圖像處理技術，識別出焊縫，再將焊縫位置信息轉(zhuǎn)換為機器人坐標用于焊接機器人的焊接，從而實現(xiàn)自動化焊接。國內(nèi)很多研究者在這方面做了相應的研究，申俊琦等[1]利用基于數(shù)學形態(tài)學來進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的邊界追蹤算法的管道法蘭焊縫識別方法，對焊縫邊緣的偽邊緣處理效果較好。皮冬冬等[3]開發(fā)了一套基于雙色光源視覺的機器人焊接定位系統(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步驟來實現(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別方法，包括基于輪廓點個數(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

要準確識別到焊縫，圖像要經(jīng)過去噪、形態(tài)學處理和邊緣檢測處理。經(jīng)過攝像機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用于進一步的處理，因此，首先應該對圖像進行預處理，濾去噪聲，增強有用信息，獲得我們所需要的目標特征。本文的焊縫邊緣識別的方法主要包括三大部分，分別是圖像預處理、工件輪廓提取和焊縫邊緣提取。具體焊縫識別過程總圖如圖1所示。

2 去噪方法

傳統(tǒng)的去除噪點的方法是采用濾波的方式，如高斯濾波，同時會導致絕大多數(shù)邊緣和細節(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間的相關性，當目標圖像細節(jié)紋理復雜時，中值濾波的結(jié)果會破壞其部分紋理。采用濾波的方法時，濾波函數(shù)需要設定一些閾值，這些值可能對某一張工件圖像效果較好，但是輸入其他工件圖像時，效果就不好了。在獲取到工件圖像外輪廓圖后，圖中的噪點實際上是一系列孤立的點構成的點的集合，也就是一系列的點構成的輪廓。鉸鏈外邊緣是一個大的輪廓，首先通過輪廓提取函數(shù)FindContours獲得輪廓總個數(shù)，接著建立一個長度為輪廓總個數(shù)的一維數(shù)組，再使用求最大值函數(shù)求出點最多的那個輪廓，也就是鉸鏈輪廓，其他的輪廓就是噪點輪廓。最后對于每個噪點輪廓，在其內(nèi)部畫黑色線，從而去掉噪點輪廓，只留下鉸鏈邊緣輪廓，完成去噪過程。去噪開始前如圖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霍夫變換識別出來。同時，在直線段上，可以看到各有一個突出的點，這是工人用來定位鉸鏈的點焊點，在實際的自動焊接過程中，這兩個點要去掉。去掉的方法是識別出左右兩條直線輪廓后，用直線來替代帶有點焊點的直線輪廓。

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

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

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坐標的情況下，以鉸鏈外輪廓的左下角為起點，向上方遍歷計算點與左邊霍夫直線的距離，當距離小于某一設定的閾值時，認為找到了焊縫起點D。找焊縫終點E的方法同理。

下面說明找直線段和圓弧段的分界點A和C的方法。

尋找點A：在已經(jīng)找到左右焊縫的起點和終點DE的情況下，從B點開始，以B點到D點的方向遍歷，不斷計算輪廓點與左邊霍夫直線的最短距離，當最短距離小于2時，認為找到了圓弧段與左邊直線段的交界點A。

尋找點C：從B點開始，以B點到E點的方向遍歷，計算輪廓點與右邊霍夫直線的最短距離。當最短距離小于2時，認為找到了右邊圓弧段與右邊直線段的交界點C。已知點A和點D，連接AD即為左邊直線段，用直線段AD來代替帶有點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

本文提出了一種集裝箱鎖座鉸鏈識別的方法，通過一系列圖像處理算法對鉸鏈的原始圖像進行了處理，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)，有一定的實用性。

[參考文獻]

[1]申俊琦，胡繩蓀，馮勝強，等.基于數(shù)學形態(tài)學的焊縫圖像邊緣提取[J].天津大學學報，2010（4）：373-377.

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

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