棱形管與法蘭角焊縫圖像處理及特征提取

劉瑩， 劉維， 高進強

(1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院洛陽分院，河南 洛陽 471000;2.濰柴動力股份有限公司， 山東 濰坊 261001；3.山東大學，濟南 250100)

0 前言

目前，以棱形截面鋼管作為主要承力構件的鋼管塔在輸電鐵塔中的應用逐漸增多[1]，在其生產過程中焊接工序所耗費的時間比重較大，人工焊接時焊接工人不但要對管體長縱縫進行焊接，還有管體和法蘭內外環縫以及筋板與管體和法蘭盤的焊接[2]，批量化生產中，焊接工作量大，僅依靠人工生產效率較低，質量不穩定，實現鋼管塔的自動化焊接對于提高鋼管塔的生產效率和焊接質量具有重要的意義。

在實際生產中，由于加工條件較差和受生產成本的限制，棱形管成形精度較差，與法蘭裝配后接縫形狀、間隙存在變化，焊接過程中由于焊接變形，也會導致角焊縫位置和間隙的變化，焊接時，有經驗的焊工通過肉眼觀察該信息，進而對焊槍進行調整、擺動等，保證焊槍的對中和焊縫成形。因而，自動化焊接過程中，該信息的檢測和獲取對于保證焊接質量至關重要。文中基于單條紋光源和CMOS相機，搭建了一套棱形管與法蘭環焊縫的自動化焊接系統，實現角焊縫信息的采集。在基于視覺的自動化焊接中，圖像處理技術一直是研究熱點之一[3-5]，文中重點研究激光條紋圖像的處理和信息提取，實現角焊縫位置的準確提取和間隙大小的識別。

1 系統構成及工作原理

該系統的主要結構如圖1所示，系統主要由3個部分組成：第1部分是激光視覺傳感器，主要由相機、激光器、濾光系統和保護裝置組成，傳感器以預設的前置距離安裝在焊槍上，延時時間由前置距離和焊接速度決定[6]；第2部分是圖像采集與處理系統，此部分由工控機相關程序實現；第3部分是機械運動和調控系統，包括PLC控制的焊接操作機三維運動，以及偏差和焊接參數的調控。系統工作時，工控機控制焊槍沿焊接方向運動，程序中設置計時器定時采集焊縫圖像并實時處理，得到焊縫中心位置和間隙大小，設計延時調節的比例控制算法，將調整量輸出到運動控制卡，控制十字滑塊實現焊槍對中，并根據焊縫成形設計焊接參數隨間隙變化的分段區間調控策略，實現焊接參數隨間隙變化的控制，保證焊縫的成形良好。

圖1 焊縫跟蹤系統主要結構簡圖

2 焊縫圖像預處理

視覺傳感器采集角焊縫圖像，通過對圖像進行處理，獲取特征點，進而計算出角焊縫的位置以及間隙等信息。圖像處理的好壞對于特征點像素坐標準確提取非常關鍵，直接影響到角焊縫信息的提取。

2.1 感興趣區域(ROI)提取

傳感器采集灰度圖像，像素大小為2 592×1 944。為減小飛濺和弧光的影響，并盡可能的減少圖像處理耗時，需設置感興趣區域(ROI)[7]。試驗中根據傳感器在不同工作位置下激光條紋的角度和位置，設置圖像中間像素大小為1 392×1 944的區域作為ROI，相比于直接處理原始圖像，經過圖像的ROI提取后理論上在像素處理的時間可節省約46%。

2.2 圖像增強

在工業實際生產過程中，由于環境較為復雜，再加上工件反光或凹凸不平，會使圖像部分區域較暗、對比度較小，對圖像處理的過程產生不利影響，因此需要將圖像做增強處理，使得焊縫圖像的特征更加明顯。文中使用線性灰度增強法對焊縫圖像進行增強。該方法首先使用灰度變換函數來變換圖像中點的灰度，然后使用線性單值函數對圖像進行線性擴展[8]。圖2為增強前后的圖像灰度分布圖，可以看出原始圖像的下半部激光條紋線灰度值較低且分布不均勻，經過灰度增強后，該處激光條紋的灰度值均一化提高，對比度有明顯改善。

圖2 灰度增強前后的圖像灰度分布

2.3 圖像降噪

圖像在采集、傳輸和處理過程中的噪聲會對圖像質量造成一定的惡化，對圖像分析造成不利影響[9]。文中采用均值濾波法，用5×5大小的濾波模板來消除噪聲，設f(i,j)為給定的未經降噪處理的圖像，g(i,j)為經降噪處理后的圖像。根據式(1)可對圖像實現利用均值濾波法進行降噪[10]：

(1)

式中：(i,j)∈S，S是在中心點(x,y)處、大小為nm的矩形子圖像窗口(鄰域)中的像素坐標，nm是S內的像素總數。

2.4 形態學處理

工件表面凹凸不平會造成激光條紋各處亮度不均勻，條紋局部存在一些微小的毛刺、孔洞甚至斷裂，因此使用閉運算對圖像進行處理，修復了激光條紋中的缺陷部分[11]。處理前后的激光條紋局部如圖3所示，可以看出經過形態學處理，激光條紋的斷裂處得到了修補，使整個條紋各處連通，有助于提高中心線的擬合精度。

圖3 形態學處理前后局部位置

3 焊縫圖像后處理及特征提取

3.1 激光條紋中心點提取

經過預處理后，激光條紋的像素寬度不一，不利于后續特征參數的識別，需進一步提取出條紋的中心點。文中選用極值法來提取激光條紋的中心點，即尋找圖像中每一行灰度值最大點，并將其作為條紋中心點，如圖4所示。

實際焊接中存在著弧光和飛濺，因此圖像中亮度較高的飛濺條紋在提取過程中會產生偽中心點。圖4a為焊接過程中傳感器采集到的灰度圖像，圖4b為圖4a中第900行像素的灰度分布，此行的灰度值有3處峰值，峰值點A是由焊接時的飛濺顆粒產生的，峰值點B所處位置即為激光條紋中心點的位置，峰值區域C則對應圖4a中右側的弧光區域。由于預處理時設置了ROI，并且將C區域裁剪出所提取的ROI，因此在后處理的中心點的提取中不會受到此區域的影響。試驗中采集了大量焊接過程的圖像，預先根據灰度分布圖中的峰值點B設置灰度值判斷閾值δ，根據此閾值提取后續每一行的條紋中心點。圖4c為條紋中心點提取結果，可以看出采用該方法提取激光條紋中心點比較準確，但仍會從飛濺條紋中提取到中心點。相比于其它方法，極值法的計算量小，處理速度較快且精度高。

圖4 預處理后的焊縫圖像、灰度分布及中心點提取結果

3.2 焊縫中心位置提取

根據分析，經過極值法初步提取中心點時會提取到飛濺條紋上的點，因此需要從這些點中找到激光條紋中心點并提取中心線。文中用霍夫變換將極值法初步判斷出的中心點轉換到參數空間，統計同一點出現的次數，并找到峰值[12]。此外為減少霍夫變換計算量，需要預先計算焊縫圖像中2條激光條紋角度θ。根據角度θ將霍夫變換中的搜索角度設置為[-5°,45°]，搜索步長設置為0.5°，以加快處理速度。

使用最小二乘法把提取的條紋中心點擬合為2條直線，兩條擬合直線的交點坐標就是焊縫中心位置坐標，結果如圖5所示。此方法能夠在存在弧光飛濺等干擾的情況下排除干擾點，準確提取出條紋中心線并得到焊縫中心位置，具有較強的抗干擾能力。

圖5 條紋中心線及焊縫中心位置提取結果

3.3 焊縫間隙提取及精度驗證

在自動化焊接的過程中，為保證焊縫成形，需要根據間隙大小來調節焊接工藝參數，如何準確地提取焊縫間隙大小較為關鍵。圖6是激光線打在工件上的示意圖，AB，DE分別為采集焊縫圖像的兩條激光線，C為兩條激光線的交點。

建立世界坐標系時，設定焊接方向沿-y方向，水平面上垂直于焊縫的方向為x的方向，根據右手法則能夠確定z的方向，如圖6所示。在世界坐標系中，焊縫間隙的大小d等于兩條激光線AB和DE的交點C的x軸坐標值Xc與端點A的x軸坐標值Xa之差的絕對值，即d=|Xc-Xa|。故要計算焊縫間隙大小時需要提取出A點的坐標值。

圖6 間隙計算模型建立

圖7為端點搜索原理和提取結果。提取中心線后的局部圖像如圖7a。為提取出端點A的坐標值，設通過霍夫變換后找到的中心點坐標為(mi,nj)，經過極值法提初步提取出的的中心點為(ui,vj)。設定一個較小閾值τ，當(ui,vj)第一次滿足式(2)時，該點即為條紋端點。由于端點的位置在交點(u，v)上方，并且為避免下方激光條紋中滿足式(2)的點的干擾，預設一個距離Δd，只有點的縱坐標vj>v+d時才該點判斷該點是否滿足式(2)，即從距交點上側Δd處開始向上搜索。

ui-mi<τ

(2)

圖7b為采用上述算法處理后的結果。能夠看出當圖像中存在弧光飛濺等干擾時，此方法依然可以準確地尋找到激光條紋端點與焊縫中心位置。

圖7 端點搜索原理和提取結果

提取出焊縫中心位置和激光條紋端點的坐標之后，需要再把之前視覺系統的標定結果轉換到世界坐標系中，通過計算這兩點的x坐標值的差得到焊縫間隙大小。試驗中基于張正友標定法和交比不變原理得到的投影矩陣和激光平面的標定結果如下：

(3)

光平面方程為：

0.003 481 7xg-0.067 891yg-0.034 517zg+0.997 09=0

(4)

根據投影矩陣M和激光平面方程的標定結果，便可把圖像特征點的像素坐標轉換到世界坐標。為驗證圖像處理的精度，對間隙1.5 mm，2.5 mm和3.5 mm的角接試板掃描提取間隙。考慮到工件表面不平整等造成的提取出的間隙大小上下波動的問題，使用連續處理出的5個間隙值的平均值作為實際間隙值的大小，以提高結果的準確度，圖8為計算結果。圖中虛線分別為此3塊試板間隙大小提取結果的平均值，分別為1.62 mm， 2.57 mm和3.53 mm，與實際間隙值相差很小，表明文中所設計的圖像處理算法能夠滿足焊接過程中特征提取的精度要求。一幀圖像處理時間約為130 ms，能夠滿足焊縫實時跟蹤的需要。在得到準確的焊縫間隙信息后，便可以根據試驗所得間隙和焊接工藝參數的對應關系，調節焊接工藝參數，進而得到良好的焊縫成形。

圖8 間隙大小提取結果

4 結論

(1)設計了合適的焊縫圖像處理流程，對圖像設置感興趣區域提高其處理速度，采用灰度增強和濾波、形態學處理減弱噪聲提高條紋對比度及連續性，極值法提取的光條中心點準確、速度快，可以滿足焊縫跟蹤的實時性。

(2)提取2條紋中心線的交點作為焊縫中心位置，設計了條紋端點搜索算法，由端點坐標和焊縫中心位置坐標計算間隙大小，對焊接過程圖像處理結果表明，該圖像處理算法抗干擾能力較強，對間隙1.5 mm，2.5 mm和3.5 mm的角接試板間隙提取精度結果表明，其相對誤差最大為0.12 mm，能夠較準確的提取出焊縫中心位置和間隙大小。