王邦國，吳蒙華,賈衛(wèi)平

(大連大學 機械工程學院，遼寧 大連 116022) *

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焊接激光束致熔池中心計算方法研究

王邦國，吳蒙華,賈衛(wèi)平

(大連大學 機械工程學院，遼寧 大連 116022)*

根據(jù)激光焊接過程中焊縫位置形成熔池溫度高、輻射光線強的特點，利用帶通濾光片濾除熔池輻射光線及飛濺物輻射光線后拍攝的焊縫圖像，對焊接過程中激光致熔池的提取方法進行了研究.首先根據(jù)熔池圖像的灰度值初步確定熔池中心，由該中心向設(shè)定方向搜索得到熔池的像素級邊緣；然后由像素級邊緣點附近一定區(qū)域內(nèi)的像素灰度求亞像素邊緣點的位置；最后將亞像素邊緣點擬合為圓，擬合圓的圓心即為熔池中心.試驗表明，所提出的方法能利用拍攝的熔池圖像識別熔池中心.

激光焊接；視覺檢測；熔池圖像；亞像素邊緣；

0 引言

激光焊接的激光光斑直徑小、能量密度高，具有熱影響區(qū)小、深寬比大、焊接速度和精度高、零部件變形小、殘余應(yīng)力小的特點，已成為機械制造領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)之一，在汽車、航空航天、造船等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[1-4].目前，國內(nèi)絕大多數(shù)激光焊接設(shè)備需要在焊接前預(yù)先設(shè)定焊接軌跡，由于夾具加裝精度和焊接過程中焊件變形的影響，會造成焊縫偏離預(yù)設(shè)焊接軌跡.加裝精度對焊接質(zhì)量的影響可以通過提高夾具的加工精度改善.但是，焊接過程中因焊件變形造成的焊接位置與焊縫的偏離，則難以預(yù)估并在焊接過程中消除.這種偏差會使焊接件質(zhì)量下降，甚至使焊件失效.為保證焊接質(zhì)量，需要在焊接過程中實時檢測焊件上的焊接位置信息，根據(jù)焊接位置信息可進行相應(yīng)的焊接軌跡調(diào)整以保證焊接質(zhì)量.

國內(nèi)外對弧焊和激光焊接過程中焊接致熔池的提取和處理技術(shù)進行了大量的研究工作[5-7].由于激光焊接速度快，基于被動視覺的熔池圖像提取和處理技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，為實現(xiàn)焊接過程中焊接偏差的校正，本文對激光致熔池中心計算方法進行了研究.

1 激光致熔池圖像的獲取

1.1 激光拼焊系統(tǒng)的構(gòu)建

激光拼焊中使用的多功能數(shù)控焊接機床型號為JHM-1GXY-700B.數(shù)控焊接機床可沿X軸、Y軸和Z軸方向移動.視覺檢測系統(tǒng)安裝在激光上，激光拼焊視覺檢測系統(tǒng)示意圖如圖1所示.由于激光焊接中熔池輻射光線較強，直接在焊接過程中使用工業(yè)CCD拍攝的熔池圖像無法進行處理，并獲取熔池的有用信息.為減小輻射光線對工業(yè)CCD相機拍攝圖像的影響，在工業(yè)CCD鏡頭前加裝濾光片.

圖1 激光焊接視覺檢測系統(tǒng)示意圖

1.2 激光致熔池圖像的獲取

激光束作用在焊接區(qū)域形成熔池.若將高溫熔池看做黑體，在可見光范圍內(nèi)隨波長增加輻射光線的強度逐漸增強.工業(yè)CCD相機的光譜響應(yīng)的波長范圍在400～1 000 nm之間，為減小CCD相機接收熔池輻射光線的強度，選擇使用中心波長為430 nm，半帶寬為10 nm的帶通濾光片.

工業(yè)CCD相機鏡頭前加裝帶通濾光片后，拍攝激光束作用在平面304不銹鋼板上的熔池圖像如圖2所示.由圖2可知，工業(yè)CCD相機鏡頭前加裝選用的濾光片后能有效消除飛濺、蒸汽焰等干擾因素對圖像的影響，拍攝到熔池清晰圖像.

圖2 采集的熔池圖像

2 熔池邊緣提取及中心計算

由于相機自身特性及外界干擾會使拍攝圖像包含噪聲，噪聲的存在會改變圖像中像素灰度值大小.為減小噪聲對圖像質(zhì)量的影響，對獲取的圖像進行平滑濾波處理.使用的高斯核表達式為：

(1)

其中，k00>k01>k11>0，并且k00+4k01+4k11=1. 原始圖像經(jīng)濾波后得到的圖像表示為G.在圖像G中建立坐標系O1xy，坐標系原點位于圖像的左下角，橫軸方向為x軸，縱軸方向為y軸.若圖像G在x和y坐標軸上的像素數(shù)目為m和n，在x軸方向圖像的偏導(dǎo)數(shù)用Gx(xi,yj)表示，

其中，xt=2,3,…,m-1，xt1=1,2,3,…,m-2，yi=1,2,3,…,n.在y軸方向圖像的偏導(dǎo)數(shù)用Gy(xi,jt)表示，

其中，yt=2,3,…,n-1；xi=1,2,3,…,m；yt1=1,2,3,…,n-2.根據(jù)圖像在x軸和y軸方向的偏導(dǎo)數(shù)，利用式

求圖像中各像素的梯度，原圖像的梯度圖像如圖3所示.

圖3 原圖像的梯度圖像

為得到熔池的邊緣，先初步求得熔池的中心.通過搜索得到圖3中灰度最大值的像素位置O'，在該點所在行上取一定數(shù)量的像素，所取各像素的灰度值如圖4所示.從圖4中可知，所取像素有兩個灰度值接近的峰值點；其中一個峰值點為O′，另一個峰值點Pa為熔池邊緣點，點O′和Pa連線的中垂線為l1.同理，以O(shè)′為起點，在豎直方向上取一定數(shù)量的像素，求灰度值的峰值可得熔池邊緣點Pb，點O′和Pb連線的中垂線為l2.l1和l2交點Ot即為初步得到的熔池中心.

圖4 圖像中l(wèi)1行上部分像素灰度值

圖5 熔池像素級邊緣點位置

以點Ot為中心，向空間畫一定長度的線段，相鄰兩線段間的夾角為30°，共得到18條線段.沿各線段提取梯度圖像中各像素的位置及其灰度值信息，比較各像素的灰度值得到灰度最大值的像素位置，像素最大值位置即為各線段穿越的像素級邊緣位置.按照上述步驟得到的熔池像素級邊緣點如圖5所示.

3 熔池亞像素邊緣的提取

為了精確計算熔池質(zhì)心，以上述方法獲取的熔池像素級邊緣點為基礎(chǔ)，通過計算得到熔池的亞像素邊緣位置.由于熔池邊緣為曲線，為了實現(xiàn)曲線上亞像素邊緣點位置的計算，以各像素級邊緣點(xi,yi)為中心取5行3列像素，i=1,2,…,18.像素(xi,yi)的灰度表示為w(xi,yi).以邊緣點(xi,yi)的中心為原點建立坐標系OPxpyp，并將穿過該像素的曲線描述為二次曲線，即

yp=t1xp2+t2xp+t3

若像素的寬度為h，在坐標系OPxpyp下，A點和B點的坐標分別為(-3h/2,5h/2)和(3h/2,-5h/2).

按以下步驟進行計算可得到亞像素邊緣：

(1)求各列像素灰度值之和WL、WM和WR；

(2)計算邊緣兩側(cè)像素的灰度值Gu、Gd；

(3)根據(jù)上面兩步所求值可得到二次曲線表達式中各系數(shù)的值：

(2)

求得各系數(shù)的值后可得二次曲線表達式，令二次曲線表達式中的xp=0，在坐標系OPxpyp中邊緣點的坐標為(0，t3)，邊緣點的法向矢量

按上述步驟對像素級邊緣點(xi,yi)計算后，得到的亞像素邊緣點在坐標系O1xy下的坐標為

對每個像素級邊緣點重復(fù)進行上述計算過程，可得到亞像素邊緣.

得到熔池亞像素邊緣后，應(yīng)用最小二乘法對熔池的邊緣進行圓的擬合求激光致熔池的質(zhì)心，上述方法所求熔池亞像素邊緣點表示為

圓的數(shù)學表達式可寫為：

展開后的數(shù)學表達式為：

x2+y2+k1x+k2y+k3=0

根據(jù)圓的數(shù)學表達式可知，(rx,ry)為圓心，r為圓半徑，k1、k2、k3的值可求.各邊緣點到圓心距離與半徑的平方差為

(3)

其中，k1、k2和k3為待求參數(shù)，用式T(k1,k2,k3)分別對k1、k2和k3求偏導(dǎo)數(shù)，并令偏導(dǎo)數(shù)等于零，比較得到的極值點函數(shù)值，其最小值即為k1、k2和k3的值.根據(jù)k1、k2和k3的值可計算擬合圓的圓心和半徑.

部分亞像素級邊緣點到圓心的距離與擬合得到的圓的半徑偏差較大，需要去除.求各亞像素邊緣點到擬合圓圓心(rx,ry)的長度，該值與擬合圓的半徑相減并求絕對值后得wi.令τ為wi和的均值，若wi>μτ，則應(yīng)刪除該邊緣點，并利用剩余邊緣點重新擬合圓.μ的值可取1.3.擬合得到的圓及熔池質(zhì)心如圖6所示，O為擬合得到的熔池中心.

圖6 熔池亞像素邊緣和熔池中心

4 結(jié)論

(1)激光焊接過程中激光致熔池溫度高、輻射光線強，并伴有飛濺、焊接蒸汽焰，利用中心波長為430 nm、半帶寬為10 nm的帶通濾光片能有效濾除熔池輻射光線及干擾光線對圖像質(zhì)量的影響，并拍攝到熔池清晰圖像；

(2)根據(jù)熔池圖像的灰度梯度圖像求像素級邊緣點坐標位置，以各個像素級邊緣點為中心在原圖像中分別取5行3列像素，通過求擬合曲線系數(shù)可分別得到各個像素級邊緣點對應(yīng)的亞像素邊緣點；

(3)利用熔池亞像素邊緣點，通過圓的擬合能計算熔池中心.

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Laser Molten Pool Center Calculation Method

WANG Bangguo, WU Menghua, JIA Weiping

(College of Mechanical Engineering, Dalian University, Dalian 116022, China)

Because of the high temperature of molten pool in laser welding processing, the acquiring method of molten pool and the compute method of weld seam should be researched. The bandwidth range of filter was ensured. Thus, the clear images of molten pool could be obtained. There were several steps that were required to obtaining the center of molten pool. Firstly, the initial center of molten pool was calculated by the grey value. Then, the pixel edge of molten pool could be search from the initial center. Secondly, each sub-pixel edge of the molten pool was calculated separately using the pixels around the pixel edge in a certain region. Lastly, the molten pool center could be obtained by circle fitting using sub-pixel edges. Experiment shows that the proposed method can be applied to acquir the image of molten pool and calculate the center.

laser welding; machine vision; molten pool; sub-pixel edge

1673- 9590(2016)06- 0085- 04

2016-03-30

遼寧省博士科研啟動基金資助項目(20141121)

王邦國(1976-)，男，講師，博士，主要從事視覺檢測及特種加工技術(shù)方面的研究

A

E- mail:wangbg_dalian@163.com.