何倩玉，張愛華,2,3，常東東 ，任 樂

(1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2.甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730050； 3.蘭州理工大學(xué) 電氣與控制工程國家級實驗教學(xué)示范中心，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

超窄間隙焊接是一種針對厚板、特厚板的焊接技術(shù)，具有高效，低熱輸入等優(yōu)點，但對于坡口寬度的變化卻極為敏感，這是因為超窄間隙焊接質(zhì)量的好壞取決于焊接參數(shù)的設(shè)置，而焊接參數(shù)又與當(dāng)前焊道坡口寬度有關(guān)，如果焊接參數(shù)與坡口寬度不匹配，電弧將會失去自調(diào)節(jié)作用而導(dǎo)致焊接失敗[1]。超窄間隙焊接采用單道多層焊接工藝，每一層焊前坡口寬度的獲知是影響焊接過程中工藝參數(shù)合理設(shè)置的重要因素。目前,對超窄間隙厚板焊接過程中坡口寬度的測量大多使用塞尺、楔形尺、游標(biāo)卡尺等工具，但在焊接過程中，由于高溫場的約束以及對尺寸、精度的嚴(yán)格要求，使得這些傳統(tǒng)設(shè)備難以滿足需求。

近年來，隨著機(jī)器視覺的快速發(fā)展，視覺測量技術(shù)應(yīng)用于焊接領(lǐng)域，促進(jìn)坡口檢測技術(shù)向非接觸、高精度化方向發(fā)展?，F(xiàn)有研究大多都是通過測量薄板，中厚板焊接中表面坡口寬度以及識別焊縫輪廓來跟蹤焊縫，規(guī)劃焊接路徑[2～6]；或是通過測量焊接完成后焊縫相關(guān)參數(shù)來表征外觀質(zhì)量[7,8]。對超窄間隙焊接過程中用于指導(dǎo)調(diào)整焊接工藝參數(shù)的當(dāng)前焊道坡口寬度的測量方法還極少有學(xué)者研究，因此，對超窄間隙焊接過程中，當(dāng)前焊道坡口寬度的非接觸、精準(zhǔn)化測量成為了一個亟待解決的重要問題。對于坡口既深又窄的特厚板超窄間隙焊接，無論使用單目、雙目還是結(jié)構(gòu)光測量，都很難直接測得當(dāng)前焊道坡口參數(shù)。

針對上述問題，本文提出一種基于視覺和焊接熱變形模型的當(dāng)前焊道坡口軟測量方法，通過構(gòu)建激光視覺測量系統(tǒng)，坡口圖像的處理與識別，測量出每一層上坡口寬度，再依據(jù)建立的當(dāng)前焊道坡口模型，計算當(dāng)前焊道坡口寬度。

1 系統(tǒng)構(gòu)建與標(biāo)定

1.1 系統(tǒng)構(gòu)建

考慮超窄間隙厚板焊接的坡口特征以及焊件幾何特征，構(gòu)建了一種由MER—2000—19U3工業(yè)相機(jī)、V0826—MPZ鏡頭、650 nm激光器、工控機(jī)、承載平臺等組成的激光視覺測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了單目系統(tǒng)因坡口圖像灰度分布不均所造成的邊緣提取精度差，雙目系統(tǒng)因立體匹配難而造成的穩(wěn)定性差、測量誤差大的劣勢，具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、測量精度高的優(yōu)點。圖1為系統(tǒng)工作示意。

圖1 視覺測量系統(tǒng)工作示意

1.2 系統(tǒng)標(biāo)定

視覺測量的關(guān)鍵是建立圖像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的關(guān)系，這種關(guān)系主要取決于測量系統(tǒng)中攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，求取該參數(shù)的過程稱為相機(jī)標(biāo)定，系統(tǒng)標(biāo)定的結(jié)果是影響測量精確度的主要因素[9]。坡口寬度由特征點的二維世界坐標(biāo)即可計算得到?；谖墨I(xiàn)[10]，設(shè)計了一種共面線性標(biāo)定方法：將標(biāo)定板置于焊件正上方，因?qū)嶒炇褂谩?.001 mm精度的陶瓷標(biāo)定板，具有耐高溫、漫反射小等特點，且其厚度不足1 mm,故可將其看作與焊件處于同一平面。該方法簡化了傳統(tǒng)標(biāo)定方法中需要分離內(nèi)外參數(shù)的步驟，僅需求得隱參數(shù)矩陣，即可對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。

1.2.1 攝像機(jī)參數(shù)模型

攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)模型為

(1)

描述圖像坐標(biāo)[uv]T與攝像機(jī)坐標(biāo)[xcyczc]T之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。其中ku=f/dx，kv=f/dy，f為焦距，(u0,v0)為攝像機(jī)主點坐標(biāo)，dx,dy分別為像平面中兩個坐標(biāo)軸方向的物理尺寸。

攝像機(jī)外參數(shù)模型為

(2)

1.2.2 共面線性標(biāo)定

標(biāo)定板與焊件置于同一平面且世界坐標(biāo)系建立于標(biāo)定板上，故zw=0。基于Harris亞像素角點提取方法，對標(biāo)定板棋盤格角點進(jìn)行提取，求解隱參數(shù)矩陣M。將式(2)簡化代入式(1)有

(3)

m9=pz≠0，故消去zc并除以m9，可得

(4)

M=(ATA)-1AT·B

(5)

式中M為一個8×1維矩陣，僅需4個特征點即可完成標(biāo)定。但在實際應(yīng)用中為避免因特征點少而引起的算法重投影誤差大和穩(wěn)定性低的問題，盡量選取較多的特征點進(jìn)行標(biāo)定。本文選擇標(biāo)定板上除去第一行、最后一行、第一列、最后一列的角點進(jìn)行亞像素的提取與標(biāo)定。通過計算可知重投影誤差e≈0，且選取不同個數(shù)，位置的特征點重復(fù)多次試驗，M基本一致，表明此算法精度，穩(wěn)定性均較好，可以滿足焊接過程中對標(biāo)定方法的要求。對坡口寬度這種僅需二維特征點測量的對象極為適用。

2 圖像處理與特征點識別

視覺測量系統(tǒng)采集圖像之后，識別特征點才能完成對上坡口寬度的測量。

2.1 圖像處理

2.1.1 ROI的提取

CCD拍攝的圖像像素為5 326×4 324，但包含激光條紋及特征點的區(qū)域僅占整幅圖像的一小部分。如果直接對整幅圖像處理，不僅增加處理時間，降低效率，還會引入一些不必要的噪聲，加大處理難度，因此，對圖像進(jìn)行感興趣區(qū)域的提取，不僅可以減少運(yùn)算量，還可消除一些噪聲。通過觀察激光條紋的所處位置以及粗細(xì)程度，選擇其所在的指定區(qū)域作為感興趣區(qū)域，如圖2(a)所示。

2.1.2 頂帽變換

如圖2(b)所示對圖像灰度化以后，圖像左側(cè)的一部分激光線的灰度值與背景灰度值出現(xiàn)了重合現(xiàn)象，如果直接對圖像進(jìn)行二值化處理，則會使得關(guān)鍵信息丟失、特征點難以提取。為解決由于激光線投射于試件表面引起的亮度分布不均的問題，提出在二值化之前先對圖像進(jìn)行頂帽變換處理。即

f0=f-fopen

(6)

式中f為原始圖像；fopen為進(jìn)行開運(yùn)算之后的圖像；f0為頂帽變換的圖像。

由圖2(c)可見，頂帽變換明顯改善了圖像的質(zhì)量，雖然背景區(qū)域的亮度降低，但激光線的灰度值更加突出，并且得到了一定程度的均衡化。該處理方法為合理確定二值化閾值提供了保障。

2.1.3 二值化處理

在頂帽變換將背景與前景分離開的基礎(chǔ)上，基于Otsu大津法對圖像進(jìn)行二值化處理，可將坡口特征從背景中分割出來。此方法是利用前景與背景之間灰度的差異，采用遍歷的方法將使類間方差最大的值當(dāng)作二值化閾值，大于閾值的像素灰度值設(shè)定為0，反之為255[11]。對超窄間隙焊接中，焊件每一道次的坡口寬度進(jìn)行測量需處理多幅圖像，圖像質(zhì)量也存在一定的差距。通過處理發(fā)現(xiàn)，部分圖像在Otsu二值化后周圍存在雜點，影響激光條紋中心線的提取和特征點的識別，此時使用中值濾波方法可以有效濾除雜點。通過可視化三維圖2(d)可以準(zhǔn)確捕獲激光條紋的形態(tài)與位置信息。

圖2 圖像處理

2.2 中心線提取與特征點識別

二值化分割出的激光條紋在圖像坐標(biāo)系的u軸方向占有一定像素寬度，并不是單像素點，因此，基于骨架法對激光條紋進(jìn)行細(xì)化處理，抽取激光條紋的骨架，將原始二值化后的激光條紋變?yōu)閱我幌袼貙挾鹊闹行木€[12]。骨架法處理后，再使用最小二乘法擬合，不僅能有效剔除一些雜亂的點，還能將一些間斷的點連接起來。根據(jù)焊件坡口幾何特征，選用相鄰兩條激光線的交點作為特征點，既能改善由試件本身磨損原因造成測量結(jié)果偏大的問題，又能滿足特征點穩(wěn)定性高的要求。如圖3所示，四條激光條紋中心線在圖像上以自上而下的順序為1～4,記直線1,2的交點為特征點A，直線3,4的交點為特征點B

(7)

式中A=(x1,y1),B=(x2,y2)

圖3 中心線提取與特征點識別

3 當(dāng)前焊道坡口寬度計算模型

在超窄間隙焊接中，為了保證每次焊接后坡口收縮在可焊范圍內(nèi)，留取一定的變形角，將試件固定成如圖4(a)所示的形式。以Q235厚鋼板為例建立當(dāng)前焊道坡口計算模型。

假設(shè)焊完一組試件需要n層，則焊完第i層后的坡口角度

(8)

式中ai,bi,hi分別為焊完第i層時的上坡口寬度，當(dāng)前焊道坡口寬度以及剩余坡口深度，其中，坡口余深為坡口總深度減去焊縫厚度得到。焊接過程2塊厚板母材是同一種材質(zhì)且具有相同的形狀與大小，故而在理想情況下焊接熱變形過程中的兩塊母材受熱均勻，角變形量相等。則第i層的角變形量

βi=αi-1-αi

(9)

當(dāng)前焊道坡口寬度

(10)

雖然無法直接對當(dāng)前坡口進(jìn)行測量，但是依據(jù)式(10)，在獲取上坡口寬度、角變形量、焊縫厚度的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)對當(dāng)前焊道坡口寬度的軟測量。上坡口寬度可由視覺測量系統(tǒng)測量得到。對于角變形量，課題組在焊接熱變形方面已經(jīng)有了較多的研究，根據(jù)文獻(xiàn)[13]方法，通過對多組厚鋼板焊件在焊接過程中角變形量與焊縫厚度數(shù)據(jù)處理可得兩者之間存在如圖4(b)所示關(guān)系。

圖4 厚板超窄間隙焊接熱變形模型

4 驗證實驗

為了驗證所構(gòu)建的視覺測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、圖像處理算法的精度、以及當(dāng)前焊道坡口寬度模型的適用性。選用2組厚板焊件作為實驗對象，對上坡口寬度進(jìn)行測量再依據(jù)所建模型對當(dāng)前道的坡口寬度進(jìn)行軟測量，并與實際坡口寬度值進(jìn)行對比。結(jié)果見表1和表2。

表1 上坡口寬度測量結(jié)果

本文方法測量的上坡口寬度，最小誤差為0.01 %，最大誤差不超過2 %，上坡口寬度測量的高精度性，為下坡口的計算精度奠定了基礎(chǔ)。

表2 當(dāng)前焊道坡口寬度測量結(jié)果

分析數(shù)據(jù)可知，當(dāng)前焊道坡口寬度軟測量的平均絕對誤差在0.1 mm以內(nèi)，僅有個別誤差在0.2 mm左右。對超窄間隙焊接來說0.2 mm以內(nèi)的誤差可以滿足超窄間隙焊接參數(shù)設(shè)定對坡口寬度的測量精度要求。

5 結(jié) 論

1)設(shè)計并構(gòu)建的激光視覺測量系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)接觸式設(shè)備在焊接高溫環(huán)境下使用困難的劣勢，同時改善了人工測量深窄間隙受主觀因素影響大且自動化程度低的問題。系統(tǒng)具有較高的靈敏度與抗干擾能力，可有效地檢測到每一道次坡口的變化程度。

2)針對坡口圖像，使用頂帽變換處理改善了激光線亮度造成的灰度分布不均的問題，Otsu可準(zhǔn)確地將激光線從背景中分離出來。此外，在細(xì)化之后，再使用最小二乘法擬合激光條紋中心線的方法，避免了因直接提取中心線精度低而導(dǎo)致不能有效識別特征點的問題。

3)對不同坡口寬度的Q235厚鋼板焊件，通過視覺系統(tǒng)測量每一道次的上坡口寬度，結(jié)合所建當(dāng)前焊道坡口寬度模型計算求解下坡口寬度。檢測誤差在4 %以下，表明針對超窄間隙焊接對象所建立的上下坡口模型的準(zhǔn)確性與視覺測量系統(tǒng)的有效性。該測量方法可推廣至鋼軌等特厚板超窄間隙焊接中，解決目前超窄間隙焊接當(dāng)前焊道坡口寬度難以直接測量的問題,對超窄間隙焊接技術(shù)走向工程化應(yīng)用具有重要意義。