專利名稱：一種激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷圖像檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光焊接焊縫質(zhì)量檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于結(jié)構(gòu)光視覺和數(shù)據(jù)擬合處理的激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷圖像檢測方法。
背景技術(shù)：
激光焊接具有焊接速度快、焊縫強度高和焊縫美觀等明顯優(yōu)勢，但在焊接過程中， 焊縫質(zhì)量也會因激光功率、光束特性、離焦量、輔助吹氣和焊接速度等參數(shù)的波動受到影響。因此，研究激光焊接焊縫質(zhì)量表面缺陷檢測技術(shù)就顯得非常重要。激光焊接質(zhì)量檢測方法主要有三種通過無損檢測手段檢測焊后焊縫應(yīng)力集中、內(nèi)部氣孔等缺陷；監(jiān)測激光焊接過程中接出現(xiàn)的各種光電磁信號、熔池和小孔形態(tài)評估焊縫質(zhì)量；通過視覺方法對焊后焊縫表面缺陷進行檢測。無損檢測法由于實時性較差難以做到激光焊接在線檢測。激光焊接過程中光電信號和焊接質(zhì)量之間是非線性關(guān)系，小孔和熔池形態(tài)復雜多變，檢測難度也很大。通過視覺方法檢測焊后焊縫表面特征，可以直接檢測出焊縫表面的凹度、凸度和表面氣孔等缺陷，具有快速性、實時性、檢測精度高等明顯優(yōu)勢，明顯優(yōu)于其它方法。目前結(jié)構(gòu)光視覺傳感和圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到熔池動態(tài)智能控制、焊縫跟蹤和焊縫質(zhì)量檢測、機器人激光焊接智能控制等工作中，要想利用視覺技術(shù)檢測焊縫表面缺陷，其中一個重要的步驟就是識別焊縫圖像缺陷特征參數(shù)，而在這些特征參數(shù)中，焊縫凹度和焊縫凸度是最重要的特征量。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，徐敏等人在《焊接技術(shù)》0010，vol 39，No4 56-59)上發(fā)表的“不等厚激光拼焊板焊縫質(zhì)量檢測圖像處理方法”，該文針對激光拼焊過程中的各種噪聲干擾，研究在圖像預處理過程中通過加窗來獲取興趣區(qū)域，采用中值濾波去除圖像噪聲，在結(jié)構(gòu)光條紋中心線提取過程中，使用模板法獲得了條紋的邊界并用幾何中心法提取條紋中心線，提出基于焊縫灰度突變和擬合直線法檢測特征點，但其不足之處是采用模板法和幾何取中法提取出的結(jié)構(gòu)光中心線位置精度較低，并且其直線擬合法僅擬合出焊縫端面輪廓兩端的直線，而對焊縫端面輪廓的理想直線沒有做直線擬合處理，所以獲得的焊縫特征點精度較差，并且沒有提出焊縫表面缺陷諸如凹度和凸度的檢測方法，難以應(yīng)用到實際工程中去。張萬江等人在《儀表技術(shù)與傳感器》(2010，Vol9，No. 9 :84-87)上發(fā)表的“基于結(jié)構(gòu)光視覺的激光拼焊焊縫背面質(zhì)量檢測方法研究”，提出了一種新的模板法獲得條紋邊界并用幾何中心法提取條紋中心線，將斜率分析法引入到條紋中心線特征點檢測中提取一系列特征點，然后通過背面焊縫的圖像序列計算背面焊縫不同位置處的幾何參數(shù)及缺陷，但其中心線提取精度僅在像素級上，無法達到亞像素級別，并且在特征點的提取上易產(chǎn)生誤判降低了檢測結(jié)果的準確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述存在問題和不足，提供一種基于結(jié)構(gòu)光和數(shù)據(jù)擬合處理而能夠快速準確地檢測出激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷的圖像檢測方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明所述的激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷圖像檢測方法，其特點是包括如下步驟a、采用CCD攝像機采集由線性激光發(fā)生器照射焊縫表面而在焊縫表面形成的激光條紋物理圖像，并通過圖像采集卡把激光條紋物理圖像轉(zhuǎn)化為激光條紋數(shù)字圖像；b、采用變邊限高斯擬合法對激光條紋數(shù)字圖像進行處理，提取出具有亞像素精度的激光條紋中心線圖像；C、通過最小二乘法擬合出激光條紋中心線圖像的三條相交特征直線，并求其交點而獲得精確的焊縫端點位置坐標；d、依據(jù)焊縫端點位置坐標計算出焊縫表面的凹度值和凸度值，并將計算出來的凹度值和凸度值與激光焊縫質(zhì)量標準中規(guī)定的凹度值和凸度值進行比較和判斷，完成激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷的檢測。其中，上述步驟b中，采用變邊限高斯擬合法提取亞像素精度的激光條紋中心線圖像，其方法及步驟如下bi、求激光條紋極大值圖像f。；Iv對圖像f。各列進行邊緣取中提取激光條紋近似中心，得到單像素激光條紋中心線圖像fd;b3、確定激光條紋各列寬度值圖像f；；b4、通過變邊限高斯擬合法求取圖像fd和圖像fe對應(yīng)各列的激光條紋中心亞像素位置，得到亞像素精度的激光條紋中心線圖像。上述步驟c中，通過最小二乘法擬合出激光條紋中心線圖像的三條相交特征直線，并求其交點而獲得精確的焊縫端點位置坐標，其方法及步驟如下C1、根據(jù)理論激光條紋寬度值把激光條紋中心線圖像劃分為三個部分焊縫表面中心線圖像部分，記為B圖像焊縫表面中心線兩側(cè)中心線圖像部分，分別記為A圖像和C圖像；C2、通過最小二乘法擬合出A圖像、B圖像和C圖像的直線方程；C3、將A圖像和B圖像直線方程聯(lián)立方程組、B圖像和C圖像直線方程聯(lián)立方程組， 分別求解得到精確的焊縫端點位置坐標。為了避免背景及激光焊接強光的干擾，在進行上述步驟a之前，先在CCD攝像機的鏡頭前安裝一個濾光片。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷的快速準確檢測，不但檢測效果好，而且方法簡單、應(yīng)用方便，并且通過該方法采集到的焊縫端點信息也可用于激光焊接機器人的路徑規(guī)劃及焊縫跟蹤等領(lǐng)域，在激光焊接智能化技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的適應(yīng)性和很高的實用價值。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。


圖1為不等厚板焊縫示意圖；圖2為焊縫激光條紋物理圖像示意圖3為焊縫激光條紋中心線圖像示意圖；圖4為擬合出的三條相交特征直線示意圖；圖5為擬合法求出焊縫精確端點位置的示意圖；圖6為焊縫表面缺陷的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明所述的激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷圖像檢測方法，包括如下步驟a、采用CCD攝像機采集由線性激光發(fā)生器照射焊縫表面而在焊縫表面形成的激光條紋物理圖像(該圖像蘊含了焊縫表面三維信息)，并通過圖像采集卡把激光條紋物理圖像轉(zhuǎn)化為激光條紋數(shù)字圖像；其中，CCD攝像機采用16mm焦距的鏡頭，并且在鏡頭前安裝一個590nm 690nm的濾光片，通過濾光片濾掉激光焊接時的強光和與焊縫截面輪廓無關(guān)的背景，使CCD攝像機在采集焊縫輪廓表面特征時，只采集線性激光發(fā)生器打出并被焊縫反射的特定波長的光，不受室內(nèi)光線和激光焊接光強的影響；如圖2所示，為采集到的如圖 1所示不等厚板焊縫的焊縫激光條紋物理圖像；b、采用變邊限高斯擬合法對激光條紋數(shù)字圖像進行處理，提取出具有亞像素精度的激光條紋中心線圖像，其方法及步驟如下Id1、求激光條紋極大值圖像f。，其方法是對采集到的激光條紋數(shù)字圖像進行處理，設(shè)激光條紋數(shù)字圖像函數(shù)為f(m，η)，其中m、η分別為圖像的行和列，f(m, η)為圖像像素在(m，η)處的灰度值，按激光條紋法線方向逐列搜索灰度極大值fmax，以fmax為閾值對激光條紋數(shù)字圖像進行二值化處理得圖像fb，通過模板濾波去除偽極大值得到激光條紋極大值圖像f。；Iv對圖像f。各列進行邊緣取中提取激光條紋近似中心，得到單像素激光條紋中心線圖像fd，其方法是提取圖像f。第j(j = 1，2，3.…η)列兩個邊緣所在的行為x，y，把位置((x+y)/2，j)作為激光條紋近似中心得到單象素激光條紋中心線圖像fd ；b3、確定激光條紋各列寬度值圖像f；，其方法是采用二值化獲取激光條紋寬度值得圖像fe，閾值Threshold為圖像最大灰度值乘以一個加權(quán)系數(shù)；
θ /(m, η) > Thresholdfe(m,n) = ^提取圖像f；各列的兩個邊緣位置記為f(t，j)和f(d，j)，j = 1，2…η。d_t為激光條紋j列的寬度，激光條紋各列寬度記為行向量S，向量S的第j列元素對應(yīng)圖像f；第 j列的激光條紋寬度；b4、通過變邊限高斯擬合法求取圖像fd和圖像fe對應(yīng)各列的激光條紋中心亞像
素位置，得到亞像素精度的激光條紋中心線圖像，其方法是對于激光條紋圖像的第j列元
素，[i-s/2，…，i+s/2)]表示為向量X」，而[(i-s/2，j),…，(i+s/2, j)]表示為坐標向量
的灰度值向量，[f(i_s/2，j)，…，f(i+s/2，j)]表示為向量Y」，i為圖像fd單像素中心線
j列對應(yīng)的行位置，s為向量S第j列對應(yīng)的元素，表示激光條紋第j列位置對應(yīng)的激光條
紋寬度值，令(\,」，八,」)表示矩陣[Xj，Yj]第h行的元素，h= (1…S)，則以(XhdjhJh =
(1…s)作為擬合數(shù)據(jù)采用高斯擬合求解方程組確定激光條紋中心亞像素位置(Xcu.，j)，由
于對激光條紋圖象不同的列，采用高斯擬合的邊限不同，因此稱之為變邊限高斯擬合。提取的激光條紋亞像素中心線圖像如圖3所示；其中，變邊限高斯擬合法的原理如下設(shè)高斯函數(shù)為式(1)
權(quán)利要求
1.一種激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷圖像檢測方法，其特征在于包括如下步驟a、采用CCD攝像機采集由線性激光發(fā)生器照射焊縫表面而在焊縫表面形成的激光條紋物理圖像，并通過圖像采集卡把激光條紋物理圖像轉(zhuǎn)化為激光條紋數(shù)字圖像；b、采用變邊限高斯擬合法對激光條紋數(shù)字圖像進行處理，提取出具有亞像素精度的激光條紋中心線圖像；C、通過最小二乘法擬合出激光條紋中心線圖像的三條相交特征直線，并求其交點而獲得精確的焊縫端點位置坐標；d、依據(jù)焊縫端點位置坐標計算出焊縫表面的凹度值和凸度值，并將計算出來的凹度值和凸度值與激光焊縫質(zhì)量標準中規(guī)定的凹度值和凸度值進行比較和判斷，完成激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷的檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷圖像檢測方法，其特征在于上述步驟b中，采用變邊限高斯擬合法提取亞像素精度的激光條紋中心線圖像，其方法及步驟如下h、求激光條紋極大值圖像f。；b2、對圖像f。各列進行邊緣取中提取激光條紋近似中心，得到單像素激光條紋中心線圖像fd ；b3、確定激光條紋各列寬度值圖像f；；b4、通過變邊限高斯擬合法求取圖像fd和圖像f；對應(yīng)各列的激光條紋中心亞像素位置，得到亞像素精度的激光條紋中心線圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷圖像檢測方法，其特征在于上述步驟c中，通過最小二乘法擬合出激光條紋中心線圖像的三條相交特征直線，并求其交點而獲得精確的焊縫端點位置坐標，其方法及步驟如下C1、根據(jù)理論激光條紋寬度值把激光條紋中心線圖像劃分為三個部分焊縫表面中心線圖像部分，記為B圖像；焊縫表面中心線兩側(cè)中心線圖像部分，分別記為A圖像和C圖像；C2、通過最小二乘法擬合出A圖像、B圖像和C圖像的直線方程；C3、將A圖像和B圖像直線方程聯(lián)立方程組、B圖像和C圖像直線方程聯(lián)立方程組，分別求解得到精確的焊縫端點位置坐標。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷圖像檢測方法，其特征在于在進行上述步驟a之前，先在CCD攝像機的鏡頭前安裝一個濾光片。
全文摘要
一種激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷圖像檢測方法，包括如下步驟首先，采用CCD攝像機采集由線性激光發(fā)生器照射焊縫表面而在焊縫表面形成的激光條紋物理圖像，并通過圖像采集卡把激光條紋物理圖像轉(zhuǎn)化為激光條紋數(shù)字圖像；然后，采用變邊限高斯擬合法對激光條紋數(shù)字圖像進行處理，提取出具有亞像素精度的激光條紋中心線圖像；接著，通過最小二乘法擬合出激光條紋中心線圖像的三條相交特征直線，并求其交點而獲得精確的焊縫端點位置坐標；最后，依據(jù)焊縫端點位置坐標計算出焊縫表面的凹度值和凸度值缺陷。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)激光焊接不等厚板焊縫表面缺陷的快速準確檢測，為判斷不等厚板激光焊接焊縫質(zhì)量是否合格提供了重要的依據(jù)。
文檔編號G06K9/00GK102279190SQ20111011295
公開日2011年12月14日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者張宇鵬, 楊凱珍, 楊永強, 高世一 申請人:廣州有色金屬研究院