一种电子束焊接熔池形状参数的视觉检测方法

摘要

一种电子束焊接熔池形状参数的视觉检测方法，它涉及电子束焊接熔池形状参数的视觉检测方法，本发明要解决现有熔池图像处理中存在噪声干扰大，无法获得连续，光滑的电子束焊熔池边缘的问题，本发明对电子束焊彩色熔池图像视觉传感系统进行标定，然后启动系统采集熔池图像，采用二值形态学图像处理算法提取熔池图像边缘，最后利用熔池形状参数提取算法对熔池形状参数进行提取；本发明提取的熔池边缘图像完全消除了噪声的影响，边缘连续光滑，熔池形状参数提取精确度高，整个处理过程所需时间大约为30ms，完全可以满足实时检测的需要，本发明应用于焊接自动化领域。

主权项

1.一种电子束焊接熔池形状参数的视觉检测方法，其特征在于所述的电子束焊接熔池形状参数的视觉检测方法具体过程如下：步骤A、将待焊工件放入真空室内固定；步骤B、启动真空室内摄像机，对电子束焊彩色熔池图像视觉传感系统进行标定：一、以焊接工件表面的焊接起点为坐标原点o，焊接方向为x轴正方向，垂直于焊接方向向下为y轴正方向，建立坐标系oxy，即为工件坐标系；二、然后以工件坐标系为参照系画一组同心圆，其中最小圆的半径为1毫米，每个同心圆的半径以1毫米为单位递增，最小的圆与oy轴的交点为A点，最小的圆与ox轴的交点为B点；三、对步骤二所画的坐标系进行拍照；四、以照片平面的左上角为原点O，原点O正下方为Y轴正方向，与Y轴垂直向右为X轴正方向，建立坐标系OXY，即为图像坐标系；五、然后通过下列公式计算出图像坐标系中单位像素在工件坐标系中xy方向上的实际尺寸：$w_x=\frac{1}{\sqrt{{(X_B-X_o)}^2+{(Y_B-Y_o)}^2}}$$w_y=\frac{1}{\sqrt{{(X_A-X_o)}^2+{(Y_A-Y_o)}^2}}$W_x为熔池宽度；W_y为熔池长度；X_o为图像坐标系坐标原点；X_B为图像坐标系坐标B点；X_A为图像坐标系坐标A点；步骤C、提取熔池图像边缘：（1）采用二值形态学提取熔池图像边缘，具体过程如下：设熔池图像灰度值为0～255，设熔池图像灰度阈值为k，k分别取值1,2…，m，将比k大的熔池图像灰度值设为w₁(k)，平均灰度值为M₁(k)，方差为σ₁(k)；将比k小的熔池图像灰度值设为w₂(k)，平均灰度值为M₂(k)，方差为σ₂(k)；设熔池图像灰度值的总平均值为M_T，则类内方差类间方差和灰度值的总平均值M_T的数学表达式分别为：${\sigma }_W^2=w_1{\sigma }_1^2+w_2{\sigma }_2^2$${\sigma }_B^2=w_1(M_1-M_T)+w_2(M_1-M_T)=\frac{w_1{w}_2{(M_1-M_2)}^2}{(w_1+w_2)}$$M_T=\frac{M_1{w}_1+M_2{w}_2}{(w_1+w_2)}$当取得最大值，即为最大值，为最小值时，阈值k为最佳阈值，通过最佳阈值k对图像进行阈值分割，将图像转化为目标和背景分离的二值图像；（2）熔池图像腐蚀处理：通过以下数学表达式获得熔池图像腐蚀E(X)的处理结果：$E\left(X\right)=\{a/B_a⋐X\}=\mathrm{X\Theta B}$其中，X为被处理图像；B为结构元素；a为像素点；（3）熔池图像膨胀处理：通过以下数学表达式获得熔池图像膨胀D(X)的处理结果：$D\left(X\right)=\{a/B_a\cap X\}=X\oplus B$其中，X为被处理图像；B为结构元素；a为像素点；（4）熔池图像边缘检测，具体过程如下：熔池图像边缘F(X)是通过熔池图像膨胀D(X)与熔池图像腐蚀E(X)相减获得的，数学表达式如下式所示：F(X)=D(X)－E(X)步骤D、对熔池形状参数进行提取，具体过程如下：（1）熔宽的提取：在图像坐标系OXY中以熔池中心点o(X₀,Y₀)为起点沿oy方向搜索边缘点，当遇到边缘点A时停止搜索，记下A点的坐标值A(X_A,Y_A),则熔池宽度w_a的计算公式为：$w_a=2\sqrt{{(X_0-Y_A)}^2+{(Y_0-Y_A)}^2}$通过系统标定后得到的图像像素与实际尺寸的对应关系即可得到熔宽的实际尺寸w_b，具体计算公式如下：$w_b=2w_y\sqrt{{(X_0-X_A)}^2+{(Y_0-Y_A)}^2}$上式所述的w_y为熔池长度；（2）熔池长度的提取：在图像坐标系OXY中以熔池中心点o(X₀,Y₀)为起点沿ox方向搜索边缘点，当遇到边缘点B时停止搜索，记下B点的坐标值B(X_B,Y_B),则熔池长度l的计算公式为：$l=2\sqrt{{(X_o-Y_B)}^2+{(Y_o-Y_B)}^2}$通过系统标定后得到的图像像素与实际尺寸的对应关系即可得到熔池长度的实际尺寸,即：$l=2w_x\sqrt{{(X_0-X_B)}^2+{(Y_0-Y_B)}^2}$其中，在焊接过程中采用导电布缠绕在摄像机上。