機(jī)器視覺在焊接熔池實(shí)時(shí)檢測(cè)與參數(shù)測(cè)定中的應(yīng)用【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　（20_ _屆）</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　機(jī)器視覺在焊接熔池實(shí)時(shí)檢測(cè)與參數(shù)測(cè)定中的應(yīng)用</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)

2、電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b>&

3、lt;/p><p>　　焊接過程的自動(dòng)化和智能化己經(jīng)成為當(dāng)今焊接技術(shù)的發(fā)展方向，成為目前一個(gè)熱門的研究課題。視覺傳感的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不合適人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺代替人工視覺；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和審查的自動(dòng)化程度。</p><p>　　針對(duì)焊

4、接過程的特點(diǎn)，本文對(duì)焊接熔池圖像進(jìn)行直接處理，采用MATLAB數(shù)字圖像處理功能實(shí)現(xiàn)。首先介紹了本課題的來源與研究意義，并簡(jiǎn)單介紹了當(dāng)今機(jī)器視覺的研究現(xiàn)狀，明確了本課題的研究?jī)?nèi)容。然后給出了實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺的原理基礎(chǔ)，并在MATLAB平臺(tái)上對(duì)熔池原始圖像進(jìn)行處理仿真，并取得了想要得到的結(jié)果。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)表明：基于機(jī)器視覺的焊接熔池實(shí)時(shí)檢測(cè)與參數(shù)測(cè)定能夠得到理想的熔池形狀參數(shù)，基本能滿足生產(chǎn)要求。</

5、p><p>　　關(guān)鍵詞：焊接技術(shù)，機(jī)器視覺，MATLAB仿真，熔池形狀</p><p>　　The application of weld pool real-time inspection and parameters measurement based on Machine Vision</p><p><b>　　Abstract</b&

6、gt;</p><p>　　Automation and intelligence of welding process become more and more popular in welding technologies. And these are hot in the welding region. The Characteristics of visual sensor is it can

7、improve the flexibility and automation of production. In some time, the working conditions is dangerous of manual operation or the artificial vision is difficult to meet the requirements of the o

8、ccasion, we use the machine vision instead. At the same time, in the large quantities of industrial production proce</p><p>　　For the characteristics  of welding process, in this paper, t

9、he processing of weld pool image is directly, it can be achieved by the digital image processing function of MATLAB. At first, introduces the  the origin and research significance

10、of this subject, and briefly introduces the status of machine vision research in  today, make sure the Study contents. Then gives the the basal principle of machine vision. At last

11、 , simulate the processing of the weld pool original image, and achieved the de</p><p>　　Experiments show: the weld pool real-time inspection and parameters measurement based on Machine Vision can obtai

12、n the desired weld pool shape parameters, which can basically meet the production requirements.</p><p>　　Keywords: welding technologies, Machine Vision, MATLAB simulation, pool shape

13、</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的來源1</p>&

14、lt;p>　　1.2課題的意義1</p><p>　　1.3 熔池質(zhì)量信息檢測(cè)的研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3.1 視覺傳感法2</p><p>　　1.3.2 非視覺傳感法3</p><p>　　1.4 過程監(jiān)測(cè)中的信號(hào)處理4</p><p>　　1.5焊接過程控制研究現(xiàn)狀5</p&g

15、t;<p>　　1.5.1 經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制5</p><p>　　1.5.2 智能控制6</p><p>　　1.6本課題研究?jī)?nèi)容6</p><p><b>　　2機(jī)器視覺基礎(chǔ)7</b></p><p>　　2.1基于視覺信息的初始焊接位置識(shí)別與引導(dǎo)7</p><p>

16、　　2.2基于視覺信息的機(jī)器人焊接的自主焊縫跟蹤8</p><p>　　2.3 基于視覺傳感的焊縫熔透實(shí)時(shí)控制9</p><p>　　2.4 基本原理10</p><p>　　2.4.1 模板匹配的基本原理10</p><p>　　3熔池圖像處理13</p><p>　　3.1 熔池圖像處理的基本過程13&

17、lt;/p><p>　　3.1.1圖像濾波13</p><p>　　3.1.2 圖像閾值化14</p><p>　　3.1.3 邊緣檢測(cè)15</p><p>　　3.1.4 特征提取17</p><p>　　3.1.5 視覺系統(tǒng)的定標(biāo)22</p><p><b>　　結(jié)論23&

18、lt;/b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附錄26</b></p><p>　　MATLAB圖像處理程序26</p><p><b>　　1 緒論</b

19、></p><p><b>　　1.1課題的來源</b></p><p>　　焊接生產(chǎn)作為現(xiàn)代工業(yè)的一個(gè)重要加工環(huán)節(jié)，近些年來，隨著石化、冶金、電力以及原子能、航天等現(xiàn)代化科技技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)所使用的設(shè)備質(zhì)量的要求也越來越高，因此，保證焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量就成了國(guó)內(nèi)外焊接工作研究者面臨的重要挑戰(zhàn)。解決這些問題的唯一途徑就是實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動(dòng)化、智能化。</p&

20、gt;<p>　　焊接自動(dòng)化技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是在于對(duì)焊接工藝過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與自動(dòng)控制。在現(xiàn)階段所能做只是利用人類的感官或者現(xiàn)有的傳感技術(shù)，對(duì)一些與直接焊接質(zhì)量有關(guān)的間接焊接質(zhì)量，如熔深、熔寬、熔透等，進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，從而達(dá)到控制焊接質(zhì)量的目的[1]</p><p>　　視覺傳感的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不合適進(jìn)行人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺不能滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來替代

21、；另一方面在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品的質(zhì)量存在著精度不高而且效率低的現(xiàn)象，而用機(jī)器視覺檢測(cè)方法就可以在較大程度上提高審查的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。并且用機(jī)器視覺便于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。由于視覺傳感可以迅速獲得大量信息，而且易于與設(shè)計(jì)信息及加工控制信息集成，所以，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，視覺傳感將在工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。</p><p><

22、;b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　隨著對(duì)焊接自動(dòng)化智能化研究的深入，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)越來越注重對(duì)焊接質(zhì)量的控制，特別是其中熔透與成形直接反映了焊接質(zhì)量，因此焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵步驟是檢測(cè)出反映焊縫熔透和成形的質(zhì)量信息。目前國(guó)內(nèi)外普遍使用各類傳感裝置對(duì)焊接熔池信息進(jìn)行傳感來對(duì)焊接過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)以此作為智能化焊接要求實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。因此，國(guó)內(nèi)外眾多研究人員在視覺傳感方面進(jìn)行了廣泛

23、的研究，該課題在任何方面技術(shù)嘗試和創(chuàng)新都是很有實(shí)際意義的。</p><p>　　1.3 熔池質(zhì)量信息檢測(cè)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　焊接過程信息檢測(cè)是焊接過程研究與質(zhì)量控制的基礎(chǔ)，其核心問題是傳感技術(shù)。焊接過程實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要組成部分是熔池信息傳感，檢測(cè)到的熔池信息能反映焊縫外觀形狀和缺陷，就能間接判斷焊接的質(zhì)量。到目前為止，已有多中傳感器被用來實(shí)時(shí)檢測(cè)焊接過程和焊接質(zhì)量。根據(jù)

24、工作的原理和檢測(cè)方法可以區(qū)分為視覺傳感法、力學(xué)傳感法、聲學(xué)傳感法和電弧傳感法[2]。</p><p>　　1.3.1 視覺傳感法</p><p>　　光學(xué)傳感器的特點(diǎn)是其不與焊接回路接觸，信號(hào)的檢測(cè)過程不會(huì)影響到正常焊接過程。盡管目前在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中光學(xué)傳感器的應(yīng)用不多，但由于光學(xué)傳感器能提供豐富的信息這一特點(diǎn)，其將是今后最有發(fā)展前景的傳感技術(shù)之一。隨著電子工業(yè)和圖像處理技術(shù)的日益成熟，視

25、覺傳感將有廣大的發(fā)展空間。</p><p>　　通過直接視覺傳感技術(shù)的利用可以得到焊接過程動(dòng)態(tài)熔池的二維或三維信息，與其他焊接過程信息檢測(cè)方法相比較，這種檢測(cè)方法最大的優(yōu)勢(shì)在于檢測(cè)到的熔池信息能夠直接反映焊接過程熔化金屬的動(dòng)態(tài)行為，顯而易見，該方法更適合焊接過程的質(zhì)量控制。根據(jù)視覺檢測(cè)系統(tǒng)中成像光源是輔助光源還是焊接區(qū)自身產(chǎn)生的光源可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類[3]。</p><p>　　(

26、1) 主動(dòng)式直接視覺傳感</p><p>　　理想的視覺傳感技術(shù)應(yīng)該能夠?qū)τ捎陔娀」獾墓鈴?qiáng)的急劇變化產(chǎn)生抑制作用。為盡量減小少弧光對(duì)圖像質(zhì)量的影響，主動(dòng)視覺傳感檢測(cè)方法一半采用激光等條件合適的輔助光源對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行人工照明以提高圖像的質(zhì)量。由于激光具有單波長(zhǎng)，方向性好，相干性好等特點(diǎn)，所以可以采用激光作為輔助光源來獲得較清晰的圖像。</p><p>　　美國(guó)的R. Kovacevic 等人[

27、4,5]設(shè)計(jì)了一種由脈沖激光柵格狀多結(jié)構(gòu)光條紋和高電子快門攝像機(jī)組成的熔池視覺檢測(cè)系統(tǒng)，激光器與攝像機(jī)的快門同步，激光器的平均功率為7MW，在一個(gè)脈沖周期內(nèi)激光脈沖持續(xù)時(shí)間為3NS，激光波長(zhǎng)為337NM。因?yàn)樵诩す獬掷m(xù)時(shí)間內(nèi)，激光的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弧光的能量密度，在激光暴光時(shí)間內(nèi)激光的光強(qiáng)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弧光的光強(qiáng)，在攝像機(jī)成像的光路系統(tǒng)中又加有與激光波長(zhǎng)相匹配的窄帶光學(xué)濾光片，所以能夠有效地抑制弧光干擾，進(jìn)一步提高了圖像的信噪比，獲得了非常

28、清晰的熔池圖像。但由于該方法采用高能量密度的脈沖光源和特殊電子快門的攝像機(jī)，其設(shè)備非常昂貴，很難在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。</p><p>　　(2) 被動(dòng)式直接視覺傳感</p><p>　　被動(dòng)光源傳感是指利用熔池自身的輻射光或者對(duì)電弧的反射光或者兩者兼有之作為接收器件信號(hào)源的一種視覺傳感方式。</p><p>　　上海交通大學(xué)的陳善本對(duì)脈沖熔化極氣體保護(hù)焊（GM

29、AW）熔池視覺傳感和實(shí)時(shí)控制進(jìn)行了研究[6]。建立了脈沖GMTW過程熔池視覺傳感系統(tǒng)，根據(jù)脈沖GMAW弧光光譜分布和熔池圖像特征提取，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖GMAW熔池動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)檢測(cè)。</p><p>　　由于焊接熔深和熔透可以通過溫度場(chǎng)的變化來表現(xiàn)，因此若能直接檢測(cè)焊接溫度場(chǎng)的變化，來控制焊接程度是最理想的。但是在實(shí)際焊接過程中，接觸式測(cè)溫方式難以實(shí)現(xiàn)，通常是采用非接觸測(cè)溫方法，即紅外熱像法。</p>

30、<p>　　利用紅外敏感元件檢測(cè)熔池正面或背面的溫度場(chǎng)輻射這種方法稱為紅外熱像法，該方法通過采集溫度場(chǎng)區(qū)域的熱輻射量并且對(duì)溫度場(chǎng)信息進(jìn)行處理，利用溫度場(chǎng)的梯度來檢測(cè)熔透質(zhì)量。</p><p>　　1.3.2 非視覺傳感法</p><p><b>　　(1) 力學(xué)傳感法</b></p><p>　　力學(xué)傳感法是在焊接過程中直接利用力學(xué)傳

31、感器采集聲音信號(hào)，或者對(duì)熔池施加外力，使其產(chǎn)生其他形式的聲音信號(hào)。</p><p>　　熔池在電弧力和熱作用下將會(huì)發(fā)生振蕩，振蕩模式與熔池幾何形狀，特別是焊接熔池熔透密切相關(guān)。該方法就是利用熔池液體受激產(chǎn)生振蕩這一物理現(xiàn)象，通過檢測(cè)其他相關(guān)量來測(cè)定熔池的振蕩頻率，實(shí)現(xiàn)從熔池正面檢測(cè)熔深或熔透，既而實(shí)現(xiàn)熔池控制的目的[7-9]。</p><p><b>　　(2) 聲學(xué)傳感法<

32、;/b></p><p>　　在焊弧過程中，電弧聲總伴隨著產(chǎn)生。該方法就是通過拾聲器采集電弧的特征聲波，再通過傅里葉變換對(duì)聲壓值進(jìn)行特征分析，找出聲壓與熔池之間的某種聯(lián)系，既而實(shí)現(xiàn)熔池的在線控制。</p><p>　　在文獻(xiàn)[8]中指出：在脈沖等離子弧焊鍋爐管道生產(chǎn)過程中，充分利用了等離子弧的“小孔”效應(yīng)，當(dāng)脈沖焊接電流持續(xù)的時(shí)候，等離子弧穿透管壁，形成小孔效應(yīng)，此時(shí)的電弧聲通過小孔

33、，進(jìn)入到管壁內(nèi)形成很強(qiáng)的聲信號(hào)，那么信號(hào)的持續(xù)時(shí)間就表示了小孔的持續(xù)時(shí)間，根據(jù)它來實(shí)時(shí)控制焊接形狀，即可達(dá)到控制焊接熔透的目的。美國(guó)的DAVE FARSON等人利用拾聲器在激光焊接過程中采集聲音信號(hào)，發(fā)現(xiàn)隨著熔深增加聲壓值也會(huì)增大，特別是當(dāng)從局部焊透向全焊透過渡時(shí)，聲壓值會(huì)突變達(dá)到最大，從而可以對(duì)熔透進(jìn)行檢查和控制[10]。</p><p><b>　　(3) 電弧傳感法</b></p

34、><p>　　電弧傳感法是指從焊接電弧本身提取電信號(hào)，即通過檢測(cè)焊接電流的變化或電弧電壓反映焊接質(zhì)量信息的變化。</p><p>　　這種方法主要應(yīng)用于熔透控制中，因?yàn)槿鄢氐墓逃蓄l率與熔池尺寸有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而電弧電壓能夠反映熔池的振蕩頻率，所以通過電弧傳感器檢測(cè)電弧電壓即可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接熔透的控制。荷蘭的G. DEN OUDEN 在這方面做了大量的研究工作[11-13]，他在TIG焊中，通過疊

35、加短時(shí)脈沖電流激振熔池，產(chǎn)生熔池震蕩，利用電壓傳感器檢測(cè)通過傅里葉變化的熔池振蕩頻率。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊春利、何景山等人在恒定直流之上疊加定頻率正弦波電流作為焊接電流激振熔池，產(chǎn)生熔池振蕩，發(fā)現(xiàn)熔池振蕩頻率與熔池尺寸之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以用于尺寸檢測(cè)及熔透控制[14]。</p><p>　　1.4 過程監(jiān)測(cè)中的信號(hào)處理</p><p><b>　?。?）閾值比較</b

36、></p><p>　　這種方法是通過設(shè)定過程中某個(gè)監(jiān)測(cè)量的閾值來判斷過程的穩(wěn)定性，如果監(jiān)測(cè)到的信號(hào)超出閾值范圍，那么判定出現(xiàn)了質(zhì)量問題，否則就認(rèn)為焊接過程是穩(wěn)定的。這種方法只對(duì)信號(hào)做簡(jiǎn)單的放大、濾波等處理，常常在罐身、汽車板的焊接中，主要用來監(jiān)測(cè)未焊透、燒穿及焊接過程的穩(wěn)定性。</p><p>　　（2）時(shí)域、頻域分析</p><p>　　在對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的分析

37、中，頻域和時(shí)域分別表明了動(dòng)態(tài)信號(hào)的兩個(gè)方面。時(shí)域分析是指以波形分析為主，波形分析是以時(shí)間軸為坐標(biāo)表示動(dòng)態(tài)信號(hào)隨時(shí)間變化的關(guān)系，時(shí)域表示比較形象、直觀。頻域分析則以頻譜分析為主，頻譜分析是把動(dòng)態(tài)信號(hào)變?yōu)橐灶l率軸為坐標(biāo)表示出來，頻域表示動(dòng)態(tài)信號(hào)則顯得更為簡(jiǎn)練，剖析問題更加深刻和方便。目前，動(dòng)態(tài)信號(hào)分析的趨勢(shì)是從時(shí)域向頻域發(fā)展，但二者又是相互聯(lián)系、缺一不可、相輔相成的。時(shí)域分析相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，多是對(duì)波形的幅值分析，如計(jì)算波形的最大值、平均值

38、等。通過分析，再給出各種量的幅值關(guān)系，如幅值的大小、幅值對(duì)時(shí)間的分布等。頻譜分析是頻域分析的主要手段，頻譜特性是動(dòng)態(tài)信號(hào)的基本特性之一。在焊接過程監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻譜分析中，由于功率譜圖中突出了主頻率，功率譜分析成為最常用的頻譜分析方法。通過頻譜分析可以求得動(dòng)態(tài)信號(hào)中各個(gè)頻率成分的能量分布，從而得到主要能量分布的頻率值，為焊接過程的質(zhì)量分析提供依據(jù)。在頻譜分析中最常用的是快速傅立葉變換，這種分析方法一方面可以加深對(duì)信號(hào)物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，另一方面

39、又可以提高診斷系統(tǒng)的靈敏度和精度 [16] 。</p><p><b>　?。?）模糊評(píng)判系統(tǒng)</b></p><p>　　模糊評(píng)判系統(tǒng)是以模糊語(yǔ)言和模糊數(shù)學(xué)所形成的知識(shí)表示以及模糊的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)構(gòu)成的評(píng)判分析系統(tǒng)。G. Kinsman 等人采用模糊邏輯控制手段[17] ，以攝像頭獲取等離子云光斑的象素個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)以調(diào)節(jié)焊接速度為調(diào)節(jié)量的閉環(huán)控制。&l

40、t;/p><p><b>　?。?）專家系統(tǒng)</b></p><p>　　專家系統(tǒng)是一種以人類專家水平完成專門的或困難任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有啟發(fā)性、透明性和靈活性等特點(diǎn)。英國(guó)Liverpool 大學(xué)基于專家系統(tǒng)開發(fā)了罐身激光焊接缺陷實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)[18] 。該系統(tǒng)通過噴嘴與工件間的電位差來探測(cè)等離子云的變化情況，將焊接噴嘴作為探針探測(cè)由熔池壓力波沖擊產(chǎn)生的聲信號(hào)來監(jiān)測(cè)熔池的

41、變化情況。</p><p>　　（5）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)</p><p>　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是模仿人的大腦的神經(jīng)單元來處理信息，具有結(jié)構(gòu)化、非線性、魯棒性、并行性等特點(diǎn)。目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在故障診斷、工況監(jiān)控、結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化以及幾何建模等機(jī)械工程中得到了廣泛的應(yīng)用。另外在激光焊接過程質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中也有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。文獻(xiàn)[ 19-24]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷了焊接過程所監(jiān)測(cè)的信號(hào)

42、。其中文獻(xiàn)[19]對(duì)焊接過程中是否熔透以及搭接接頭間隙是否超過0. 2 mm 進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果正確率分別達(dá)到98. 5 %和99 %。文獻(xiàn)[19-21]對(duì)經(jīng)過頻域分析后的等離子體的光、聲信號(hào)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同的缺陷進(jìn)行診斷。文獻(xiàn)[21-24]探討了利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來控制激光焊接過程的方法。但是距實(shí)現(xiàn)過程的自適應(yīng)控制還有一定的距離。</p><p>　　1.5焊接過程控制研究現(xiàn)狀</p><

43、p>　　控制焊接動(dòng)態(tài)過程即實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)。焊接參數(shù)包括了焊接工藝規(guī)范參數(shù)、焊接過程的動(dòng)態(tài)參數(shù)和焊接質(zhì)量參數(shù)。由于焊接過程自動(dòng)控制的最終目的是為了獲得滿意的焊接質(zhì)量，因此焊接過程的被控對(duì)象主要是焊接過程中的動(dòng)態(tài)參數(shù)，如熔池的正面熔寬、正面熔池的面積、半長(zhǎng)和拖后角等[25]。</p><p>　　焊接過程是一個(gè)多參數(shù)影響的復(fù)雜多變量系統(tǒng)，由于焊接過程的非線性以及存在不確定性因素干擾，以精確數(shù)學(xué)模型為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的

44、經(jīng)典及現(xiàn)代控制理論面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。近年來自動(dòng)控制技術(shù)由于在人工智能、控制理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉得到很大的進(jìn)展，新一代控制理論正在逐步形成中，即智能控制理論。智能控制的基本特點(diǎn)是不依賴或不完全依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，其主要特點(diǎn)是利用人的操作經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和推理技術(shù)以及控制系統(tǒng)的某些信息和性能得出相應(yīng)的控制動(dòng)作。</p><p>　　1.5.1 經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制</p><p>　　PID控制

45、是目前發(fā)展的比較成熟的一種最簡(jiǎn)單實(shí)用的控制方法，是一種經(jīng)典控制方法。它通常是依靠數(shù)學(xué)模型，再通過解析的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，有時(shí)也不依賴數(shù)學(xué)模型而僅憑借經(jīng)驗(yàn)和試湊來確定。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用到了工業(yè)控制的絕大數(shù)領(lǐng)域。在焊接過程控制中，曾被研究應(yīng)用過[26,27]。PID控制是建立在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，焊接過程控制系統(tǒng)是非線性、大時(shí)滯、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，不能用精確地?cái)?shù)學(xué)模型來描述其系統(tǒng)特性，所以PID控制在焊接過程中不可能實(shí)現(xiàn)精確地控制。</p&g

46、t;<p>　　自適應(yīng)控制是現(xiàn)代控制理論一種控制方法，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張?jiān)Ｃ鞯热薣27]曾對(duì)此做過研究，控制效果不是很理想。由于現(xiàn)代控制理論也是建立在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，對(duì)于像焊接這樣的非線性系統(tǒng)而言，其自適應(yīng)控制問題的解決比較困難。首先很難找到合適的不確定非線性動(dòng)態(tài)的模型結(jié)構(gòu)；其次，不存在一般形式的自適應(yīng)控制律。</p><p>　　1.5.2 智能控制</p><p>　　

47、智能控制是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，由于有著傳統(tǒng)控制理論所不具備的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織功能，它主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜的控制問題[28]。智能控制具體又可分為模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、分層遞階控制等，它所涵蓋的學(xué)科領(lǐng)域不盡相同。目前，在焊接過程控制中研究較多的是模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、以及兩者的結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。</p><p>　　1.6本課題研究?jī)?nèi)容</p><

48、p>　　由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的快速發(fā)展以及控制理論的豐富給整個(gè)工業(yè)界帶來了很大的變化，將計(jì)算機(jī)、傳感器和先進(jìn)的控制理論用于傳統(tǒng)工業(yè)將是大勢(shì)所趨，也是改造和發(fā)展傳統(tǒng)行業(yè)的必由之路。在這樣的學(xué)術(shù)大背景下，本課題正是將傳統(tǒng)的焊接方法與高科技技術(shù)相結(jié)合，保證焊接質(zhì)量，提高焊接效率，節(jié)約能源和資源，改善勞動(dòng)環(huán)境，走焊接行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展道路。本課題主要研究熔池信息的在線檢測(cè)，特征識(shí)別，特征提取問題。該研究?jī)?nèi)容是焊接技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)研究方向

49、，具有很高的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。熔池視覺檢測(cè)系統(tǒng)能夠成功檢測(cè)出熔池清晰的圖像，利用MATLAB數(shù)字圖像處理技術(shù)檢測(cè)出熔池圖像的特征點(diǎn)，然后即可根據(jù)公式計(jì)算出熔池表面形狀尺寸參數(shù)，</p><p><b>　　2機(jī)器視覺基礎(chǔ) </b></p><p>　　焊接過程中，對(duì)熔池信息的實(shí)時(shí)信息實(shí)時(shí)反饋是實(shí)時(shí)控制的基礎(chǔ)，所以能比較精確地、快速的傳遞熔池幾何信息等特征參數(shù)傳感系統(tǒng)是智

50、能化焊接機(jī)器人的重要設(shè)備。實(shí)施機(jī)器人焊接的首要技術(shù)之一是如何尋找并引導(dǎo)機(jī)器人焊槍接近焊接初始點(diǎn)，識(shí)別焊縫特征形式與走向?qū)崟r(shí)控制焊接機(jī)器人對(duì)中和跟蹤焊縫[39-33]。從模擬焊工觀察的功能出發(fā)，采用視覺傳感識(shí)別工件與焊縫特征是可行的。由于視覺傳感方式具有信息量大、非接觸、快速、高精度及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為機(jī)器人焊接傳感器方面的研究熱點(diǎn)。視覺傳感方式在焊接機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用方向概括來說主要集中在三個(gè)方面：基于視覺信息的初始焊接位置

51、識(shí)別與導(dǎo)引、焊縫跟蹤和焊縫成形傳感[34]。</p><p>　　2.1基于視覺信息的初始焊接位置識(shí)別與引導(dǎo)</p><p>　　對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行視覺傳感的初始焊位識(shí)別及導(dǎo)引研究，是實(shí)現(xiàn)智能化焊接機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。初始焊位的導(dǎo)引對(duì)于一個(gè)焊接任務(wù)的圓滿完成時(shí)十分重要的，它是實(shí)施焊接動(dòng)作的第一步，并且對(duì)于提高焊接機(jī)器人的智能化程度，實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人的智能化自主焊接時(shí)十分必要的。初始焊位導(dǎo)引系

52、統(tǒng)的任務(wù)就是通過視覺傳感，在工作空間內(nèi)拍攝焊件的圖像，通過圖像處理和立體匹配，提取焊縫的初始點(diǎn)在三維空間內(nèi)的坐標(biāo)，把這個(gè)結(jié)果傳送給中央控制計(jì)算機(jī)（也稱IWR服務(wù)器），由IWR服務(wù)器控制機(jī)器人的焊槍到達(dá)初始焊位準(zhǔn)備焊接。</p><p>　　一個(gè)基于視覺傳感的IWR初始焊位識(shí)別和焊縫初始位置導(dǎo)引系統(tǒng)如圖2-1所示。圖中CCD用于獲取待焊工件焊縫初始位置、連接形式的圖像信息，然后經(jīng)特定設(shè)計(jì)的圖像處理算法提取焊縫初始位

53、置特征，并經(jīng)立體視覺匹配算法確定焊接初始點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，再行啟動(dòng)自主導(dǎo)引計(jì)算程序，通過中央控制機(jī)和機(jī)器人控制器驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體移動(dòng)焊槍端點(diǎn)接近焊接工件焊縫初始位置。</p><p>　　圖2-1 基于視覺傳感的IWR初始焊位識(shí)別和導(dǎo)引子系統(tǒng)框圖</p><p>　　2.2基于視覺信息的機(jī)器人焊接的自主焊縫跟蹤</p><p>　　由于加工和裝配上的誤差以及焊接過程中

54、的熱核殘余應(yīng)力而產(chǎn)生的變形等會(huì)造成接頭位置和尺寸的變化，因此焊接條件的變化要求焊接機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到這種變化以調(diào)整焊接路徑，保證焊接質(zhì)量的可靠性。焊縫跟蹤子系統(tǒng)的任務(wù)就是在機(jī)器人導(dǎo)引到初始位置之后，通過視覺傳感，在工作空間內(nèi)實(shí)時(shí)拍攝焊縫的圖像，通過圖像處理，提取焊縫的中心點(diǎn)與焊槍尖端點(diǎn)在焊件平面內(nèi)垂直投影點(diǎn)之間的距離（即偏差信息）和焊縫在圖像上的走向，把這個(gè)結(jié)果傳送給IWR服務(wù)器。由IWR服務(wù)器根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，把這些變量以機(jī)器人當(dāng)前的姿

55、態(tài)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人實(shí)際可控的變量?？刂茩C(jī)器人的焊槍始終在焊縫正上方保持相同高度并沿著焊縫前進(jìn)。一個(gè)焊接機(jī)器人視覺傳感的焊縫跟蹤控制子系統(tǒng)如圖2-2所示。</p><p>　　圖中CCD1用于獲取工件焊縫位置、形狀和方向的圖像信息，然后經(jīng)特定設(shè)計(jì)的圖像處理算法提取焊縫形狀與方向特征，并根據(jù)焊縫位置確定焊槍的下一步接近或糾偏運(yùn)動(dòng)方向和位置量，再行啟動(dòng)焊縫跟蹤計(jì)算程序，通過中央控制機(jī)和機(jī)器人控制器驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體移動(dòng)焊槍端點(diǎn)

56、跟蹤焊縫走向和位置糾偏。</p><p>　　圖2-2基于視覺傳感的IWR焊縫跟蹤實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)框圖</p><p>　　2.3 基于視覺傳感的焊縫熔透實(shí)時(shí)控制</p><p>　　焊弧過程的如圖信息傳感、焊接動(dòng)態(tài)過程模型的建立和反饋實(shí)時(shí)控制是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高精度機(jī)器人焊接自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)之一。由于焊接過程是一個(gè)多參數(shù)相互耦合的時(shí)變非線

57、性系統(tǒng)，焊縫成形質(zhì)量受各種因素的影響，這使得在焊縫成形控制中，經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論方法都不同程度的存在適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。為解決這些問題，保證焊縫成形穩(wěn)定，就必須使焊接機(jī)器人具有熔透實(shí)時(shí)控制的能力。一個(gè)基于視覺傳感的IWR熔透實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)如圖2-3所示。該子系統(tǒng)利用基于CCD攝像機(jī)的焊接熔池正面視覺信息傳感器。圖像采集借口卡、焊接數(shù)據(jù)采集接口板、以及微型計(jì)算機(jī)組成熔透控制系統(tǒng)，以熔池熔寬及成形為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接過程中的焊縫熔透控制。

58、</p><p>　　圖中攝像機(jī)CCD2安裝于機(jī)器人焊槍行走方向的后部，用于在焊接弧光照射下直接獲取機(jī)器人運(yùn)動(dòng)后方向的半部熔池變化圖像，然后經(jīng)特定設(shè)計(jì)的熔池圖像處理算法提取熔池形狀特征，并根據(jù)熔池的寬度、半長(zhǎng)、面積及形狀特征信息，通過中央控制機(jī)結(jié)合相應(yīng)工藝參數(shù)和預(yù)先建立的焊接熔池動(dòng)態(tài)過程模型預(yù)測(cè)熔深、熔透、熔寬和余高等焊接質(zhì)量參數(shù)，調(diào)用合適的控制策略給出適當(dāng)?shù)睾附訁?shù)調(diào)整以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度、姿態(tài)和送絲速度的調(diào)節(jié)變

59、化，通過焊接電源和機(jī)器人本體等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接熔池動(dòng)態(tài)特征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、熔透與焊縫成形質(zhì)量的智能控制。</p><p>　　圖2-3基于視覺傳感的IWR熔透實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　2.4 基本原理</b></p><p>　　2.4.1 模板匹配的基本原理</p><p>　　采用視覺傳感方法

60、，在對(duì)圖像識(shí)別及理解過程中，匹配技術(shù)起著重要的作用。未來在圖像中檢測(cè)出已知形狀的目標(biāo)物，我們使用這個(gè)目標(biāo)物的形狀模板與圖像匹配，在約定的某種準(zhǔn)則下檢測(cè)出目標(biāo)物圖像，通常稱其為模板匹配法。從視覺的角度看，“視”即要根據(jù)一定的知識(shí)借助圖像去場(chǎng)景中尋找符合要求的目標(biāo)；“覺”即從輸入的圖像中抽取目標(biāo)的特性，再與已有的目標(biāo)模板進(jìn)行匹配，從而達(dá)到理解場(chǎng)景含義的目的。而對(duì)圖像的識(shí)別要需要建立或發(fā)現(xiàn)各種內(nèi)部表達(dá)式內(nèi)在的聯(lián)系，建立聯(lián)系的目的是用已知解釋未

61、知。這里的匹配的目的可分為兩類，一類是確定在大圖像中是否含有小圖像，另一類就是確定小圖像在大圖像中的位置[3-7]。</p><p>　　在模板匹配中如果檢測(cè)的是某種目標(biāo)。常常需要對(duì)待檢測(cè)的目標(biāo)形狀有一定的知識(shí)以建造合適的模板。匹配的主要工作就是將模板在待匹配的圖像上平移并計(jì)算相關(guān)值，相關(guān)值最大的區(qū)域就是匹配最好的區(qū)域，或是設(shè)定一定的閾值，如果相關(guān)值大于設(shè)定的閾值，則可認(rèn)為在待匹配圖像中存在模板所代表的區(qū)域圖像。

62、</p><p>　　為了衡量模板與待匹配圖像某區(qū)域的匹配程度，定義了幾種測(cè)量方法來表示模板與對(duì)應(yīng)圖像之間的不相似度，如式（2-1）</p><p>　?。?-1）式中——待匹配的大圖像</p><p><b>　　——模板圖像</b></p><p>　　——在待匹配的大圖像中模板圖像所覆蓋的區(qū)域</p>

63、<p>　　其中式（2-1）所示的誤差平方和方法是應(yīng)用最流行的測(cè)量方法，這種方法可以間接計(jì)算，計(jì)算成本也可以大幅度降低。根據(jù)式（2-1），可以推得：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　假設(shè)待匹配圖像的尺寸為，模板圖像的尺寸為，其中并且。針對(duì)固定的模板圖像和待匹配圖像，可以用式（2-2）的最后一項(xiàng)來表示匹配測(cè)度，此項(xiàng)越大，

64、則越小，那么圖像的匹配程度越佳。可定義與之間的相關(guān)函數(shù)（互相關(guān)）為：</p><p><b>　?。?-3） </b></p><p>　　其中：，，式（2-3）中的求和是在圖像和模板相重疊的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的。</p><p>　　根據(jù)式（2-3）進(jìn)行模板匹配相關(guān)函數(shù)的計(jì)算時(shí)，可以看出，等式右邊的項(xiàng)是常數(shù)，但是項(xiàng)是變化的，它的值與和的值有關(guān)。這是

65、由于實(shí)際進(jìn)行模板匹配操作時(shí)，一般情況下是固定模板，而是待匹配大圖像，中與對(duì)應(yīng)的區(qū)域的圖像內(nèi)容總是隨、而變化。這時(shí)采用作為模板匹配的測(cè)度已不能確定正確的匹配，它對(duì)于待匹配圖像區(qū)域變化過于敏感，匹配測(cè)度值經(jīng)常隨待匹配圖像而變化，通常可采用歸一化方法來解決這一問題，定義歸一化匹配相關(guān)系數(shù)為：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　其中：，，是的

66、平均值，而是與當(dāng)前位置相對(duì)應(yīng)區(qū)域的平均值。相關(guān)系數(shù)通過歸一化尺度變換到區(qū)間[-1.，1]中，所以其值與和的幅度值變化無關(guān)，可以用來衡量模板匹配的相似程度。</p><p>　　由于獲取圖像時(shí)刻的條件不同，以及圖像中各種干擾因素的存在，在進(jìn)行模板匹配過程中很難獲得百分之百匹配成功的位置。因此，經(jīng)常是通過設(shè)定一個(gè)適當(dāng)?shù)拈撝档姆椒ǎ谙嚓P(guān)系數(shù)的值大于所設(shè)定的閾值位置，即可認(rèn)為是滿足配置要求的位置。</p>

67、<p><b>　　3熔池圖像處理 </b></p><p>　　3.1 熔池圖像處理的基本過程</p><p>　　本課題通過MATLAB數(shù)字圖像處理功能來分析出來熔池原始圖像，如圖3-1所示，經(jīng)過圖像濾波，圖像閾值化，邊緣檢測(cè)，邊緣賦值，特征提取等步驟，完成了對(duì)焊接熔池信息的實(shí)時(shí)提取。</p><p>　　圖3-1 熔池原始圖像

68、</p><p><b>　　3.1.1圖像濾波</b></p><p>　　在焊接時(shí)的圖像采集過程中，一幅圖像一般要經(jīng)過采樣、量化、傳輸?shù)冗^程，在這些過程中，由于存在著信道干擾、A/D量化誤差、光污染的許多干擾因素，圖像不可避免地含有噪聲，因此必須對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波，一定程度上的去除干擾點(diǎn)的影響。CCD攝像機(jī)所獲取的圖像是經(jīng)過兩場(chǎng)圖像合成以后形成的一幅圖像，兩場(chǎng)圖像

69、在取像時(shí)刻上有20ms的延遲，因此他們之間存在差別。為消除兩張圖像的不一致性必須對(duì)圖像進(jìn)行平滑。同時(shí)，視頻信號(hào)在傳輸過程中也會(huì)受到污染。噪聲信號(hào)和有用信號(hào)同時(shí)存在于一幅圖像中，所以必須進(jìn)行去噪處理。實(shí)際上，現(xiàn)實(shí)世界中的圖像幾乎都是噪聲圖像，焊接熔池區(qū)圖像也是如此。</p><p>　　本文擬采用的處理方法為中值濾波。中值濾波是一種非線性的信號(hào)處理方法。它對(duì)脈沖干擾和椒鹽噪聲的濾除最為有效，而且在一定條件下可以克服

70、線性濾波器如最小均分濾波、均值濾波等帶來的圖像細(xì)節(jié)模糊。中值濾波一般采用奇數(shù)個(gè)點(diǎn)的滑動(dòng)窗口，將窗口中各點(diǎn)灰度值的中值來替代指定點(diǎn)的灰度值。在這里選用的窗口，用9個(gè)點(diǎn)的灰度中值來替代第5點(diǎn)處（即窗口的中心點(diǎn)）的灰度值。以下程序段是利用MATLAB中的medfilt2（）函數(shù)進(jìn)行中值濾波，圖3-2是中值濾波后的效果圖。</p><p>　　m2=medfilt2(pp，[3 3]);</p><p

71、>　　figure(2);</p><p>　　imshow(m2)</p><p>　　圖3-2 濾波后圖像</p><p>　　除去了圖像采集時(shí)帶來的噪聲和攝像機(jī)掃描方式引起的機(jī)械干擾，可以進(jìn)行下一步的熔池圖像二值化處理。</p><p>　　3.1.2 圖像閾值化</p><p>　　閾值化過程是根據(jù)圖像直

72、方圖特征，通過設(shè)定閾值，把原圖像變換為僅用兩個(gè)值來分別表示目標(biāo)和背景。二值化是閾值化的一個(gè)特例。設(shè)原始圖像為，通過使用合適的方法選取閾值T，將圖像分為兩部分，分割后的圖像為： </p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　針對(duì)圖3-2，本文確定的閾值為170，以下程序段是利用MATLAB中的im2bw（）函數(shù)進(jìn)行二值化處理

73、，處理效果如圖3-2所示</p><p>　　m3=im2bw(m2，170/255); </p><p><b>　　figure(3)</b></p><p>　　imshow(m3);</p><p>　　圖3-3 二值化圖像</p><p>　　3.1.3 邊緣檢測(cè)</p>

74、<p>　　圖像的邊緣檢測(cè)是所有基于邊界的圖像分割算法最基本的處理方法，在圖像進(jìn)行基于邊界的分割處理時(shí)，所要進(jìn)行的第一步就是對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)。圖像的邊緣集中了大部分的信息，圖像邊緣的確定與提取對(duì)于整個(gè)圖像場(chǎng)景的識(shí)別和理解非常重要的。在圖像處理中，邊緣檢測(cè)的方法很多，比較常有的有幾種算子：Robtes算子、Prewitt算子、Soble算子、以及Laplacian算子等。但這些算法不能直接用于本文的邊緣檢測(cè)，根據(jù)采集到的熔池圖

75、像的具體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了canny算子進(jìn)行邊緣提取，它是最優(yōu)的階梯型邊緣算子。</p><p>　　canny算子步驟如下：</p><p>　　首先利用2D高斯濾波模板與原始模板進(jìn)行卷積，以消除噪聲。</p><p>　　利用導(dǎo)數(shù)算子找到圖像灰度沿著兩個(gè)方向的導(dǎo)數(shù) ，，并求出梯度的大小：。 （3-2）</

76、p><p>　　利用（2）的結(jié)果計(jì)算出梯度的方向：。 （3-3）</p><p>　　求出了邊緣的方向，就可以把邊緣的梯度方向大致分為4中（、、和），并可以找到這個(gè)像素梯度方向的鄰接像素。</p><p>　　歷遍圖像。若某個(gè)像素的灰度值與其梯度方向上前后兩個(gè)像素的灰度值相比不是最大的，那么將這個(gè)像素置為0，即不是邊緣。</p><p&g

77、t;　　使用累計(jì)直方圖計(jì)算兩個(gè)閾值。凡是大于高閾值的一定是邊緣；凡是小于低閾值的一定不是邊緣。如果檢測(cè)結(jié)果在兩個(gè)閾值之間，則根據(jù)這個(gè)像素的鄰接像素中有沒有超過高閾值的邊緣像素，如果有，則它就是邊緣，否則不是。</p><p>　　以下程序段是利用MATLAB中的edge（）函數(shù)，并采用Canny算子，對(duì)圖3-3進(jìn)行邊緣檢測(cè)，檢測(cè)效果圖如3-4所示。</p><p>　　bw1 = edge

78、(m3，'canny'，0.1); </p><p><b>　　figure(4)</b></p><p>　　imshow(bw1);</p><p>　　圖3-4邊緣檢測(cè)圖像</p><p>　　由于得到的圖像邊緣是二值化圖像。其中的白點(diǎn)的值為1，為了后續(xù)的步驟能順利進(jìn)行，在這里需要將白點(diǎn)的值變?yōu)?/p>

79、255，以下程序段是利用MATLAB來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。</p><p>　　[m，n]=size(bw1);</p><p>　　bw2=zeros(m，n);</p><p><b>　　for i=1:m</b></p><p><b>　　for j=1:n</b></p><

80、;p>　　if bw1(i，j)==1</p><p>　　bw2(i，j)=255;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b&

81、gt;　　figure(5)</b></p><p>　　imshow(bw2);</p><p><b>　　圖3-5 邊緣賦值</b></p><p>　　3.1.4 特征提取</p><p>　　經(jīng)過一系列的圖像處理，提取了清晰的熔池邊緣輪廓線，可以進(jìn)行下一步的熔池尺寸、形狀參數(shù)的提取。通過逐行逐列的掃

82、描，得到熔池圖像四個(gè)方向上的最突出點(diǎn)。在MATLAB上通過下程序段來實(shí)現(xiàn)對(duì)特征點(diǎn)的提取。圖3-6到圖3-8為圖像特征點(diǎn)提取效果圖。</p><p><b>　　for j=1:n</b></p><p><b>　　for i=1:m</b></p><p>　　if bw2(m-i+1，n-j+1)==255</p

83、><p><b>　　x1=m-i+1;</b></p><p><b>　　y1=n-j+1;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　en

84、d</b></p><p><b>　　for i=1:m</b></p><p>　　bw2(i，y1)=255;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　figure(6)</b></p><p>　　im

85、show(bw2);</p><p><b>　　for j=1:n</b></p><p><b>　　for i=1:m</b></p><p>　　if bw2(i，j)==255</p><p><b>　　x2=i;</b></p><p>&

86、lt;b>　　y2=j;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　for j=1:m</b></p>

87、;<p>　　bw2(j，y2)=255;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　figure(7)</b></p><p>　　imshow(bw2);</p><p><b>　　for i=1:m</b></p>

88、<p>　　for j=y1+1:y2-1</p><p>　　if bw2(i，j)==255</p><p><b>　　x3=i;</b></p><p><b>　　y3=j;</b></p><p><b>　　end</b></p>&l

89、t;p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　for i=1:n</b></p><p>　　bw2(x3，i)=255;</p><p><b>　　end</b></p>

90、<p><b>　　figure(8)</b></p><p>　　imshow(bw2);</p><p><b>　　for i=1:m</b></p><p>　　for j=y1+1:y2-1</p><p>　　if bw2(m-i+1，j)==255</p>&

91、lt;p><b>　　x4=m-i+1;</b></p><p><b>　　y4=j;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b>

92、</p><p><b>　　for i=1:n</b></p><p>　　bw2(x4，i)=255;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　figure(9)</b></p><p>　　imshow(bw2);&

93、lt;/p><p>　　圖3-6 熔池最左側(cè)點(diǎn)提取 圖3-7 熔池最右側(cè)點(diǎn)提取</p><p>　　圖3-8 熔池底部最突出點(diǎn)提取 圖3-9 熔池頂部最突出點(diǎn)提取</p><p>　　經(jīng)過這四個(gè)提取步驟，如果以圖像左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，豎直向下為X軸，水平向右為Y軸，得到的四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為x1y

94、1：（134，13），x2y2：（146，154）</p><p>　　x3y3：（213，101），x4y4：（94，89）。</p><p>　　而像素在實(shí)際使用過程中卻是有大小的，因?yàn)槲覀儾豢赡苤谱鞒鲆粋€(gè)無限小的點(diǎn)來，這樣也沒有辦法使用。那么像素到底是多么大？這與分辨率息息相關(guān)。比如原始熔池圖像分辨率為96Dpi，也就是說1英寸內(nèi)有96個(gè)像素點(diǎn)，而一英寸等于2.54cm，1平方英寸內(nèi)

95、有9696=9216個(gè)像素點(diǎn)，那么每個(gè)像素的大小就是1/9216平方英寸。所以說，像素的面積大小不是一個(gè)單一的，而是要與分辨率結(jié)合起來的。</p><p>　　為了描述熔池正面圖像的幾何形狀，并以數(shù)字的形式表達(dá)出來，建立熔池正面幾何形狀參數(shù)與熔深的關(guān)系，必須定義熔池正面的幾何參數(shù)。是對(duì)熔池正面參數(shù)的定義，如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 熔池幾何形狀參數(shù)示意圖</p

96、><p>　　熔池形狀幾何參數(shù)主要包括：熔池最大寬度W、熔池半長(zhǎng)L、熔池后部面積S、后拖角。其中熔池最大寬度定義為垂直焊接方向距離最大的兩個(gè)熔池邊界點(diǎn)的距離。熔池半長(zhǎng)定義為熔池最大寬度中點(diǎn)到熔池尾部點(diǎn)的距離。熔池后部面積定義為熔池頂部到熔池尾部所包含區(qū)域的大小。后拖角定義為熔池尾部和熔池最大寬度兩個(gè)端點(diǎn)連線的夾角。定義的這些熔池尺寸參數(shù)基本上能夠描述焊接熔池正面的形狀特征。</p><p>　

97、　根據(jù)MATLAB提取到的特征點(diǎn)，可以建立下圖所示的坐標(biāo)系來求得所需要的特征參數(shù)。</p><p>　　圖3-11 特征點(diǎn)坐標(biāo)系</p><p>　　熔池最大寬度： (3-4)</p><p>　　熔池半長(zhǎng)： （3-5）</p><p>　　熔池后拖角: （3-6）

98、</p><p><b>　　其中，</b></p><p>　　對(duì)于熔池面積，可以通過以下程序段在MATLAB上實(shí)現(xiàn)計(jì)算，得到的面積</p><p><b>　　clc;</b></p><p><b>　　clear;</b></p><p>　　i

99、mage1=imread('rc.jpg');</p><p>　　pp=rgb2gray(image1);</p><p>　　figure(1);</p><p>　　imshow(pp);</p><p>　　%p=uint8(image1)</p><p>　　m2=medfilt2(pp，[3

100、 3]);</p><p>　　figure(2);</p><p>　　imshow(m2);</p><p>　　m3=im2bw(m2，170/255); </p><p><b>　　figure(3)</b></p><p>　　imshow(m3);</p><p&

101、gt;　　m4=bwarea(m3)</p><p>　　（3-7） </p><p>　　3.1.5 視覺系統(tǒng)的定標(biāo)</p><p>　　通過上面的計(jì)算提取的熔池尺寸參數(shù)是在以像素為單位的圖像坐標(biāo)系下得到的，采集得到的圖像的幾何信息并不是實(shí)際焊接熔池的幾何信息（熔高，熔寬、熔深），

102、為了得到實(shí)際的熔池幾何尺寸，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做標(biāo)定。本課題由于設(shè)備所限，不能進(jìn)行實(shí)際設(shè)備的定標(biāo)，故而簡(jiǎn)單介紹下了視覺定標(biāo)的方法。</p><p>　　假設(shè)2個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)：分別是工件坐標(biāo)S1，與圖像坐標(biāo)S2；</p><p>　　(1)工件坐標(biāo)系: 二維坐標(biāo)系，定義坐標(biāo)原點(diǎn)為焊頭尖端正下方對(duì)應(yīng)工件表面的一點(diǎn)，與觀測(cè)方向成某一固定角度的方向?yàn)镺Y 軸，正方向工件表面所在的平面內(nèi)該方向的垂直方向?yàn)镺

103、X 軸方向，工件表面所在的平面內(nèi)作坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系內(nèi)任意一點(diǎn)的坐標(biāo)記為(X，Y)</p><p>　　(2)圖像坐標(biāo)系： 二維坐標(biāo)系中圖像左下方一點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，垂直向上的方向定義為oy 軸正方向。水平向右方向?yàn)閛x 軸正方向。該坐標(biāo)系內(nèi)任意一點(diǎn)的坐標(biāo)記為(x，y)在兩個(gè)二維坐標(biāo)系中點(diǎn)的坐標(biāo)變換存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，即：</p><p>　?。?-8） </p&

104、gt;<p>　　式中，P 為工件坐標(biāo)系中點(diǎn)的坐標(biāo)，二維向量p 為圖像坐標(biāo)系中點(diǎn)的坐標(biāo)，二維向量R為變換矩陣2 ×2 維矩陣，D為偏差向量，二維向量。</p><p>　　常數(shù)矩陣P，D可以通過取特殊點(diǎn)來求取，一般可以取3個(gè)特殊點(diǎn)來計(jì)算變換矩陣P，D。</p><p>　　另外，由于CCD攝像頭取圖成像時(shí)，會(huì)存在一定放大的比例系數(shù)，我們可以稱之為，所以，在前面求得這

105、些特征參數(shù)需要在除以這個(gè)比例系數(shù)，才是實(shí)際熔池的尺寸。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文進(jìn)行的圖像處理工作，由于設(shè)備所限，不能夠針對(duì)特定的焊接過程制定出一套通用的處理方法，仍需要根據(jù)不同的圖像進(jìn)行初步分析，然后才能進(jìn)行相應(yīng)的處理措施，這樣得出的熔池參數(shù)在精度上存在一定范圍的誤差。這也反映到圖像采集方面，可根據(jù)實(shí)際焊接過程中設(shè)置為基本不

106、會(huì)變動(dòng)的規(guī)范參數(shù)，來調(diào)整圖像采集設(shè)備，并據(jù)此選定相應(yīng)的濾光措施，以便于熔池圖像的采集，這樣采集的相應(yīng)圖像特征上也會(huì)保持相同的特點(diǎn)。同時(shí)，可依據(jù)圖像的特點(diǎn)，如熔池邊界附近區(qū)域的灰度數(shù)值，來設(shè)計(jì)相對(duì)比較固定的圖像處理程序，最終希望能夠達(dá)到實(shí)時(shí)采集實(shí)時(shí)處理的目的。</p><p>　　故而，針對(duì)了焊接原始圖像的特點(diǎn)，本文利用MATLAB平臺(tái)的數(shù)字圖像處理模塊，編寫了一段圖像處理程序，對(duì)熔池圖像進(jìn)行了有效地處理，獲取了熔

107、池的特征點(diǎn)，從而完成對(duì)熔池模型的建立。</p><p>　　在通過對(duì)熔池正面的幾何參數(shù)的定義，設(shè)計(jì)了熔池寬度、熔池半長(zhǎng)、熔池面積等特征參數(shù)的計(jì)算方法，在對(duì)采集到特征點(diǎn)建立坐標(biāo)系，完成對(duì)熔池特征參數(shù)的計(jì)算，而這些參數(shù)基本上能夠描述焊接熔池正面的形狀特征，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)焊縫熔透和成形的質(zhì)量控制奠定了基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>&

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