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1、水下焊接中无弧V形焊缝的识别焊接2oo6(2)?39?水下焊接中无弧V形焊缝的识别南昌大学机电工程学院机器人与焊接自动化重点实验室(33o029)何银水张华摘要设计了一个水下焊接自动跟踪视觉系统,其主要由激光器,滤光片和CCD摄像机组成,被封装在防水的透明玻璃体中.焊接时激光器作为辅助光源,其与CCD成3照射焊件,得到焊件的V形剖面焊缝.由于水下焊接时拍摄的图像模糊且比较弱,采用中值滤波的方法进行图像增强,然后进行阈值变换得到焊缝,再用Kfisch边缘算子对焊缝进行边缘提取,提出了对边缘的灰度值取平均值得到焊缝中心线,最后对其进行直线拟合,提取V形焊缝的中心线所在的最低点,画出中心线以进行标识
2、.关键词:V形焊缝边缘检测焊缝识别E.)(IrIIoNoFNoARCVsIPEWELDslURobot&WeldingAutomationKeyLab.MechanicalandElectronicEngineeringSchool,NanchangUniversityAbstractAvisionbasedunderwaterweldtrackingsystem惴designed,whichwasmainlymade叩oflaser,apieceoffilterandCCDca艄sealedintheIte印asscontainer.Thelaserwasused鹄the龇bslig
3、ht,whichirradiatedtheweldmentaswellasthereis锄angleof30betweenthelaserandCCDtogettheVsIpecID日ssectionweld咖.Be-causetheirImshottedunderwaterwerevague,medianfaltermethodwasadoptedtostrengthentheirIm.Afterthat,thresholdtlluornl惴usedtogettheweld艇舢andthenKrischwasusedtogettheedoftheweld艇舢andthecentezlines
4、oftheweld咖byaveragingthegraymllber0ftheimageed.Atlast,atechnologywasusedtomakethegraypointsthatnotonthesllelinestogetthecharacteristicpoints.thatwerethelowestpointsofthecenterlinesontheweld8e姗aswellalinewasdrewtoidentifythem.KeyWOi-Vshapewelds咖I,edgedetection.recogammoftheweldse_n0序言水下自动焊接是一门实用性极强的技
5、术,由于我国新的海洋战略政策,为使我国成为一个海洋强国,现在和今后在海洋工程建设和维修方面的工作日益增多,所以水下焊接这一技术被提高到很重要的位置.对于浅水或者简单的焊接,用潜水焊工进行作业或许可行,但是对于深海或海况恶劣的情形,人工焊接就使得人身安全得不到保障.因此,水下自动焊接具有非常重要的意义.目前水下焊接的方法有三类:湿法焊接,干法焊接和局部干法焊接.干法焊接成本太高,系统采用传统的湿法焊接,视觉传感器由激光器,滤光片和CCD摄像机构成.激光器为红光一字线激光器,由点激光二极管发光通过一组透镜变换成直线形的激光条纹;滤光片的主要功能是只允许激光波长(650nln2姗)附近的光线进入CC
6、D摄像机.采集图像时CCD垂直于焊件激光器以与CCD成30照射焊件,拍摄的图像经过图像采集卡传给计算机.在拍摄时由于水中尘埃和胶质粒子等微粒以及水流,气泡等使得光线发生了散射,同时图像采集中硬件和玻璃反光产生的噪声使得采集的图像模糊和光线过弱,因此要对其进行滤波和增强,为此提出对其进行中值滤波和阈值变换,然后用Krisch边缘算子对其进行边缘的提取,得到边缘图像后再用软件方法实现边缘的中心线的提取,随后进行直线拟合得到中心线的最低点.这种方法能克服水流,气泡和各种微粒散射等的干扰,可以准确的得到V形焊缝的中心线,从而为自动跟踪提供参考点,也为水下有弧焊接的自动跟踪打下基础,对水下焊缝的自动跟踪
7、具有重要意义.?40焊接06(21无弧v形焊缝图像的滤波与增强1.1焊缝图像的获取水下焊接时,由于水中俘在各种微粒以及胶伴,使得水的能见度降低,同时CCD接受激光的反射光线减少,这样采集到的图像就比较模糊.而且比较弱.图I是在盛水容器中装入普通的白来水,踩度为20al1_温度为2026:中采集图像的视觉系统示意图试验时采集到的图像如图2所示,腔伴图I桃进系统示意图图2未处理的水下Vji;焊缝陌像为了对比,在其他条件相同的情况下在陆地上采集到的图像如图3所示图3陆地上尤弧V形焊缝阁像由f面的图像可以看出.在水下焊接时存在的干扰使得图像明显的比陆地上弱,而且噪声的干扰也更明显,水巾焊缝也由于光的折
8、射使得采集到的图像稍微变大,因此,在对焊缝进行识别时,必须要对其进行除噪和增强,.焊接时由于所处的环境可能比实验室中复杂,比如水中比较浑浊有泥沙,或者水流比较湍急,对此在采集图像时也模拟了上述两种情况,如图4和阁5所示图4水流搅动下的焊缝图像匿l5浑浊水巾的焊缝图像1.2焊缝图像的滤波根据水下采集图像遇到的噪声干扰情形进行中值滤波,否则后面处理的结果就会遇到困难通过试验.采用3X3方形窗El的中值滤波,对图2进行处理.结果图6所示圈6中值滤波的结果图慷焊接2006(2)?4l?从处理的结果来看,中值滤波使得图中的一些噪声基本上被滤掉,但是水中胶体等微粒和设备产生的噪声还要进一步处理.1.3图像
9、增强为了进一步过滤其它的噪声,同时有效的增强V形焊缝,采用阈值变换的方法来进行.取阈值T=91像素,处理的结果如图7所示.图7阈值变换的结果图像采用阈值变换的结果使得焊缝边缘变宽,且可能使原来图像中光线弱的部分出现断点,如图7中所示.因此,针对上述情况在采集图像时一定要注意特征点(取V形图像的中心最低点)的保护,尽量增强焊件坡口的反射能力(可以打磨焊件的边缘).而要解决处理结果中焊缝变宽这一问题,就要选取最佳的阈值,比如可以采用日本学者OTSU提出的一种全局阈值选取算法,同时尽量使焊缝的亮度与噪声造成的光斑和条纹对比出来.对于图中右边出现的断口,在后续处理中对特征点的获取影响不大.2V形焊缝的
10、边缘检测图像的边缘是图像的最基本特征.所谓边缘(边沿)是指其周围像素灰度有阶跃变化或屋顶变化的那些像素的集合.边缘广泛存在于物体与背景之间,物体与物体之间,基元与基元之间.边缘的种类可以分为两种:一种称为阶跃性边缘,它的两边的像素的灰度值有着显着的不同;另一种称为屋顶状边缘,它位于灰度值从增加到减少的变化转折点J.对于阶跃边缘,二阶方向导数在边缘处呈零交叉;而对于屋顶边缘,二阶方向导数在边缘处取极值3】.边缘检测算子是实施边缘检测的算法,它可以检查每个像素的领域并对灰度变化率进行量化,也包括方向的确定.常用的边缘检测算子有Krisch算子,Roberts算子,Sobel算子,Prewitt算子
11、和高斯一拉普拉斯算子.其中Roberts算子是2x2算子,它对具有陡峭的低噪声图像响应最好;虽然Krisch算子,Sobel算子和Prewitt算子都是3x3的算子,但是在进行了滤波后只有Krisch算子处理的效果好;而高斯拉普拉斯算子它是把高斯平滑滤波器和拉普拉斯锐化滤波器结合了起来,即先进行平滑滤波(这里采用的是中值滤波),再进行边沿检测,所以不能采用.用Krisch算子进行边缘检测得到的结果如图8所示.由处理的结果可以看出,焊缝的边缘被有效的提取了.图8用Krisch算子处理的结果图像3焊缝的识别3.1获取焊缝中心线采集到的V形图像之所以不是焊缝线,而是带状的(称之为雾化效应【4),与激
12、光线本身的宽度和与CCD的位置有关.前面所述激光是线性的,但是它实际上也存在一定的宽度,再经过反射,被CCD摄影下来后就出现了宽度比较大的V形焊缝图像,这可以通过改善激光器来克服这个问题.由于这是光线的反射成像造成的,实际上从焊接的精度上来说,从焊缝里进行任意取样都是有效的,但是为了追求精度,这里提取焊缝的中心线,即对边缘线取平均值.另外,在提取中心线时必须注意,如果边缘线的某处出现了断点,此时要把前面处理的灰度值赋给该点,这样才能使处理结果平滑,为后续处理打下基础.提取焊缝的中心线如图9所示.图9焊缝中心线图像?42?焊接2oo6(2)3.2特征点的提取(直线拟合)把v形坡口的最低点作为特征
13、点,采用直线拟合的方法提取,同时画出特征点所在的竖直线,并把特征点所在的位置用像素表示.拟合的结果如图l0所示.(a)直线拟合的焊缝图像(b)焊缝中心最低点的像素坐标图l0特征点提取特征点(最低点)的位置(这里用像素表示)可以计算出来,这样就可以把待焊的焊缝的位置与焊枪作比较,从而控制焊枪的动作.4试验及分析为了进一步验证本套处理方法行之有效,进行了一系列的试验,如图ll所示,采集的图像的雾化效应比图I要小,即焊缝的宽度要小,采用该方法,通过中值滤波后得到图12a,再通过阈值T=98像素变换得到图12b,经过Krisch变换后得到图12c,再提取中心线得到图IPM.最后直线拟合得到标识特征点的
14、图12c和12f.图II原始图像(a)中值滤波结果图像(b)T-98的值变换图像(c)Krisch边缘提取图像(d)中心取样后的图像(e)直线拟合的焊缝图像(f)焊缝中心最低点的像素坐标图l2焊缝变窄的图像处理结果焊接2oo6(2)?43?用该方法处理图2和图3两种情形也是行之有效的,但是处理的结果误差稍大.另外,该方法对于角接,搭接和对接都可以适用.5结论(1)采用激光器作为辅助光源照射焊件,CCI)经过滤光能采集到焊缝剖面v形图像,对普通水况和恶劣(水流强烈搅动和水浑浊)水况下该系统都能工作.(2)提出采用中值滤波,阈值变换,Krisch算子进行边缘检测,利用平均值提取焊缝中心线,最后利用
15、直线拟合的方法提取特征点,同时进行特征点的标识和定位.参考文献1翟因虎.基于数学形态学的焊缝轨迹识别的研究:硕士学位论文.南昌:南昌大学.2O03.2刘桑.钟继光.王国荣.等.水下湿法焊接电弧图像的边缘检测技术.电焊机,2000(4)3何斌.马天予.王运坚,等.VisualC+数字图像处理.北京:人民邮电出版社.2001.4李国进,王国荣.钟继光,等.水下焊缝自动跟踪路径的识别.焊接,2O05,263):5862(收稿日期20060929)作者简介:何银水,1979年出生,在读硕士研究生.研究方向为水下机器人与焊接自动化.超音速微粒高能轰击16MnR钢表面纳米化的研究机械科学研究院哈尔滨焊接研
16、究所(150080)王佳杰霍树斌王吉孝哈尔滨大电机研究所(150040)张颖中原石油勘探局钻井管具工程处(濮阳市457001)赵玉忠摘要采用冷气动力超音速微粒高能轰击技术对16MnR低合金钢表面进行处理,利用扫描电镜,透射电镜和x衍射方法对基体表面的微观形貌和结构进行分析.试验结果表明:试样经过超音速微粒轰击处理后可以使表层晶粒细化至纳米量级.平均晶粒的尺寸为14.2lml;处理后表层主要产生压应力;处理后表层的显微硬度增加.关键词:超音速微粒轰击表面纳米化应力状态RESEARCHON1llESURFAC冠NANoCRYSTAIAI1ON0lFl6重E-RLJDWAI0Y【吼BYsIJlPE瞰
17、H;H一目GY啪nU1IBIDllDIIGHarbinWeldingInstituteHarbinInstituteofLargeElectricalMachineryZhongyuanDriUTubes&ToolsServicesWangJiajie,HuoShubin,WangJndamzbangYingZimoYuzhongAlmraetA叫l0cry蛐IlliIlesudaeelayer懈fabricatedonthe16MnRlowalloysteelbyIlsiIlsthe鲫camidesboIn-b日IdiIlg(ssPa)technology.Micromorpholo
18、gyandsinlcturewere册a1)rzedbym阻璐ofSEM,TEMandXRD.The懿peIHltalresultsshowthattheini6alo0一Iledsinlctureonthetop叫ceisre6IledintoultraflneaftertheSSPBtrealztmntforashortpeaodtime.TheIIlearIO11thesIl如elayerisabout14.2llln.Thesudaeelayerpresents(gMnprionstressandthemicrohardnessofthesudaeelayerincreasesafterthetrealztmnt.KeyWOIIsulmsmlinep重Irtidksblm由姐啦(SSPB),剐瑾岫吨醴硼嘣岫(fiqC),strasslate