窄间隙焊缝偏差的被动视觉传感抗干扰检测方法及应用

本发明属于焊接，涉及窄间隙熔化极气体保护焊，具体是基于被动视觉传感的窄间隙焊缝偏差的检测技术。

背景技术：

1、在交通运输装备、能源装备、海洋工程装备等高端装备制造领域，焊接结构件向大型化、厚壁化、高强化的趋势日益凸显，因此对焊接质量和效率也提出了更高的要求。窄间隙熔化极气体保护焊作为一种高效、高质量、低成本的焊接方法，在窄间隙焊接中受到广泛关注。然而，受坡口加工误差、装配误差、焊接变形、坡口形式等因素影响，导致焊接过程中的焊炬中心偏离坡口中心，从而使坡口两侧壁熔深不均匀。因此，在窄间隙焊接过程中，对焊缝偏差进行实时检测，是实现焊接自动化、智能化的重要因素。

2、为了实现焊缝偏差检测，传感技术是关键。目前，视觉传感因非接触、灵敏度高、抗干扰能力强等优点被广泛应用。具体可分为主动视觉传感(需要外加光源，比如激光传感器)和被动视觉传感(以电弧或熔池本身作为光源)。其中，被动视觉传感方法无需外加光源，具有成本低、适合多种坡口形式、获取的焊接信息丰富、可实现与电弧位置同步传感检测的优点而被广泛应用。因此，基于被动视觉传感，如何在焊接干扰下精确识别焊接特征、实现窄间隙焊缝偏差的高效检测，是提高窄间隙焊接方法环境适应性和工程实用性的关键。

3、中国专利号为201610517913.x、名称为“焊接坡口边缘位置视觉传感检测方法”的文献中公开检测方法，其利用视觉传感器采集焊接区域全局图像，通过roi窗口截取电弧对侧坡口边缘图像，经图像处理后提取坡口边缘线；通过相邻两帧焊接图像获取的坡口左、右边缘和焊丝位置实现焊缝偏差检测。其缺点是：1)该方法通过相邻两帧焊接图像完成一个焊缝偏差的检测，检测算法较复杂；2)该方法roi窗口截取时固定不变，没有采用自适应坡口边缘roi窗口，降低了坡口边缘roi图像截取的准确性。

4、中国专利号为201410833371.8、名称为“窄间隙焊缝偏差的红外视觉传感检测方法及装置”的文献中公开检测方法，通过红外摄像机以外触发方式采集电弧摇动(或旋转)至坡口左侧壁或坡口右侧壁最近处时的焊接区域红外图像，经过计算机图像处理后，实时提取焊丝位置和坡口边缘信息，并根据焊丝相对于坡口左右侧壁位置的变化，求取焊缝偏差。其缺点是：1)该方法没有考虑自适应roi窗口的定位，降低了检测方法的适应性；2)该方法通过检测焊丝边缘到全局图像的距离获取焊缝偏差，易受焊丝垂直度的影响，降低了焊缝偏差检测精度，限制了窄间隙焊接方法在大厚板中的工程应用。

5、中国专利号为201210325926.9、名称为“基于红外视觉传感的窄间隙焊接监控及焊缝偏差检测方法”的文献中公开检测方法，采用红外cmos摄像机获取焊接图像，通过计算远离电弧侧的熔池左(或右)边缘到左(或右)截取窗口的左(或右)边界的距离获取焊缝偏差值。其缺点是：1)该方法在计算焊缝偏差时，基准位置为设置的左和右坡口边缘位置截取窗口，其适应性差；2)该方法未涉及焊接干扰对坡口边缘位置检测精度的影响，因此检测精度、实时性和适用性受限。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述现有窄间隙焊接过程中存在的适应性差、自适应能力不足和检测精度低的缺点，提出了一种检测精度高、实时性好、环境适应性强的窄间隙焊缝偏差的被动视觉传感抗干扰检测方法及其应用，降低当前焊接图像对前一帧焊接图像质量的依赖性，提高了焊缝偏差检测的同步性，实现视觉传感焊接图像特征的精确提取和焊缝偏差的高效检测。

2、为达到上述目的，本发明窄间隙焊缝偏差的被动视觉传感抗干扰检测方法采用如下技术方案予以实现，包括以下步骤：

3、1)：红外摄像机对准焊接熔池且与焊炬保持固定距离，采集焊接区域全局图像并送入计算机图像处理系统中，提取出当前电弧形态，对电弧形态进行亮度横向或纵向搜索，得到电弧特征点的横坐标值和纵坐标值；

4、2)：将所述的电弧特征点的纵坐标值向上移动设定的像素后，确定出当前坡口左、右边缘roi窗口以及当前焊丝roi窗口的原点的纵坐标，或者是确定出当前整体roi窗口的原点的纵坐标；

5、获取同侧前帧坡口左、右边缘位置值，分别减去同侧前帧坡口roi窗口二分之一宽度的像素后获得当前坡口左、右边缘roi窗口的原点的横坐标，

6、获取前帧焊丝中心位置值，减去前帧焊丝roi窗口二分之一宽度的像素后获得当前焊丝roi窗口的横坐标，

7、所述的当前整体roi窗口原点的横坐标设置在当前帧焊接区域全局图像的纵坐标轴与当前坡口左边缘位置之间；

8、3)：采用当前坡口左、右边缘roi窗口以及当前焊丝roi窗口，或者是采用当前整体roi窗口，提取坡口左、右边缘位置点，再基于霍夫变换的线性主成分分析方法重构出左、右坡口边缘线，根据重构的左、右坡口边缘线得到坡口中心位置；

9、4)：采用所述的当前整体roi窗口或者所述的当前焊丝roi窗口截取包含焊丝的焊丝roi图像，基于该焊丝roi图像提取焊丝左、右轮廓，得到焊丝中心线以及焊丝中心位置；

10、5)：计算所述的坡口中心位置与所述的焊丝中心位置的差值，得到焊缝偏差值，根据所述的焊缝偏差值确定焊缝偏差。

11、所述的被动视觉传感抗干扰检测方法的应用的技术方案是：应用于焊接坡口宽度、坡口中心位置、焊缝偏差的检测和焊接过程的实时跟踪控制。

12、与现有技术相比，本发明的优点和有益效果主要是：

13、1)采用焊接图像特征自适应分割方法，自主定位坡口左、右边缘roi图像和焊丝roi图像，建立了自适应roi窗口。根据焊接全局图像中提取的电弧特征点，自主定位roi窗口原点纵坐标，通过同侧坡口边缘位置，自主定位roi窗口原点横坐标，提取坡口左、右边缘位置点和焊丝轮廓位置点，实现了单帧图像双侧坡口边缘位置和焊丝位置的同步检测，提高了坡口边缘检测精度和检测算法的适应性。

14、2)采用线性主成分分析的坡口边缘位置抗干扰检测方法。基于霍夫变换的线性主成分分析方法，重构坡口边缘线，剔除焊接干扰，可剔除飞溅尺寸占比小于80％的模拟焊接飞溅对坡口边缘检测精度的影响，重构坡口边缘线，同时降低了焊接烟尘和弧光对坡口边缘位置的影响，提高了坡口边缘位置的检测精度。

15、3)本发明窄间隙焊缝偏差检测方法，根据自适应定位的roi窗口，同时提取坡口左、右边缘和焊丝边缘，实现一帧焊接图像同时获取坡口中心位置、焊丝中心位置和焊缝偏差值的方法，解决了已有算法存在的错位检测问题，提高了窄间隙焊接方法的工程适用性。

技术特征：

1.一种窄间隙焊缝偏差的被动视觉传感抗干扰检测方法，其特征是包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的被动视觉传感抗干扰检测方法，其特征是：步骤3)中，所述的霍夫变换的线性主成分分析方法为：

3.根据权利要求1所述的被动视觉传感抗干扰检测方法，其特征是：对于由红外摄像机采集的连续多帧焊接区域全局图像的坡口中心位置、焊丝中心位置检测时，将通过数值滤波算法获取的坡口中心位置滤波值、焊丝中心位置滤波值作为坡口中心位置、焊丝中心位置。

4.根据权利要求1所述的被动视觉传感抗干扰检测方法，其特征是：步骤1)中，对焊接区域全局图像进行中值滤波、直方图分析、全局阈值和形态学运算处理，提取出电弧形态。

5.根据权利要求1所述的被动视觉传感抗干扰检测方法，其特征是：根据重构的左、右坡口边缘线，计算当前坡口左边缘位置与坡口右边缘位置点对应位置的均值，获取当前坡口中心位置；计算焊丝左、右轮廓线位置点对应位置的均值获取焊丝中心位置。

6.根据权利要求1所述的被动视觉传感抗干扰检测方法，其特征是：步骤5)中，当焊缝偏差值△xi＝0，则焊缝无偏差，即焊炬对中，若焊缝偏差值△xi<0，则焊炬偏向坡口右侧壁，若焊缝偏差值△xi>0，则焊炬偏向坡口左侧壁。

7.根据权利要求1所述的被动视觉传感抗干扰检测方法，其特征是：针对连续多帧焊接区域全局图像获取的连续多个焊缝偏差值，对焊缝偏差值△xi进行定步长中值滤波。

8.根据权利要求1所述的被动视觉传感抗干扰检测方法，其特征是：步骤1)中，所述的红外摄像机与滤光系统同轴，滤光系统包括中心波长范围为600～1100nm窄带滤光镜、中性减光镜、uv镜，从焊接熔池前方以0～90°的俯角对准焊接熔池，并以焊接速度向前移动保持固定距，利用窄间隙焊接电弧弧光和熔池自身辐射作为光源采集焊接区域全局图像。

9.根据权利要求1所述的被动视觉传感抗干扰检测方法，其特征是：所述的坡口左边缘roi窗口和坡口右边缘roi窗口的高度和宽度分别均相同，所述的设定的像素为δ，10＜δ≤200。

10.一种权利要求1-9任一所述的被动视觉传感抗干扰检测方法的应用，其特征是：应用于焊接坡口宽度、坡口中心位置、焊缝偏差的检测和焊接过程的实时跟踪控制。

技术总结
本发明公开窄间隙焊缝偏差的被动视觉传感抗干扰检测方法及应用，将电弧特征点的纵坐标值向上移动设定像素后，确定出当前坡口左、右边缘ROI窗口及当前焊丝ROI窗口的原点纵坐标，或者是当前整体ROI窗口原点纵坐标；同侧前帧坡口左、右边缘位置值分别减去同侧前帧坡口ROI窗口二分之一宽度像素后获得当前坡口左、右边缘ROI窗口原点横坐标，前帧焊丝中心位置值减去前帧焊丝ROI窗口二分之一宽度的像素后获得当前焊丝ROI窗口横坐标，基于霍夫变换的线性主成分分析方法重构左、右坡口边缘线得到坡口中心位置，基于焊丝ROI图像提取焊丝左、右轮廓得到焊丝中心位置；应用于焊接坡口宽度、坡口中心位置、焊缝偏差的检测和焊接过程的实时跟踪控制，提高检测精度。

技术研发人员：贾昊锦,苏娜,陈立宇,李红,王加友,郑娟娟,钱宝国,李芳菲
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23