1、黃健康等：基于視覺方法的焊接變形測量研究基于視覺方法的焊接變形測量研究黃健康，盧立暉，吳曉亮，石玗，樊丁(1.蘭州理工大學 有色金屬合金省部共建教育部重點實驗室 蘭州 730050；2.蘭州理工大學 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室 蘭州 730050)摘 要：針對焊接中的熱變形測量的問題，提出基于視覺方法來進行檢測的方案，并進行理論推算，證明了該方法的可行性。通過利用數碼拍照為實驗手段來代替視覺的方法，且對獲得圖像提出了基于MATLAB圖片處理及測量的算法，對比得出焊接變形。結果表明：算法提出的結果能和理論推導相符合，采用視覺測量的方法能檢測焊接變形。 關鍵詞：焊接變形， 機器視覺

2、， 圖片處理中圖法分類號：TG409 文獻標識碼：A 123450 引言焊接過程是一個不均勻的快速的加熱和冷卻過程，焊接過程中以及焊后結構都將不可避免地產生焊接變形，這些變形的產生不僅會改變結構外觀形狀、幾何尺寸，降低裝配質量,甚至有時會降低結構的承載能1力,使構件質量達不到設計和使用要求，因此如何減小焊接熱變形是當前研究的熱點，眾多學者在這方面2-45本文針對這一問題提進行了研究,而減小焊接熱變形的前提是怎么快速科學的對焊接熱變形進行測量，出了基于視覺方法來進行檢測的方案，并設計了相應的試驗系統和相關的算法來解決焊接熱變形測量問題。 1 視覺方法檢測方案1.1機器視覺圖像采集系統設計機器視覺

3、圖像采集系統主要由線激光半導體發生器，CCD攝像頭，圖像采集卡及計算機組成。檢測平臺示意圖如圖2所示：圖2 實驗平臺示意圖先由線激光發生器發出線激光，在鋼板表面打出激光條紋，形成標準網格矩陣，再利用CCD攝像機對鋼板表面進行拍照并通過圖像采集卡進行圖像采集，最后將采集到的圖像傳入計算機進行后期處理。 基金項目：國家自然科學基金（50675093），蘭州理工大學基金資助項目（SB200601）。作者簡介：黃健康（1981），男，湖南邵陽人，博士研究生，主要從事焊接過程自動控制及計算機應用方向科研工作，發表學術論文10余篇。第十五次全國焊接學術會議論文集，2010年7月2-8日，青海西寧1.2 測

4、量原理及分析利用激光在鋼板上掃描出一些位置相同的線條相對應，分別進行圖片采集，通過理論推算與圖片軟件測量，觀察圖像中對應線條相對位置的變化，得出變形量。實驗原理示意圖如圖3所示。圖2 測量原理圖圖2中，將變形后的鋼板近似看成一段圓弧，弧長為L，半徑為R，未變形鋼板看作一條直線。在圓弧正上方，O點為CCD鏡頭所處位置，其與直線距離為D，在弧頂兩邊對稱選取兩個定點，兩點間弧長為l，定點距中心線的距離為a0，在直線中心點兩邊同樣對稱選取間距為l的兩個定點相對應。弧頂與直線的間距為d。圓弧上兩個定點在直線上會有兩個理論上的映射點，其間距為d0。圓弧上兩定點所在的直線與圓弧圓心的距離為s0。在拍攝圖片中

5、，對應定點相對位置的變化可以由d0與l的差值表示出來。具體推導過程如下：由圖可知， 0=l 2Rl a0=Rsin2Rl s0=Rcos2RDd+RRcosD (1) (2) (3) l=2a0 d0(4)求出d0 ，令：d0=d0l，得： 2lDRsindlld0=0= 22Dd+RRl22RDRsinnl(5) 令l為一個網格單位長度，由此類推：當橫向網格為n格時： dn1=nl (6) nl22Dd+RRcos2R為了得到d的變化趨勢，根據實際情況，對公式（9）運用賦值法。黃健康等：基于視覺方法的焊接變形測量研究令D為400mm，R為3000mm，d為10mm，l為20mm，代入（9）式

6、，得：dn12nn) =10(n339300cos30012000sin (7)分別取n為1，3，5，7，9，11，13代入上式，得到d的變化趨勢如下圖所示：圖4 d趨勢圖觀察圖4不難發現，隨著n值的增加即網格數的增加，d也隨之增加，也就是說，兩塊鋼板上對應的網格線越偏離中心線，它們之間的位差越大。2 視覺測量方法基于視覺方法相同的測量原理，采用網格紙標定薄板代替激光掃描，數碼相機拍照代替CCD攝像機進行圖像采集的方法，來驗證利用視覺方法測量焊接變形方案的可行性。選取兩塊規格完全相同的薄鋼板，長500mm，寬100mm，厚度3mm，數碼照相機一臺，其標準像素為720萬，另附有固定三腳架一臺；打

7、印長為500mm，寬為100mm的方格紙數張，每個方格的規格均為20mm×20mm ；對其中一塊進行單面橫向焊接，得到一塊具有明顯熱變形的鋼板。將選取的兩塊鋼板分別貼上打印的格子紙，焊后變形的鋼板需貼在背面以保證紙面的平整度。在兩塊鋼板的兩頭，相同位置選取四個格子，填為黑色，作為標記方格，便于圖像切割。MATLAB圖像處理算法流程如圖5所示。第十五次全國焊接學術會議論文集，2010年7月2-8日，青海西寧圖4 MATLAB算法流程圖其主要步驟解釋為：一、將拍攝圖片進行灰值化處理，除掉其他不重要的信息，得到灰度圖；二、將得到的灰度圖進行圖像切割，提取我們所需要的圖像區域，以便更好的提取

8、信息；三、將得到的切割圖進行求反，即將圖片中黑白顏色進行對換，更清晰的體現網格形狀與分布；四、將求反圖進行圖像增強處理，使圖像更清晰，更有利于數據的提取，處理獲得圖像如圖6與圖7所示。圖5 未變形鋼板處理圖圖6 變形后鋼板處理圖五、分別從得到的處理圖中提取出豎條網格線，得到相鄰網格線之間的像素值，作圖并做對比組合，結果如圖8所示：黃健康等：基于視覺方法的焊接變形測量研究圖7 對應網格線像素值測量對比圖六、將圖8的第11條對應線（中心基準線）對齊，并以其為基準線，精確的測量出第1條到第10條對應線之間的像素差值，得出實際測量的d趨勢圖，如圖9所示：圖8 實際測量d趨勢圖3 實驗結果分析將圖4與圖

9、9作比較，能直觀的發現，理論推算中的d與用MATLAB軟件測量出的d具有相同的變化趨勢，即在一定的區域內，網格線越偏離中心線，d的值越大。這說明理論推算與實際測量相符合，證明了實驗理論的正確性，也說明了利用視覺技術測量焊接變形方法的可行性。將圖9中像素差值轉化為長度，發現其與理論推算出的結果在量上有一定的誤差，這主要是實驗器材及人為操作因素導致的。 4 結論通過采用機器視覺測量薄鋼板焊接變形的方法，得出焊接變形量在理論推導及實際測量中具有相同的變化趨勢，說明了實驗理論的正確性，證明基于視覺方法測量焊接變形的方案具有一定的可行性，為焊接變形自動化測量奠定了基礎。參 考 文 獻1 彭方平. 鋼結構制作中防止焊接變形的實踐J. 安徽冶金科技職業學院學報,2008,18(3):12 李景康. 鋼結構焊接變形的控制J. 科學文匯,2008,103 鞏玉胂. 淺談焊接變形J.科技情報開發與經濟,2008,18(8):24 洛 超. 分析控制焊接應力和變形J.科技信息,2008,30：1-35 阮星誼. 焊接變形控制和測量D.上海：上