1 引言

激光焊接具有能量密度高,、焊件熱變形小和焊接速度快等特點,，是金屬連接中常用的焊接方法，并越來越廣泛的應用于航空航天,、汽車,、船舶等領(lǐng)域關(guān)鍵部件的制造[1-3]。焊接過程中激光光束作用在待焊件表面時,，會造成待焊工件形狀改變,，并使焊縫的間隙和位置發(fā)生變化。由于激光焊接時激光束作用區(qū)域較小,，焊縫位置的改變會影響焊接質(zhì)量,，甚至使焊接失效。為提高焊接質(zhì)量,，需要在焊接過程中實時采集熔池信息,，檢測熔池中心與焊縫之間的偏差，并根據(jù)偏差在焊接過程中對焊接位置進行實時調(diào)整。

激光焊接的環(huán)境較為惡劣,，焊接位置信息因受到高溫,、塵屑、飛濺和熔焰等干擾因素的影響,，造成提取困難,。為消除各類型干擾對激光焊接中焊接位置信息采集和處理的影響，國內(nèi)外研究人員已開展了相關(guān)研究[4],。文獻[5-7]應用激光器投射線結(jié)構(gòu)光在焊縫上,，通過對結(jié)構(gòu)光條紋的檢測得到焊縫位置信息，根據(jù)焊接位置與焊縫位置的偏差實現(xiàn)焊接過程中的實時檢測和調(diào)整,。由于檢測的焊縫位置超前于焊接位置,，該方法會造成系統(tǒng)性偏差。文獻[8]提出利用環(huán)形激光視覺傳感器實現(xiàn)焊縫三維信息的檢測,，該方法利用光線掃描方法,，通過電機實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)掃描，實現(xiàn)恒定高度上環(huán)形激光軌跡,。文獻[9]提出了一種用于激光拼焊的焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng),，該系統(tǒng)利用視覺傳感器采集焊池輻射光線成像。系統(tǒng)主要通過控制視覺傳感器快門的開啟時刻和持續(xù)視覺,，以減少焊池輻射光線對采集圖像質(zhì)量的影響,。文獻[10]利用磁光方法對微間隙成像，在焊接過程中將磁光傳感器放置于焊縫上方,，磁場激勵器安裝在焊件下方,，位于焊件上方的單色高功率二極管發(fā)射光線經(jīng)起偏器偏振照射在反射面后被反射，由于焊縫處磁場的影響,，反射的偏振光偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),，偏轉(zhuǎn)的光線被偏振器檢偏后并被傳感器接收形成焊縫磁光圖像。該方法主要用于檢測焊縫位置信息,。

因此,，在焊接過程中，獲取焊接位置信息是研究的關(guān)鍵技術(shù)之一,。為實現(xiàn)焊接偏差的校正,，對激光致熔池圖像提取方法和熔池中心計算方法進行了研究。

2 薄板激光拼焊系統(tǒng)構(gòu)建

激光拼焊中使用的多功能數(shù)控焊接機床型號為JHM-1GXY-700B,，與焊接機床配套使用的系統(tǒng)還包括：焊接電源系統(tǒng),、控制臺系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。焊接用大功率激光器安裝在數(shù)控機床的Z軸上,，并可沿Z軸上下移動,。焊接過程中焊件可放置于焊接臺上,，焊接臺可沿X軸和Y軸方向移動。

視覺檢測系統(tǒng)安裝在焊接頭上,，構(gòu)建的激光拼焊視覺檢測系統(tǒng)示意圖,，如圖1所示。由于激光焊接中熔池輻射光線較強,，直接在焊接過程中使用工業(yè)CCD拍攝的熔池圖像無法進行處理,，并獲取熔池的有用信息。為減小輻射光線對工業(yè)CCD相機拍攝圖像的影響,，需要在工業(yè)CCD鏡頭前加裝濾光片,。為實現(xiàn)焊縫跟蹤，需要對熔池輻射光線的光譜特性,、工業(yè)CCD相機的光譜響應特性進行分析的基礎(chǔ)上選擇濾光片以獲取熔池清晰圖像,，并對獲取圖像中熔池的中心提取方法進行研究。

3 激光拼焊中熔池圖像的獲取

激光焊接中激光束作用在焊接區(qū)域形成熔池,，若將高溫熔池看做黑體,，則高溫熔池輻射力隨表面溫度變化的規(guī)律符合斯蒂芬-波爾茲曼（Stenfan-Boltzmann）定律，斯蒂芬-波爾茲曼定律描述為

式中：σ—斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù),，其值為5.67×10W/（m·K）,；c0—黑體輻射系數(shù)，其值為5.67W/（m2·K4）,；T—黑體的熱力學溫度,，單位為K。

由式（1）可知,，熔池輻射的總能量Eb與黑體絕對溫度T的四次方成正比,，即熔池的溫度越高其輻射的能量也越高。為在焊接中獲取熔池的清晰圖像,，除需確定總輻射能量外,，還需要確定熔池輻射的能量隨波長變化規(guī)律。黑體輻射力隨波長及溫度變化規(guī)律可由普朗克定理（Planck）描述,，普朗克定理如下：

式中：λ—波長,，單位為m,；T—黑體溫度,，單位為K；c1—第一輻射常數(shù),，其值為 3.7419×10-16W·m2,；c2—第二輻射常數(shù)，其值為 1.4388×10-2W·K,；Ebλ的單位為 W/m2·m,。

根據(jù)普朗克定理繪制的黑體輻射能量曲線，如圖2所示。圖中的橫坐標表示輻射光線的波長,，縱坐標表示各波長輻射能量,，橫坐標的單位為nm。圖中包含了兩條曲線,，這兩條曲線對應的黑體溫度T分別為1400K和1200K,。從圖中可知，黑體溫度越高則各波長上輻射的能量也越高,。斯蒂芬-波爾茲曼定律與普朗克定理的關(guān)系為：

該關(guān)系式可描述為：某一溫度的黑體,，其輻射力等于該溫度對應的由普朗克定理所求曲線下的面積。溫度越高,，則輻射力越大,。實際材料表面在不同波長下光譜發(fā)射率隨波長的變化較大且不規(guī)則，并且各波長輻射能量比普朗克定理計算出的值小,。激光對接焊過程中,，激光束照射在焊件表面，金屬材料吸收熱量形成熔融金屬,，相同溫度下熔融金屬在各波長輻射的能量雖然較黑體輻射的能量小,，但由于熔融金屬溫度高，輻射的能量強,。為減小熔池輻射光線的強度,，選擇使用截止波長為430nm的短波通濾光片。

相機鏡頭前加裝截止波長為430nm的短波通濾光片后,，可拍攝熔池圖像,。拍攝時激光束作用在平面不銹鋼板304上，熔化金屬,，為消除噪聲對圖像質(zhì)量的影響,，用（3×3）均值濾波器濾除噪聲，均值濾波后的熔池區(qū)域圖像,，如圖3（a）所示,。

4 熔池質(zhì)心的提取

4.1 熔池邊緣點的確定

為對熔池中心提取方法進行研究，試驗中使激光束直接作用在鋼板上,。由于工業(yè)CCD相機的光軸與焊接激光光束夾角較小,，工業(yè)CCD拍攝的熔池圖像近似為圓形。為得到熔池中心,，需要先確定熔池的質(zhì)心和邊緣,。為初步確定熔池的質(zhì)心，在熔池圖像3中沿水平方向搜索,，確定圖像中各行灰度值大于150的像素個數(shù),?；叶戎荡笥?50像素數(shù)最多的行的位置，如圖3（a）所示,。該行上各像素的灰度值,，如圖3（b）所示。如圖3（a）所示,，從左向右沿圖示直線第1個灰度值大于150的像素位置為Pt1,，最后一個灰度值大于150的像素位置為Pt2，兩像素中心的位置在O′,。

得到熔池的質(zhì)心后應用形態(tài)學方法計算熔池的邊緣,，形態(tài)學邊緣檢測主要利用形態(tài)梯度概念，單尺度形態(tài)學梯度定義為：

式中：f（x,，y）—熔池圖像,；g—結(jié)構(gòu)元素；f⊕g—結(jié)構(gòu)元素g對熔池圖像進行膨脹,；f⊙g—結(jié)構(gòu)元素對熔池圖像g進行腐蝕,。

結(jié)構(gòu)元素為3×3單位矩陣。單尺度形態(tài)學檢測的熔池邊緣,，如圖 4（a）所示,。圖 4（b）為圖 4（a）中橫線上各像素的灰度值。由于熔池的邊緣近似為圓形,，無法直接僅在橫向和縱向搜索各行或各列得到熔池的邊緣點,。為有效獲取熔池邊緣，現(xiàn)將邊緣分成若干部分,，分別求取各部分的邊緣后得到熔池的邊緣,。

熔池圖像中構(gòu)建了坐標系O1xy，坐標系的原點O1位于圖像左上角,，橫坐標方向為x軸,，縱坐標方向為y軸，坐標系在熔池圖像中的位置,，如圖4（a）所示,。由圖4（b）可知，O′兩側(cè)各有一個峰值點,，兩側(cè)的峰值點為熔池的邊緣點,。O′為起始點分別向左和向右兩側(cè)搜索可得到邊緣點PL和PR。為有效提取邊緣點,，以PL和O′的中點為起點,，分別向上和向下搜索得到峰值點P1和P2。同樣方法,，以O(shè)′和PR的中點為起點,，分別向上和向下搜索得到峰值點P3 和 P4。

P1和 P2在 O1xy坐標系下的坐標分別為（x1,，y1）和（x2,，y2），以P1和P2的縱坐標為起點和終點,，在橫坐標方向通過搜索峰值確定曲線段P1PLP2上的熔池邊緣點,。具體步驟如下：

（1）以 P1為起點，為得到 y1+1 行上的邊緣點,，以點（x1,，y1+1）為中心沿x軸在該點左右兩側(cè)各取n個像素，共得2n+1個像素,；在此可取n=4,；

（2）求2n+1個像素中灰度最大值像素的序位m，從而可確定 y1+1 行上邊緣點的坐標（xt1,，yt1）,；其中 yt1=y1+1，xt1=x1-n+m-1,。

求得y1+1行上的熔池邊緣點后,，按照上述步驟可求yt1+1行上熔池的邊緣點，以此方法向下搜索直到縱坐標的值為y2時為止,。以P3和P4的縱坐標為起點和終點,，按上述方法在橫坐標方向上搜索峰值點，可得到曲線段P3PRP4上的熔池邊緣點,。曲線段P1P3和P2P4上熔池邊緣點也可用上述方法求的,，只是在確定熔池邊緣點（xw1，yw1）后,，求下一個熔池邊緣點時,，是以點（xw1+，yw1）為中心沿y軸上下兩側(cè)各取n個像素,，確定灰度最大值像素序位后,，即可得到xw1+1列上熔池邊緣坐標。搜索得到的熔池邊緣點,，如圖5所示,。其中圖5（a）為在熔池邊緣圖像中顯示提取的邊緣點，圖5（b）為在原圖像中顯示提取的熔池邊緣點,，所提取的邊緣點精度均為像素級,。

4.2 擬合求熔池的質(zhì)心

根據(jù)熔池的形狀，利用最小二乘法將提取的熔池邊緣點擬合為圓,，設(shè)熔池邊緣點為,，（xi,，yi），i∈（1,，2,，3…N）；N 為提取的熔池邊緣點數(shù)量,。圓的曲線表示為,，（x-tx）+（y-ty）=r2；r為半徑,，（tx,，ty）為圓心。將圓的表達式展開,，展開后的表達式為y+k3=0,。邊緣點（xi，yi）到圓心的距離為 點（xi,，yi）到圓邊緣距離的平方與半徑平方的差表示為,，δi=d2i-r2對各點求 δi，各點所求值的和用 T（k1,，k2,，k3）表示，T（k1,，k2,，k3）的表達式為，T（k1,，k2,，k3）=利用式 T（k1，k2,，k3）分別對 k1,、k2和 k3求偏導數(shù)，并令偏導數(shù)等于零,，比較得到的極值點的函數(shù)值,，求最小值即為 k1、k2和 k3的值,。

為去除誤差較大的邊緣點,，計算各邊緣點到擬合圓圓心的長度，該長度與擬合圓半徑差的絕對值表示為wi,，i∈（1,，2，3…N），并將該距離與設(shè)定閾值τ比較,。若wi＞τ則認為誤差較大,，并刪除該邊緣點。閾值,，即τ的大小是各邊緣點到擬合圓距離均值的1.5倍,。利用剩余邊緣點按上述步驟進行圓的擬合,，可求圓表達式中各項系數(shù),，圓心即為熔池質(zhì)心。擬合得到的圓及熔池質(zhì)心,，如圖6所示,。其中，O為擬合得到的熔池質(zhì)心,。

5 結(jié)論

為消除熔池輻射光線以及外界干擾光線對拍攝圖像的影響,，并在激光焊接過程中獲得熔池的清晰圖像，在分析激光焊接中焊接表面熔池的光譜輻射特性的基礎(chǔ)上,，確定了拍攝激光焊接中熔池圖像所需濾光片波長范圍,。根據(jù)焊接激光作用在平面鋼板上時所拍攝的熔池圖像，通過邊緣提取和圓的擬合,，得到了熔池的質(zhì)心,。

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