基于數(shù)據(jù)擬合的激光焊接焊縫圖像表面缺陷檢測

摘要：為了檢測等厚鋼板激光焊接焊縫表面缺陷，采用結(jié)構(gòu)光主動(dòng)視覺檢測法和數(shù)據(jù)擬合技術(shù)進(jìn)行了焊縫圖像表面缺陷檢測的實(shí)驗(yàn)研究。首先采用高斯擬合法提取出具有亞像素精度的激光條紋圖像中心線；然后通過最小二乘法擬合出2條直線和1條二次曲線，求直線和二次曲線的交點(diǎn)以獲得精確的焊縫端點(diǎn)位置坐標(biāo)；最后給出焊縫表面缺陷：凹度和凸度的計(jì)算方法，并以等厚鋼板激光焊接焊縫為檢測對(duì)象進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，在此提出的基于數(shù)據(jù)擬合技術(shù)的焊縫表面缺陷圖像檢測方法為判斷激光焊接焊縫質(zhì)量是否合格提供了較為準(zhǔn)確的判斷依據(jù)。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)擬合；圖像處理；激光焊接；表面檢測

0 引言
激光聚焦后光斑直徑小、能量密度高，因而激光焊接具有焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、焊接速度快和焊縫美觀等特點(diǎn)。但激光焊接對(duì)焊接接頭裝配精度和間隙的要求也非常高，激光焊接焊縫易出現(xiàn)咬邊缺陷。并且，在激光焊接過程中因激光功率、光束特性、離焦量和焊接速度等參量的變動(dòng)會(huì)出現(xiàn)焊縫凹度或凸度缺陷。在汽車行業(yè)，激光拼焊板的焊縫表面缺陷會(huì)影響到汽車的美觀性和耐用性；而在鋼鐵行業(yè)帶鋼軋制過程中，焊縫凸度缺陷將直接影響到軋輥的使用壽命，而焊縫凹度缺陷更會(huì)導(dǎo)致帶鋼焊縫處斷裂迫使生產(chǎn)中斷。因此，研究激光焊接焊縫質(zhì)量表面缺陷檢測技術(shù)就顯得非常重要。
激光焊接質(zhì)量檢測方法主要有3種：通過無損檢測手段檢測焊后焊縫應(yīng)力集中和內(nèi)部氣孔缺陷；通過檢測激光焊接過程中出現(xiàn)的熔池和小孔形態(tài)評(píng)估焊縫質(zhì)量；通過結(jié)構(gòu)光視覺檢測焊后焊縫表面缺陷。結(jié)構(gòu)光視覺方法檢測焊后焊縫表面特征，可直接檢測出焊縫表面的凹度、凸度和表面氣孔等缺陷，具有快速性、實(shí)時(shí)性、檢測精度高等明顯優(yōu)勢。

1 激光條紋圖像獲取
結(jié)構(gòu)光視覺檢測系統(tǒng)主要由線激光器和CCD相機(jī)構(gòu)成。線激光器打出的光平面投射到焊縫表面被調(diào)制形成激光條紋。CCD相機(jī)采集到變形激光條紋的圖像后，通過分析激光條紋的特征，對(duì)焊縫的焊接質(zhì)量做出判定，結(jié)構(gòu)光視覺檢測原理如圖1所示。為了避免背景及激光焊接強(qiáng)光的干擾，可在攝像機(jī)鏡頭前安裝一個(gè)濾光片。為完成焊縫質(zhì)量檢測任務(wù)，需要先建立基于透視投影變換的結(jié)構(gòu)光視覺檢測模型并標(biāo)定相關(guān)參數(shù)。

2 高斯擬合提取條紋中心線圖像
精確提取激光條紋的中心線是結(jié)構(gòu)光視覺檢測圖像處理關(guān)鍵的一步。高斯法提取激光條紋的中心主要是利用了激光條紋光強(qiáng)分布近似服從高斯分布的特性，在激光條紋法線方向擬合高斯曲線，求出極值點(diǎn)位置作為條紋中心。高斯擬合提取激光條紋中心算法如下：
(1)求激光條紋極大值圖像fb。設(shè)圖像函數(shù)為f(m，n)。其中m，n分別為圖像的行和列；f(m，n)為圖像像素在(m，n)處的灰度值。按條紋法線方向逐列搜索灰度極大值fmax，以fmax為閾值對(duì)焊縫圖像二值化處理得圖像fb，通過濾波去除偽極大值得到圖像fc。
(2)邊緣取中提取條紋近似中心。提取圖像fc第j(j=1，2，…，n)列2個(gè)邊緣所在的行為x，y，把位置((x+y)／2，j)作為條紋近似中心，該點(diǎn)像素灰度值的賦值為零，該點(diǎn)所在列其他像素灰度值的賦值為1，得到單像素中心線圖像fd。
(3)高斯擬合求取條紋中心亞像素坐標(biāo)。對(duì)于條紋圖像的j列元素，以[i-s／2…i+s／2)]行為X向量，以[(i-s／2，j)…(i+s／2，j)]的灰度值為Y向量；i為圖像fd單像素中心線j列對(duì)應(yīng)的行位置；s為向量s第j列對(duì)應(yīng)的元素，表示激光條紋j列位置對(duì)應(yīng)的激光條紋寬度值，采用高斯擬合曲線求解方程組，確定條紋中心亞像素位置(xi，j)。