焊缝成形的双目视觉评判方法研究

论文摘要

焊缝外观质量是压力容器、轿车、螺旋焊管等焊接生产质量保证体系重要组成部分,焊缝外观质量对产品生产成本和生产效率有较大的影响，生产企业对焊缝外观成形质量的要求愈加严格，对其检测和评判方法的要求也进一步提高。目前，主要依靠人工目测方法对焊缝表面出现的咬边、根部未焊透、气孔、裂纹等缺陷加以判定。由于检验人员的技能素质和经验的不同，对质量检验标准的把握难免有偏差，检验结果受检验人员主观因素的影响而不稳定，评判的定量精度难以保证。这种评价方法无法满足焊接生产的自动化和精量化发展需求。双目立体视觉技术被广泛应用于目标辨识及精确测量、路径引导及规划、实时跟踪等工业应用领域。本文采用双目立体视觉获取焊缝表面成形图像，探索了一种焊缝外观成形的视觉测量和评价方法。主要研究内容包括：（1）搭建了一套用于评判和检测焊缝成形的计算机双目立体视觉系统。系统硬件主要包括工业数字相机（MV-3000UC）、镜头（VS-0814M）、白色条形光源（VS-RL200）及其控制器、计算机等。采集焊缝视觉图像时用可调的主动光源来增强对比度，采集的视觉图像通过USB接口传输至计算机。采用开发的视觉图像处理软件即可实现焊缝图像的显示、存储、预处理和焊缝成形参数的提取等功能。（2）通过对摄像机的标定，获取了两摄像机的内、外参数及投影矩阵，得到了图像像素位置与三维场景位置间的关系，获得了被测焊缝所处的物理坐标系与其成像坐标系之间的转换关系，建立了测量坐标系。根据投影矩阵的变换校正了摄像机模型，大大简化了后期计算。通过对图像的校正、锐化、平滑等预处理，使焊缝的轮廓特征更加明显。对焊缝区域进行分割后可以提取长度和宽度等平面信息。在提取焊缝表面高度信息时，对焊缝图像进行了立体匹配和表面三维重构。实际测量证明，运用计算机双目视觉技术获取的焊缝宽度、余高等成形参数有较高的准确性，可以作为焊缝成形评判的基本参数。（3）分析了影响焊缝成形的主要因素，探究焊缝主要外观缺陷与其成形表征参数之间的关系。根据现行的焊缝成形评价方法与评价体系，建立了以计算机双目视觉为平台的焊缝外观成形质量评价体系，从焊宽、余高和焊缝熔敷情况等三个方面将焊缝成形的评价矩阵化、参数化。（4）分析了焊接规范参数与焊缝主要评价指标之间的关系，建立了以焊接电流、焊接电压、焊接速度为输入向量，分别以焊缝平均宽度和平均余高为输出向量的两个SVM回归预测模型。分析表明预测模型对评价指标的预测有较高的准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 机器视觉的研究现状
• 1.3 焊缝质量评判方法的研究现状
• 1.4 研究内容
• 第2章 双目视觉系统的搭建
• 2.1 双目立体视觉系统原理
• 2.2 双目视觉硬件系统的搭建
• 2.3 软件系统的开发
• 2.4 系统的标定
• 2.4.1 标定原理
• 2.4.2 标定过程
• 2.5 小结
• 第3章 焊缝视觉图像的处理及参数表征
• 3.1 焊缝视觉图像的采集
• 3.2 焊缝视觉图像的预处理
• 3.2.1 焊缝视觉图像的校正
• 3.2.2 焊缝视觉图像的锐化
• 3.2.3 焊缝视觉图像的平滑
• 3.3 焊缝平面信息提取和表征
• 3.3.1 焊缝边缘轮廓的提取
• 3.3.2 焊缝宽度的提取
• 3.4 焊缝三维信息的提取和表征
• 3.4.1 立体匹配
• 3.4.2 焊缝表面的三维重构
• 3.4.3 余高的提取
• 3.4.4 断面轮廓曲线方程的拟合
• 3.5 结果验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 评价指标的建立
• 4.1 影响埋弧焊焊缝表面成形质量的主要工艺参数
• 4.2 焊缝成形的主要缺陷
• 4.3 评价指标的建立
• 4.3.1 现行评价指标
• 4.3.2 评价指标及其参数化
• 4.4 评价结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于 SVM 的焊缝成形指标预测
• 5.1 支持向量机
• 5.2 预测模型的建立
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录