[科普中國]-焊件

簡介

隨著現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)程的加速，焊件表而的常規(guī)檢測方法已難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，因而將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于焊件表而檢測中就成為焊接檢測領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。系統(tǒng)地闡述了通過CCD攝像機(jī)自動(dòng)采集焊件表面圖像到計(jì)算焊件表而焊縫尺寸及缺陷評(píng)定的設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)開發(fā)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。同時(shí)，利用該系統(tǒng)可對(duì)采集到焊件表而圖像進(jìn)行了處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的焊件外觀檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是可行的，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量焊件表而焊縫尺寸及實(shí)現(xiàn)表而缺陷的評(píng)定，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

焊接已發(fā)展為制造業(yè)中的一種重要的加工方法，廣泛應(yīng)用于航空、航天、冶金、石油、汽車制造以及國防等領(lǐng)域。在焊接產(chǎn)品中，焊縫質(zhì)量的好壞直接影響到產(chǎn)品的使用壽命長短。所以，在生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求控制焊縫尺寸，以及嚴(yán)格控制各類缺陷的產(chǎn)生。對(duì)焊縫表面尺寸測量及評(píng)定表面焊縫缺陷時(shí)，目測檢測法由于具有靈活性強(qiáng)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因而成為是工業(yè)生產(chǎn)檢測中最常用的方法之一。目前，目測檢測法測量焊縫尺寸時(shí)通常采用放大鏡，直尺，咬邊測量器等工具進(jìn)行測量;缺陷評(píng)定時(shí)則需要評(píng)級(jí)人員具有較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)及豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，目測檢測過程中工作人員易受到的工作量大、工作環(huán)境不佳、知識(shí)認(rèn)知差異等因素的影響，造成結(jié)果準(zhǔn)確性的下降。因此，目測檢測法測量結(jié)果很難保證結(jié)果的規(guī)范性、客觀性和科學(xué)性。因而，如何減少上述因素的對(duì)最終結(jié)果的影響，成為焊接工作者近年來研究的熱點(diǎn)課題之一。近年來，隨著計(jì)算機(jī)，白動(dòng)化以及模式識(shí)別等技術(shù)取得的進(jìn)步，也給焊縫外觀檢測帶來了新的發(fā)展動(dòng)力1。

接頭形式焊接接頭形式有對(duì)接接頭、T字接頭、角接接頭和搭接接頭四種。焊接工件接頭的對(duì)縫尺寸是由焊件的接頭形式、焊件厚度和坡口形式?jīng)Q定的。電工自行操作的焊接通常是角鋼和扁鋼，一般不開坡口，對(duì)縫尺寸是0~2mm。

焊接方式焊接方式分為平焊、立焊、橫焊和仰焊四種。應(yīng)根據(jù)焊接工件的結(jié)構(gòu)、形狀、體積和所處位置的不同選擇不同的焊接方式。

平焊時(shí)，焊縫處于水平位置，操作技術(shù)容易掌握，采用焊條直徑可大些，生產(chǎn)效率高，但容易出現(xiàn)熔渣和鐵水分不清的現(xiàn)象。焊接所用的運(yùn)條方法均成直線形，焊件若需兩面焊時(shí)，焊接正面焊縫，運(yùn)條速度反應(yīng)慢些，以獲得較大的深度和寬度；焊反面焊縫時(shí)，則運(yùn)條速度要快些，使焊縫寬度小些。

立焊和橫焊時(shí)，由于熔化的金屬自重下淌，產(chǎn)生未焊透和焊瘤等缺陷，所以要用較小直徑的焊條和較短的電弧焊接。焊接電流要比平焊時(shí)小12%。

仰焊操作難度高，焊接時(shí)要采用較小直徑的焊條，用最短的電弧焊接2。

需求分析根據(jù)焊件外觀尺寸測量及缺陷分布的特點(diǎn)，焊件外觀檢測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

1)外觀采集實(shí)現(xiàn)多角度白動(dòng)化采集。為了實(shí)現(xiàn)焊件外觀尺寸的白動(dòng)化計(jì)算，需要對(duì)整個(gè)焊件的進(jìn)行全方位的圖像采集，進(jìn)而根據(jù)不同的圖像的特征進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的計(jì)算及缺陷評(píng)級(jí);

2)采集圖像的特征處理。圖像處理是實(shí)現(xiàn)白動(dòng)檢測的重要步驟之一，只有將采集到的圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理才能得到所需的參數(shù)，進(jìn)而得相關(guān)構(gòu)件外觀參數(shù)和缺陷類別及等級(jí);

3)焊件信息的管理及查詢。為了實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)相關(guān)構(gòu)件信息的查詢，需在系統(tǒng)中開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)儲(chǔ)存查詢功能。并應(yīng)使系統(tǒng)支持模糊查詢功能，以提高系統(tǒng)的查詢效率。同時(shí)，采集到的圖像也應(yīng)當(dāng)隨相應(yīng)信息分類保存;

4)系統(tǒng)管理與維護(hù)。為了確保儲(chǔ)存信息的安全性及可靠性，需對(duì)不同的用戶的設(shè)置不同的權(quán)限，并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)備份與還原功能，以免用戶的誤操作導(dǎo)致信息丟失3。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)焊縫外觀檢測系統(tǒng)需得到焊件表面數(shù)字化圖像，因而該系統(tǒng)的圖像采集需以硬件為基礎(chǔ)。同時(shí)，為了適應(yīng)生產(chǎn)白動(dòng)化的需求，系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)也應(yīng)能實(shí)現(xiàn)白動(dòng)化、智能化地采集圖像。

為了使得機(jī)構(gòu)可以對(duì)焊件表面的焊縫尺寸及表面狀況進(jìn)行全方位的檢測，需要攝像機(jī)對(duì)焊件進(jìn)行至少兩個(gè)視角的圖像進(jìn)行采集。因此，該機(jī)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)白動(dòng)的正反90°的旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊件正面及側(cè)面圖像的采集。

機(jī)構(gòu)的白動(dòng)正反轉(zhuǎn)功能將由PLC進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)。用戶可以根據(jù)需要，在該系統(tǒng)的交互界面中設(shè)定旋轉(zhuǎn)周期，那么該系統(tǒng)將會(huì)把用戶設(shè)定的參數(shù)傳遞給PLC控制模塊中的控制地址，對(duì)PLC供電周期進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)的正反90°的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過CCD攝像機(jī)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行所需要的圖像采集。同時(shí)，該系統(tǒng)也可通過用戶交互界面的控制按鈕對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以滿足用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測的需求。

焊件外觀檢測系統(tǒng)通常包括以下幾個(gè)模塊:圖像采集控制模塊、圖像處理模塊、參數(shù)計(jì)算及缺陷評(píng)定模塊、信息管理模塊、系統(tǒng)維護(hù)模塊1。

模塊分圖像采集控制模塊為了實(shí)現(xiàn)焊件表面焊縫尺寸的計(jì)算及缺陷的評(píng)級(jí)，首先需要對(duì)焊縫表面狀況進(jìn)行數(shù)字化采集，因此該系統(tǒng)中需設(shè)計(jì)控制圖像采集方式的功能，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的白動(dòng)檢測功能。模塊該模塊中，設(shè)計(jì)有兩種圖像采集方式:單張采集及連續(xù)采集兩種方法。

單張采集的目的是實(shí)現(xiàn)焊后焊件相關(guān)尺寸的計(jì)算，驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求;連續(xù)采集的目的是實(shí)現(xiàn)焊后焊件表面質(zhì)量的監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)表面存在缺陷，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警，并白動(dòng)切換至單張采集模式，對(duì)該段的焊件表面狀況進(jìn)行采集，同時(shí)對(duì)表面缺陷進(jìn)行評(píng)定。

該模塊還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)功能。用戶可根據(jù)白身的需要控制采集攝像頭的正反90。的旋轉(zhuǎn)，以滿足對(duì)焊件全方位的監(jiān)測。

圖像處理模塊圖像處理模塊是實(shí)現(xiàn)焊件表面尺寸計(jì)算及缺陷識(shí)別的基礎(chǔ)，系統(tǒng)須將采集到的圖像的進(jìn)行必要的圖像處理過程，才能得到所需的焊件參數(shù)。

一般的圖像處理過程包括圖像的預(yù)處理、圖像的分割、目標(biāo)區(qū)域特征的提取等過程1。

圖像的預(yù)處理通常情況下，經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)化得到的焊件表面圖像具有灰度區(qū)問窄、缺陷邊緣模糊、圖像噪聲多等特點(diǎn)「們，這些不利的因素將會(huì)影響到圖像分割結(jié)果的準(zhǔn)確度，進(jìn)而影響到最終結(jié)果的分析與評(píng)定。因此，對(duì)圖像處理前需先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理過程，減小干擾因素的影響，提高圖片的質(zhì)量，為后續(xù)處理工作做好基礎(chǔ)。

預(yù)處理過程通常包括以下四個(gè)過程:色彩度轉(zhuǎn)換、圖像降噪、圖像增強(qiáng)等過程。色彩度轉(zhuǎn)換一般是將非灰度圖轉(zhuǎn)化為灰度圖，以提高系統(tǒng)的處理速度;圖像降噪主要是因?yàn)榻?jīng)采集到的圖像中通常會(huì)含有一些噪聲信息，這些信息通常無規(guī)律的存在于圖像中，對(duì)后續(xù)圖像處理進(jìn)行干擾，因此需對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理，一般的降噪方法有均值濾波器、中值濾波器、形態(tài)學(xué)濾波器及小波去噪等方法;圖像增強(qiáng)的目的是將圖像中目標(biāo)區(qū)域的邊界強(qiáng)化突出，增大邊界像素與周圍像素的對(duì)比，提高圖像分割準(zhǔn)確性。本文擬采用均值濾波的方式進(jìn)行去噪處理。

圖像的分割圖像分割是將目標(biāo)區(qū)域從背景信息中分離出來的重要的一步。由于焊件表面存在大量的目標(biāo)信息，直接對(duì)圖像計(jì)算不僅會(huì)造成處理速度的降低，同時(shí)也將造成大量目標(biāo)區(qū)域信息的誤讀。因此，為了提供準(zhǔn)確的目標(biāo)區(qū)域，將所需的目標(biāo)區(qū)域從背景中提取出來就顯得尤為重要。

目前，常用的分割方法有基于闌值的分割方法、基于區(qū)域的分割方法，基于邊緣的分割方法以及基于特定理論的分割方法等。由于分割對(duì)象的不同，沒有哪種分割方法是普遍適用性。因此，在進(jìn)行圖像分割時(shí)，需要根據(jù)圖像的特點(diǎn)，選擇對(duì)該特點(diǎn)更加適用的算法進(jìn)行分割。采用基于特定理論的分割方法1。

目標(biāo)區(qū)域特征的提取由于CCD攝像機(jī)采集到的原始圖像存在對(duì)比度不高，光照不均勻，背景起伏大等特點(diǎn)，使得進(jìn)行完分割后的圖像存在有多個(gè)目標(biāo)區(qū)域，因此需要將各個(gè)目標(biāo)區(qū)域分割開來，以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)計(jì)算。目前，常用的提取方法分兩大類:一是根據(jù)不同焊縫缺陷圖像的列灰度波形進(jìn)行分析研究，根據(jù)圖像的列灰度曲線特征對(duì)進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域邊緣進(jìn)行定位;另一種方法是圖像剪影法，該方法是通過重建背景區(qū)域，將重建圖像與分割的圖像進(jìn)行差值，進(jìn)而得到相關(guān)目標(biāo)區(qū)域。這兩大類方法各有各白的優(yōu)缺點(diǎn)，要根據(jù)圖像的質(zhì)量和特點(diǎn)靈活選用。采用圖像剪影的方法進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的提取。

參數(shù)計(jì)算及缺陷評(píng)定模塊經(jīng)過圖像處理模塊處理后的目標(biāo)區(qū)域，已基本從圖像中背景區(qū)域中分割出來，進(jìn)而就可以根據(jù)設(shè)定好的計(jì)算方式對(duì)目標(biāo)區(qū)域特征值進(jìn)行計(jì)算，特征值也將為目標(biāo)區(qū)域的分類提供重要依據(jù)。根據(jù)GB6417-86《金屬熔化焊焊縫缺陷分類及說明》對(duì)焊縫的六大缺陷進(jìn)行的定義和描述，設(shè)定表面缺陷的特征量。

表面焊縫的表面缺陷的分類也是焊件外觀檢測系統(tǒng)的核心部分。缺陷分類模塊采用基于專家系統(tǒng)的推理機(jī)進(jìn)行缺陷分類。首先將目標(biāo)區(qū)域特征中的特征量作為推理選擇條件，輸入到專家系統(tǒng)中進(jìn)行分類參考值，專家系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)已建立的推理準(zhǔn)則對(duì)所選條件進(jìn)行判斷，并將推理結(jié)果賦以置信度已供用戶參考。如果發(fā)現(xiàn)其判斷結(jié)果有所異議，用戶就可以根據(jù)實(shí)際情況修改推理結(jié)果，并根據(jù)提示填寫相關(guān)內(nèi)容，補(bǔ)充相關(guān)推理準(zhǔn)則，以便提高分類準(zhǔn)確性1。

信息管理及系統(tǒng)維護(hù)模塊該模塊具有實(shí)時(shí)記錄計(jì)算結(jié)果的功能，模塊將系統(tǒng)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)分類保存，同時(shí)，為用戶提供信息的查詢、修改、刪除、更新、打印等功能，并在模塊中建立信息緩存庫以供人機(jī)信息的交換。人機(jī)交換界面不僅能夠方便用戶實(shí)時(shí)查閱信息，而且可快速查閱信息記錄，為生產(chǎn)提供相關(guān)參考依據(jù)。同時(shí)，該模塊還可以根據(jù)需要生成標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定格式的檢驗(yàn)報(bào)告，以供檢驗(yàn)員存檔。

模塊中的系統(tǒng)維護(hù)功能可對(duì)用戶進(jìn)行權(quán)限分配。權(quán)限的分配可以保證系統(tǒng)使用的安全性，避免用戶因?yàn)檎`操作而導(dǎo)致重要信息的丟失。同時(shí)，使不同類型的用戶從不同的信息通道進(jìn)行信息訪問，保證在多用戶同時(shí)使用系統(tǒng)時(shí)，信息仍可傳輸流暢。系統(tǒng)運(yùn)行過程中也會(huì)產(chǎn)生的信息冗余，用戶可采用管理員模式登陸數(shù)據(jù)交換區(qū)，將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理，達(dá)到系統(tǒng)“瘦身”的目的1。

總結(jié)以上系統(tǒng)地闡述了焊件外觀檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，通過對(duì)系統(tǒng)各模塊的介紹，闡述了該系統(tǒng)具有的功能。通過對(duì)系統(tǒng)圖像處理過程的詳細(xì)介紹，可看出該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)計(jì)算和評(píng)定目標(biāo)區(qū)域的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化檢測系統(tǒng)的構(gòu)建。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信息進(jìn)行查詢、修改、刪除、儲(chǔ)存及打印等操作，是為了方便用戶的使用，體現(xiàn)了系統(tǒng)的友好性1。