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 引言

銅包鋁線纜既具有銅的高頻傳輸性能，又具有鋁的輕質(zhì)、柔軟等特點(diǎn)。在同樣截面積下,銅包鋁線單位長(zhǎng)度的質(zhì)量?jī)H為純銅線的37.3%,在相同的質(zhì)量下，銅包鋁線的長(zhǎng)度是純銅線的2.7倍。由于質(zhì)量輕，運(yùn)輸安裝方便，還可降低敷設(shè)成本，故銅包鋁線制是替代純銅線制作高頻電纜和移動(dòng)通訊電纜內(nèi)導(dǎo)體的最佳材料,采用優(yōu)質(zhì)的銅包鋁線纜來(lái)代替純銅線纜有著廣闊的應(yīng)用前景⑴。

銅包格復(fù)合線纜多為通過(guò)將銅皮包覆在鋁線上并進(jìn)行焊接而生產(chǎn)出來(lái),TIG焊是其常用的焊接方法，實(shí) 際生產(chǎn)中鴇極靜止不動(dòng)，工件快速運(yùn)動(dòng),其焊接速度大于10 m/min,焊接電流大于200 A；銅板厚度為 0.4 mm,對(duì)口縫間隙約為0.2 mm。焊接過(guò)程受包覆機(jī)械成型過(guò)程的影響，常出現(xiàn)電極與銅而焊偏，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)的連續(xù)性。因此，實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤控制十分必要。

近年來(lái)，釆用工業(yè)CCD攝像機(jī)的視覺(jué)傳感方法不斷涌現(xiàn)，并在TIG焊的熔池形貌檢測(cè)與實(shí)時(shí)控制DT、 焊縫跟蹤『刀等方面的研究取得了很大的成功。但在銅包鋁線纜TIG焊生產(chǎn)中尚未見(jiàn)應(yīng)用實(shí)例。

文中將圖像處理技術(shù)應(yīng)用到銅包鋁TIG焊生產(chǎn)中,將焊縫圖像釆集到計(jì)算機(jī)中，利用VC+ +編制圖像處理軟件,提取焊縫特征，計(jì)算焊縫偏差并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)焊槍位置，消除焊接過(guò)程中的偏差，解決了焊偏問(wèn)題。系統(tǒng)采用了優(yōu)化的圖像處理技術(shù)，實(shí)時(shí)性好, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和跟蹤精度(±0.1 mm)達(dá)到了銅包鋁線纜TIG焊實(shí)際生產(chǎn)的要求。

1跟蹤系統(tǒng)的組成及工作原理

輸出控制器、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、焊槍調(diào)節(jié)電動(dòng)滑移臺(tái)等部分組成。

該系統(tǒng)將視覺(jué)傳感器安放于焊接前方離鶴極20 mm處，對(duì)弧光進(jìn)行中性減光和窄帶濾光后,攝取銅皮成形對(duì)口縫圖像，經(jīng)采集卡以10 Hz的采樣頻率將圖像采集到焊縫圖像處理計(jì)算機(jī)，并保存為灰度為8位的亮度圖像，焊縫圖像處理軟件對(duì)該圖像進(jìn)行處理, 計(jì)算焊縫中心位置與焊槍中心位置的偏差，將該偏差數(shù)據(jù)通過(guò)I/O 口實(shí)時(shí)傳輸給由單片機(jī)組成的輸出控制器，輸出控制器采用PID控制交流伺服電機(jī)，控制焊槍移動(dòng)，糾正焊縫中心與焊槍中心位置的偏差，以上過(guò)程自動(dòng)完成，不需要人為干預(yù)。由攝像機(jī)采集的原焊縫圖像如圖2所示。

 

2焊縫圖像處理與特征識(shí)別

焊縫圖像的處理和特征識(shí)別是該系統(tǒng)的核心，焊縫圖像的處理和特征識(shí)別主要經(jīng)過(guò)以下步驟。

2.1圖像預(yù)處理’

連續(xù)性好。該方法的要點(diǎn)是： 

1. 圖像使用帶有指定標(biāo)準(zhǔn)偏差〃的高斯濾波器來(lái)平滑圖像，進(jìn)一步減少圖像噪聲。
2. 在每一點(diǎn)處計(jì)算局部梯度g(*,y) =［C： + C；］"和邊緣方向 a(x,y) = arctan(G/GJ₀
3. 第2條中確定的邊緣點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致梯度幅度圖像中出現(xiàn)脊。算法追蹤所有脊的頂部,并將所有不在脊的頂部的像素設(shè)為零，最終給出一條細(xì)線，該方法稱為非最大值抑制處理。脊像素使用兩個(gè)閾值T.和T₂做閾值處理，其中T_t20值大于T₂的脊像素成為邊緣強(qiáng)像素, 7；和％之間的脊像素稱為弱邊緣像素。
4. 最后,算法通過(guò)將連接的弱像素集成到強(qiáng)像素, 執(zhí)行邊緣連接。

使用上述方法對(duì)預(yù)處理后的焊縫圖像進(jìn)行了邊緣檢測(cè)，如圖4所示?？梢钥吹?Canny邊緣檢測(cè)得到的焊 縫邊緣圖像非常清晰，幾乎沒(méi)有噪點(diǎn)，并且邊緣的連續(xù)性 非常好。

 

2.3使用Hough變換進(jìn)行線檢測(cè)

使用邊緣檢測(cè)得到的圖像，實(shí)際上是一些并不連續(xù)的點(diǎn)，焊縫邊緣往往不是一條真正的直線。采用Hough變換的方法,將檢測(cè)得到的焊縫邊緣圖像提取成兩條直 線，直線的位置是唯一確定的，在計(jì)算焊縫誤差時(shí)，可以做到非常精確和很高的分辨率。

Hough變換采用了空間變換的方法，對(duì)圖像直線特征進(jìn)行提取。假設(shè)在x-y坐標(biāo)系中有N個(gè)點(diǎn)(天,免),i = 1,2,—,N₀

通過(guò)x ~y平面上任一點(diǎn)(x,y)的直線群可由式(3)規(guī)定的e-p參數(shù)坐標(biāo)系中的一條曲線(下稱 Hough曲線)來(lái)表示。

p = xcosd + ysin0 (3)

式中,p、e為Hough變換的坐標(biāo)軸為像素點(diǎn)位置坐 標(biāo)。

根據(jù)Hough變換的性質(zhì)，共線的任意兩點(diǎn)(電,美)和 3況)的Hough曲線將一定在e -_p參數(shù)坐標(biāo)系中相交 一次。交點(diǎn)的。坐標(biāo)為=廿1竺工 (4)y；-J,

根據(jù)公式(4)可以求出第i條Hough曲線和其余N-1 條Hough曲線交點(diǎn)的6值,它們?cè)?/span>e軸上分布的峰值將表示通過(guò)點(diǎn)(氣山)并以峰值處的角度為方向且擁有最多共線點(diǎn)的一條直線。通過(guò)二維累積數(shù)組的計(jì)算方法, 可以找到該峰值點(diǎn),最終通過(guò)坐標(biāo)變換到x-y坐標(biāo)中所對(duì)應(yīng)的直線。

為了加快變換速度，采用了文獻(xiàn)［8］中的一維數(shù)組方法,改進(jìn)了 Hough變換算法，編制的程序能夠滿足實(shí)時(shí)性的要求。圖5為Hough變換得到的四條焊縫邊緣, 在實(shí)際的變換過(guò)程中，只對(duì)焊縫內(nèi)側(cè)的兩條曲線進(jìn)行提取,并且對(duì)圖像進(jìn)行了分割處理，減少了圖像的面積，加快變換速度。

 

圖5 Hough變換檢測(cè)的焊縫邊緣直線

 

2.4焊縫偏差的計(jì)算

通過(guò)Hough變換檢測(cè)得到的焊縫邊緣直線,很容易使用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理求取焊縫偏差。焊縫偏差求取方法如圖6所示。圖中C點(diǎn)為標(biāo)定得到的焊槍中心位 置,A、B兩點(diǎn)為與C點(diǎn)同一縱坐標(biāo)且在兩條內(nèi)側(cè)焊縫直線上的點(diǎn)。點(diǎn)為與C點(diǎn)同一縱坐標(biāo)的焊縫中心線上 的點(diǎn)。其橫坐標(biāo)為兀=(了4+羌,)/2,則焊縫偏差5為5 = X,-X,。將該偏差值通過(guò)計(jì)算機(jī)接口傳遞給控制器, 控制器根據(jù)焊縫偏差8,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)焊槍位置，調(diào)整偏差。

 

圖6焊縫偏差的求取

3結(jié) 論

采用均值濾波的方法進(jìn)行焊縫原始圖像的濾波降 噪,并采用Canny邊緣檢測(cè)得到了焊縫邊緣的清晰圖像。 使用Hough變換進(jìn)行線檢測(cè)，將檢測(cè)得到的焊縫邊緣圖 像提取成兩條直線,直線的位置是唯一確定的，在計(jì)算焊縫誤差時(shí)，可以做到非常精確和很高的分辨率。

 

 

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