视觉的窄间隙焊坡口识别(附件)【字数：17169】
Narrow gap welding groove recognition based on vision摘 要Narrow gap welding groove recognition based on vision摘 要窄间隙焊接技术是一项在各个工程领域受到广泛应用的焊接技术，随着时代的发展，工程上对窄间隙焊接的应用效率提出了更高的要求。传统的人工窄间隙焊接操作存在人为因素的影响大，焊接质量稳定性低，工作效率低等无法避免的劣势，很难满足高效实现的要求，所以实现窄间隙焊自动化就成为了提高效率的最有效的解决方案。窄间隙焊接自动化系统要能够稳定高效运行，必须建立能够实时准确的识别窄间隙焊坡口形状的识别系统，保证控制信息的准确。本文首先建立了基于视觉传感信息的坡口识别实验系统，包含视觉传感模块，机械夹持传动模块以及计算机图像处理模块。三个模块协同合作能够良好的运行实验流程。在搭建好视觉实验系统的基础上，根据机器视觉的原理与各个实验设备之间的相对位置关系，通过数学推导建立了以视觉传感信息的像素坐标为参数的，刻画窄间隙焊坡口表面形貌的数学模型。本文结合实际实验情景，对所建立的视觉系统进行视觉参数的标定求解，同时提出了处理传感图像的图像智能处理算法，此算法封装了自适应的阈值分割算法、面积滤波去除噪声算法与基于行列扫描的特征线段提取算法这三个子算法，能够以不高的硬件要求快速的运行求解程序得出坡口图像的特征点，同时与其他图像处理算法相比有着更好的处理效果。最后根据模型求解结果得出窄间隙坡口形状，与实际误差值在0.6%左右，结果精确。关键词窄间隙焊；坡口模型；机器视觉；特征提取算法
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的背景及其意义 1
1.2窄间隙焊的发展 2
1.3机器视觉的发展 2
1.4本文研究的主要内容 3
第二章 视觉识别实验系统 5
2.1引言 5
2.2系统构成 5
2.3线结构光发生器 6
2.4 CCD摄像机 7
2.5窄间隙坡口试样与夹持机床 8
2.6计算机与处理软件 8
2.7本章小结 9
第三章 窄间隙坡口的数学模型 10
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
引言 10
3.2视觉识别系统的坐标系约定 10
3.2.1世界坐标系 10
3.2.2摄像机坐标系 11
3.2.3成像坐标系 11
3.2.4图像坐标系 11
3.3各个坐标系之间的变换关系 12
3.3.1世界坐标系与摄像机坐标系的变换关系 12
3.3.2摄像机坐标系与成像坐标系的变换关系 13
3.3.3成像坐标系与图像坐标系的变换关系 14
3.3.4摄像机模型的建立与自由度分析 15
3.4本文视觉系统的坐标系建立 16
3.4.1双目视觉系统与单目视觉系统选择 16
3.4.2单目视觉系统的特殊约束 18
3.4.3激光条纹曲线的方程的推导 19
3.4.4坡口形貌的数学模型的推导 21
3.5本章小结 23
第四章 坡口图像识别算法 24
4.1引言 24
4.2视觉系统的参数标定 24
4.2.1张氏标定算法的原理 24
4.2.2视觉标定的过程与分析 24
4.3自适应阈值搜索算法 28
4.3.1算法的原理 28
4.3.2处理结果与算法分析 29
4.4面积滤波算法 29
4.4.1算法原理 29
4.4.2处理结果与算法分析 30
4.5特征提取算法 30
4.5.1算法的原理 30
4.5.2处理的结果与算法分析 33
4.6求解坡口数学模型 34
4.7本章总结 35
结论 36
致谢 37
参考文献 38
附录 40
第一章 绪论
1.1课题的背景及其意义
随着时代的发展与科技水平的进步，工业领域已经逐步摆脱传统的低效率的手工操作，向自动化方向发展，这个过程也被成为工业自动化[1]，工业自动化在工业领域发挥着越来越重要的作用。实现了自动化的工业场景中，机器设备在运行过程中不需要操作员过多的干预，就能够根据实际生产过程中的出现的场景信息自动的给出调整，实现预期目标操作的控制过程。这个过程中涉及到各个学科各个方面的知识，包含了机械，控制，测量等等领域的综合知识。目前工业自动化技术已经在焊接成形，电子电力，机械设计制造，交通调度等领域得到了深度应用，成为了大大提高生产效率，促进行业水平大发展的手段[2]。
在工业自动化发展的越来越好的大背景下，计算机领域中机器视觉的发展又使得工业自动化技术如虎添翼。确认，随着自动化技术的高速发展，人们对于机器视觉的认知也进入到更深的层次，即机器视觉并不只是一个在计算机科学领域内的一个学术概念，而是一个能被其他工业领域深刻应用的革命性的技术[3]。在工业自动化领域加入机器视觉的技术应用，能够极大的提升生产线的自动化水平与程度。由机器视觉技术的特性可知，能够让生产一线的员工远离危险的工作环境，能让大批量的连续生产的效率得到提高，能够将生产线上的生产精度和生产效率提高好几个数量级，同时由于计算机技术在存储和交换信息上的优势，能够在生产作业的同时做到信息的高速收集与实时反馈，起到了信息同步集成的效果。
综上所述，现代工业的发展对自动化技术越来越依赖，同时在自动化流程中加入机器视觉的学习能使得其实现的水平与效率得到大大提高。本文的课题名称为基于视觉的窄间隙坡口识别，即为在传统的窄间隙焊过程之中加入基于机器视觉对其坡口形状进行识别，这样能够精准高效的实现的坡口尺寸识别，而且由于焊接过程的自身特性，在焊接过程中工件往往处于极高温的状态，传统的接触式测量手段显然不可行，红外测距的技术由于红外线对高温非常敏感所以也不可行，所以高效安全的视觉测量手段就成为了不二之选，实现窄间隙焊的坡口的视觉识别技术[4]，成为了窄间隙焊的自动化实现过程中的最关键一步。
1.2窄间隙焊的发展
窄间隙焊这个焊接术语第一次于1963年由美国Battelle研究所提出[5]，随着窄间隙焊接基础被提出以来，其作为一种高效的新型焊接技术得到了广泛应用与关注，总的来说，窄间隙焊接技术具有如下几个特征:①窄间隙焊是基于现有弧焊技术的一种特殊的焊接技术;②窄间隙坡口形状多数为采用I型坡口；③窄间隙焊一般采用多层焊接;④窄间隙焊的多层焊接过程中一般每层焊接中的焊道数量都一样；⑤能够实现全位置焊接。从工艺性能的角度来看，窄间隙焊缝往往具有较好的力学性能。从经济角度来看，窄间隙焊的生产效率高的同时兼顾了较低的生产经济成本。所以综上所述，从窄间隙焊技术的提出到现在，经过长时间的发展已经得到了长足的进步，在各个工业领域的焊接工艺上得到了巨大的发展前景。在各个领域得到深远应用的同时，窄间隙焊也有着以下几个新的发展方向：①在能保证工艺成形的基础之上，开发比传统手段更低的热输入工艺手段；②控制窄间隙焊过程中的飞溅率，在低飞溅率的基础之上就能够更好的实现窄间隙的自动化；③开发具有高度抗干扰能力与高度可靠性的焊接自动跟踪技术，即实现高精度的识别技术。
根据本节的内容可以知道，窄间隙焊接技术在现今有着广泛的应用的同时有着向新方向发展的需要，在这些发展方向中，对焊接过程中的视觉识别的是必不可少的，这种技术既是实现窄间隙焊自动化的关键一步，也是提升整个焊接过程中的操作效率与安全性的必不可少的一步。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的背景及其意义 1
1.2窄间隙焊的发展 2
1.3机器视觉的发展 2
1.4本文研究的主要内容 3
第二章 视觉识别实验系统 5
2.1引言 5
2.2系统构成 5
2.3线结构光发生器 6
2.4 CCD摄像机 7
2.5窄间隙坡口试样与夹持机床 8
2.6计算机与处理软件 8
2.7本章小结 9
第三章 窄间隙坡口的数学模型 10
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
引言 10
3.2视觉识别系统的坐标系约定 10
3.2.1世界坐标系 10
3.2.2摄像机坐标系 11
3.2.3成像坐标系 11
3.2.4图像坐标系 11
3.3各个坐标系之间的变换关系 12
3.3.1世界坐标系与摄像机坐标系的变换关系 12
3.3.2摄像机坐标系与成像坐标系的变换关系 13
3.3.3成像坐标系与图像坐标系的变换关系 14
3.3.4摄像机模型的建立与自由度分析 15
3.4本文视觉系统的坐标系建立 16
3.4.1双目视觉系统与单目视觉系统选择 16
3.4.2单目视觉系统的特殊约束 18
3.4.3激光条纹曲线的方程的推导 19
3.4.4坡口形貌的数学模型的推导 21
3.5本章小结 23
第四章 坡口图像识别算法 24
4.1引言 24
4.2视觉系统的参数标定 24
4.2.1张氏标定算法的原理 24
4.2.2视觉标定的过程与分析 24
4.3自适应阈值搜索算法 28
4.3.1算法的原理 28
4.3.2处理结果与算法分析 29
4.4面积滤波算法 29
4.4.1算法原理 29
4.4.2处理结果与算法分析 30
4.5特征提取算法 30
4.5.1算法的原理 30
4.5.2处理的结果与算法分析 33
4.6求解坡口数学模型 34
4.7本章总结 35
结论 36
致谢 37
参考文献 38
附录 40
第一章 绪论
1.1课题的背景及其意义
随着时代的发展与科技水平的进步，工业领域已经逐步摆脱传统的低效率的手工操作，向自动化方向发展，这个过程也被成为工业自动化[1]，工业自动化在工业领域发挥着越来越重要的作用。实现了自动化的工业场景中，机器设备在运行过程中不需要操作员过多的干预，就能够根据实际生产过程中的出现的场景信息自动的给出调整，实现预期目标操作的控制过程。这个过程中涉及到各个学科各个方面的知识，包含了机械，控制，测量等等领域的综合知识。目前工业自动化技术已经在焊接成形，电子电力，机械设计制造，交通调度等领域得到了深度应用，成为了大大提高生产效率，促进行业水平大发展的手段[2]。
在工业自动化发展的越来越好的大背景下，计算机领域中机器视觉的发展又使得工业自动化技术如虎添翼。确认，随着自动化技术的高速发展，人们对于机器视觉的认知也进入到更深的层次，即机器视觉并不只是一个在计算机科学领域内的一个学术概念，而是一个能被其他工业领域深刻应用的革命性的技术[3]。在工业自动化领域加入机器视觉的技术应用，能够极大的提升生产线的自动化水平与程度。由机器视觉技术的特性可知，能够让生产一线的员工远离危险的工作环境，能让大批量的连续生产的效率得到提高，能够将生产线上的生产精度和生产效率提高好几个数量级，同时由于计算机技术在存储和交换信息上的优势，能够在生产作业的同时做到信息的高速收集与实时反馈，起到了信息同步集成的效果。
综上所述，现代工业的发展对自动化技术越来越依赖，同时在自动化流程中加入机器视觉的学习能使得其实现的水平与效率得到大大提高。本文的课题名称为基于视觉的窄间隙坡口识别，即为在传统的窄间隙焊过程之中加入基于机器视觉对其坡口形状进行识别，这样能够精准高效的实现的坡口尺寸识别，而且由于焊接过程的自身特性，在焊接过程中工件往往处于极高温的状态，传统的接触式测量手段显然不可行，红外测距的技术由于红外线对高温非常敏感所以也不可行，所以高效安全的视觉测量手段就成为了不二之选，实现窄间隙焊的坡口的视觉识别技术[4]，成为了窄间隙焊的自动化实现过程中的最关键一步。
1.2窄间隙焊的发展
窄间隙焊这个焊接术语第一次于1963年由美国Battelle研究所提出[5]，随着窄间隙焊接基础被提出以来，其作为一种高效的新型焊接技术得到了广泛应用与关注，总的来说，窄间隙焊接技术具有如下几个特征:①窄间隙焊是基于现有弧焊技术的一种特殊的焊接技术;②窄间隙坡口形状多数为采用I型坡口；③窄间隙焊一般采用多层焊接;④窄间隙焊的多层焊接过程中一般每层焊接中的焊道数量都一样；⑤能够实现全位置焊接。从工艺性能的角度来看，窄间隙焊缝往往具有较好的力学性能。从经济角度来看，窄间隙焊的生产效率高的同时兼顾了较低的生产经济成本。所以综上所述，从窄间隙焊技术的提出到现在，经过长时间的发展已经得到了长足的进步，在各个工业领域的焊接工艺上得到了巨大的发展前景。在各个领域得到深远应用的同时，窄间隙焊也有着以下几个新的发展方向：①在能保证工艺成形的基础之上，开发比传统手段更低的热输入工艺手段；②控制窄间隙焊过程中的飞溅率，在低飞溅率的基础之上就能够更好的实现窄间隙的自动化；③开发具有高度抗干扰能力与高度可靠性的焊接自动跟踪技术，即实现高精度的识别技术。
根据本节的内容可以知道，窄间隙焊接技术在现今有着广泛的应用的同时有着向新方向发展的需要，在这些发展方向中，对焊接过程中的视觉识别的是必不可少的，这种技术既是实现窄间隙焊自动化的关键一步，也是提升整个焊接过程中的操作效率与安全性的必不可少的一步。
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