窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置

《窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置》是江蘇科技大學於2014年12月30日申請的專利，該專利的申請號為2014108333718，公布號為CN104551347A，授權公布日為2015年4月29日，發明人是王加友、朱傑、張才、楊茂森、蘇娜、黎文航。該發明涉及焊接技術領域。

《窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置》的裝置包括搖動（或旋轉）電弧窄間隙焊炬、電弧電流感測器、計算機圖像處理系統、紅外攝像系統；紅外攝像機以外觸發方式採集電弧搖動（或旋轉）至坡口左側壁或右側壁最近處時的焊接區域紅外圖像，經過計算機圖像處理後，實時提取焊絲位置和坡口邊緣信息，並根據焊絲相對於坡口左右側壁位置的變化，求取焊縫偏差輸出；脈衝電弧焊接時，通過電流感測器檢測電弧電流脈衝基值期信號，可實現與脈衝電弧基值電流期同步的焊接圖像採集。該發明系統構成簡單、適用範圍寬、焊縫偏差檢測精度高、環境適應性好、抗干擾能力強，適用於坡口寬度變化的搖動（或擺動）和旋轉電弧窄間隙焊接場合。

2020年7月，《窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置》獲得第二十一屆中國專利銀獎。

（概述圖為《窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置
• 類別：專利
• 公布號：CN104551347A
• 公布日：2015年4月29日
• 申請號：2014108333718
• 申請日：2014年12月30日
• 申請人：江蘇科技大學
• 地址：江蘇省鎮江市京口區夢溪路2號
• 發明人：王加友、朱傑、張才、楊茂森、蘇娜、黎文航
• 分類號：B23K9/127（2006.01）I、B23K9/09（2006.01）I、B23K9/022（2006.01）I、B23K9/173（2006.01）I
• 專利代理機構：南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人：樓高潮

專利背景

在實際窄間隙熔化極氣體保護焊接過程中，往往受到坡口加工誤差、工件裝配誤、焊接熱變形等因素的影響，導致坡口間隙大小和焊縫中心位置發生變化，出現焊炬中心離縫中心（即出現焊縫偏差）的情形。如果不對焊縫進行跟蹤控制，焊縫偏差就會累積，那，即採用了基於電弧擺動或旋轉工藝的坡口側壁熔透控制技術，也將會影響窄間隙焊接量。傳技術是實現焊縫跟蹤的關鍵，焊縫跟蹤感測方法分為接觸式、非接觸式和電弧感測（即半接式）三大類。作為非接觸式感測方法的代表，視覺感測器因其信息量大、靈敏度高適用坡口形多、抗電磁干擾能力強等優點而受到特別重視。

中國專利號為ZL201210325926.9、名稱為“基於紅外視覺感測的窄間隙焊接監控及焊縫偏差檢測方法”的專利文獻，針對搖動電弧窄間隙MAG焊接套用，通過紅外攝像機事先獲取焊炬對中時的左右側坡口基準邊界信息，焊接過程中紅外攝像機實時獲取遠離電弧側的窄間隙坡口邊緣圖像後，通過圖像處理提取坡口單側邊緣位置信息，並與事先獲取的同側基準坡口邊界比較，求取焊縫偏差。其缺點是：焊縫偏差的坡口單側邊緣位置檢測僅適用於坡口間隙恆定的情形，不適用於常見的坡口間隙變化場合，因此適用範圍窄。

中國專利申請號為201310375369.6、名稱為“基於視覺感測的旋轉電弧窄間隙MAG焊焊縫偏差識別裝置和方法”，針對旋轉電弧窄間隙MAG焊接套用，採用電荷耦合器件（CCD）式紅外攝像機，通過觸發採樣方式獲取電弧旋轉到坡口左、右側壁位置處的焊接圖像，並根據圖像處理獲取的電弧中心和坡口中心位置信息求取焊縫偏差。其缺點是：①在實際窄間隙焊接過程中，電弧關於其軸線一般呈不對稱狀態，特別是當電弧離坡口一側邊緣較近時常常會出現電弧沿坡口側壁攀爬現象，因此根據所述焊縫偏差識別方法提取的電弧形態幾何中心，難以準確地反映實際的電弧旋轉中心，從而影響其焊縫偏差檢測精度，也會影響其工程實用性；②所述焊縫偏差的電弧中心檢測法，僅適用於高頻率的旋轉電弧窄間隙焊接套用，不適用於較低頻率的擺動（含搖動）電弧窄間隙焊接套用場合；③採用的CCD攝像機，動態範圍小，回響速度較慢，影響焊縫偏差檢測精度和實時性。

發明內容

專利目的

針對2014年12月以前技術存在的焊縫偏差感測檢測精度低、適用範圍窄、工程實用性不強等缺點，《窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置》提出一種檢測精度高、環境適應能力強、實用性好的適用於搖動（擺動）、旋轉電弧的窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置，通過檢測電弧運動至坡口兩側壁處時焊絲相對於坡口左右側壁的位置變化來獲取焊縫偏差信息。

技術方案

《窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置》提出的窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法的技術方案是包括如下步驟：

1）窄間隙焊炬整體與紅外攝像系統一起以焊接速度向坡口前方移動，根據電弧位置信號P_L或P_R觸發紅外攝像機採集此刻焊接區域圖像，並經圖像採集卡送入計算機圖像處理系統；

2）當電弧運動至離坡口左、右側壁最近處時，焊絲位置信息提取模組接收到來自圖像採集卡的焊接圖像信息，並對該圖像進行處理，提取焊絲右位置檢測點至坡口左邊緣當前距離X_1i以及焊絲左位置檢測點至坡口右邊緣當前距離X_2i，並將該當前距離送至焊縫偏差值求取模組中；

3）焊縫偏差值求取模組按式ΔX_i=（X_1i－X_2i）/2計算焊縫偏差的當前檢測值ΔX_i，然後以最近n次焊縫偏差檢測值的中值或平均值作為焊縫偏差的當前採樣值ΔX_si，n≥1；若ΔX_si=0則焊縫無偏差，若ΔX_si＞0則焊絲偏向坡口右側，若ΔX_si＜0則焊絲偏向坡口左側。

在所述步驟2）中，當電弧運動至離坡口右側壁最近處（P_R信號有效）時，焊絲位置信息提取模組根據坡口左邊緣線的橫向位置變化調整坡口左側圖像截取視窗定位點B_1i的橫坐標值，截取不受電弧干擾的坡口左側圖像，提取坡口左邊緣後，求取坡口左邊緣至全局圖像左邊界的當前距離L_2i，並通過焊絲右側圖像截取視窗截取焊絲右位置圖像後再提取焊絲中心至全局圖像左邊界的當前距離L_1i，計算焊絲右位置檢測點至坡口左邊緣當前距離X_1i=（L_1i－L_2i）；當電弧運動至離坡口左側壁最近處（P_L信號有效）時，焊絲位置信息提取模組根據坡口右邊緣線的橫向位置變化調整坡口右側圖像截取視窗定位點B_2i的橫坐標值，截取不受電弧干擾的坡口右側圖像，提取坡口右邊緣後，求取坡口右邊緣至全局圖像左邊界的當前距離L_3i，並通過焊絲左側圖像截取視窗截取焊絲左位置圖像後再提取焊絲中心至全局圖像左邊界的當前距離L_4i，計算焊絲左位置檢測點至坡口右邊緣當前距離X_2i=（L_3i－L_4i）。

當電弧再次運動至離坡口右側壁最近處時，先提取坡口左邊緣至全局圖像左邊界的下次距離L_2（i+1）及焊絲右位置檢測點至全局圖像左邊界的下次距離L_1（i+1），再計算焊絲右位置檢測點至坡口左邊緣的下次距離X_1（i+1）=（L_1（i+1）－L_2（i+1）），計算出焊縫偏差的下次檢測值ΔX_（i+1）=（X_1（i+1）－X_2i）/2，依此類推，實現在一個電弧運動周期內對焊縫偏差的兩次檢測。

在坡口左邊緣線上的L_2i和L_2（i+1）檢測點縱坐標值與在坡口右邊緣線上的L_3i檢測點縱坐標值相同；在右位置焊絲軸心線上的L_1i和L_1（i+1）檢測點縱坐標值與在左位置焊絲軸心線上的L_4i檢測點縱坐標值相同；焊絲位置檢測點至全局圖像左邊界距離L_1i、L_4i或L_1（i+1）的最終檢測值為焊絲圖像左、右截取視窗內、焊絲軸心線上m（m≥1）個不同位置檢測值的中值或平均值；坡口左、右邊緣至全局圖像左邊界距離L_2i、L_3i或L_2（i+1）的最終檢測值，為坡口左、右側圖像截取視窗內、坡口左、右邊緣線上k（k≥1）個不同位置檢測值的中值或平均值。

在對所述圖像進行處理時，先通過全局焊接圖像處理提取電弧區域最高點坐標值，並根據電弧區域最高點坐標位置的變化調整焊絲左、右側圖像截取視窗定位點的坐標值；再分別對用坡口左、右側圖像截取視窗截取的小視窗坡口圖像及用焊絲左、右側圖像截取視窗截取的小視窗焊絲圖像進行處理；在對焊絲左、右側圖像截取視窗截取的小視窗圖像進行處理時，先進行局部自適應閾值分割處理，然後通過全視窗圖像的形態學腐蝕提取焊絲輪廓後，再利用Canny邊緣檢測算法提取焊絲骨架，最後計算出焊絲軸心線位置。

對於搖動或旋轉電弧脈衝焊接場合，當電弧運動至坡口左側壁或右側壁最近處（電弧位置信號P_L或P_R信號有效）時，一旦電流感測器檢測到脈衝電弧第一個脈衝焊接電弧基值電流信號i_b來臨，即刻觸發紅外攝像機，採集此刻受電弧弧光干擾最小的焊接區域圖像，實現與脈衝電弧基值電流期同步的焊接圖像採集。

有益效果

《窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置》與2014年12月以前技術相比，其有益效果是：

與2014年12月以前的電弧中心檢測法相比，該發明根據焊絲相對於坡口左右側壁位置信息來提取焊縫偏差量，可有效地避免電弧形態不對稱對檢測精度的影響；

與2014年12月以前的坡口單側邊緣位置檢測法相比，該發明反映的焊絲和坡口邊緣位置信息都是動態的，無需事先建立基準模板，適用於坡口間隙動態變化場合；

對採集的焊接圖像進行處理時，該發明根據電弧和坡口邊緣位置的變化，實時調整焊絲圖像和坡口邊緣圖像截取視窗的位置，提高了其環境適應性；

根據相鄰兩幅焊接圖像檢測焊絲在焊接坡口內的相對位置，可實現在一個電弧運動周期內對焊縫偏差的兩次檢測，提高了焊縫偏差檢測的實時性；

對於搖動（或擺動、旋轉）電弧脈衝焊接場合，該發明採用的脈衝電弧基值電流同步檢測法，可採集到電弧弧光干擾最小的焊接圖像，進一步提高了焊縫偏差檢測精度；

《窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置》既適用於電弧運動頻率較低的搖動（或擺動）電弧窄間隙焊接場合，又可套用於電弧運動頻率較高的旋轉電弧窄間隙焊接，適用範圍寬。

附圖說明

圖1為窄間隙焊縫偏差紅外視覺感測檢測裝置的原理框圖；

圖2為圖1中圓弧形搖動電弧焊接時焊縫無偏差（即焊炬對中）情形放大示意圖；

圖3為圖1中圓弧形搖動電弧焊接時焊縫左偏（即焊炬右偏）情形放大示意圖；

圖4為圖1中圓弧形搖動電弧焊接時焊縫右偏（即焊炬左偏）情形放大示意圖；

圖5為圖1中旋轉電弧和雙半圓周形搖動電弧焊接時焊縫無偏差（即焊炬對中）情形放大示意圖；

圖6為圖1中旋轉電弧和雙半圓周形搖動電弧焊接時焊縫左偏（即焊炬右偏）情形放大示意圖；

圖7為圖1中旋轉電弧和雙半圓周形搖動電弧焊接時焊縫右偏（即焊炬左偏）情形放大示意圖；

圖8為圖1中電弧偏向坡口右側壁時焊縫偏差檢測原理圖；

圖9為圖1中電弧偏向坡口左側壁時焊縫偏差檢測原理圖；

圖10為圖1中焊縫偏差檢測流程圖；

圖11為直流焊時焊絲軸心位置信息提取效果實施例圖；

圖12為直流焊時坡口邊緣信息提取效果實施例圖；

圖13為脈衝焊時焊絲軸心位置信息提取效果實施例圖；

圖14為脈衝焊時坡口邊緣信息提取效果實施例圖。

圖1中：1—電弧；2—直型導電嘴；3—折彎導電桿；4—電機驅動及饋電機構；5—焊絲；6—送絲機；7—工件；8—電弧雙半圓周形搖動軌跡（或電弧圓周形旋轉軌跡）；9—待焊坡口；10—電弧圓弧形搖動軌跡；11—紅外攝像機；12—紅外濾光系統；13—電弧電流感測器；14—焊接電源；15—計算機圖像處理系統；15-1—圖像採集卡；15-2—焊絲位置信息提取模組；15-3—焊縫偏差值求取模組。i_b—脈衝基值電流，V_w—焊接速度，P_L—電弧（在與焊接速度V_w垂直方向上）至坡口左側壁最近位置信號，P_R—電弧（在與焊接速度V_w垂直方向上）至坡口右側壁最近位置信號。

圖2至圖7中：A_1iO_2iA_2i—電弧相對於焊炬的圓弧形搖動軌跡10；O_1i—電弧圓弧形搖動軌跡A_1iO_2iA_2i的弦長中點；O2i—電弧搖動軌跡中點；O3i—焊炬中心在坡口底面的投影點，也是電弧相對於焊炬圓周形搖動軌跡8的圓心點；O4O5—坡口中心線；α—電弧搖動角度；A_1i—電弧至坡口左側璧L的最近位置點（在與焊接速度V_w垂直方向上）；A_2i—電弧至坡口右側璧R的最近位置點（在與焊接速度V_w垂直方向上）；A_1iF_i—電弧至左側璧L的最近距離；A_2iE_i—電弧至右側璧R的最近距離；E_iF_i與焊接速度V_w方向垂直；O_3iA_1i=O_3iA_2i=O_3iO_2i=r，為電弧搖動半徑或旋轉半徑。

圖8至圖9中：17—坡口左側圖像截取視窗；18—焊絲右側圖像截取視窗；19—焊絲左側圖像截取視窗；20—坡口右側圖像截取視窗；21—坡口左邊緣；22—坡口右邊緣；23—焊絲右位置檢測線；24—焊絲左位置檢測線。C₁—電弧至坡口右側壁22最近時電弧區域最高點，C₂—電弧至坡口左側壁21最近時電弧區域最高點；D_1i—焊絲右側圖像截取視窗18的當前定位點，D_2i—焊絲左圖像截取視窗19的當前定位點；B_1i—坡口左側圖像截取視窗17的當前定位點，B_2i—坡口右圖像截取視窗20的當前定位點；L_1i—焊絲右位置中心至全局圖像左邊界的當前距離；L_2i—坡口左邊緣21至全局圖像左邊界的當前距離；L_3i—坡口右邊緣22至全局圖像左邊界的當前距離；L_4i—焊絲左位置中心至全局圖像左邊界的當前距離；X_1i—焊絲右位置檢測點至坡口左邊緣21的當前距離；X_2i—焊絲左位置檢測點至坡口右邊緣22的當前距離；ΔX_i—焊縫偏差的當前檢測值。.

權利要求

1.《窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置》包括窄間隙焊炬、電弧電流感測器（13）、計算機圖像處理系統（15）以及紅外攝像系統；窄間隙焊炬中的折彎導電桿（3）一端與電機驅動及饋電機構（4）相連、另一端與直型導電嘴（2）相接，穿過窄間隙焊炬的焊絲（5）伸入待焊坡口（9）中產生焊接電弧（1）；紅外攝像系統包括數字式紅外攝像機（11）及紅外濾光系統（12），其特徵是：計算機圖像處理系統（15）包含依次連線的圖像採集卡（15-1）、焊絲位置信息提取模組（15-2）和焊縫偏差值求取模組（15-3），圖像採集卡（15-1）通過視頻線與紅外攝像機（11）相連；電機驅動及饋電機構（4）發出的電弧（1）運動至坡口（9）左、右側壁最近電弧位置信號P_L、P_R同時輸入紅外攝像機（11）和圖像採集卡（15-1）；焊接電源（14）一端與電機驅動及饋電機構（4）相連、另一端連線電纜線穿過電流感測器（13）的檢測環或串接電流感測器（13）後與工件（7）相接；電弧電流感測器（13）檢測脈衝焊接電弧基值電流信號i_b，脈衝焊接電弧基值電流信號i_b與電弧位置信號P_L或P_R共同作用在紅外攝像機（11）的圖像拍攝觸發信號輸入端。

2.一種如權利要求1所述窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測裝置的檢測方法，其特徵是包括如下步驟：1）窄間隙焊炬整體與紅外攝像系統一起以焊接速度向坡口（9）前方移動，根據電弧位置信號P_L或P_R觸發紅外攝像機（11）採集此刻焊接區域圖像，並經圖像採集卡（15-1）送入計算機圖像處理系統（15）；2）當電弧（1）運動至離坡口（9）左、右側壁最近處時，焊絲位置信息提取模組（15-2）接收到來自圖像採集卡（15-1）的焊接圖像信息，並對該圖像進行處理，提取焊絲右位置檢測點至坡口左邊緣（21）當前距離X_1i以及焊絲左位置檢測點至坡口右邊緣（22）當前距離X_2i，並將該當前距離送至焊縫偏差值求取模組（15-3）中；3）焊縫偏差值求取模組（15-3）按式ΔX_i=（X_1i－X_2i）/2計算焊縫偏差的當前檢測值ΔX_i，然後以最近n次焊縫偏差檢測值的中值或平均值作為焊縫偏差的當前採樣值ΔX_si，n≥1；若ΔX_si=0則焊縫無偏差，若ΔX_si＞0則焊絲（5）偏向坡口右側，若ΔX_si＜0則焊絲（5）偏向坡口左側。

3.根據權利要求2所述的檢測方法，其特徵是：步驟2）中，當電弧（1）運動至離坡口（9）右側壁最近處時，焊絲位置信息提取模組（15-2）根據坡口左邊緣（21）的橫向位置變化調整坡口左側圖像截取視窗（17）定位點B_1i的橫坐標值，截取不受電弧干擾的坡口左側圖像，提取坡口左邊緣（21）後，求取坡口左邊緣（21）至全局圖像左邊界的當前距離L_2i，並通過焊絲右側圖像截取視窗（18）截取焊絲右位置圖像後再提取焊絲（5）中心至全局圖像左邊界的當前距離L_1i，計算焊絲右位置檢測點至坡口左邊緣（21）當前距離X_1i=（L_1i－L_2i）；當電弧（1）運動至離坡口（9）左側壁最近處時，焊絲位置信息提取模組（15-2）根據坡口右邊緣（22）的橫向位置變化調整坡口右側圖像截取視窗（20）定位點B_2i的橫坐標值，截取不受電弧干擾的坡口右側圖像，提取坡口右邊緣（22）後，求取坡口右邊緣（22）至全局圖像左邊界的當前距離L_3i，並通過焊絲左側圖像截取視窗（19）截取焊絲左位置圖像後再提取焊絲（5）中心至全局圖像左邊界的當前距離L_4i，計算焊絲左位置檢測點至坡口右邊緣（22）當前距離X_2i=（L_3i－L_4i）。

4.根據權利要求3所述的檢測方法，其特徵是：先提取焊絲（5）中心至全局圖像左邊界的當前距離L_1i或L_4i，然後再求取坡口左、右邊緣（21、22）至全局圖像左邊界的當前距離L_2i或L_3i。

5.根據權利要求2或3所述的檢測方法，其特徵是：當電弧（1）再次運動至離坡口右側壁最近處時，先提取坡口左邊緣（21）至全局圖像左邊界的下次距離L_2（i+1）及焊絲右位置檢測點至全局圖像左邊界的下次距離L_1（i+1），再計算焊絲右位置檢測點至坡口左邊緣（21）的下次距離X_1（i+1）=（L_1（i+1）－L_2（i+1）），計算出焊縫偏差的下次檢測值ΔX_（i+1）=（X_1（i+1）－X_2i）/2；依此類推，實現在一個電弧運動周期內對焊縫偏差的兩次檢測。

6.根據權利要求3所述的檢測方法，其特徵是：在坡口左邊緣（21）上的L_2i和L_2（i+1）檢測點縱坐標值與在坡口右邊緣（22）上的L_3i檢測點縱坐標值相同；在右位置焊絲軸心線上的L_1i和L_1（i+1）檢測點縱坐標值與在左位置焊絲軸心線上的L_4i檢測點縱坐標值相同；焊絲位置檢測點至全局圖像左邊界距離L_1i、L_4i或L_1（i+1）的最終檢測值為焊絲圖像左、右截取視窗（19、18）內、焊絲（5）軸心線上m個不同位置檢測值的中值或平均值，m≥1；坡口左、右邊緣（21、22）至全局圖像左邊界距離L_2i、L_3i或L_2（i+1）的最終檢測值，為坡口左、右側圖像截取視窗（17、20）內、坡口左、右邊緣（21、22）上k個不同位置檢測值的中值或平均值，k≥1。

7.根據權利要求2或3所述的檢測方法，其特徵是：在對所述圖像進行處理時，先通過全局焊接圖像處理提取電弧區域最高點坐標值，並根據電弧區域最高點坐標位置的變化調整焊絲左、右側圖像截取視窗（19、18）定位點的坐標值；再分別對用坡口左、右側圖像截取視窗（17、20）截取的小視窗坡口圖像及用焊絲左、右側圖像截取視窗（19、18）截取的小視窗焊絲圖像進行處理；在對焊絲左、右側圖像截取視窗（19、18）截取的小視窗圖像進行處理時，先進行局部自適應閾值分割處理，然後通過全視窗圖像的形態學腐蝕提取焊絲輪廓後，再利用Canny邊緣檢測算法提取焊絲骨架，最後計算出焊絲軸心線位置。

8.根據權利要求3所述的檢測方法，其特徵是：對於搖動或旋轉電弧脈衝焊接場合，當電弧（1）運動至坡口左側壁或右側壁最近處時，一旦電流感測器（13）檢測到脈衝電弧第一個脈衝焊接電弧基值電流信號i_b來臨，即刻觸發紅外攝像機（11），採集此刻受電弧弧光干擾最小的焊接區域圖像，實現與脈衝電弧基值電流期同步的焊接圖像採集。

技術領域

《窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置》涉及焊接技術領域，特指一種對搖動（或擺動）或旋轉電弧窄間隙焊縫偏差進行實時檢測的紅外視覺感測方法及裝置。

實施方式

實施內容

《窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置》的窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測裝置如圖1所示，主要包括窄間隙焊炬、電弧電流感測器13、計算機圖像處理系統15、紅外攝像系統等。窄間隙焊炬又由電機驅動及饋電機構4、折彎導電桿3、直型導電嘴2、噴嘴機構等組成，其中折彎導電桿3一端與電機驅動及饋電機構4相連、另一端與直型導電嘴2相接；窄間隙焊炬中的電機驅動及饋電機構4可以為空心軸電機直接驅動式，也可以為普通電機通過傳動副間接驅動式，並且優選空心軸電機直接驅動式。電機驅動及饋電機構4中安裝有光電（或電磁）檢測裝置，以檢測電弧1（在與焊接速度V_w垂直方向上）至坡口9左側壁與右側壁距離最近位置信號P_L或P_R。通過焊接電源14、窄間隙焊炬及其拖動控制系統，可焊前設定焊接能量參數（電弧電流、電弧電壓和焊接速度V_w）和電弧搖動參數或電弧旋轉參數。

送絲機6送出的焊絲5依次穿過電機驅動及饋電機構4、折彎導電桿3和直型導電嘴2的中心孔後送出，伸入待焊坡口9中產生焊接電弧1；焊接電源14的一端與電機驅動及饋電機構4相連，連線電機驅動及饋電機構4中的電刷饋電機構，焊接電源14的另一端與工件7相接，從而實現在焊接電纜無纏繞下的焊接饋電。供氣系統通過焊炬中的噴嘴機構向電弧1所在的焊接區域提供活性或惰性保護氣體，但是當採用自保護藥芯焊絲焊接時則不需要噴嘴機構，也無需向焊接區域提供保護氣體。電弧1相對於焊炬的運動方式分為搖動（或擺動）式和旋轉式兩大類，具體包括：往復式圓弧形10搖動、單向雙半圓周形軌跡8式搖動（電弧在離坡口左右側壁最近位置點A_1i和A_2i處有停留）、圓周形軌跡式旋轉（電弧在離坡口左右側壁最近位置點A_1i和A_2i處無停留）；其中，旋轉式電弧運動方式除了圖1所示的折彎導電桿式旋轉電弧以外，還包括常見的偏心導電嘴式旋轉電弧、以及導電桿整體繞焊炬中心公轉式旋轉電弧等。

紅外攝像系統包括紅外攝像機11及紅外濾光系統12，紅外濾光系統12與紅外攝像機11同軸相連，並安裝在紅外攝像機11的正前方。紅外攝像機11可以為電荷耦合器件（CCD）式或互補金屬氧化物半導體（CMOS）式，並且優選CMOS式，將紅外攝像機11固定在焊炬的正前方或正後方，使紅外攝像機11與待焊坡口9底面成20~60°的夾角，便於紅外攝像機11攝取到待焊坡口9的焊接區域圖像。選用變焦範圍為18~45毫米、光圈為5.6~32的數字式紅外攝像機11，在外觸發方式下獲取焊接區域圖像。紅外濾光系統12包括有窄帶濾光片、中性減光片、防護鏡，其中窄帶濾光片中心波長為700~1100納米，中性減光片透過率為1~50%；防護鏡用於防焊接飛濺，窄帶濾光片用於濾除弧光、煙塵、飛濺等光輻射干擾，中性減光片可調節來自於電弧和熔池輻射光強，以便能採集到清晰的焊接紅外圖像。

計算機圖像處理系統15主要包含依次連線的圖像採集卡15-1、焊絲位置信息提取模組15-2和焊縫偏差值求取模組15-3，此外還配套有顯示器、存儲器等普通計算機應有的硬體設備。圖像採集卡15-1置於整個計算機圖像處理系統15的卡槽內並通過視頻線與紅外攝像機11相連。安裝在電機驅動及饋電機構4中的光電（或電磁）檢測裝置通過信號電纜分別與圖像採集卡15-1和紅外攝像機11相連，並同時向二者輸出電弧1（在與焊接速度V_w垂直方向上）至坡口9左側壁或右側壁距離最近位置信號P_L或P_R。

紅外攝像機11根據電弧位置信號P_L或P_R以外觸發方式攝取焊接區域圖像，並將該焊接圖像信號經圖像採集卡15-1送入計算機圖像處理系統15中，經過圖像處理（具體圖像處理方法詳見下文）後，根據焊絲相對於坡口左右側壁位置信息來提取焊縫偏差值輸出，供監控顯示和後續焊炬位置調節使用。與2014年12月以前的電弧中心檢測法相比，該發明可有效地避免電弧形態不對稱對焊縫偏差檢測精度的影響。此外，若將圖1中的搖動和旋轉電弧焊炬改換成其他形式的擺動電弧或旋轉電弧焊炬，那么焊縫偏差感測檢測方法及裝置同樣適用。

在搖動（或旋轉）電弧脈衝焊接時，將焊接電源14一端的連線電纜線穿過霍爾型電流感測器13的檢測環或串接分流器式電流感測器13後再與工件7相接，並通過電流感測器13以非接觸或接觸方式檢測電弧電流，電弧電流感測器（13）檢測脈衝焊接電弧基值電流信號i_b，電流感測器13輸出的脈衝基值電流信號i_b與電弧位置信號P_L或P_R相遇後，共同作用在紅外攝像機11的觸發信號輸入端，以便在電弧位置信號P_L或P_R有效期間，一旦電流感測器13檢測到脈衝電弧1第一個基值期電流信號來臨，即刻觸發紅外攝像機11，採集此刻受電弧弧光干擾最小的焊接區域圖像，實現與脈衝電弧基值電流i_b同步的焊接圖像採集，以提高脈衝電弧焊接時焊縫偏差檢測精度。

在採用往復式圓弧形搖動電弧進行窄間隙焊接時，電弧搖動參數包括搖動頻率、搖動幅值（即搖動角度）、搖動半徑、以及電弧1在坡口9左右側壁最近位置點A_1i和A2i處的停留時間等。如圖2、3和4所示，在i時刻，電弧1圍繞焊炬中心O3i、以搖動半徑r（r=O_3iA_1i=O_3iA_2i）和搖動角度α作關於搖動軌跡中點O2i對稱的圓弧形軌跡搖動，並往往在離坡口9左側壁L、右側璧R的最近點A1i、A2i處作一定時間（一般為數十至數百毫秒）停留，其搖動頻率一般在數赫茲以內。當A_1iF_i=A_2iE_i時，如圖2所示，電弧1圓弧形搖動軌跡A_1iO_2iA_2i的弦長中點O1i剛好處於坡口中線O4O5上，此時處於焊縫無偏差（即焊炬對中）狀態；當A_1iF_i＞A_2iE_i時，如圖3所示，電弧1圓弧形搖動軌跡A_1iO_2iA_2i的弦長中點O1i偏向坡口右側R，此時為焊縫左偏（或焊炬右偏）狀態；當A_1iF_i＜A_2iE_i時，如圖4所示，電弧1圓弧形搖動軌跡A_1iO_2iA_2i的弦長中點O1i偏向坡口左側L，此時為焊縫右偏（或焊炬左偏）狀態。

在採用旋轉電弧或單向雙半圓周形搖動電弧進行窄間隙焊接時，如圖5、6和7所示，在i時刻，電弧1圍繞焊炬中心O3i、以旋轉半徑或搖動半徑r（r=O_3iA_1i=O_3iA_2i）作單向圓周運動或單向雙半圓周形搖動，其電弧旋轉頻率一般為數赫茲至100Hz左右；在作單向雙半圓周形搖動時，與圖2至圖4所示往復式圓弧形搖動電弧焊接情形類似，一般也需要在離坡口左、右側壁最近點A_1i、A_2i處作一定時間停留。當A_1iF_i=A_2iE_i時，如圖5所示，電弧1運動軌跡的圓心點O3i剛好處於坡口中線O4O5上，此時處於焊縫無偏差（即焊炬對中）狀態；當A_1iF_i＞A_2iE_i時，如圖6所示，電弧1運動軌跡的圓心點O3i偏向坡口右側R，此時為焊縫左偏（或焊炬右偏）狀態；當A_1iF_i＜A_2iE_i時，如圖7所示，電弧1運動軌跡的圓心點O3i偏向坡口左側L，此時為焊縫右偏（或焊炬左偏）狀態。

參見圖1至圖9，下面以搖動或旋轉電弧窄間隙焊接套用為例，說明該發明窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法的具體實施步驟（其他形式運動電弧的窄間隙焊縫偏差檢測方法與此類似）：

①採集焊接區域圖像。焊接電弧引燃後，窄間隙焊炬拖動機構（圖中未示出）帶動窄間隙焊炬整體與紅外攝像系統一起，以焊接速度V_w向坡口9前方移動；同時，根據電機驅動及饋電機構4發出的電弧1運動至坡口9左側壁（或右側壁）最近位置信號（P_L或P_R），觸發紅外攝像機11採集此刻焊接區域圖像，並經圖像採集卡15-1送入計算機圖像處理系統15。

②提取焊絲在坡口右側時的位置信息。參見圖8，當電弧1運動至離坡口9右側壁最近處（P_R信號有效）時，焊絲位置信息提取模組15-2接收到來自圖像採集卡15-1的焊接圖像信息後，對該圖像進行處理。圖像處理時，根據坡口左邊緣線21的橫向位置變化調整坡口左側圖像截取視窗17定位點B_1i的橫坐標值，截取不受電弧干擾的坡口左側圖像，提取坡口左邊緣21後，再求取坡口左邊緣21至全局圖像左邊界的當前距離L_2i；通過焊絲右側圖像截取視窗18截取焊絲右位置圖像後，再在檢測線23上提取焊絲5中心至全局圖像左邊界的當前距離L_1i；然後，計算焊絲右位置檢測點至坡口左邊緣21當前距離X_1i=（L_1i－L_2i），並將該X_1i值送至焊縫偏差值求取模組15-3中。

③提取焊絲在坡口左側時的位置信息。參見圖9，當電弧1運動至離坡口9左側壁最近處（P_L信號有效）時，焊絲位置信息提取模組15-2接收到來自圖像採集卡15-1的焊接圖像信息後，對該圖像進行處理。圖像處理時，根據坡口右邊緣線22的橫向位置變化調整坡口右側圖像截取視窗20定位點B_2i的橫坐標值，截取不受電弧干擾的坡口右側圖像，提取坡口右邊緣22後，再求取坡口右邊緣22至全局圖像左邊界的當前距離L_3i；通過焊絲左側圖像截取視窗19截取焊絲左位置圖像後，再在檢測線24上提取焊絲5中心至全局圖像左邊界的當前距離L_4i；然後，計算焊絲左位置檢測點至坡口右邊緣22當前距離X_2i=（L_3i－L_4i），並將該X_2i值送至焊縫偏差值求取模組15-3中。

④求取焊縫偏差信息。焊縫偏差值求取模組15-3接收到焊絲位置信息提取模組15-2相鄰兩次提取的焊絲位置信息X_1i與X_2i後，按式ΔX_i=（X_1i－X_2i）/2計算焊縫偏差的當前檢測值ΔX_i，然後以最近n（n≥1）次焊縫偏差檢測值（即ΔX_i-（n-1）、ΔX_i-（n-2）、…、ΔX_i-1、ΔX_i）的中值或平均值，作為焊縫偏差的當前採樣值ΔX_si，並將該採樣值ΔX_si輸出至窄間隙焊炬拖動機構中的焊炬位置調節系統以調節焊炬位置；若ΔX_si=0則焊縫無偏差（對應於圖2和圖5所示情形），若ΔX_si＞0則焊絲5偏向坡口右側（即表示焊縫相對於焊炬左偏，對應於圖3和圖6所示情形）），若ΔX_si＜0則焊絲5偏向坡口左側（即表示焊縫相對於焊炬右偏，對應於圖4和圖7所示情形））；重複上述步驟①至步驟④，直至焊接過程結束。

在所述焊縫偏差感測檢測方法中，步驟②和步驟③順序可以顛倒使用，並且在所述步驟②和步驟③中可以先提取焊絲5中心至全局圖像左邊界的當前距離L_1i或L_4i，然後再求取坡口邊緣21或22至全局圖像左邊界的當前距離L_2i或L_3i。並且，當電弧1再次運動至離坡口右側壁最近處時，焊絲位置信息提取模組15-2按照步驟②所述類似方法，在提取坡口左邊緣21至全局圖像左邊界的下次距離L_2（i+1）、以及焊絲右位置檢測點至全局圖像左邊界的下次距離L_1（i+1）後，計算出焊絲右位置檢測點至坡口左邊緣21的下次距離X_1（i+1）=（L_1（i+1）－L_2（i+1）），並將該X_1（i+1）值送入焊縫偏差值求取模組15-3後，在焊縫偏差值求取模組15-3中按式ΔX_（i+1）=（X_1（i+1）－X_2i）/2求得焊縫偏差的下次檢測值ΔX_（i+1）；依此類推，從而實現在一個電弧運動（搖動或旋轉）周期內對焊縫偏差的兩次檢測。

在所述焊縫偏差感測檢測方法的步驟②和步驟③中，坡口左側圖像截取視窗17或坡口右側圖像截取視窗20可以設定在遠離電弧1的坡口側，也可設定在離電弧1較近的坡口側，但優選設定在遠離電弧1的坡口側，參見圖8和圖9。在確定焊絲右側圖像截取視窗18或焊絲左側圖像截取視窗19位置時，對全局（即整體）焊接圖像依次進行中值濾波、對比度拉伸、全局固定閾值分割、電弧輪廓形態學腐蝕處理後，提取電弧區域最高點C₁或C₂位置坐標為（X_C1i，Y_C1i）或（X_C2i，Y_C2i），並根據電弧區域最高點C₁或C₂的縱坐標值，確定焊絲圖像截取視窗18或19的定位點D_1i或D_2i的縱坐標值為（Y_C1i+ΔY）或（Y_C2i+ΔY），其中ΔY為附加調節量，同時調整焊絲圖像截取視窗18或19定位點D_1i或D_2i的橫坐標值（具體算法詳見下文）。

焊絲位置檢測線23或24縱坐標位於焊絲圖像截取視窗18或19內，並處於焊絲圖像截取視窗18或19高度的一半及以上位置處。並且，在坡口左邊緣線21上的L_2i和L_2（i+1）檢測點縱坐標值與在坡口右邊緣線22上的L_3i檢測點縱坐標值相同，在右位置焊絲軸心線上的L_1i和L_1（i+1）檢測點縱坐標值與在左位置焊絲軸心線上的L_4i檢測點縱坐標值相同；如果為了保持與該次同類檢測點縱坐標值相同，而出現下次檢測點（如L_1（i+1）和L_2（i+1）檢測點）縱坐標位置超出其所在圖像截取視窗範圍，那么在下次焊縫偏差檢測時就調整為一個電弧運動（搖動或旋轉）周期檢測一次，然後可再恢復至一個電弧運動周期對焊縫偏差的兩次檢測。另外，焊絲位置檢測點至全局圖像左邊界距離L_1i、L_4i或L_1（i+1）的最終檢測值，為焊絲左側圖像截取視窗18或焊絲右側圖像截取視窗19內、焊絲7軸心線上m（m≥1）個不同位置檢測值的中值或平均值；坡口邊緣線至全局圖像左邊界距離L_2i、L_3i或L_2（i+1）的最終檢測值，為坡口左側圖像截取視窗17或坡口右側圖像截取視窗20內、坡口邊緣線21或22上k（k≥1）個不同位置檢測值的中值或平均值。

由於在一個電弧運動周期內，可完整地獲取兩幅焊接圖像，因此通過對相鄰兩幅焊接圖像的檢測，可實現在一個電弧運動（搖動或旋轉）周期內對焊縫偏差的兩次檢測（不含初始檢測），以提高焊縫偏差檢測的實時性。另外，通過所述小視窗截取遠離電弧側的坡口邊緣區域圖像進行處理，可有效避免運動電弧干擾，提高了焊縫偏差的感測檢測精度。

圖像處理是焊縫偏差檢測的關鍵，圖像處理檢測焊縫偏差的流程如圖10所示，包括以下四大步驟：

A）對整幅焊接區域紅外圖像進行全局圖像處理，並確定圖像截取視窗位置。具體又包括：①圖像濾波處理：針對數字式紅外攝像機11採集到的實時焊接圖像，採用中值法對整體圖像進行平滑濾波，以減低焊接過程中弧光、飛濺、煙塵、外部環境干擾引起的圖像噪聲；②圖像對比度拉伸：通過圖像灰度值分析，對輸入圖像灰度進行分段線性變換，以壓縮背景區域灰度，提升熔池和電弧部分像素灰度值，增大坡口側壁與熔池圖像邊界處、以及焊絲與熔池圖像邊界處對比度，實現對圖像對比度的拉伸處理，為後續閾值分割創造條件；③全局圖像閾值分割：對全局圖像進行固定閾值分割，即將包含不同灰度級的圖像變為一幅二值圖像，以簡化圖像層次，突出電弧區域輪廓；④提取電弧區域最高點位置：對電弧輪廓進行形態學腐蝕處理，以消除焊絲端部反光區域的影響，提取出電弧形態輪廓，並求出電弧區域最高點C₁或C₂位置坐標值為（X_C1i，Y_C1i）或（X_C2i，Y_C2i）；⑤自適應修正圖像截取視窗位置：根據電弧區域最高點C₁或C₂的縱坐標值，確定焊絲圖像截取視窗18或19的定位點D_1i或D_2i的縱坐標值為（Y_C1i+ΔY）或（Y_C2i+ΔY），其中ΔY為附加調節量；同時，根據電弧最高點C₁或C₂橫坐標位置的變化，可對焊絲圖像截取視窗18或19定位點D_1i或D_2i的橫坐標值X_d1i或X_d2i作適應性修正（具體算法見下文）；根據坡口邊緣線21或22橫向位置的變化，對坡口邊緣圖像截取視窗17或20定位點B_1i或B_2i的橫坐標值X_b1i或X_b2i作適應性修正（具體算法見下文），以提高所述紅外視覺感測檢測方法的環境適應性和工作可靠性。

B）對小視窗坡口圖像進行處理，提取窄間隙坡口邊緣位置信息。具體又包括：①判斷電弧1至坡口9側壁最近點位置：利用輸入到計算機圖像處理系統15中的電弧運動至坡口左或右側壁位置信號P_L或P_R，也可根據電弧區域最高點C₁或C₂的橫坐標值XC1i或XC2i，辨識並確認此時電弧運動至離坡口左側壁最近還是離坡口右側壁最近；②坡口圖像截取：針對在上述步驟A）中經過中值濾波和對比度拉伸處理過的全局焊接圖像，採用小視窗17或20截取遠離電弧側的坡口左側壁邊緣21或右側壁邊緣22區域圖像，以減少計算機圖像處理系統15的圖像處理工作量，同時避免運動電弧對坡口圖像檢測的干擾；③全視窗圖像自適應閾值分割：對所截取的全視窗坡口圖像進行灰度分析，自動尋找熔池圖像與背景圖像灰度分布的峰谷點並定位閾值點後，對全視窗坡口圖像進行大津法自適應閾值分割，即對圖像進行黑白化處理，以突出坡口邊緣；④坡口邊緣提取：採用Canny邊緣運算元對經過自適應閾值分割處理後的視窗圖像進行平滑和濾波處理濾除噪聲後，檢測熔池與背景圖像灰度發生變化的位置，在小視窗內提取出熔池與坡口側壁之間的邊緣線21或22；⑤提取坡口邊緣至全局圖像左邊界距離：求取坡口左邊緣21至全局圖像左邊界的當前距離L_2i或_L2（i+1），或者坡口右邊緣22至全局圖像左邊界的當前距離L_3i。

C）對小視窗焊絲圖像進行處理，提取焊絲位置信息。具體又包括：①焊絲圖像截取：針對在上述步驟A）中經過中值濾波和對比度拉伸處理過的全局焊接圖像，採用小視窗18或19截取焊絲圖像；②焊絲圖像局部自適應閾值分割：針對焊絲圖像上下部位灰度值變化大的特點，採用局部自適應閾值分割法，在對所截取圖像每個像素的鄰域灰度分析的基礎上，依次對不同鄰域中的局部圖像進行二值化處理，最終實現對全視窗圖像的黑白化處理，以增強焊絲局部圖像特徵；③焊絲輪廓圖像形態學腐蝕：採用形態學腐蝕方法，對局部閾值分割後的焊絲輪廓圖像進行處理，以去除圖像噪聲，突出焊絲輪廓；④焊絲骨架提取：針對經過形態學腐蝕處理後的焊絲輪廓圖像，採用Canny邊緣運算元在小視窗內提取出焊絲骨架邊緣線。⑤提取焊絲中心至全局圖像左邊界距離：根據焊絲骨架提取出焊絲軸心線，並在在檢測線23上提取焊絲5中心至全局圖像左邊界的當前距離L_1i或L_1（i+1），或者在檢測線24上提取焊絲5中心至全局圖像左邊界的當前距離L_4i。

D）求取焊縫偏差信息。按式X_1i=（L_1i－L_2i）或X_1（i+1）=（L_1（i+1）－L_2（i+1））計算焊絲右位置檢測點至坡口左邊緣21的當前距離X1i或下次距離X1（i+1），並按式X_2i=（L_3i－L_4i）計算焊絲左位置檢測點至坡口右邊緣22的當前距離X_2i；然後，按式ΔX_i=（X_1i－X_2i）/2或ΔX_（i+1）=（X_1（i+1）－X_2i）/2計算焊縫偏差的當前檢測值ΔX_i或下次檢測值ΔX_1（i+1），再以最近n次焊縫偏差檢測值的中值或平均值，作為焊縫偏差的當前採樣值ΔX_si或下次採樣值ΔX_s（i+1）輸出。

在圖10所示的焊縫偏差檢測流程中，如將所述步驟B）和步驟C）順序顛倒，並不影響檢測結果。並且，對圖像截取小視窗位置橫坐標值進行自適應修正的具體算法為：

1）焊絲圖像截取視窗定位點D_1i或D_2i的橫坐標自適應修正算法：焊絲圖像截取視窗18或19定位點D_1i或D_2i的橫坐標值X_d1i或X_d2i，等於其前次設定值X_d1（i-1）或X_d2（i-1）與電弧最高點C₁或C₂橫坐標位置最近兩次檢測值的變化量（X_C1i－X_C1（i-1））或（X_C2i－X_C2（i-1））之和，即X_d1i=X_d1（i-1）+（_{XC1i－XC1（i-1）}），或X_d2i=X_d2（i-1）+（X_C2i－X_C2（i-1））。

2）坡口邊緣圖像截取視窗定位點B_1i或B_2i的橫坐標自適應修正算法：坡口邊緣圖像截取視窗17或20定位點B_1i或B_2i的橫坐標值X_b1i或X_b2i，等於其前次設定值X_b1（i-1）或X_b2（i-1）與坡口邊緣線21或22位置最近兩次檢測值的變化量（L_2（i-1）－L_2（i-2））或（L_3（i-1）－L_3（i-2））之和，即Xb_1i=X_b1（i-1）+（L_2（i-1）－L_2（i-2）），或X_b2i=X_b2（i-1）+（L_3（i-1）－L_3（i-2））。

實施例

• 實施例1

以搖動電弧直流焊接為例

圖11為直流焊時焊絲軸心位置信息提取效果實例圖。試驗條件包括：數字式CMOS紅外攝像機11工作於外觸發方式，其攝像角度為25°、光圈16、曝光時間2毫秒；窄帶濾光片中心波長970納米、頻寬25納米，中性減光片透過率10%；平位置直流施焊，電弧電流為280安，電弧電壓為29伏，焊接速度V_w=20.3厘米/分鐘，焊絲乾伸長18毫米，焊絲直徑1.2毫米，焊接保護氣體Ar+20%CO2的流量為30升/分鐘，Ⅰ型低碳鋼焊接坡口間隙為13毫米；在圖11所對應時刻焊炬左偏（或焊縫右偏）0.5毫米；電弧搖動頻率為2.5赫茲、搖動半徑r=6.5毫米、搖動角度α=70°，電弧在坡口兩側壁A_1i和A_2i處停留時間各為100毫秒。

圖11（a）和（b）圖分別為計算機圖像處理系統15獲取的電弧1搖動至坡口左側壁和右側壁處開始停留瞬間的全局焊接圖像，可見焊絲和電弧距離坡口左側壁較近，說明焊炬左偏，也即焊縫相對於焊炬出現右偏狀態（相應於圖4所示情形）；針對電弧在坡口左右側壁停留時的全局焊接圖像，經過固定閾值分割（閾值點灰度值為240）和形態學腐蝕後，獲得的電弧形態圖像如圖11（c）和（d）所示；針對經過中值濾波和對比度拉伸處理後的全局焊接圖像，在圖11（a）和（b）中焊絲處白線框所示位置（其位置由電弧區域最高點C₁或C₂位置自適應確定，其中縱坐標值附加調節量ΔY=10個像素，以有效地避開電弧干擾）處，採用焊絲左側圖像截取視窗19和焊絲右側圖像截取視窗18截取得到的焊絲區域小視窗圖像如圖11（e）和（f）所示；對截取的焊絲區域小視窗圖像進行局部自適應閾值分割處理後，獲得的焊絲區域圖像如圖11（g）和（h）所示，其中白色的規則區域表示焊絲輪廓；對經過局部閾值分割處理後的焊絲輪廓圖像進行形態學腐蝕，獲得的焊絲輪廓圖像如圖11（j）和（k）所示，可見由於受電弧弧光干擾的影響，所提取的焊絲輪廓呈現上粗下細狀態；採用Canny邊緣運算元提取的焊絲輪廓邊緣（即焊絲骨架）圖像，如圖11（m）和（n）中的白線所示；針對邊緣提取後獲得的焊絲輪廓求取幾何中心，獲得的焊絲軸心線位置圖像如圖11（u）和（v）所示。

圖12為與圖11所示情形相對應的坡口邊緣信息提取效果實例圖。針對經過中值濾波和對比度拉伸處理後的全局焊接圖像，在圖11（a）和（b）圖中坡口邊緣處白線框所示位置處，採用坡口右側圖像截取視窗20和坡口左側圖像截取視窗17截取得到的坡口邊緣區域小視窗圖像如圖12（a）和（b）圖所示；對截取的小視窗圖像採用大津法進行全視窗自適應閾值分割處理後，獲得的坡口邊緣區域圖像如圖12（c）和（d）圖所示，其中白色區域表示熔池區域；採用Canny邊緣運算元提取的坡口邊緣圖像，如圖12（e）和（f）圖中的白線所示。

最後，根據圖8和圖9所示的焊縫偏差檢測原理及算法，在焊絲圖像截取視窗18或19高度一半以上位置內，以焊絲5軸心線（參見圖11（u）和（v））上相鄰間隔為4個像素點的5個（即m=5）不同位置檢測值的中值，作為焊絲中心至全局圖像左邊界的當前距離L_1i或L_4i；並且，在坡口邊緣圖像截取視窗17或20高度一半位置處，以坡口邊緣線（參見圖12（e）和（f））上相鄰間隔為10個像素點的3個（即k=3）不同位置檢測值的中值，作為坡口邊緣21或22至全局圖像左邊界的當前距離L_2i或L_3i。求得焊縫偏差的當前檢測值ΔX_i後，再以最近5次（即n=5）焊縫偏差檢測值的平均值作為焊縫偏差當前採樣值ΔX_si，求得ΔX_si=0.41毫米（絕對檢測誤差＜0.1毫米），同時ΔX_si>0表示焊縫右偏（或焊炬左偏）。

另外，在同樣的直流電弧焊接試驗條件下，對於焊縫實際偏差在±1.0毫米範圍內連續變化的情形，焊縫偏差採樣值ΔX_si的絕對誤差均＜±0.15毫米，從而進一步說明了所提出的焊縫偏差紅外視覺感測檢測方法的有效性。

• 實施例2

以搖動電弧脈衝焊接為例

圖13為脈衝焊時焊絲軸心位置信息提取效果實例圖，試驗條件包括：中性減光片透過率為30%，數字式紅外CMOS攝像機工作於外觸發方式，採用脈衝MAG電弧焊接，平均焊接電流為280安，平均電弧電壓為29伏，焊炬右偏（或焊縫左偏）0.6毫米，其餘試驗條件與圖11所涉及條件相同。

當電弧搖動至離坡口側壁較近時，電弧在坡口左側壁處停留信號PL或在坡口右側壁處停留信號P_R有效，此時一旦電弧電流感測器13檢測到脈衝電弧1的第一個基值期電流信號i_b來臨，即刻觸發紅外攝像機11，採集此刻受電弧弧光干擾最小的焊接區域圖像。相應地，計算機圖像處理系統15獲取的電弧搖動至坡口左側壁和右側壁時的脈衝焊接全局圖像如圖13（a）和（b）圖所示，可見焊絲和電弧距離坡口右側壁較近，說明焊炬右偏（或焊縫相對於焊炬左偏，相應於圖3所示情形）；另外，脈衝基值期電弧較小（儘管採用了透過率更大的減光片），使得電弧弧光干擾減小。圖13（c）和（d）圖所示為經過全局圖像固定閾值分割和形態學腐蝕處理後的電弧形態圖像；針對經過中值濾波和對比度拉伸處理後的全局脈衝焊接圖像，在圖13（a）和（b）中焊絲處白線框所示位置（其位置根據電弧區域最高點C₁或C₂位置自適應確定）處，採用焊絲圖像截取視窗19和18截取得到的焊絲區域小視窗圖像如圖13（e）和（f）所示；對截取的焊絲區域小視窗圖像進行局部自適應閾值分割處理後，獲得的焊絲區域圖像如圖13（g）和（h）所示，其中白色的規則區域表示焊絲輪廓；對經過局部閾值分割處理後的焊絲輪廓圖像進行形態學腐蝕，獲得的焊絲輪廓圖像如圖13（j）和（k）所示；採用Canny邊緣運算元提取的焊絲輪廓邊緣（即焊絲骨架）圖像，如圖13（m）和（n）中的白線所示；針對邊緣提取後獲得的焊絲輪廓求取焊絲幾何中心，獲得的焊絲軸心線位置圖像如圖13（u）和（v）所示。

圖14為與圖13所示情形相對應的坡口邊緣信息提取效果實例圖。針對經過中值濾波和對比度拉伸處理後的脈衝焊接全局圖像，在圖13（a）和（b）中坡口邊緣處白線框所示位置處，採用坡口圖像截取視窗20和17截取得到的坡口邊緣區域小視窗圖像如圖14（a）和（b）所示；對截取的小視窗圖像採用大津法進行全視窗自適應閾值分割處理後，獲得的坡口邊緣區域圖像如圖14（c）和（d）所示，其中白色區域表示熔池區域；採用Canny邊緣運算元提取的坡口邊緣圖像，如圖14（e）和（f）中的白線所示。

最後，根據圖8和圖9所示的焊縫偏差檢測原理及算法，在焊絲圖像截取視窗18或19高度一半以上位置內，以焊絲5軸心線（參見圖13（u）和（v））上相鄰間隔為4個像素點的5個不同位置檢測值的中值，作為焊絲中心至全局圖像左邊界的當前距離L_1i或L_4i；並且，在坡口邊緣圖像截取視窗17或20高度一半位置處，以坡口邊緣線（參見圖14（e）和（f））上相鄰間隔為10個像素點的3個不同位置檢測值的中值，作為坡口邊緣21或22至全局圖像左邊界的當前距離L_2i或L_3i。求得焊縫偏差的當前檢測值ΔX_i後，再以最近5次焊縫偏差檢測值的平均值作為焊縫偏差當前採樣值ΔX_si，求得ΔX_si=－0.65毫米（負號表示焊縫左偏），檢測絕對誤差為0.05毫米。

另外，在同樣的脈衝電弧焊接試驗條件下，對於焊縫實際偏差在±1毫米範圍內連續化情形，焊縫偏差當前採樣值ΔX_si的絕對誤差均＜±0.1毫米從而進一步說明了焊縫偏差脈衝基同步檢方法的有效性。

榮譽表彰

2020年7月，《窄間隙焊縫偏差的紅外視覺感測檢測方法及裝置》獲得第二十一屆中國專利銀獎。