專利名稱：一種焊接接頭成形組織特征的測量方法
技術領域：
本發明涉及激光焊接技術領域，尤其是涉及一種焊接接頭成形組織特征的 測量方法，用于評價焊接質量。
背景技術：
在激光焊接過程中，激光與材料的相互作用、光致等離子體、小孔以及焊 接熔池的行為，決定了最終的焊縫質量，而試圖洞察這些現象或物理過程卻極 其困難，因此通過接頭成形來評價焊接質量的好壞成為當前主要手段。焊接接 頭成形與接頭性能等具有密切的關系，主要受到材料、焊接過程的傳熱、傳質 等多種因素的影響，其主要特征是指焊縫橫截面的形狀特點。目前，焊接接頭 圖像的分析試樣一般垂直于焊接方向線切割取樣，經一定的物理化學方法處理
后利用光學顯微鏡(LOM)、電子背散射衍射(EBSD)或薄膜試樣透射電鏡 (TEM)獲得，同時在圖片上給出長度標尺，研究人員通過人工分析和人工測 量的方式得到接頭焊縫成形的定性及粗略的定量特征值。這種人工手動的方法 對測量人員的依賴性較大，難以保證測量的精確性，而且只能得到焊接接頭定 性或一般定量的組織和形狀特征。
隨著現代航空技術及軍事裝備的發展，接頭成形特性的定量表征及成形特 征與接頭力學性能之間的精確定量關系的分析成為激光焊接研究的新趨勢。定 量分析的基礎是接頭成形輪廓的精確測量，通過尋找輪廓的特征點確定成形特 征。目前，輪廓特征點識別可采用三點曲率法、十一點曲率法、曲率差分法等方法。但是，這些方法都在一定程度上依賴點的曲率，由于接頭成形輪廓的無 規則性，使得這些方法不能準確識別輪廓特征點。
發明內容
本發明的目的在于提供一種焊接接頭成形組織特征的測量方法，提高測量 的精確性，有利于焊接質量分析。
一種焊接接頭成形組織特征的測量方法，按照以下步驟進行
(1) 提取接頭輪廓圖像，對其作二值化處理得到二值化輪廓圖像；
(2) 采用深度優先搜索法消除二值化輪廓圖像的橫向和縱向毛刺，搜索 過程中記錄輪廓點坐標，再將消除毛刺后的二值化輪廓圖像離散化得到第一點
集W;
(3) 尋取輪廓分段點
(3.1) 令k:l， n=n0， fl。g=0， 3《n。《5;
(3.2) 構造第二點集& (Xi， yi) ， n為第二點集U中點個數，k為第二
點集^ (Xi， yi)中第一個輪廓點在第一點集W中的位置序號，i二k…k+n， Xi、
yi分別表示第一點集W中第i個輪廓點的橫坐標與縱坐標；
(3.3) 判斷第一點集W中第k+n+l輪廓點(xk+n+1， yk+n+1)是否是第一點
集W的末點，若是，進入步驟(4);若不是，將第二點集^) (Xi， yi)冗余
擬合為第一曲線y二cnox2+biox+cio和第二曲線x=a20y2+b2oy+C2o;
(3.4) 若flag^，以第一曲線y:ac^+bmx+do為基準尋找輪廓分段點， 否則以第二曲線x=a20y2+b20y+c20為基準尋找輪廓分段點以第一曲線y-CMoxs+biox+cio為基準尋找輪廓分段點與以第二曲線 x-a2oy斗b2oy+C2o為基準尋找輪廓分段點方法相同，以第一曲線
乂=01^2+131(^+。0為基準尋找輪廓分段點按照如下方法進行
(3.4.1) 分別計算第一點集W中輪廓點(xk+n+1 ， yk+n+1)和輪廓點(xk+n+2， yk+n+2)到第一曲線y-aiox2+bMox+cio的偏差距離cho， d20;
(3.4.2) 若dio〉5且d20〉6 ，偏差域值S取值范圍為5 15個邏輯單位， 進入步驟(3.4.3)，否則n-n+l， flag=0，轉入步驟(3.2);
(3.4.3) 判斷第二點集^/ (Xi， yi)中相鄰像素點位置是否有較大波動， 若有，對其進行濾波平滑處理，進入步驟(3.4.4);若沒有，進入步驟(3.4.7);
(3.4.4) 將平滑后的第二點集& (Xi， yi)冗余擬合為第三曲線 y=aiix2+biix+cii和第四曲線x=a2iy2+b2iy+c2i;
(3.4.5) 分別計算第一點集W中輪廓點(Xk+n+'，yk+n+')和輪廓點(Xk+n+2，
yk+n+2)到第三曲線y二cmx2+b"x+d的偏差距離山o' ， d20';若cho' >s， 且cbo' >S，進入步驟(3.4.6);否則，n=n+l， flag=0，轉入步驟(3.2);
(3.4.6) 分別計算第一點集W中輪廓點(xk+n+1 ， yk+n+1)和輪廓點(xk+n+2， yk+n+2)到第四曲線x二ci2iy2+b2iy+C21的偏差距離為dio'"、 cbo"';若cho'"〉s 且d2o"、3，確定輪廓點(Xk+n， yk+n)為輪廓分段點，進入步驟(3.4.8)，否 則，n=n+l， flag=l，轉入步驟(3.2);
(3.4.7) 分別計算第一點集W中輪廓點(xk+n+1, yk+n+)和輪廓點(xk+n+2， y一)到第二曲線x-d2oy2+b2oy+C2o的偏差距離為du/' 、 d2o〃 ;若cU〃 > S且d2Q〃 >S ，確定輪廓點(Xk+n， yk+n)為輪廓分段點，進入步驟(3.4.8)， 否則，n=n+l， flag=l,轉入步驟(3.2);
(3.4.8) k=k+n， n= n。， flag=0，轉入步驟(3.2);(4) 利用輪廓分段點將第一點集W的輪廓點分段，分別將各段擬合成二 次曲線，并識別各二次曲線的特征點即為輪廓特征點；
(5) 對輪廓特征點作近似對稱處理，根據其位置關系，計算接頭成形特征。
本發明提出采用深度優先搜索法獲得接頭圖像單像素輪廓及坐標，消除了 毛刺影響，能夠處理受噪聲影響的接頭輪廓圖像。等間隔隨機選點，不僅在很 大程度上保持了原有圖形的形狀，而且將輪廓離散化，減少了計算量。在無法 預知輪廓形狀的前提下，冗余曲線擬合方式可獲得最佳的擬合，最小誤差的接 近真實圖形。提出兩點距離偏差尋點法識別接頭輪廓分段點，與平滑濾波綜合 運用，有效抑制了噪聲引起波動幅度過大的現象，不影響輪廓的基本形狀，而 且減小因噪聲引起邊緣波動距離偏差過大的影響，分段點比較準確。本發明采 用多種噪聲抑制方法，創造性地使用了深度優先搜索法，并提出了兩點偏差距 離尋點法，配合差分法的運用，準確地識別了輪廓特征點，能夠快速、準確地 計算焊接接頭特征量。對一般的焊接接頭有很好地效果，對存在咬邊的接頭也 方便實用。
圖l為焊接接頭圖像示意圖。 圖2為本發明步驟流程圖。 圖3為接頭輪廓特征點位置圖。 圖4特征量計算示意圖。
具體實施方式
圖2為本發明步驟流程圖。所述冗余曲線為y=ax2+bx+c和x=ay2+by+c 兩種形式，a、 b、 c分別為二次項、 一次項、常數項系數，均由最小二乘法擬合得到，x為橫坐標變量，y為縱坐標變量。步驟中用到的曲線均是這兩種 形式的具體化，參數含義同上。
具體步驟為
1. 對接頭圖像進行處理，提取接頭輪廓，并將接頭輪廓圖像二值化，輪
廓點值為l，其他點值為o。圖l為焊接接頭示意圖。
2. 采用深度優先搜索法獲得接頭圖像中無毛刺連通輪廓，并取得輪廓點
坐標，然后將輪廓離散化
2.1以像素為單位，從上向下，自左往右掃描步驟1中二值化輪廓圖像
像素。當掃描到某像素行三個相鄰像素灰度值為1時，選定這些像素為輪廓一
條邊，取此邊中間點及其右鄰點；
2.2以2.1中間點為起始點，其右鄰點為目標點，采用迷宮尋寶的方法， 設定左、右、上、下的尋找順序，從起始點沿輪廓至目標點可以得到連通輪廓， 并消除輪廓縱向上的毛刺；
2.3以2.2中得到的輪廓為對象，以2.1中間點為起始點和終止點，采用 深度優先搜索法，設定上、下、左、右的優先順序，依次搜索輪廓點，記錄輪 廓點的坐標，消除了輪廓橫向上的毛刺，得到單像素點連通的輪廓圖像；
2.4以2.1得到的中間點為起始點，間隔值為20個邏輯單位，逆時針順 序在2.3輪廓圖像中取點，記為第一點集W。
3. 以第一點集W為對象，采用兩點距離偏差法尋取輪廓分段點-
3.1設定偏差域值S為10個邏輯單位，標志符flag^，定位符1<=1，計 數符n=3;
3.2以第一點集W第k個點為起始點，順序在點集W中取n個點構造第 二點集(Xi， y》，k為U中第一個點在W中的位置序號，i為點在U中的 序號，i^k…k+n， Xi、 yi分別表示第i個點的橫坐標變量與縱坐標變量；3.3設第一點集W中位置在第二點集(/(Xi，yi)后面的點(Xk+rvH，yk+w)
為當前點，若該點是第一點集W的末點，則已找到所有的分段點，進入步驟4;
若該點不是第一點集W的末點，采用最小二乘法，將第二點集&(Xi， y》冗
余擬合第一曲線y-cnox2+biox+cio和第二曲線x=a2oy2+b2oy+C2o。
3.4判斷標志符flag的值，若flag-0，進入步驟3.5;若flag^，進入步 驟3.11;
3.5計算輪廓點(xk+n+1, yk+n+1)與(xk+n+2， yk+n+2)到第一曲線 y-amx4b，()X+do的偏差距離為chQ、 d2Q，偏差距離為點到所參考曲線的最小 距離，采用非線性規劃問題中非線性無約束的多元函數求最小值的方法求得。 若ch(^S且d2o〉S ，就認為點(Xk+n， yk+n)為臨時分段點，等待進一步確
認，進入步驟3.6;否則，將點 (Xk+n+l， yk+n+l)力口入第二點集^/ (Xi， jO ，
即r^n+l， flag=0，轉入步驟3.2;
3.6將第二點集^) (Xi， yi)中所有點進行位置波動分析。若沒有波動，
進入步驟3.9;若波動，采用均值濾波的方式對其進行濾波平滑，對平滑后的
第二點集& (Xi， y》冗余擬合成第三曲線y二a"x^b"x+c"和第四曲線 x=ci2iy2+b2iy+C2i;
3.7計算輪廓點(xk+n+1， yk+n+1)與(xk+n+2， yk+n+2)到第三曲線 y二a"x2+b"x+c"的距離偏差d10'、 d20'。若d10'> 5且d20> S ，進入步驟3.8; 否則，n=n+l， flag=0，轉入步驟3.2;
3.8計算輪廓點(xk+n+1， yk+n+1)與(xk+n+2， yk+n+2)到第四曲線
x=a2iy2+b2iy+C2i的偏差距離cho'"、 d20'"。若dio'"> s且cbo'"> s ，就認為
10點(xk+n， yk+n)為分段點，進入步驟3.10;否則，n=n+l, flag=l，轉入步 驟3.2;
3.9計算輪廓點(xk+n+1， yk+n+1)與(xk+n+2， yk+n+2)到第二曲線 x=ci2oy2+b2oy+C2o的偏差距離cho"、 cbo"。若dio" > s且d20" > s ，就認為點 (Xk+n， yk+n)為輪廓分段點，進入步驟3.10，否則，n=n+l， flag=l，進入 步驟3.2 ;
3.10 令k二k+n， n二3， flag=0，轉入步驟3.2;
3.11 計算輪廓點(xk+n+1， yk+n+1)與(xk+n+2， yk+n+2)到第二曲線 x-d2oy2+b2oy+C2o的偏差距離為dn、 d21，若d"〉 S且d2i> S ，就認為點(x k+n， yk+n)為臨時分段點，等待進一步確認，進入步驟3.12;否則，將點(x k+n+1， yk+n+1)加入第二點集()(Xi， yi)，即n-n+l， flag=l，進入步驟3.2;
3.12將第二點集^ (Xi， yi)中點進行位置波動分析。若未波動，進入 步驟3.15;若波動，采用均值濾波的方式對其進行濾波平滑。對平滑后的第二 點集& (Xi， yi)冗余擬合成第五曲線y二Ch2X^^2X+d2和第六曲線
x=a22y2+b22y+C22;
3.13計算輪廓點( Xk+n+1， yk+n+1)與(X|<+n+2， yk+n+2)的到第六曲線 X-。22y2+b22y+C22的偏差距離d"'、 d2「。若d、「> S 、 d2「> S ，進入步驟3.14;
否則，n=n+l， flag=l，進入步驟3.2;
3.14計算輪廓點(xk+n+1， yk+n+i)與(xk+n+2， yk+n+2)到第五曲線
y-ai3x2+bi3X+ci3的距離偏差dii'"、 cbi'"。若di「"〉S、 d2i'''>S，就認為 點(xk+n， yk+n)為分段點，進入步驟3.10;否則，n=n+l， flag=0，進入步 驟3.2;
3.15計算輪廓點(xk+n+1， yk+n+1)與(xk+n+2， yk+n+2)到第一曲線 丫=01(^2+131(^+(^0的距離偏差€111''、 cbi"。若dii"〉S、 d2i">S，就認為點(xk+n， yk+n)為分段點，進入步驟3.10;否則，n=n+l， flag=0，轉入步驟 3.2;
4. 以第一點集W為對象，利用步驟3得到的分段點將第一點集W分割 成若干段，分別將各段擬合成分段曲線，識別特征點。接頭輪廓擬合成二次曲 線輪廓后，利用一階差分處理曲線，當其差分值出現跳動或者為零值時，即認 為是特征點，在形狀上對應為兩相鄰曲線的交點和曲線上出現的極點。
5. 對特征點作近似對稱處理，根據其位置關系，計算接頭成形特征 5.1分別獲得在位置上最高和最低的特征點，利用這兩點將輪廓分成左
右兩個部分，同時將步驟4中的特征點分成左右兩個部分；
5.2將左邊輪廓特征點向右邊輪廓投影，分別判斷投影點與相鄰輪廓特 征點間的縱向距離。若存在縱向距離小于取點間隔值S的特征點，則將該輪廓 特征點移位到對應投影點處；若不存在縱向距離小于取點間隔值S的特征點， 則將此投影點添加為右邊輪廓特征點，并將該投影點相鄰的輪廓特征點投影到 左邊輪廓，添加為左邊輪廓特征點。對稱化處理后得到的特征點位置圖如圖3 所示；
5.3根據特征點位置關系，計算接頭特征量。圖4為特征量計算示意圖， 其中hi表示高度，i=l~6， Wj表示高度，j=l 5。
權利要求
1、一種焊接接頭成形組織特征的測量方法，按照以下步驟進行(1)提取接頭輪廓圖像，對其作二值化處理得到二值化輪廓圖像；(2)采用深度優先搜索法消除二值化輪廓圖像的橫向和縱向毛刺，搜索過程中記錄輪廓點坐標，再將消除毛刺后的二值化輪廓圖像離散化得到第一點集W；(3)尋取輪廓分段點(3.1)令k＝1，n＝n0，flag＝0，3≤n0≤5；(3.2)構造第二點集 id="icf0001" file="A2009100616990002C1.tif" wi="24" he="9" top= "97" left = "79" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>，n為第二點集U中的點個數，k為第二點集U中第一個輪廓點在第一點集W中的位置序號，i＝k…k+n，xi、yi分別表示第一點集W中第i個輪廓點的橫坐標與縱坐標；(3.3)判斷第一點集W中第k+n+1輪廓點(xk+n+1，yk+n+1)是否是第一點集W的末點，若是，進入步驟(4)；若不是，將第二點集 id="icf0002" file="A2009100616990002C2.tif" wi="24" he="10" top= "142" left = "150" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>冗余擬合為第一曲線y＝a10x2+b10x+c10和第二曲線x＝a20y2+b20y+c20；(3.4)若flag＝0，以第一曲線y＝a10x2+b10x+c10為基準尋找輪廓分段點，否則以第二曲線x＝a20y2+b20y+c20為基準尋找輪廓分段點以第一曲線y＝a10x2+b10x+c10為基準尋找輪廓分段點與以第二曲線x＝a20y2+b20y+c20為基準尋找輪廓分段點方法相同，以第一曲線y＝a10x2+b10x+c10為基準尋找輪廓分段點按照如下方法進行(3.4.1)分別計算第一點集W中輪廓點(xk+n+1，yk+n+1)和輪廓點(xk+n+2，yk+n+2)到第一曲線y＝a10x2+b10x+c10的偏差距離d10，d20；(3.4.2)若d10＞δ且d20＞δ，偏差域值δ取值范圍為5～15個邏輯單位，進入步驟(3.4.3)，否則n＝n+1，flag＝0，轉入步驟(3.2)；(3.4.3)判斷第二點集 id="icf0003" file="A2009100616990003C1.tif" wi="24" he="9" top= "30" left = "82" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>中相鄰像素點位置是否有較大波動，若有，對其進行濾波平滑處理，進入步驟(3.4.4)；若沒有，進入步驟(3.4.7)；(3.4.4)將平滑后的第二點集 id="icf0004" file="A2009100616990003C2.tif" wi="24" he="9" top= "56" left = "99" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>冗余擬合為第三曲線y＝a11x2+b11x+c11和第四曲線x＝a21y2+b21y+c21；(3.4.5)分別計算第一點集W中輪廓點(xk+n+1，yk+n+1)和輪廓點(xk+n+2，yk+n+2)到第三曲線y＝a11x2+b11x+c11的偏差距離d10′，d20′；若d10′＞δ，且d20′＞δ，進入步驟(3.4.6)；否則，n＝n+1，flag＝0，轉入步驟(3.2)；(3.4.6)分別計算第一點集W中輪廓點(xk+n+1，yk+n+1)和輪廓點(xk+n+2，yk+n+2)到第四曲線x＝a21y2+b21y+c21的偏差距離為d10’”、d20’”；若d10’”＞δ且d20’”＞δ，確定輪廓點(xk+n，yk+n)為輪廓分段點，進入步驟(3.4.8)，否則，n＝n+1，flag＝1，轉入步驟(3.2)；(3.4.7)分別計算第一點集W中輪廓點(xk+n+1，yk+n+1)和輪廓點(xk+n+2，yk+n+2)到第二曲線x＝a20y2+b20y+c20的偏差距離為d10″、d20″；若d10″＞δ且d20″＞δ，確定輪廓點(xk+n，yk+n)為輪廓分段點，進入步驟(3.4.8)，否則，n＝n+1，flag＝1，轉入步驟(3.2)；(3.4.8)k＝k+n，n＝n0，flag＝0，轉入步驟(3.2)；(4)利用輪廓分段點將第一點集W的輪廓點分段，分別將各段擬合成二次曲線，并識別各二次曲線的特征點即為輪廓特征點；(5)對輪廓特征點作近似對稱處理，根據其位置關系，計算接頭成形特征。
2、根據權利要求1所述的一種焊接接頭成形組織特征的測量方法，其特 征在于，所述步驟(2)按照如下方式進行(2.1) 從上往下或從下往上掃描二值化輪廓圖像的像素行，當首次掃描 到某像素行中至少有三個相鄰像素灰度值為1的輪廓點時，將位于中間的輪廓 點定義為起始點，其右鄰點為目標點；(2.2) 在二值化輪廓圖像中，按照左右上下的順序搜索起始點到目標點 的第一連通輪廓；(2.3) 在第一連通輪廓中，按照上下左右的順序搜索起始點到目標點的 第二連通輪廓，搜索過程中記錄第二連通輪廓中各輪廓點坐標；(2.4) 在第二連通輪廓中，從起始點開始以間隔值S選取輪廓點，記為 第一點集W，間隔值S的選取范圍為10 30個邏輯單位。
3 、 根據權利要求2所述的一種焊接接頭成形組織特征的測量方法，所 述步驟(5)具體為(5.1) 選定縱坐標位置最高和最低的輪廓特征點，這兩點連線將第二連 通輪廓分成左右兩部分；(5.2) 將左邊輪廓特征點向右邊輪廓投影，分別判斷各投影點與其相鄰 右邊輪廓特征點間的縱向間距；若存在縱向間距小于間隔值S的右邊輪廓特征 點，則將其移位到該投影點處；若不存在，則將該投影點添加為右邊輪廓特征 點，并將該投影點相鄰的右邊輪廓特征點投影到左邊輪廓，將其投影點添加為 左邊輪廓特征點；(5.3) 根據輪廓特征點位置，計算接頭特征量。
全文摘要
本發明公開了一種焊接接頭成形組織特征的測量方法，對接頭輪廓圖像作二值化處理，采用深度優先搜索法消除二值化輪廓圖像的橫向和縱向毛刺，再將消除毛刺后的二值化輪廓圖像離散化，采用兩點距離偏差法搜索輪廓分段點以實現對接頭輪廓的分段，分別將各段擬合成二次曲線，識別各二次曲線的特征點，對其作近似對稱處理后用于計算接頭成形特征。本發明準確分析了接頭輪廓形狀的變化規律，提高測量的精確性，有利于焊接質量分析。
文檔編號G01B11/24GK101629812SQ200910061699
公開日2010年1月20日 申請日期2009年4月17日 優先權日2009年4月17日
發明者劉文中, 力 孔, 樸 張, 李旺火 申請人:華中科技大學