1、.第 3 5 卷第 12 期2 0 1 4 年 1 2 月焊接學(xué)報(bào)TANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol 3 5No 12December2014*;微間隙焊縫磁光成像分形維數(shù)識(shí)別方法高向東， 劉益， 張馳( 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)摘 要: 針對(duì)緊密對(duì)接、無坡口、肉眼難以分辨的微間隙焊縫，采用磁光成像方法獲取焊縫位置信息，并運(yùn)用分形維 數(shù)方法解決焊縫磁光圖像存在較多干擾的問題 根據(jù)圖像大視野相關(guān)信息處理圖像，避免受到圖像微小細(xì)節(jié)干擾 對(duì)焊縫位置識(shí)別精度的影響，較傳統(tǒng)圖像處理法具有顯著的抗干擾性 對(duì)焊縫磁光圖像進(jìn)行

2、濾波去噪，將圖像細(xì)分 成塊并計(jì)算出每個(gè)圖像塊的分形維數(shù)，再選取合適閾值對(duì)圖像進(jìn)行分割，準(zhǔn)確地提取出焊縫中心位置 試驗(yàn)結(jié)果表 明，運(yùn)用分形維數(shù)提取磁光圖像焊縫邊緣區(qū)域特征，能夠獲取較準(zhǔn)確的焊縫位置信息，為焊縫跟蹤控制提供重要 基礎(chǔ)關(guān)鍵詞: 微間隙焊縫; 磁光圖像; 分形維數(shù); 識(shí)別中圖分類號(hào): TG 456 7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 0253 360X( 2014) 12 0011 040序言焊縫跟蹤是焊接自動(dòng)化要解決的關(guān)鍵問題，而 準(zhǔn)確識(shí)別焊縫位置又是保證跟蹤焊縫的前提1 根 據(jù)傳感器的類別，焊縫跟蹤系統(tǒng)可分為電弧傳感、接 觸傳感、超聲波傳感、視覺傳感等，其中視覺傳感最 引人注目 視覺

3、型焊縫跟蹤系統(tǒng)主要包括結(jié)構(gòu)光 式、激光掃描式和直接拍攝電弧式 結(jié)構(gòu)光檢測(cè)法 將條形結(jié)構(gòu)光橫跨于焊縫，當(dāng)焊縫有一定間隙或形 變時(shí)，條形光將隨之變形 對(duì)于間隙小于 0 1 mm 的 緊密對(duì)接焊縫，由于結(jié)構(gòu)光在焊縫處基本不發(fā)生形 變，故很難準(zhǔn)確地提取焊縫位置 磁光成像是檢測(cè) 微間隙焊縫的新方法，它基于磁感應(yīng)原理與法拉第 磁旋光效應(yīng) 由磁場(chǎng)發(fā)生器激勵(lì)焊件，使其感應(yīng)磁 場(chǎng)分布在焊縫間隙處改變，引起該處的垂直磁場(chǎng)分 量發(fā)生變化 磁光傳感器在該磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生焊縫 磁光圖像，提取焊縫位置信息2目前，分形維數(shù)方法已應(yīng)用于圖像的紋理分割 與圖像分類，可減少干擾影響 運(yùn)用分形方法可重 建無組織的地球化學(xué)數(shù)據(jù)，提取斑

4、巖礦床的分維特 征3; 可對(duì) CT 圖像中的肺結(jié)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)分類4; 對(duì) 遙感影像邊界進(jìn)行估計(jì)5; 在水果缺陷識(shí)別方面也 可應(yīng)用分形維數(shù)方法6 在焊接領(lǐng)域，分形維數(shù)方 法可用于焊件缺陷的檢測(cè)及熔池圖像的分割7，8收稿日期: 2014 05 19基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 51175095 ) ; 廣東省自然科 學(xué)基金資助項(xiàng)目 ( 102510090010000001 ) ; 廣東省學(xué)科建 設(shè)科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目( 2013KJCX0063)運(yùn)用磁光成像傳感器攝取的磁光圖像含有干擾 信息，傳統(tǒng)圖像處理方法會(huì)受到圖像微小細(xì)節(jié)的影 響，因此會(huì)造成圖像處理時(shí)對(duì)噪聲和其它干擾較敏 感 焊縫磁光圖像

5、滿足統(tǒng)計(jì)上的自相似性，其焊縫 邊緣區(qū)域與過渡區(qū)域呈現(xiàn)出不同的灰度，具有不同 的分形維數(shù) 因此，根據(jù)分形理論和焊縫磁光圖像 特征，研究焊縫磁光圖像焊縫位置區(qū)域的分形維數(shù) 規(guī)律，探索利用圖像較大視野的相關(guān)信息進(jìn)行圖像 處理的方法，將不受限于圖像的局部信息，可減小干 擾影響，提取到比較精確的焊縫位置信息1試驗(yàn)方法微間隙焊縫磁光檢測(cè)試驗(yàn)裝置如圖 1 所示圖 1 磁光檢測(cè)微間隙焊縫裝置示意圖Fig. 1Schematic of magneto-optical detecting micro-gap weld試驗(yàn)裝置包括 WF300 光纖激光 Nd: YAG( Neo-12焊接學(xué)報(bào)第 35 卷dymium

6、-doped yttrium aluminium garnet) 焊接機(jī)、保護(hù) 氣體( 氬氣) 、磁光成像傳感器和含有夾具的三軸運(yùn) 動(dòng)工作臺(tái) 試驗(yàn)采用平板對(duì)接焊，焊件長(zhǎng)寬厚為 82 mm 41 mm 1 84 mm 的碳鋼 磁光傳感器置于焊 件上方，用于攝取焊縫磁光圖像 磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生 外加磁場(chǎng)并使焊件磁化 在焊接過程中，磁光傳感器 與激光頭保持相對(duì)固定，且使激光頭對(duì)正焊縫中心位 置運(yùn)動(dòng) 設(shè)置磁光傳感器的攝像速率為 25 f / s2 焊縫磁光圖像的分形特征2 1 圖像的分形維數(shù)分形技術(shù)最初用于研究自然界和非線性系統(tǒng)中 不光滑、不規(guī)則、具有自相似性的圖形和結(jié)構(gòu) 自然 的紋理圖像、生物性質(zhì)的圖像

7、紋理及人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 等都是分形圖形 在歐幾里德空間，所有物體的維 數(shù)都是整數(shù)維，而分形理論則把維數(shù)視為分?jǐn)?shù) 分 形維數(shù)有多種計(jì)算方法，主要有基于布朗運(yùn)動(dòng)模型 的分形維數(shù)法、基于地毯覆蓋的雙毯分形維數(shù)法和 差分計(jì)盒維數(shù)估計(jì)法等 其中，由于差分計(jì)盒維數(shù) 易于估計(jì)，是應(yīng)用最廣泛的分形維數(shù)法之一2 2 圖像差分計(jì)盒維數(shù)估算差分計(jì)盒維數(shù)估算法中的分形維數(shù)由下面的公 式表示9圖 2 焊縫磁光成像圖Fig. 2 Magneto-optical image of weld joint圖 3 焊縫磁光圖像對(duì)應(yīng)的灰度值曲面圖Fig. 3Corresponding surface of weld magneto-o

8、ptical gray imagenr ( i，j) = l k + 1( 2)D1 = Nr r或 D = lgNr( 1) lg( 1 / r)計(jì)算出所有網(wǎng)格的 nr 值，則差分總盒子數(shù)Nr 有Nr = nr ( i，j)( 3)式中: D 為分形維數(shù); r 為不同的網(wǎng)格尺寸; Nr 為差分總盒子數(shù)對(duì)于一幅大小為 M M 像素的二維灰度圖像， 其差分計(jì)盒法分形維數(shù)的估算為: 圖像看成是三維 空間區(qū)域中的一個(gè)曲面( x，y，z) ，( x，y) 表示像素點(diǎn) 的平面位置，z 表示在位置( x，y) 處的灰度值 f ( x， y) 圖 2a 為焊件實(shí)物圖，圖 2b 為其對(duì)應(yīng)一幀 512 512

9、像素的焊縫磁光圖像 磁光圖像有一條由亮到 暗的過渡帶，包含了焊縫位置信息 磁場(chǎng)分布強(qiáng)度 在焊縫處發(fā)生變化，由于磁光效應(yīng)，反映為圖像的明 暗過渡 圖 3 為 圖 2b 對(duì)應(yīng)的三維空間中的一個(gè) i，j不同的網(wǎng)格尺寸有不同的 r 值，對(duì)應(yīng)不同的 Nr 值 根據(jù)式( 1) ，對(duì) lgNr 和 lg( 1 / r) 采用最小二乘法 線性擬合，若擬合的直線為 y = tx + c，所得斜率 t 即 所求的分形維數(shù) D2 3差分計(jì)盒方法的改進(jìn)為了使差分計(jì)盒法更簡(jiǎn)潔有效，對(duì)該方法進(jìn)行 了改進(jìn) 選取 M M 像素的灰度圖像，其中 M 取 2 的冪次，即 M = 2a ，圖像的灰度范圍為 0 255 盒子 的長(zhǎng)度

10、也為 2 的冪次，即 s = 2b ，其中 a 和 b 為正整 數(shù) 則式( 1) 可改寫為曲面lgNrD =a b( 4)將( x，y) 平面劃分成 s s 像素的網(wǎng)格9，且滿 足 M /2s 1，sI，則比例 r = s / M 每個(gè)網(wǎng)格構(gòu)成lg2圖像被 M M 256 的一個(gè)大盒子所覆蓋 將8一個(gè)柱體的底面，柱體可以看成是由一系列 s s q圖像分割成 s s q，由于 r = q / G = s / M，有 2/ q =的盒子組成，q 為盒子高度 如果 G 是灰度值的總2a /2b ，則 q = 28 a + b Nr 根據(jù)下列公式計(jì)算，即數(shù)，有 r = q / G = s / M 將盒

11、子按 1，2，n 進(jìn)行編號(hào)， 如果在網(wǎng)格( i，j) 中，圖像的最小灰度值落在編號(hào)為nr ( i，j) = intGmax ( i，j)q intGmin ( i，j)q + 1 ( 5)k 的盒子，圖像的最大灰度值落在編號(hào)為 l 的盒子， 則此網(wǎng)格的差分盒子數(shù) nr ( i，j) 為Nr = nr ( i，j)( 6)i，j式中: Gmax 和 Gmin 分別為 G 在( i，j) 處的最大值和最第 12 期高向東，等: 微間隙焊縫磁光成像分形維數(shù)識(shí)別方法13小值; int為取整運(yùn)算3 試驗(yàn)結(jié)果與分析3 1 焊縫磁場(chǎng)強(qiáng)度分布當(dāng)外加一磁場(chǎng)時(shí)，焊縫處磁場(chǎng)強(qiáng)度 B 的測(cè)量值 如表 1 所示 焊縫中

12、心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為 0，隨著距焊 縫中心左右偏離的增大，磁場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增大表 1 焊縫區(qū)域?qū)?yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度( mT)Table 1 Magnetic field intensity of weld joint偏離焊縫中心值 d / mm 0 6 0 4 0 200 20 40 6 2 5 1 7 0 901 22 53 63 2 焊縫磁光圖像分形及焊縫中心位置提取運(yùn)用差分計(jì)盒維數(shù)估算法提取磁光圖像焊縫中 心時(shí)的具體步驟如下:首先進(jìn)行圖像預(yù)處理 采用中值濾波方法去除 微間隙焊縫磁光圖像中干擾噪聲 中值濾波本質(zhì)上 為一種非線性濾波方法，不影響階躍函數(shù)和斜坡函 數(shù)，因而它對(duì)干擾脈沖和點(diǎn)狀噪聲有良好的抑制

13、作 用，較好地保持圖像邊緣特征，因此適用于點(diǎn)狀噪聲 多的焊縫圖像濾波其次以固定大小的窗口對(duì)焊縫磁光圖像灰度圖 進(jìn)行移動(dòng)掃描，分別計(jì)算每個(gè)窗口的分形維數(shù) 先 計(jì)算列方向上各窗口的分形維數(shù)，從圖像左上角開 始，窗口以步長(zhǎng)為 1 的速度下移，分別計(jì)算每一列各 窗口的分形維數(shù) 然后以步長(zhǎng)為 1 右移一列，計(jì)算下一列各窗口的分形維數(shù)，以此類推 其中取 M = 8，s = 21 和 22 ，相 應(yīng)的 q = 26 和 27 ，應(yīng) 用式 ( 5 ) 和 式( 6) 計(jì)算出相應(yīng)的 Nr ，再根據(jù)式( 4) 對(duì)結(jié)果進(jìn)行最小二乘法線性擬合，計(jì)算出的斜率為該窗口中圖像 塊的分形維數(shù)最后對(duì)每列的分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分

14、析，選 取分形維數(shù)閾值為 2 對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，篩選 得到磁光圖像焊縫的邊緣位置，提取焊縫中心 選 取圖 2b 中包含焊縫上邊緣信息的一個(gè)圖像塊，圖像 塊左上角的像素坐標(biāo)為( 253，142) ，右下角的坐標(biāo)為 ( 259，148) ，圖像塊中各像素坐標(biāo)的分形維數(shù)值如 表 2 所示按照上述步驟，運(yùn)用差分計(jì)盒維數(shù)估算法對(duì)焊表 2 分形維數(shù)值統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of fractal dimension像素行 分形維數(shù) D 253 列 254 列 255 列 256 列 257 列 258 列259 列1422 0000 2 0000 2 0000 2 0000 2 000

15、0 2 00002 00001432 0000 2 0000 2 0000 2 0000 2 0000 2 00002 00001442 0000 2 0000 2 0000 2 0000 2 0000 2 00002 00001452 0000 2 0000 2 0000 2 0000 2 0000 2 00001 76551461 6630 1 7370 1 6630 1 7370 1 6630 1 73701 73701471 5025 1 5850 1 5025 1 5850 1 5025 1 50251 50251481 6630 1 7370 1 6630 1 7370 1 663

16、0 1 73701 7370圖 4 磁光圖像中焊縫中心提取結(jié)果Fig. 4 Extraction of weld center in magneto-optical image505 幅磁光圖像進(jìn)行處理，得到的焊縫中心位置如 圖 5 所示 圖 6 為兩種方法提取的焊縫中心位置測(cè) 量誤差統(tǒng)計(jì)，表 3 為圖 6 偏差值所對(duì)應(yīng)的各種統(tǒng)計(jì) 參數(shù)圖 5 連續(xù) 505 幅磁光圖像焊縫中心提取結(jié)果Fig. 5 Extraction of weld center for consecutive 505 mag- neto-optical images表 3 分形法與 Sobel 算子法測(cè)量誤差的比較Table

17、 3Comparison of measured errors between fractal and Sobel methods縫磁光原始圖像進(jìn)行處理，提取圖 2b 的焊縫中心位標(biāo)準(zhǔn)誤差 最大誤差 最小誤差 誤差中值方法平均誤差置如圖 4a 所 示，圖 4b 為 Sobel 算子的焊縫提取 結(jié)果分別用差分計(jì)盒維數(shù)法與 Sobel 算子法對(duì)連續(xù) E / mm E max / mm E min / mm E m / mm e / mm Sobel0 020 3 0 063 6 0 000 2 0 016 20 024 5 分形維數(shù) 0 007 2 0 037 0 0 000 2 0 010 90

18、 010 9 14焊接學(xué)報(bào)第 35 卷圖 6 焊縫位置測(cè)量誤差Fig. 6 Errors of measured data of weld joint試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的圖像邊緣檢測(cè) Sobel 算 子方法相比，應(yīng)用改進(jìn)后的差分計(jì)盒維數(shù)法可以更 加準(zhǔn)確地提取焊縫中心位置4結(jié)論( 1) 磁光傳感方法可用于微間隙焊縫的位置識(shí) 別，且對(duì)應(yīng)的焊縫磁光圖像的過渡區(qū)域具有分形特 征，可以用分形理論加以描述( 2) 微間隙焊縫磁光圖像焊縫過渡區(qū)域分形特 征變化明顯，可以通過設(shè)定閾值提取焊縫過渡區(qū)域 特征，進(jìn)而計(jì)算出焊縫位置坐標(biāo)( 3) 改進(jìn)后的差分計(jì)盒方法提取的焊縫中心位 置比傳統(tǒng)的圖像邊緣檢測(cè)方法更準(zhǔn)確

19、，可提高焊縫 識(shí)別和跟蹤精度參考文獻(xiàn):1 高向東，黃健源，莫 玲 激光焊接不銹鋼微間隙焊縫偏差角 點(diǎn)檢測(cè)法J 焊接學(xué)報(bào)，2013，34( 12) : 1 4Gao Xiangdong，Huang Jianyuan，Mo Ling Detection of seam de- viation of micro butt gap in laser welding of 304 austenitic stainless steel based on corner point methodJ Transactions of the China Welding Institution，2014，34( 1

20、2) : 1 42 Gao X D，Liu Y H，You D Y Detection of micro-weld joint by magneto-optical imagingJ Optics and Laser Technology，2014， 62: 141 1513 Amir B Y，Andy W，Patrick F，et al Application of a density-vol-ume fractal model for rock characterization of the Kahang porphyry depositJ International Journal of

21、 ock Mechanics and Mining Sciences，2014，66: 188 1934 Lin P L，Huang P W，Lee C H，et al Automatic classification forsolitary pulmonary nodule in CT image by fractal analysis based on fractional Brownian motion modelJ Pattern ecognition，2013， 46( 12) : 3279 32875 Cipolletti M P，Delrieux C A，Perillo G M

22、E，et al Border extrap-olation using fractal attributes in remote sensing imagesJ Com- puters and Geosciences，2014，62: 25 346 Quevedo ，Mendoza F，Aguilera M J，et al Determination of se-nescent spotting in banana ( musa cavendish) using fractal texture fourier imageJ Journal of Food Engineering，2008，84

23、 ( 4 ) : 509 5157 Vieira A P，Moura E P de，Goncalves L L，et al Characterizationof welding defects by fractal analysis of ultrasonic signalsJ Cha- os，Solitons and Fractals，2008，38( 3) : 748 7548 高 飛，王克鴻，梁永順，等 一種多尺度分形的弧焊熔池圖 像分割方法J 焊接學(xué)報(bào)，2011，32( 11) : 33 36Gao Fei，Wang Kehong，Liang Yongsun，et al A multi

24、-scale frac-tal image segmentation method for arc welding poolJ Transac- tions of the China Welding Institution，2011，32( 11) : 33 369 Nirupam S，Chaudhuri B B An efficient differential box-counting approach to compute fractal dimension of imageJ IEEE Trans- actions on Systems Man and Cybernetics，1994

25、，24 ( 1 ) : 115 120作者簡(jiǎn)介: 高向東，男，1963 年出生，教授，博士研究生導(dǎo)師 研究 方向?yàn)楹附幼詣?dòng)控制 發(fā)表論文 150 篇 Email: gaoxd666 126 com2014，Vol 35，No 12TANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONMAIN TOPICS，ABSTACTS KEY WODSMicrostructure and mechanical properties of diffusion bond- ed joint between tungsten and ferrtic steel using va

26、nadium / nickel composite interlayerMA Yunzhu，LIU Haoyang， LIU Wensheng，CAI Qingshan ( State Key Laboratory for Powder Metallurgy，Central South University，Changsha 410083，Chi- na) pp 1 6Abstract: The diffusion welding characteristic between W and ferrite steel ( FS) interface was investigated in vac

27、uum hot pressing furnace at 1 050 for 1h with 10 MPa，using 3 mm V foil and 1 mm Ni foil as interlayer The microstructure，element compositions，phase compositions and microhardness of joints were observed and measured with field-emission scanning elec- tron microscopy ( FE-SEM ) ， energy dispersive sp

28、ectroscopy ( EDS) ，electron probe micro-analyzer ( EPMA) ，x-ray diffrac- tometer ( XD ) and nanoindenter， respectively The tensile strength was tested by mechanical testing machine The results showed that，a reliable bonding between W and FS could be gained by using vanadium / nickel composite interl

29、ayer The W / FS joint consisted of a multilayer sandwich structure，including the transition zone of W / V，the residual V interlayer，the diffu- sion layer of V / Ni，the residual Ni interlayer and the diffusion layer of Ni / FS Meanwhile，the transition zone of W / V and Ni / FS were mainly composed of

30、 solid solution structure and the V / Ni diffusion layer with the highest microhardness of 9 7GPa The joint had a multilayered structure consisting of VC layer / mixing layer of VC and Ni-V intermetallics / Ni-V intermetallics layerand the tensile strength of joint reached 164MPa and the samples fra

31、ctured through the V / Ni interface because of the presence of brittle VC phase and Ni-V intermetallicsKey words:tungsten; steel; diffusion bonding; compos- ite interlayer; intermetallics; microhardnessStress corrosion cracking susceptibility of 2219 aluminium alloy parent metal and its friction sti

32、r weldment ZHANG Hua1，2 ，ZHANG He1 ，SUN Datong1 ，MA Fangfang1 ( 1 School of Materials Science and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 2 State Key Labo- ratory of Advanced Weld Production Technology，Harbin Institu- te of Technology，Harbin 150001，China) pp 7 1

33、0Abstract:The stress corrosion cracking ( SCC) suspect- bility of 2219 aluminium alloy and its friction stir weldment in different environmenthas been tested using slow strain rate testing ( SST) The performance loss rate indicator and stress corro- sion cracking index were used to evaluate SCC susc

34、eptibility The SST test in 3 5% NaCl solution at a strain rate of 10-6 s-1 has shown that the SCC susceptibility of parent metal and weld- ment were small and the fracture was composed of ductile dim- ples and corrosion zones However，the parent metal and the weldment were susceptible to SCC exhibiti

35、ng intergranular frac- ture in exfoliation corrosion ( EXCO) solution at the same strainrate The friction stir weldment was more susceptible to SCC than parent metalKey words:2219 aluminum alloy; friction stir welding; stress corrosion cracking index; slow strain rate testingecognition of magneto-op

36、tical image of micro-gap weld u- sing fractal dimension methodGAO Xiangdong，LIU Yi， ZHANG Chi ( School of Electromechanical Engineering，Guang- dong University of Technology，Guangzhou 510006，China) pp 11 14Abstract:Magneto-optical imaging method was used to detect the position of micro butt joint，whi

37、ch is non-grooved and almost indistinguishable by naked eyes The problem of interfer- ence in weld magneto-optical images was solved by using the fractal dimension method Magneto-optical images were pro- cessed based on relative information in a large field of vision， which can avoid the influence o

38、f tiny detail disturbance among images on measurement accuracy of weld position In comparison of conventional image processing method，the fractal dimension method is more capable in anti-interference The weld magneto- optical images were denoised and divided into blocks，and then the fractal dimensio

39、n of each image block was calculated An ap- propriate threshold was selected to segment the images，and the weld center position can be extracted accurately Experimental results show that the weld edge region characteristics can be ac- curately extracted and the weld position can be detected by using fr