复杂结构精密焊件中缺陷分割及空间定位的研究

摘要

钛合金具有优良的综合性能，而激光焊在钛合金薄板的连接上有很大的优势，因此钛合金激光焊在航空航天飞行器的重要结构上获得了广泛的应用。由于激光焊固有的特点，很难避免在焊缝中产生气孔等缺陷。如果连续的气孔分布在结构的关键部位，当航天飞行器高速飞行时，在载荷的作用下将会造成结构失效，从而对其安全飞行带来隐患，因此开展相应的缺陷定位与识别等无损检测有着重要的理论和实际意义。
　　本文针对航天飞行器上某重要部件的蒙皮与筋板焊接结构的无损检测要求，深入论证了检测方案，研究了其检测图像去噪与增强、缺陷分割与定位、缺陷空间位置可视化等关键技术及其实现问题。
　　根据该精密焊件的结构特点，利用X射线实时成像系统，通过多视角成像的方法获得了含有缺陷的焊缝检测图像。针对图像对比度低，焊缝区灰度梯度大，且缺陷大部分淹没在噪声中这一问题，采用了叠加去噪和小波变换相结合的联合处理方法去除图像中的噪声。研究中选取sym8小波、硬阈值和极大极小的阈值准则，实现了噪声的去除。利用反锐化掩模和自动调整对比度的图像增强方法解决了去噪后焊缝区整体亮度高，不利于缺陷提取的问题，提高了缺陷与其背景间的对比度，为后续的缺陷分割及其它处理打下了良好的基础。
　　本文采用焊缝区提取的方法实现了微小缺陷的分割，该方法采用两次自动阈值提取出焊缝区，然后在焊缝区分别进行锐化和平滑，最后结合背景相减分割出微小缺陷，但该方法中多次锐化会在缺陷边缘产生阴影，从而造成分割后的缺陷形态失真。
　　在小波去噪的基础上采用形态学模拟背景实现了微小缺陷的分割,分割后的缺陷具有较好的保真度。该方法先提取出感兴趣的区域，然后在感兴趣的区域进行小波去噪和形态学模拟背景，最后结合背景相减分割出微小缺陷。为了获得最佳的分割结果，提出了线灰度分布曲线拟合并相减，搜索相减结果最大值的结构元尺寸确定方法。上述算法对感兴趣区域的大小不敏感，具有较强的适应性，为后续的缺陷定位特征点位置的自动提取奠定了良好的基础。
　　对于本文研究的对象，其焊缝中的缺陷分布位置对结构的可靠性影响很大。根据焊件结构与检测图像的特点，建立了焊件中缺陷深度、偏移量计算的数学模型，并通过实际焊件的破坏性试验对上述模型进行了验证。结果表明建立的数学模型是正确的，实际焊件中缺陷的深度定位误差不超过5.1％。为了提高缺陷定位的精度和检测的效率，对影响缺陷定位精度较大的投影距离进行了自动提取，验证结果表明所设计的算法取得了较好的效果。同时为了实现多视角成像图像中缺陷数据的自动提取与对应，给出了缺陷大小与缺陷沿焊缝长度方向分布的提取算法，提出了相应的对应准则实现了检测图像中缺陷数据的自动对应，提取的数据可批量输入到缺陷空间位置可视化程序中。
　　直观地显示缺陷在结构焊缝中的分布，对于评价接头的可靠性具有重要的意义。为此作者开发了基于Matlab的缺陷空间位置可视化程序，设计了GUI界面，实现了批量缺陷数据的自动输入和两侧焊缝中缺陷的同时显示。开发的可视化程序可实现焊件结构尺寸的调整，三维模型自动生成、旋转角度调整、透明化处理、三视图显示、缺陷信息查询等功能，为复杂结构精密焊件射线检测缺陷位置的三维显示提供了一种新的解决方案。

目录

复杂结构精密焊件中缺陷分割及空间定位的研究

SEGMENTATION AND SPATIAL LOCATING OF DEFECTS IN PRECISION WELDMENTS WITH COMPLEX STRUCTURE

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 缺陷定位的研究现状

1.2.2 图像预处理和缺陷分割的研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 焊件内部缺陷检测方法与系统参数测试

2.1 引言

2.2 焊件内部缺陷的检测方法探讨

2.2.1 精密激光焊件的结构及制作

2.2.2 检测方法探讨

2.3 X射线实时成像系统的配置及工作原理

2.3.1 成像系统配置

2.3.2 系统的工作原理

2.4 系统性能的测试与评价

2.4.1 灵敏度测试

2.4.2 系统分辨率测试

2.4.3 调制传递函数测试

2.5 检测方案选择

2.5.1 旋转角度确定

2.5.2 检测工艺参数的确定

2.5.3 缺陷所在区域的确定

2.6 本章小结

第3章 图像灰度特征分析与预处理

3.1 引言

3.2 图像的灰度特征分析

3.2.1 图像的线灰度分布分析

3.2.2 检测图像直方图特征

3.2.3 灰度差统计

3.3 图像去噪

3.3.1 小波分析的理论基础

3.3.2 基于小波变换的阈值化去噪方法

3.3.3 去噪结果分析

3.3.4 基于反锐化掩模的图像增强

3.4 本章小结

第4章 缺陷的提取与分割

4.1 引言

4.2 基于焊缝区提取的微小缺陷分割

4.2.1 基于图像锐化与平滑的分割方法

4.2.2 基于USM锐化和高反差保留算法的分割方法

4.3 基于背景模拟的微小缺陷分割

4.3.1 基于自适应维纳滤波的背景模拟

4.3.2 基于形态学滤波的背景模拟

4.4 本章小结

第5章 复杂结构焊件缺陷空间定位

5.1 引言

5.2 缺陷空间定位

5.2.1 尺寸标定及定位特征点的确定

5.2.2 缺陷空间定位数学模型的建立

5.3 投影距离的自动提取算法设计

5.4 投影距离自动提取算法的验证

5.5 实际焊件中缺陷空间位置数据的自动提取与分析

5.5.1 缺陷空间位置数据的自动提取

5.5.2 缺陷空间位置数据的分析

5.6 本章小结

第6章 焊件缺陷空间位置可视化

6.1 引言

6.2 基于Matlab的焊件缺陷可视化

6.2.1 Matlab软件简介

6.2.2 三维曲面图形绘制方法

6.2.3 基于Matlab的焊件缺陷可视化程序开发

6.2.4 GUI界面的设计

6.2.5 焊件缺陷可视化软件的功能及实现

6.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历