（通信与信息系统专业论文）tig焊熔池计算机图像检测系统.pdf

摘要 本文介绍了t i g 焊快速制造系统的组成及工作原理，从焊接过程焊缝尺寸 信息检测的传感方式的对比中得出适用于t i g 焊快速制造金属结构的传感器为 视觉传感器。 在t i g 焊快速制造系统中用到的焊接工艺具体为：非对接的t i g 熔敷堆焊 工艺。通过分析t i g 熔敷堆焊视觉传感器系统的传感环境，选择了c c d 熔池图像 视觉传感系统的组成及各硬件的位置参数，并对熔池图像视觉传感系统进行了定 标。根据课题的需要，制作了t i g 焊快速制造焊接参数开环控制系统。 对常用于熔池计算机图像检测的各种图像处理方法进行了概述，再根据本课 题中的熔池图像的特点，并分别对：定点焊熔池、不同特征的动态焊接过程熔池 图像，选择了相应的熔池图像处理方法并进行了对熔池图像的信息检测。根据熔 池图像的检测主要是获得焊缝宽度，对熔池的图像处理方法进行了简化。通过与 熔池图像对应的实际焊缝宽度对比，该t i g 焊熔池计算机图像检测系统能够比 较好的检测到焊缝宽度信息。 对焊缝表面尺寸的预测是t i g 焊快速制造的先决条件，根据神经网络的特 点，选择了b p 神经网络作为焊缝表面尺寸的预测方法，通过大量的实验获取焊 接参数及焊缝表面尺寸的对应表，作为神经网络的学习样本，最终实现了焊缝表 面尺寸的初步预测。运用神经网络预测，结合多层多道焊焊接参数变化规律，通 过实验，成功的堆积出了一些金属结构。 关键词：t i g 焊快速制造；熔池图像；计算机视觉；图像处理；神经网络 a b s t r a c t t h ec o m p o s i n ga n dw o r kp r i n c i p l eo ft i gw e l d i n gr a p i dp r o t o t y p i n gm e t a l f a b r i cs y s t e mw i l lb ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h eb e s ts e n s o ri nt i gw e l d i n g r a p i d p r o t o t y p i n gm e t a lf a b r i ci sv i s i o ns e n s o rt h a ti st h er e s u l to fc o n t r a s t i n ga l lk i n d so f w e l d i n gl i n es i z ei n f o r m a t i o nd e t e c t i o ns e n s o r t h en a m eo fw e l d i n gc r a f ti nt i gw e l d i n gr a p i dp r o t o t y p i n gm e t a lf a b r i ci s t i gd e p o s i ts u r f a c i n gw e l d i n g t h r o u g ha n a l y z i n gt h es e n s o re n v i r o n m e n t ，t h e c o m p o s i n go fc c dw e l d i n gp o o lv i s i o ns e n s o ra n dh a r d w a r ep o s i t i o np a r a m e t e r si s c h o s e n t h es c a l eo fc c d w e l d i n gp o o lv i s i o ns e n s o ri se n s u r e d a c c o r d i n gt ot h e d e m a n do ft i gw e l d i n gr a p i dp r o t o t y p i n gm e t a lf a b r i ce x p e r i m e n t s ，t h et i gw e l d p a r a m e t e r so p e nl o o pc o n t r o ls y s t e mi se x e c u t e d t h ec o m m o nw e l d i n g p o o li m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d so fw e l d i n gp o o l c a l c u l a t o ri m a g ed e t e c t i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e di n t h i sp a p e r b a s eo nt h ec h a r a c t e r o fw e l d i n gp o o l ，d i f f e r e n tk i n d so f w e l d i n g p o o li m a g ew i l lb ep r o c e s s e d ，f o re x a m p l e ： t h ef i x a t i o nw e l d i n gp o o li m a g e ，d i f f e r e n tc h a r a c t e rw e l d i n gp o o li m a g eo fd y n a m i c w e l d i n g t h ew e l d i n gp o o li m a g ep r o c e s s i n ga r i t h m e t i ci sp r e d i g e s t e db e c a u s et h a t t h ei n t e n to fw e l d i n gp o o li m a g ep r o c e s s i n gi sg e t t i n gt h eb r e a d t ho fw e l ds e a m t h e t i gw e l d i n gp o o lc a l c u l a t o ri m a g ed e t e c t i n gs y s t e mc a n e f f e c t u a l l yd e t e c tt h eb r e a d t h o fw e l ds e a mb yc o n t r a s t i n gt h ed a t ao f d e t e c t i n gw i t ht h ed a t ao fe x p e r i m e n t t h ei n i t i a lp r o b l e mr e s e a r c hi nt i gw e l d i n gr a p i dp r o t o t y p i n gi s e s t i m a t i n g s u r f a c es i z ep a r a m e t e ro ft h ew e l d i n gs e a m s b pn e r v en e t w o r ki sa d o p t e di nt e x tt o e s t i m a t et h es u r f a c es i z ep a r a m e t e ro ft h ew e l d i n gs e a m sb a s eo nt h ec h a r a c t e ro f n e r v en e t w o r k o nt h ef o u n d a t i o no fag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t s ，t h ed a t ao f e x p e r i m e n t sa r ea n a l y z e da n dp u ti n t ot h en e r v en e t w o r kt oc a r r yo nt h et r a i n i n ga n d t h en e r v en e t w o r kc a ne l e m e n t a r i l yi m p l e m e n tt h es u r f a c es i z ep a r a m e t e rf o r e c a s to f t h ew e l d i n gs e a m s u s i n gi ta n dt h er u l eo fm u l t i p l a y e rw e l d i n gi ne x p e r i m e n t s ，s o m e m e t a lf a b r i ci sf a b r i c a t e d k e yw o r d s ：t i gw e l d i n gr a p i dp r o t o t y p i n g ；w e l d i n gp o o li m a g e ；c a l c u l a t o rv i s i o n ； i m a g ep r o c e s s i n g ；n e r v en e t w o r k 独创性声明 y9 2 8 7 7 8 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ ，。- 。一 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在沦文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字曰期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌土学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 嗝铷 签字口期：汐口多年多月f 乒日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：驴华 签字r 甄洳s 年6 跫| 9 日 电话： 邮编： 1 1 选题意义 第一章绪论 本课题是基于9 7 3 项目( 光纤智能金属结构熔焊快速制造技术的基础研究) 及江西省自然科学基金项目( 熔焊快速精密成型过程模型及控制研究) 课题的子 课题。金属结构熔焊快速制造技术采用的是将t i g 焊方法运用到快速成形技术中 从而制备金属结构。本文研究的t i g 焊熔池计算机图像检测系统是该项目不可缺 少的部分，用于检测金属结构制造过程即堆焊过程中每一道焊缝的宽度是否符合 金属结构的要求。 在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件之间产生的电弧热熔化母材和填充 焊丝的焊接方法称钨极惰性气体保护焊，英文简称t i g ( t u n g s t e ni n e r tg a s w e l d i n g ) 。t i g 熔敷堆焊是指在工件上采用t i g 焊的方式将焊丝熔化后形成的焊 缝进行堆积，最终形成有一定形状的金属结构体。t i g 熔焊快速制造系统就是将 t i g 熔敷堆焊技术与快速制造相结合的新成果。 到目前为止常用于t i g 焊焊接过程的计算机图像检测的方式分为三种：1 对 于焊接轨迹的跟踪，即焊接过程开始前跟踪，这种跟踪方式已被大量的采用到焊 接系统中并且获得了比较好的效果；2 焊接过程中对熔池的参数检测，即焊接过 程实时观测及识别；通过对于熔池的参数提取来获得焊缝的质量信息，这种计算 机图像检测方式在国内外都是作为一种比较前沿的研究课题，在国内外也都有很 多相应的研究；3 焊接过程开始后对于已经凝固的焊缝进行计算机图像检测，这 一方法现在已被国外的一些研究所运用到实际的焊接过程中。 本文将对上述计算机图像检测方式中的第2 种方法即焊接过程中熔池图像的 检测进行具体研究。通过对熔池图像的信息获取，检测出焊缝宽度，是指导金属 结构堆积的关键。焊缝成形过程中的熔池图像的不断检测可以获取焊缝宽度偏 差，判断焊缝与工件是否有虚结合，获取下一道焊缝与这一道焊缝的距离信息， 从而指导金属结构的成形。 在视觉传感器中观察焊接的实验过程，采集相应的熔池图像，分析焊接过程 并通过与大量的实验相结合的方法找出焊缝的实际尺寸与焊接条件的一些关系， 用神经网络进行建模。本课题的最终目的是从多角度为大课题的焊缝堆积成形及 金属结构制造打下基础。 1 2t i g 熔焊快速制造系统概述 快速成形技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 集成了现代数控技术、c a d c a m 技术、激光加工技术及材料科学等领域的最新成果。可以自动而迅速地将设计思 想转化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件。较成熟的工艺方法有：光 固化，分层实体制造，选择性激光烧结，熔化沉积制造，三维印刷成形，光掩膜等。 目前，研究较多的金属直接成形方法为：选择性激光烧结( s l s ) ，这种成形方法 以大功率激光器作为能源，烧结或熔融金属材料成形，因此设备造价和运行成本很 高，不利于金属直接成形技术的发展与普及【i 之j 。 焊接快速成形是最近才兴起的一个研究领域，已经有人从事着一些相关研 究，例如采用等离子弧三维焊接直接制造金属零件的快速成形方法【3 】。它为焊接 工艺与焊接技术的发展开辟了一条新路，也对传统的制造工艺提出了一种新的思 想。但是，在焊接快速成形中金属结构的成形精度很难保证【l 。】，本文所要解决 的问题就是如何获取熔焊过程中的焊缝质量信息及金属结构的成形精度信息，为 以后的焊接快速成形中金属结构精度的控制打下基础。 t i g 焊接作为一种重要的机械制造热加工工艺，在工业生产中应用十分广 泛。其制造加工过程比起其他焊接方法更为简便，制造成本也更低。采用基于数 字焊机与c c d 视觉传感器的t i g 焊焊接快速成形将会成为焊接快速成形研究领 域的主流。 快速成形技术基于离散、堆积成形原理，由c a d 软件设计出所需零件的计 算机三维曲面或实体模型将三维模型沿一定方向通常为z 轴方向离散成一系列 有序的二维层片，习惯称为分层，根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工 参数，自动生成数控代码，成形机制造斗系列层片并自动将它们连接起来，得到 三维物理实体。 图1 1 快速成形的原理框图 这样将一个物理实体的复杂的二三维加1 离散成一系列层片的加工，大大降低 了加工难度且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关 1 ”。其原理框图如图1 - 1 所示。 现有的金属直接快速成型方法存在着以下问题： ( 1 ) 工艺设备复杂，价格昂贵，使用大功率激光器或金属熔化喷射设备，成 本高达数卜万美元，难以在_ - e 且k 上应用和普及； ( 2 ) 成形件的致密度不高( 主要是粉末烧结造成) ，难以获得全密度的金属零 件，成形件的内部金相组织疏松，成形件的机械性能达不到使用要求。 为了解决以上的问题，我们研制了一种新型的金属零件快速成型方法 t i g 焊焊接快速成形方法。 焊接快速成形技术的原理是采用焊接热源( 电弧、激光) 等熔化金属丝，按 照一定的轨迹堆积成型，也可以称之为f d m 技术的延伸。基于焊接的快速成型技 术起源于上个世纪六十年代，当时德国k r u p p 公司，t h y s s e n 公司和s h u l z e r 公 司采用堆焊的方法制造体积大而 z j l 何结构简单的产品。这是最早的采用焊接方 法制备金属件。到了上个世纪九十年代，英国的n o t t i n g h a m 大学的j 。d 。s p e n c e r 等人开始研究采用机器人与光学传感器结合制备更加精密的零件。美国k e n t u c k y 大学的k o v a c e v i c 等人采用t i g 实现了金属零件的制各。在他们制备的金属零件 中，表面粗糙度最小的可以达到2 u m ，厚度可以到3 m m 。同时他们还针对焊接快 速成形技术中的焊接工艺、图像处理、模型处理等方面做了大量的研究 5 q 4 】。 图1 2 系统装配图图1 - 3t i g 焊接快速制造系统框图 t i g 熔焊快速制造是将t i g 熔焊快速成形技术运用到金属结构的制造中，并 结合数控铣削以提高零件的表面质量。t i g 熔焊快速制造的系统装配图如图1 2 所示，图1 3 为t i g 熔焊快速制造系统框图。 该系统工作流程：通过p c 机 进行造型、模型处理与切片生成 s t l 文件后，生成数控代码，控制 铣床按照一定的轨迹工作。同时将 焊矩固定在垂直轴上做垂直运动， 工件在二维工作台上做水平运动 ( 附有转动) ，采用t i g 电弧作为 加热源，熔化焊丝堆积成型。系统 图1 4 系统的结构框图 的结构框图如图1 4 所示。t i g 熔焊快速制造金属结构的加工过程如下： ( 1 ) 采用t i g 焊熔化金属丝提供成形材料，用c c d 视觉传感系统检测熔池信息及 焊缝信息，调节焊接电流、送丝速度、焊接速度，堆焊出零件的一层截面： ( 2 ) 重复地堆焊完成整个零件的堆积； ( 3 ) 最后用数控铣床清理轮廓边界，使其达到所要求的零件的精度。 1 3 焊接过程中信息检测传感方式概述 随着传感器技术的发展，各种各样的传感器被应用于焊接过程信息的检测， 但是，我们根据工作原理的不同，大致可以分为声学传感器、电弧传感器和光学 传感器，图1 5 为用于焊接过程信息的检测的传感器分类图。 声学传感器的缺点是由于声波的传播速度与材料、材料的温度有关，如果探 头脱离工件表面，超声波传播路径发生变化，在空气中急剧衰减，必然影响探测 的准确性【”。1 酬。电弧传感器由于焊枪本身兼备传感功能，对正常焊接过程有一定 的干扰【l 7 1 。背面温度场视觉传感器是一种为了避开弧光的干扰，将光学传感器放 置在了工件背面，获取背面温度场信息的传感器，使用场合受到很大的限制，并 且在实时控制时正面焊枪与背面传感器的位置难以对应【1 8 叫9 1 。红外传感器从工 件正面检测焊接过程动态温度场，但未能很好地克服弧光干扰及温度定标的问题 2 0 - 2 1 1 。x 射线对人体的危害较大，需要可靠的防护装置，因而这种传感方法需要 4 用 于 焊 接 的 传 感 器 声学传感器 电弧传感器 声音频率传感器 超声波传感器 旋转电弧传感器 背面温度场 涡流传感器 c c d 传感器 光学传感器h 正面熔池h 红外传感器 x 射线传感器 图卜5 用于焊接过程信息的检测的传感器分类 高度的自动化遥控操作，限制了它在实际生产中的应用，并且其价格昂贵，难以 在生产中推广应用【2 2 】。c c d 由于其传感信息直观、受到焊接时的高温和电磁波的 干扰小、造价低、体积较小、使用简单等优点，已经被越来越广泛的应用于焊接 领域【2 3 1 。 1 4 焊接过程计算机图像检测系统概述 焊接过程计算机图像检测系统是焊接视觉系统与计算机图像处理技术相结 合的产物之一。计算机视觉是在图像处理的基础上发展起来的新兴学科。据统计， 人所感知的外界信息有8 0 以上是由视觉得到的，因为视觉包含更多的信息量。 计算机视觉从信息处理的层次研究视觉信息的认知过程，研究视觉信息处理的计 算理论、表达和计算方法。计算机视觉已经应用于遥感图像分析、文字识别、医 学图像处理、多媒体技术、图像数据库、工业检测和军事等方面。 焊接过程中的计算机视觉研究是面向焊接这一特殊应用领域的，根据焊接及 焊接对象和焊接环境的特点，国内外在此领域进行了不少有实效的研究工作，取 得了一些有意义的成果。 图1 - 6 为用数码相机远距离拍得的t i g 焊接工艺实验过程，图1 7 为直接用 没加滤光片的i c c d 拍得的t i g 焊接工艺实验中熔池的图像，从图中可见t i g 焊接过程中弧光对于整幅图像的影响会很大。 图i - 6t i g 焊接工艺试验过程 图1 7 没加滤光片的t i g 焊接熔池图像 在计算机图像检测系统中常用到的一些图像处理方法包括：图像滤波和增 强，图像的阈值化，边缘提取等( 具体的图像处理方法将会在本文第三章详细讨 论) 。随着科学技术的进步，计算机运算速度的加快，现在比较多的人将小波变 换、形态学算法及神经网络等技术运用到了图像处理的过程h h 2 3 - 2 5 。 1 5 焊接过程神经网络建模概述 人工神经网络是目前在焊接过稗中应用较多的种建模方式，它是基于模拟 生物体中神经网络的某些结构和功能而构成的一种信息处理系统。采用人工神经 网络( a n n ) 建立模型，无需人们对过程进行物理分析和数学推导，只要向a n n 输入 足够的训练的数据，就可导出符合规律的棋型，因而大大简化了建模过程。而且， 这一模型是建立在实测得来的训练数据的基础上，有较高的精确性。只要训练数 据有足够的搜盖范围，则导出的模型整个范围均可适用，只要输入在不同条件下 的新的训练数据，又可导出新的模型，冈而这一方法具有很大的通用性和适应性， 国内外学者进行了很多研究【2 。 目前应用最为广泛的神经网络模型有b p 网络，h o p f i e l d 网络，a r t 网络及c r a c 网络。其中b p 神经网络理论比较成熟，应用也最广泛，具有算法简单，结构明了 的优点，并己证明3 层以上网络具有列任意函数的逼近能力，具有很强的鲁棒性， 在焊接领域中应用较多。文献采用3 1 种表示不同焊接条件的t i g 焊数据对a n n ( 人 工神经网络) 进行训练，导出了电流、电压、焊接速度、送丝速度这四个变量与 熔深、熔宽、堆高、焊缝截面积四个变量之间的关系，在此基础上，针对t i g 焊 又建立了以焊接电流、焊接速度、电弧长度、板厚为输入量，焊缝熔宽、熔透为 输山量的数学模型【2 6 l 。 6 对于利用神经网络对熔池形成条件和熔池各参数问的建模，国外进行的研究 比较早，且已经可以基本建立出准确的模型2 7 之8 1 。国内也展开了一些相关的研究。 文献 2 9 中利用b p 神经网络以焊接速度、脉冲能量、平均功率、脉冲持续时间作 为输入层的输入值；以熔池的深度、宽度、面积作为输出层的输出值。通过实验 取得2 3 组样本数据，以前1 8 组作为学习模式对网络进行训练。 1 6 本章小节 本章从选题意义出发，介绍了本课题所基于的大课题背景：光纤智能金属结 构熔焊快速制造技术的基础研究，并且简要介绍了熔焊快速制造系统的工作原 理，及本课题所研究系统的作用。 通过对各种焊接过程中的焊缝质量检测传感方式的分析，选择采用c c d 视觉 传感方式对熔池图像进行传感及检测，作为本课题的主要研究方向。本课题在以 后的章节中将详细介绍t i g 熔焊快速制造熔池计算机视觉传感系统的建立，还将 针对于熔池图像的特点，提出相应的算法，对熔池图像进行检测并提取相应的焊 缝信息。 在本章最后，对焊接过程神经网络建模进行了概述。用神经网络对焊缝表面 尺寸进行预测，是本课题的另一个研究方面，是对t i g 快速制造中的焊接工艺做 基础研究。 第二章t i g 焊熔池计算机视觉传感及焊接参数控制 2 1t i g 熔敷堆焊视觉传感器系统的传感环境 在t i g 熔焊快速制造中所用到的焊接方法具体被称为t i g 熔敷堆焊，是指采 用t i g 焊的方法，在工件上，通过焊接电弧将焊丝熔化堆积出焊缝。t i g 熔敷堆 焊是一个高温高辐射的过程，往往焊接时工件上的温度为1 2 0 0 。c 左右，焊接中 心温度超过2 0 0 0 。c 。 焊接本身的电弧非常强烈，涵盖可见光，红外线，紫外线等，而幅度最强的 波段为红外线和紫外线之间的3 0 01 0 0 0 n m 。而通常研究人员所关心的熔池区的 辐射光谱主要是在6 0 0 7 0 0 n m 这个范围内【2 3 】 2 6 】。 正是因为t i g 熔敷堆焊是一个高温高辐射的过程，研究人员在进行焊接工 艺研究的过程中，往往希望能在避免人体的受到侵害的同时又能够对焊接对象进 行观察及获取信息。因此，计算机图像检测系统便在焊接过程中被采用了。 计算机图像检测系统的硬件部分主要由视觉传感系统和图像采集及处理系 统组成。视觉传感系统采集到模拟熔池图像后变换为标准视频信号，通过信号电 缆传输到图像采集系统，经过图像采集后，得到数字熔池图像供图像处理。在此 一系列的信号流程中，有多次的信号转换和传输过程，不论是信源还是信道中都 存在程度不同的干扰现象。 2 2t i g 熔敷堆焊视觉传感系统 采用普通c c d 对t i g 熔敷堆焊进行检测，在分析电弧光谱的组成、空间分布 及其影响因素的基础上，提出观测窗口，设计出复合滤光器，这种硬件软件相结 合的特殊滤光措施，能有效的减少电弧干扰，在不同的t i g 熔敷堆焊条件下，均 能拍摄到了较清晰的t i g 熔敷堆焊图像。由c c d 传感器构造而成的机器人的传感 系统被称为机器人视觉传感器系统。 针对于视觉传感系统的使用环境，制作了一个隔热保护盒以替代i c c d 封装 盒，用于保护c c d 及固定滤光片，为了防止其他光线的进入，隔热保护盒只有前 端有一个直径与镜头相同的圆形观察窗口，其他部分为密封的。考虑到滤光片放 在镜头与c c d 光敏板之间时，光线通过 滤光片后产生折射会导致成像会有些变 形，图像整体变亮且比较模糊，所以仍 然将滤光片放在c c d 的镜头前方，并用 夹子将其固定于隔热保护盒内。c c d 视觉 传感器系统在t i g 熔敷堆焊快速成形工 艺中的功能主要是：采集正面的t i g 熔敷 堆焊图像，通过图像采集卡输入工业p c + 图像的传 输路径 溏 光 片 ， 图2 1 视觉系统结构框图 机，在工业p c 机的界面中可以观看到t i g 熔敷堆焊的堆焊轨迹和熔池状况。 根据以上功能要求，t 工g 熔敷堆焊视觉系统的硬件组成包括：可调相距镜 头，c c d 传感器、窄带滤光片、图像采集卡、工业p c 机、c c d 参数调节卡、连接 套件。可调相距镜头，c c d 传感器、窄带滤光片通常会被封装在一起称为集成c c d 或i c c d 。图2 1 为视觉系统结构框图。 2 2 1c c d 视觉传感系统成像原理 c c d 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光片以及垫于最底部的电子 线路矩阵。当数位相机的快门开启时，来自影像的光线穿过这些马赛克色块会让 感光点的二氧化矽材料释放出电子与电洞。经由外部加入电压，这些电子和电洞 会被转移到不同级性的另一个矽层暂时存起来。电子数的多少和曝光过程光点所 接收的光量成正比。曝光之后所产生的电荷都会被转移到邻近的移位存储器中， 并且逐次逐行的转换成信号流从矩阵中读取出来。这些强弱不一的信号会被送入 一个d s p 也就是数位影像处理单元。在这个单元之中有一个a d 类比数位信号转 换器。这个转换器能将信号的连续范围配合色块马赛克的分布，转换成一个2 d 的平面表示系列，它让每个像素都有一个色调值，应用这个方法，再由点组成网 格，每一个点都有用以表示它所接收的光量的二进位数据，可以显示强弱大小， 最终再整合影像输出。 c c d 光敏面上的辐照度为【3 0 】： 眠栌塑掣掣舢脚( 咖o s 4 缈( 2 - 1 ) 9 其中一= 舻a r c t a n f 一 一 丁1 + = 手。 式中丁( 尹) 为光源强度的场分布，尹为到光源的位置矢量，为像距，为物 距，f 。为透镜的焦距；f 为透镜的光圈系数，伊( 兄) 为透镜的透过率，孝为透镜的 杂光系数，y ( 见) 为滤光片的透过率，h 为渐晕系数，缈为轴外像点的主光线与主 轴的夹角。 经c c d 转换后，形成了电荷量信号： 阮+ r r a l 2 级2c 舢纫( 兄) e ( 尹，a ) a r d 2 ( 2 2 ) 式中玎( 旯) 为c c d 光敏阵列探测器的光谱响应，a 为光敏面面积，r 为曝光时 间，k 为量子效率，厶和砒分别为滤光片峰值波长及带宽。 2 2 2 视觉传感系统的标定 忙蓑妄罴霎蓁h 磊荔茎鬟裟h 雾茎姜：磊羹h 耄嚣嚣叫趸嚣 图2 2 视觉传感系统标定步骤 本实验室采用的视觉传感系统组成设备有：m t v - 1 8 8 1 e x 黑白c c d 、d h - c g 4 1 0 采集卡、5 0 m m 固定焦距可调像镜头，国家标准遮光号为7 的滤光片。标准滤光 片是采用精度为0 0 5 d 的透射密度计进行测量，再根据公式s = 1 + 7 3 d 计算出 遮光号s 。式中：s 为遮光号；d 为滤光片密度值。遮光号为7 的标准滤光片是 一种宽带带通滤光片，主要功能是滤除部分紫外线以及减少光强。由c c d 的成像 原理公式，最终影h 向成像的可调因素有：像距、物距、透镜的光圈系数、曝光时 间、轴外像点的主光线与主轴的夹角。标定的步骤流程如图2 2 所示。 1 0 图2 3 为无送丝焊和游标卡尺定标的图像。因为有角度的关系，物体在c c d 的成像是非线性变化的。定标可以确定对应位置的焊缝宽度，极大的方便操作人 员对堆焊轨迹的观察。通过无送丝焊实验，当得到的图像比较满意时记录视觉系 统定标参数：物距为1 6 c m 、像距为7 r a n 、透镜的光圈系数为3 5 、曝光时间为1 6 0 s 、 c c d 角度与水平面成4 5 。 ( a ) 无送丝焊图像( b ) 游标卡尺定标 图2 3 无送丝焊和游标卡尺定标的图像 2 2 3 视觉传感系统图像采集结果 图2 - 4 是实验中拍摄到的图像，从这些图像巾可以很容易判断出实际焊缝轨 迹并不是按照规划的沿直线进行。说明t i g 熔敷堆焊不够规范，要更为严格的限 制堆焊的条件规范。在实验阶段还必须建立相应的堆焊记录表，来记录图像产生 的条件，并为卜一步提高1 1 i g 熔敷堆焊工艺提供可靠的数据。表2 - 1 分别为图 2 - 4 中各图的记录。 图2 - 4 第一层t 1 6 熔敷堆焊图像 表2 - 1t i g 熔敷堆焊记录 l 工件材】c l l i 件尺寸( r c t d 捍照t d 烈i l i c o l 捍接速斑r 叮 】l 气体旄量( lh 血j 捍接电i l 送壁速度e n 岫l 自弧长廓：r 【i醑 0 妇l 柏晰沪3 衄 o 8 l16 8 目 1 1 0 6 0 4 fa 岫l 帕晰沪3 0 8 z 1 2 日 1 1 56 045b i l l 3l 舶钠伪 0 8l _ 6 8 d 12 06 0 4 1c 从实验的结果我们可以得出视觉系统能 够反映出焊接轨迹，且对于t i g 熔敷堆焊的工 艺好坏可以很直观的得出粗略结果。t i g 熔敷 堆焊与对接焊的轨迹形成也有所不同，对接焊 焊缝轨迹通常是沿固定轨迹的，熔池的边缘对 轨迹的影响比较大，因此，在对接焊时，对熔 图2 5t i g 熔敷堆焊的焊缝宽度 池本身的研究比较多。但r i g 熔敷堆焊的焊缝 轨迹宽度主要取决于熔池和凝固金属的相交边界的宽度，实际上需要研究的是熔 池由液态到固态过度的情况。图2 5 为 f i g 熔敷堆焊的轨迹宽度图，白色的线为 游标卡尺定标图像经过处理后的刻度表示，从图中的刻度可知该图的t i g 熔敷堆 焊焊缝宽度约为5 3 m m ，该图对应的实际焊缝宽度为5 2 4m m 。有了t i g 熔敷堆 焊快速成形视觉传感系统，将会极大的方便研究人员对于t i g 熔敷堆焊过程的观 察、控制以及研究。 2 3 t i g 焊快速制造焊接参数开环控制系统 在t i g 焊快速制造中必须对电焊机、送丝机以及数控铣床进行控制。控制 的参量分别有焊接电流、送丝速度、焊接速度，这三个主要影响金属结构成形的 焊接参数。制作焊接参数开环控制系统，通过电脑对焊接参数进行控制，可以极 大的提高t i g 焊快速制造的可控性及效率。 2 3 1 开环控制系统的设计目的 最初的t i g 焊快速制造实验采用的是手动调节焊接参数及控制焊接设备，在 焊接的开始和结束时，由于电焊机起弧和送丝机送丝的人工操作有误容易造成例 如：长时间不送丝，导致焊缝长度不够；焊接结束时没有及时停止焊接过程，导 致电焊机钨棒与工件短接，给焊接及工件造成损害；在多层或多道金属结构堆积 的焊接过程中，容易使得金属结构的两端凹凸不平。除此之外，在焊接多层多道 的金属结构时，由于没有一个很好的焊接参数参考标准，总是要重复多次实验来 寻找焊接工艺参数，而且一旦采用错误的参数，会导致整个金属结构成为废品。 因此，t i g 焊快速制造焊接参数开环控制系统的功能为实现电焊机、送丝机 及数控系统的协调控制，即t i g 焊快速制造过程的自动控制。 2 3 2 开环控制系统的硬件组成 由于t i g 焊快速制造焊接参数开环控制系统的硬件组成包括：f r o n i u s 公司 提供的电焊机t t 2 2 0 0 的控制接口电路r o b 5 0 0 0 ，送丝机f r o n i u sk d 4 0 1 0 控制 用数据线路接口。华中数控世纪星h n c 2 2 m 的控制采用网络数据接口，包括网 线以及集线器。因此焊接参数开环控制系统的硬件组成包括：r o b 5 0 0 0 、网线以 及集线器、n u d a q 6 2 0 8 控制卡、送丝机控制数据线路接口、焊接参数控制接口 电路。 送丝手动开； 毛lx 并5 三? 翟景”絮 s 2 广 6 。 i j k 。k ! _ 。 a c o m p - c t f c i门舵 d a 日b 2 0 8 。iu 送 蚀 控带u 卡 r 1 b 厂矽、肝n d 1 b 玩 v 0 ( 1 9 ) 、| 、，r 8 0 5 0 j 数 i k o据 ，1 c 辐 f 9 四m v lo t ) 。乙 口 一r 舵一 d u kz b l ，飞h p n d2 v 2 ( 1 6 ) ；k n b 8 0 5 0 l i s 一1 5 5 工业电源 v 3 ( 3 4 ) + 5 v l 口翼 v 4 ( 1 3 ) r 32 彳弋唧望 一厂 眦一 1 k n 、点吖。8 0 5 0u d 3 j g 蛐0 5 ) 。j ，1 g 砷 图2 6 焊接参数开环控制系统接口电路图 为了实现焊接过程中焊接开始的起弧、送丝功能以及焊接结束时的停丝、停 弧功能，制作了基于继电器j c z 一2 3 f 作为开关的焊接参数控制接口电路，如图 2 - 6 所示。其中用到了n u d a q 6 2 0 8 控制卡的四个模拟输出端口，当v 0 、v 2 、 v 4 端口为高电平时继电器便会由n c 导通变为n o 导通，电路中对应的控制量 分别为： 1 r o b 5 0 0 0 中的： 1 ) 焊接电流控制的连接方式： 端口，x 2 1 模拟信号范围+ 0 到+ 1 0v ； 端口x 2 8 模拟信号范围一( 负) ； 2 ) 起弧：端口x 2 4 接+ 2 4v ； 3 ) 焊接模式选择： 脉冲焊模式：端口x 2 6 接+ 2 4v ，端口x 8 1 为0v ，端口x 8 2 为0v ； 直流焊模式：端口x 2 6 为0v ，端口x 8 1 为0v ，端口x 8 2 为0v ； 2 送丝机控制数据线路接口： 1 4 1 ) 送丝速度控制： 端口a 模拟信号范围+ 0 到+ 1 0v ； 端口b 接g n d 2 ) 送丝：端口c 接端口d 为了保证在电脑用于焊接过程中的熔池成形观测或是不用电脑控制的情况 下实验能够照常进行，于是在接口电路中还添期1 了起弧手动开关及送丝手动开 关。 2 3 3 开环控制系统的软件设计 图2 7 是用v c f l 制作的t i g 焊快速制造焊接参数开环控制系统的软件界面， 开环控制系统软件的工作流程图如图2 - 8 所示。开环控制系统软件的初始参数 为：焊接模式：t i g 焊模式，焊接速度为0m m s ，焊接电流为0 a ，送丝速度为0 c m m i n 。 在实验过程中使用焊接参数开环控制系统后，实验变得更具有可控性，并且 实验中出现的事故也大大减少了。 图2 7 焊接参数开环控制系统软件界面 开始 利用b p 神经网络 及焊接工艺参数表 预测焊接参数 将焊接参数送入焊接设备 数控铣床速度由0 变大 延迟0 5 秒 起弧 送丝 熔池图像检测获取 焊缝信息并记录 铣床速度变为0 延迟笠0 5 延迟秒j 厂蕊 隰 2 4 本章小节 结束 图2 8 焊接参数开环控制系统软件工作流程 本章从t i g 熔焊快速制造中所用到t i g 熔敷堆焊方法出发，介绍了t i g 熔敷 堆焊的特点及视觉传感系统的环境，通过查阅文献，建立了t i g 焊熔池计算机视 觉传感系统，并在实际应用中取得了比较好的效果。根据t i g 熔焊快速制造实验 及焊接参数控制需要，制作了焊接参数开环控制系统，利用该系统能够方便的控 制焊接参数，极大的方便了在焊接过程中对于不同焊接参数下熔池图像的采集以 及金属结构的制造。在建立硬件系统的情况下，对于如何用图像处理方法获取熔 池的熔宽信息，将在第三章中详细介绍。 1 6 第三章t i g 焊熔池检测与图像处理 3 1 常用熔池图像处理算法概述 熔池检测的目的通常是为了获取熔池的边缘，从而能获取熔池的最大宽度即 焊缝在该点位置的最终宽度。熔池数字图像处理通常包含以下步骤：图像滤波和 增强，图像的阈值化，边缘提取【3 1 。4 0 1 。 3 1 1 熔池数字图像滤波 通常考虑到计算速度问题，经常用的比较经典的处理方法包括：中值滤波、 领域平均法、低通滤波器、多帧平均法【4 1 4 列。 1 中值滤波 中值滤波是一种非线形处理技术，是对一个窗口内所有元素的灰度进行排 序，取其中值作为窗口中心点的灰度值，是一种非参数估计处理方法，它能够较 好的去除脉冲噪声，并能有效保持边缘，但若窗口选择不当，可能使边缘信号受 到抑制。应用中值滤波的原则一般是先用较小的窗口对图像进行滤波。中值滤波， 如果没有明显的边缘信号损失，再使用大一些的窗口进行滤波。中值滤波窗口元 素一般为奇数。中值滤波对于均匀分布噪声，效果最差。 以下是两种改进的中值滤波： 1 ) 相关中值滤波算法【4 3 1 的原理是考虑当前像素与其领域的像素灰度值的 相关性，如果当前点是噪声点，则以当前像素为中心的行方向一定数目像素的灰 度值应该比前一行或后一行相应像素的灰度值低。设选定数目为5 ，则统计均值 为： l、 口2i ( 口一l + 口一2 + a o + 日l + a 2 ) ) 若此值与相邻行的统计均值b 的差值大于设定阈值m ，则将此点认为噪声点。 此点合理的灰度值应是相邻行的灰度值。 2 )加权中值滤波算法【删加权中值滤波算法的原理是将当前像素点及其八 邻域的像素灰度值按由小到大顺序排列，假设值的排列顺序为： 叠一j ，口一3 ，以一2 ，口一l ，口o ，口l ，口2 ，口3 ，口4 ) l11 则当前像素灰度值为：口c2 百口一+ 百口z + i 口，。 2 领域平均法 领域平均法是一种简单的空域技术，是对于一个窗口内所有元素的灰度求平 均，以均值来代替中心点的灰度值。它假设噪声是空间不相关的，并且其平均值 为零。这种方法对噪声的滤除的效果较好，但图像的细节保持不好，使边缘产生 模糊。窗口越大，噪声滤波效果越好，但边缘越模糊。 3 选择平均法 选择平均法是在领域平均法的基础上改造而成的。它只对相同或相近的像素 进行平均，或者按照灰度特殊的程度加权之后再求和，以免造成目标边缘的模糊。 4 多帧平均法 多帧平均法是一种简单的空域处理方法，它将多帧图像叠加起来。它也是假 设噪声是空间不相关的，并且其平均值为零。叠加的图像越多，噪声的滤除的效 果越好，图像的细节保持越好。这种方法的主要困难是难以将图像配准起来，以 便使相应的像素能正确排列。 5 空间域低通滤波 图像中噪声具有空间无关性，他们的频率一般是位于空间频率较高的区域， 而图像本身的频谱则处于空间频率较低的区域，因此可以低通滤波的方法实现滤 波作用，即低频部分通过，高频部分滤除。一般采用离散卷积来实现滤波作用。 3 1 2 熔池数字图像增强 实际采集的图像往往目标物体与背景的差别不大，对比度不大，边缘不够清 晰。图像增强处理采用一系列技术手段对图像进行增强，其目的是改善图像的视 觉效果，或将图像转变为一种更适合于人或机器分析的形式。由于对图像质量要 求在不同用途条件下没有统一的标准，因此图像增强技术还没有统一的理论。增 强的目的不同，导致增强处理算法的差异。 图像增强方法主要可分为两大类：频域法和空域法。频域法是建立在图像傅 立叶变换基础上的，计算比较复杂，计算量较大，一般不适合于实时图像处理。 空域法则是直接处理图像中的各像素，计算简单，计算量小。 空域法主要包括：对比度增强，直方图修正，高通滤波，差分法等4 5 4 6 1 。 1 对比度增强 通过对原始图像的灰度等级做一定的变换，实现增强的目的。即将原图像中 灰度等级为r 的像素点经过函数s - - t ( r ) 转换为灰度等级为s 的像素点。 i 2 直方图修正 图像灰度直方图能够直接反映各种灰度等级在图像内所占的比例大小，它能 概括地描述出图像的样子，通过对直方图的变换，可以祈祷图像对比度增强的作 用。它主要包括直方图均衡化和直接的规定化。 3 高通滤波 图像中的边缘对应图像频谱中的高频成分，因此高通滤波的方法让这些高频 分量无损耗或低损耗地通过滤波器，而把图像低频分量加以抑制。空间的高通滤 波，可以使用卷积运算实现。 4 差分法 为了使图像中不同走向的边缘和线条突出出来，而采用一种各向同性的，线 性微分算子。对于离散的数字图像，则是差分算子。 3 1 3 熔池数字图像的二值化 图像阈值化是工业视觉系统进行物体检测的主要技术之一，尤其是对于高数 据吞吐量的应用，阈值化更为有效4 7 1 。 阈值化过程是根据图像直方图特征，通过设定阈值，把原图像变换成仅用两 个值来分别表示目标和背景。二值化是阈值化的一个特例，可用公式表示如下： 贴川= 悟凳筢 通常，用二值图像g ( x ，y ) 中的1 表示目标子图，0 表示背景子图。选择阈值的 方法有人工确定和自动选择两种。人工确定方法简