（机械电子工程专业论文）弧焊机器人多信息质量检测系统的研究.pdf

摘要 为了克服在机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高弧 焊机器人智能化水平和工作的可靠性，实现焊接参数的在线调整和焊接质量实时 控制，这就要求机器人能够对焊接质量进行实时检测。 为此，本文提出了一种基于弧焊机器人的多信息质量检测系统，该系统主要 由视觉传感系统和温度检测系统组成。为了解决弧光干扰问题，将窄带滤光片、 减光片和玻璃片组成的光学系统，置于导光通路中，构成传感系统的前置光路部 分。与此同时，还加入了脉冲触发电路，控制传感系统的数据采集时刻，进一步 避开电弧干扰。 对熔池图像处理算法本文也进行了深入的研究，设计了一套行之有效的图像 处理方法。通过对原始图像进行分析，首先采用自适应维纳滤波算法对图像进行 平滑处理，然后运用o t s u 阈值法，选择最优阈值对图像进行二值化。在熔池图像 后处理中，采用二值形态学方法，对图像先后进行腐蚀、去除小面积物体和膨胀 操作。最后，运用p r e w i t 边缘检沏, l j t 算子，提取完整清晰的熔池边缘。 为了描述熔池形状，本文采用了简单有效的特征参数，即熔池形状由熔池半 长l 、最大宽度w 、熔池后拖角0 和熔池面积s 来确定。对边缘提取后的图像进 行扫描，得到所需的熔池特征参数的像素值，对视觉传感系统进行标定将像素值 转化为实际的物理量。 本文还针对弧焊温度场的特点，讨论了辐射测温所应采取的方法及波长选取 原则。根据k r a m e r s u n s o l d 理论得到电弧等离子体辐射强度公式，建立电弧辐 射模型，利用电弧干扰对测温的信噪比公式，从测温仪的角度、波长和电弧有效 温度三方面对近熔池区电弧对测温点的干扰进行了分析。定量的证明了在小电流 电弧干扰时辐射测温法的可行性。 关键词：多信息质量检测；视觉传感；图像处理；特征参数；辐射测温 a b s t r a c t d u r i n gt h er o b o t i cw e l d i n g ，f o rt h es a k eo fg e t t i n go v e rt h ee f f e c to fu n c e r t a i n f a c t o r s ，e n h a n c i n gw e l d i n gi n t e l l i g e n c ea n dw o r k i n gd e p e n d a b i l i t yo fa r cr o b o t ， a c h i e v i n gw e l d i n gp a r a m e t e r si n l i n er e d r e s s a l ，a n dt h ew e l d i n gq u a l i t yb e i n g c o n t r o l l e d ，t h ea r cr o b o tm u s th a v et h ea b i l i t yo fr e a l t i m eq u a l i t yd e t e c t i o n s o ，t h em u l t i i n f o r m a t i o nq u a l i t yd e t e c t i o ns y s t e mi s m e n t i o n e d ，i ti n c l u d e s v i s u a ls e n s i n ga n dt h es y s t e mo fr a d i a t i o nt h e r m o m e t r y f o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo f e l e c t r i ca r c ，c o m p o s i t ef i l t e rt e c h n o l o g ya n d p u l s e b u r s te l e c t r o c i r c u i ta r ea d d e d al o io fi m a g ep r o c e s s i n ga r i t h m e t i co fw e l dp o o li ss t u d i e di nt h ec o n t e x t a n d a ne f f e c t i v ei m a g e p r o c e s s i n gp l a ni sd e v i s e di nt e r m so ft h e m a c c o r d i n gt ot h ed e e p a n a l y s i so ft h eo r i g i n a li m a g e ，f i r s t l y ，t h ew i e n e ro p e r a t o ri su s e dt of i l t e r ，a n dt h e n t h eo t s ua r i t h m e t i ci su s e dt op i c ku po p t i m u mv a l u et ob i n a r y t h em o r p h o l o g i c a l a r i t h m e t i co fe r o s i o n ，c l e a r i n gs m a l l e ra r e ao b j e c ta n dd i l a t i o nm e t h o da n dp r e w i t ta r e a l s ou s e di nt h i sp a p e r f i n a l l y ，t h ec l e a re d g eo fm o l t e np o o li so b t a i n e d f o rd e s c r i b i n gt h es h a p eo fw e l dp o o l ，s i m p l ea n dv a l i ds h a p ep a r a m e t e r sf o r d e t e r m i n i n g t h e s h a p eo fw e l dp o o l a r e p r e s e n t e di n t h i s p a p e r ：h a l f - l e n g t h l ，m a x i m a lw i d t hw ，b a c k - d r a g g i n ga n g l e0a n da r e ao fw e l dp 0 0 1 a f t e rp i c k i n g u p t h ee d g eo fw e l dp o o l ，t h e i m a g ei sc a n n e d ，t oo b t a i nt h ep i x e lv a l u eo fc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r i no r d e rt ot r a n s l a t et h ep i x e lv a l u ei n t op h y s i c a lv a l u e ，t h ev i s i o ns e n s i n g s y s t e mi sd e m a r c a t e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fw e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h em e t h o d so ft h e r a d i a t i o nt h e r m o m e t r ya n dt h ep r i n c i p l eo fs e l e c t i n gw a v e l e n g t ha r ep r o b e di nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fk r a m e r s u n s o l d ，t h er a d i a t i o ni n t e n s i t yo fa r ci s o b t a i n e d ；t h em o d e lo fa r cr a d i a t i o ni sb u i l t t h er a t i oo fs i g n a lt on o i s ei su s e dt o a n a l y z et h ee f f e c to fa r co nr a d i a t i o nt h e r m o m e t r y ，w h i c ht h et h r e ef a c t o r so ft h e a n g l eo ft e m p e r a t u r ed e t e c t o r , w a v e l e n g t ha n dt h e a r ce f f e c t i v et e m p e r a t u r ea r e c o n s i d e r e d t h em e t h o do f t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti sf e a s i b l ew h e nt h ea r cc u r r e n t i sd e c r e a s e dt oas m a l l e rv a l u ei nw e l d i n g p r o c e s s s k e yw o r d s ：m u l t i i n f o r m a t i o nd e t e c t i o n ；v i s u a l s e n s i n g ；i m a g ep r o c e s s i n g ； c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r ；r a d i a t i o nt h e r m o m e t r y 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或 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论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓芴努秀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：篼芳髻 签字日期：神年，月加 导师签名： 签字日期：力瑶年f 月目 学位论文的主要创新点 一、为满足弧焊机器人在线质量检测的要求，设计了一套多信息质量检测系 统及其控制软件，并加入脉冲触发电路，实现采集时刻的可控化。 二、本研究系统在图像处理方法上提出了一套快速而有效的方案，采用自适 应维纳滤波和o t s u 阈值分割算法，在很好地去除随机噪声的同时自动选择阈值， 适用于多种焊接情况。后处理中采用形态学各种算法，使得边缘提取更准确，减 少了图像处理所带来的误差。 三、对弧焊过程中电弧光对温度的影响进行了定量分析，根据 k r a m e r s u n s o l d 理论得到电弧等离子体辐射强度公式，建立电弧辐射模型从理论 上讨论了弧光对温度测量信噪比的影响，验证了小电流情况下辐射测温的可行 性，为实施温度信号的准确采集提供了理论支持。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的学术背景及研究意义 1 1 1 学术背景及问题的提出 在金属材料加工过程中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业。在工 业发达国家，每年钢铁产量的4 0 以上要通过焊接才能转化为最终产品。 焊接领域是一个跨学科的交叉领域l l l ，焊接技术的每一次飞跃发展，无不与 新材料技术、电力电子技术、控制理论、计算机技术、计算方法、图像处理、光 电技术、模式识别与人工智能理论的飞速发展有着莫大的联系，为焊接自动化提 供了十分有利的技术基础，并不断在许多领域取得初步性的成果。 从焊接质量、生产效率等方面考虑，气体保护焊是最有发展前途的方法。 但其焊接过程是一种受多参数制约、许多随机干扰因数影响的复杂的工艺过程。 为了得到高质量焊接产品，采用焊接信息检测与过程控制，达到焊接过程的自动 化和智能化1 2 。而实现焊接质量自动控制的前提条件是准确可靠地检测出反映焊 接质量的信息，焊接熔池包含有较为丰富直接和间接焊接质量信息，利用传感器 从焊件正面检测出反应焊接质量的信息，具有重要的理论意义和工程使用价值。 1 1 2 本课题的研究意义 弧焊机器人焊缝宏观几何尺寸实时控制，需解决的主要问题是由于机器人焊 接特殊性，决定了基本上只能从焊缝正面来传感熔池表面二维几何尺寸。而实际 上熔池几何尺寸是三维的，熔池的高度信息即焊缝的熔深与背面熔透传感与控制 是目前公认的弧焊机器人质量控制的热点与难点。 纵观视觉方法和温度方法对弧焊机器人质量控制可以看出：( a ) 用视觉方 法可以实现焊缝跟踪控制，可以获取比较精确的表面熔池二维几何尺寸特征量， 但这些特征量与熔深或背面熔宽基本没有物理关系，只能靠实验模型来解决这个 难题，由于焊接过程影响因素的多样性和复杂性，实验模型受到很大限制。同时 也实现不了焊缝微观组织的控制。( b ) 而采用温度方法，温度测试的精确度现有 技术条件还没有办法解决，获取的是温度的相对值，另外建立的三维温度场解析 物理模型还只是静态或准稳念的，对具有动态、热滞后焊接温度场实际上无法进 行控制。 第一章绪论 几十年来研究证明，用单一传感器系统来解决上述问题，最终保证机器人焊 接质量是比较困难的。近年来在军事及其它工业机器人系统中广泛使用的多传感 器信息融合技术为解决弧焊机器人焊缝质量控制提供了一条新的思路和途径。本 课题通过多质量检测系统得到温度信息和视觉信息，为后续的多信息融合、数理 模型的建立提供依据。 1 2 国内外视觉传感技术的发展现状 近几年来，随着计算机视觉技术的发展，利用机器视觉正面直接观察焊接熔 池，通过图像处理获取熔池的几何形状信息实现焊接质量的闭环控制，已成为焊 接过程传感的重要研究方向。视觉传感主要利用可见光谱中的可见光段对焊接区 成像，图像中的景物与焊接区部分一一对应，非常直观。其主要优点是不接触工 件，不干扰正常的焊接过程，获取的信息量大，通用性强。 直接视觉传感在焊接过程中的应用包括离线确定被焊工件的位置，在线补偿 由于固定精度、机器人各部分的容差、焊接过程中焊件变形引起的焊接路偏差、 焊接过程中焊接接头和熔池几何形状的实时传感、熔滴过渡形式的检测1 3 j 。 1 2 1 国外视觉传感的研究进展 对于焊缝跟踪系统的视觉图像处理方法，目前在国外，很多焊接研究工作者 已经做了很多的研究工作，有的已经实际应用于焊缝跟踪系统中。 m k a w a h a a r a 4 】设计了一套弧焊视觉系统专门用于检测v 型焊缝的，他所采用 的主动光源是单条带的结构光。用c c d 摄像机摄取图像，预处理阶段，先对输入 图像进行二值化，然后利用一个延时电路，对先后得到的几幅二值化图像进行求 与运算，来消除噪声的干扰。后处理中，先对图像按行进行压缩，并在每一行上 按照设计的方法检测出光带斜边上的点，提取所有斜边上的点后可以进一步利用 最小二乘法拟合得到两条斜边的交点，这交点即为焊枪应该到达的地方。这种按 行处理的方法在牛津大学w f c l o e k s 证等人所构造的系统中得到了广泛的应用。 1 9 9 4 年日本人y s u g a 等人将神经网络运用到焊缝跟踪中【引，在该系统中采用 了视觉传感器并用神经网络进行图像处理以获得焊缝的形状数据，实验结果表明 此系统具有较强的鲁棒性，能有效的进行焊缝跟踪。 同期j k a r e l 和s r i k o 进行了一种神经网络型跟踪控制，设计了机器人关节空 间和笛卡尔空间两种神经网络控制器，通过在一个2 关节的s c a r a 机器人上的实 验表明，神经网络型控制器的路径跟踪精度比传统的机器人计算力矩控制法高得 多，并用李亚普诺夫原理证明了神经网络控制器的稳定性。 第一章绪论 1 9 9 5 年h b s m a r t t 将人工神经网络和模糊控制技术同时应用于焊缝跟踪的控 制【6 】，通过激光飞点测量焊炬和焊缝的位置与方向偏差，应用模糊控制概念，实 现焊炬的位置控制。但该模糊控制器不具有学习功能，控制规则是根据经验预先 总结而确定，因而在较复杂的不确定的焊接过程中进行控制时往往精度较低。 目前，很多国家都有基于结构光的激光焊缝跟踪的商品化产品，法国的s a f 公司已开发出了一套高分辨率的激光摄像机及其焊缝跟踪系统，可用于自动焊接 和机器人焊炬的焊缝跟踪、导向和探伤。h i t a c h i 公司的机械工程实验室的 n s h i b a t a 开发了基于结构光的焊缝跟踪系统，其横向跟踪精度为0 1 5 m m ，纵向 跟踪精度为0 1 8 m m l 7 1 加拿大m o d u l a rv i s i o ns y s t e m 公司向市场上推出了一种三 维视觉传感器，可针对仅有0 0 5 m m 的根部开口或误差的待焊接头，在高达 2 0 m m in 的焊接速度下进行跟踪，跟踪精度达到o 0 2 0 m m l 剐。 机器视觉用于在焊接熔池图像提取上的应用比焊缝跟踪晚，但是发展很迅 速，至今已取得了实际性的成果。 为了有效抑制弧光干扰，美国肯塔基大学r k o v a c v i c 设计了一套由强脉冲激 光栅格状多结构光条纹和高电子快门摄像机组成的熔池视觉检测系统。摄像机的 电子快门和激光脉冲同步，脉冲激光器的平均功率为7 m w ，在一个脉冲周期内 激光脉冲持续时间为3 n s ，激光脉冲功率可达5 0 k w ，激光波长为3 3 7 n m 。在摄像 机曝光时间内激光的光强远远大于弧光的光强，另外在摄像机成像的光路系统中 又加入了与激光波长相匹配的窄带光学滤波片，有效的抑制了弧光干扰，进一步 提高了图像的信噪比，获得了非常清晰的熔池表面图像1 9 j 。 早期的r w r i c h a r d s o n 等1 1 0 以2 】研制了一套放置在焊矩内部与电极同轴的集 成化视觉传感系统，利用电极和导电嘴挡住电弧最亮的部分，减小了图像系统对 电弧光的过量曝光，可以观察到全部焊接区。该g t a w 同轴观测视觉系统由标 准的光学实验台和经过改装的g t a w 焊矩组成，g t a w 焊矩被改装成水平，钨 极用一个特殊的电极夹具固定。为了同轴观测熔池，保护气喷嘴顶部由一个光学 玻璃密封，安装在光学实验台上的光学成像系统借助焊矩正上方的观察孔进行熔 池观察。成像系统使用一个聚焦透镜，透镜套内带有光缆用以控制光学孔径的大 小，聚焦透镜被放置的高度正好使其焦点位于熔池上，因此，光线通过聚焦透镜 变为平行光反射9 0 0 后进入摄像机镜头。利用上述方法在g t a w 熔池观察和 g m a w 焊缝跟踪等方面进行了初步的研究。 同本大岛健司利用c c d 通过周期性减小焊接电流，获取清晰熔池图像，实时 控制熔宽，从而控制熔透i l 引。在这方面所做工作还有美国爱迪生焊接研究所 b l a s t a d j 等人【1 4 1 。o h i o - ) 、l i i 立大学r i c h a r d s o n 发明了一个光子同轴熔池系统，来获 得熔池图像i j 。 第一章绪论 1 2 2 国内的视觉传感的研究进展 国内对焊缝跟踪和熔池图像采集的研究起步较晚，尤其对焊接机器人的研 究，研究手段和研究方法还处于探索时期。但是这些关于焊缝跟踪的研究都是针 对我国焊接行业的国情进行的，是我国进行焊缝跟踪研究工作的基础，对进一步 研究焊缝跟踪提供了很多有益的启示。 潘际銮院士与何方殿等人对较早出现的线阵c c d 在焊缝跟踪中的应用进行 了研究。并对电弧的光学特性进行了探讨，通过传感器的结构设计、滤光、模拟 滤波及计算机数字滤波等技术，解决了弧光干扰问题，系统跟踪精度约0 3 m m 1 6 j 。 天津大学赵家瑞等人利用声电匹配和聚焦声透镜技术【1 7 j ，研制出1 1 5 m i - i z 高灵敏度、高分辨率的空气超声波传感器，设计了单片机信号采集、处理控制软 硬件系统和纠偏执行机构，首次实现了扫描式、固定式超声传感二维自动跟踪。 天津大学胡绳荪等人研制了一种非接触超声传感焊缝跟踪系统1 1 引，采用了新 型的超声波传感器，用一套扫描装置使传感器在焊道上方左右扫描，超声传感器 发射超声波遇到焊件金属表面时超声波信号被反射回来，并由超声传感器接收， 通过计算传感器发射到接收的声程时间可以得到传感器与焊件之间的垂直距离。 控制系统则根据检测到的偏差大小及方向在高度方向进行纠偏调整。同时设计了 焊缝跟踪f u z z y p 控制器的硬件及软件，提高了系统的响应速度和跟踪精度。华 北石油管理局为了提高厚壁管的焊接效率、完成自动跟踪纠偏，利用c c d 面阵摄 像机作为前面焊缝检测传感器，s t d 工控机作图像数字处理、识别、确定焊缝位 置，并控制焊枪运动机构来实现焊缝在线自动跟踪实时纠偏。但由于管材较厚， 只采用c c d 摄像头不能得到清晰的焊缝坡口形貌，难以对准焊缝中心影响了焊缝 的跟踪精度。 清华大学曹一鹏针对c 0 2 短路过渡焊接熔池图像实时检测的要求，研制了一 种基于普通工业c c d 摄像机的专用传感器。介绍了该传感器紧凑的机械结构和独 特的光学设计，设计了可消除c c d 摄像机固定工作时序与c 0 2 短路过渡发生的随 机性之间矛盾的实时检测熔池图像的控制时序，给出了相应的图像检测系统的工 作原理。试验表明，采用该图像传感器可以围绕焊枪轴线从不同角度快速、准确 地获得清晰的熔池图倒1 9 j 。 王建军等人【冽在设计视觉传感系统的时候形式上借鉴了前人同时同幅图像 传感的经验，根据铝合金材料特性以及在焊接过程中表现出来的特殊性，发展了 宽带滤光系统，并利用该系统在材料型号为l d l 0 的3 m m 厚的平板对接工件上进 行了焊接过程取像。试验在基值电流为9 0 a 下延时5 毫秒之后发出取像指令，可 以得到一帧清晰完整的熔池正反面图像。 文献 2 1 利用脉冲g t a w 基值期间焊接电流较小，弧光较弱的特点，在电流 第一章绪论 下降后经过一定时间的延时以消除弧光余辉的影响，同时采用复合滤光技术，即 窄带滤光加中性减光技术，用普通c c d 摄像机在基值期间成功的获取了熔池图 像。并且认为在熔池尾部成4 5 。角观察时得到的熔池图像效果较为理想，并用于 2 m m 低碳钢板脉冲g t a w 熔宽的实时检测和控制。 肖强通过对光谱谱线的分析，在电弧谱线间隙中选取一个窗口，利用熔池本 身的发光及部分电子光谱背景在熔池及工作表面的反光观察近弧区的图像，以避 开电弧强谱线的干扰。他利用电弧和熔池的自身光谱辐射，通过选择一个特定的 辐射区域，使弧焊区各辐射源的光强达到了一个合适的比例，有效地提高了在可 见光波长内电弧、熔池和焊缝三者间同时成像的清晰度，为焊缝轨迹自动跟踪和 智能弧焊机器人视觉传感的开发提供了理论依据和应用实例。哈尔滨工业大学的 娄亚军将降低焊接电流的方法和选择观测窗口的窄带滤光方法相结合，研制了熔 池正反面视觉图像同时同幅传感系统，效果好于单独采用降低焊接电流和窄带滤 光片法，但是，该方法仅适用于脉冲焊，并且对焊接过程有一定的影响。王建军 等f 矧在对铝合金焊接电弧光谱分析的基础上，以焊接电弧光中的连续光谱作为光 源，采用宽带滤波方法设计的光学图像传感器，利用普通工业c c d 摄像机拍摄出 了清晰的铝合金焊接熔池图像。 1 3 国内外辐射测温技术的发展现状 电弧焊时，由于电弧对焊接工件的加热，在焊接熔池及周围形成温度场，此 温度场在熔池及周围金属的表面形成一种二维温度场，决定着熔池与周围金属表 面的温度分布。由于任何温度场都伴随有红外辐射，利用焊接区的红外辐射传感 焊接过程信息，因此采用非接触红外辐射的测温方法就可以实时地检测到熔池及 周围金属的表面温度场，而且熔池和热影响区的辐射量不一样，可以检测出熔池 的边界，提取出熔池形状参数。 国外在这方面很早就进行了研究，尝试了单点测温、多点测温、测量焊接温 度场等多种方法，多采用远红外测温仪，取得了很多实质性的成果。 对于多点测温，由于弧光干扰，一般不能直接检测熔池，只能检测近弧区温 度场，日本学者y k o z o n o 禾1 用高温计检测熔池后部一点温度，建立与背面熔透的 对应关系【矧，所使用p b s 探测器峰值波长2 3 p - m 。加拿大学者t e b o l l o t 等采用光 纤束来代替复杂机械扫描，获取熔池前部及熔池横向温度场信息，所用探测器仍 为p b s ，峰值吸收波长在2 2 5 i - t m i z 4 1 。g r i d e r 采用c c d 传感器通过瞬时熄灭电弧 1 - 2 m s ，获取熔池辐射信息，建立熔透控制模型，同时调节焊接电流和焊接速度 得到均匀一致熔透成形【2 引。文献 2 6 1 介绍了测量工件表面三个点的温度，然后 第一章绪论 根据这三点的温度算出两个方向的温度梯度，进行一系列实验，以确定温度与熔 池尺寸之间的关系。在控制中只采用一点进行闭环控制。 美国a u b u o n 大学以b a c h i n 教授为首的学者，运用波长为1 2 9 m 红外摄像机 获取热图像，对焊接温度场进行了深入的研究旧，对于熔透控制，发现在熔池边 缘等温线近似于一个椭圆。这个椭圆的短轴和椭圆的面积与熔透深度的变化有一 定对应关系，主要利用电流来实现控制。通过研究还发现熔宽与热扫描面积下1 2 峰值温度的宽度成正比，热扫描面积与电弧功率成指数关系，熔透深度与热扫描 面积成指数关系。 n a g a r a j a n 等人使用光谱范围在8 9 m 以_ t ：的远红外摄像机，图像传感器直接拍 摄电弧正下方熔池的温度场，发现焊道宽度与被测截面峰值温度的半宽之间存在 线形关系，另外还发现接头熔深的对数与被测截面峰值温度下的积分面积之间也 存在线性关系。将发现的规律用于m a g 焊接过程的质量控制，取得了较好的结 果。 b o i l l o t 等人采用红外辐射检测焊接区熔池及其周围温度场的分布，不仅可以 控制焊缝背面熔宽，还可以根据熔池温度场分布的对称性判断电弧是否偏移及偏 移的方向，从而实现焊缝对中和焊缝跟踪，但未能解决弧光干扰和温度场标定问 题【2 引。 国内红外传感用于自动焊，可以追溯到2 7 年前的熔化自动焊红外温度传感 系统。1 9 8 1 年哈尔滨工业大学焊接教研室的吴林、陈定华等人利用红外测温的原 理，应用计算机图像法，将红外摄像系统和伪着色处理系统与计算机相连接，研 制成红外摄像机伪着色系统，实现了实时检测t i g 焊未焊透情况下的背面温度场 检测。 刘玉池等人利用近红外摄像机，通过带通滤光片，针对脉冲t i g 焊特点， 在脉冲基值摄取图像，得到了高信噪比的熔池图像，通过对熔池正面图像处理， 初步建立熔池宽度、熔池面积、熔池周围平均灰度值之间的关系。 清华大学焊接教研室陈强等人于1 9 8 9 年对焊缝背面横向温度场实时检测作 了探讨，提出了以图像传感器识别背面横向温度场的数学模型及计算机处理方 法，通过实际的焊接过程温度检测比较试验，验证了所作的理论分析和数学模型 推导的正确性。其建立的数学模型减少了人为假设条件，并且用c c d 图像传感器 和数据处理器在1 0 0 r a m 内实时检测了焊缝温度场。 大连理工大学黄瑞生，刘黎明【2 9 l 等人以变形镁合金a z 3 1 b 为研究对象，采用 红外热像仪拍摄镁合金激光一t i g 复合热源焊接过程中的焊接温度场，提出一种 基于红外辐射测温原理。并针对红外热像仪的焊接温度场校正方法，采用热电偶 验证该校正方法的准确性。利用数值模拟方法模拟整体温度场。试验结果表明， 第一章绪论 实温校正可准确校正试件表面状态一致区域的温度场，而表面校正可消除试件表 面状态改变而引起的对温度场分布的影响，结合实温与表面校正方法能准确地校 正镁合金激光一t i g 复合热源焊接过程中电弧覆盖范围外的温度场，焊接温度场 数值模拟可以比较准确预测并反映整体焊接温度场实际分布。 总的来说，我国的焊接人员对焊接过程质量控制的方法进行了研究，并在某 些特定的应用中获得了成功。但是由于种种原因，许多研究还停留在实验室中， 在生产中应用的绝大部分还是针对特定焊接对象和焊接状况的质量控制系统，能 够形成商品化的产品非常少见。这正是我国在焊接自动化领域与发达国家的最大 差距。 1 4 本文主要研究内容 本文结合天津市自然科学基金重点项目，天津市教委科技发展基金项目 ( 0 5 y f j 刁c 0 2 1 0 0 ) 。以脉冲g m a w 焊接过程为研究对象，对基于焊接区熔池直 接视觉图像传感和近熔池区红外温度检测进行了深入的研究。主要完成了以下几 个方面内容： 1 、由于g m a w 过程熔滴过渡现像的复杂性，本文对g m a w 焊接工艺进行了研究， 从而得到了最佳采样时刻和基值电流，以适应熔池图像信号和温度信号检测的需 要。 2 、进行了摄像机的选型、对传感器的安装、最佳结构和光路的设计等进行深入 的分析，根据脉冲g m a w 弧光光谱分布，选取适当的谱段和取像角度来调整电 弧、熔池和母材之间的光强比，去获取熔池图像。设计一套可用于熔池成像的计 算机视觉图像传感系统。 3 、对熔池视觉传感系统进行标定，从而确定出图像平面中的像素与工件坐标系 中的实际物体尺寸之间的关系。针对检测到的焊接熔池图像，基于v c + + 6 0 平台， 设计和丌发了熔池图像的处理算法，用以提取反映熔池形状的特征参数，为以后 建模和焊接过程控制打下基础。 4 、对弧焊温度场辐射测试方法进行理论分析，得出在焊接条件下各种辐射测温 法的灵敏度及误差，选择合适的红外测温仪和测温方法。 5 、建立电弧辐射模型，根据k r a m e r s u n s o l d 理论得到电弧等离子体辐射强度公 式，分析焊接过程中电弧对辐射测温的影响，选取最佳的测温点及测温仪的位置， 达到较高的信噪比。 第二章弧焊机器人脉冲g m a w 焊多信息质量检测系统 第二章弧焊机器人脉冲g m a w 焊多信息质量检测系统 在焊接过程中，通过检测到的焊接动态信息实现焊接过程的自动控制是研 究的热点。其中，利用直接视觉传感的方法获得清晰的熔池图像和从正面温度 场获取熔池几何尺寸信息【3 ，是实现焊接过程的自动化和智能化的两大途径。 国内外很多学者分别在这两方面做了大量研究，但这两种方法都有其局限性。 视觉方法可以获取比较精确的表面熔池二维几何尺寸，但这些与熔深或背 面熔宽的关系只能靠实验模型来解决。而采用温度方法，温度测试的精确度还 没有办法解决，另外建立的三维温度场解析物理模型还只是静态或准稳态的。 本文基于上述因素考虑，提出多信息质量检测系统，即使用多传感器同时检测 出焊接过程中反映焊接质量的图像和温度信息，为后续的多信息融合做准备。 2 1 系统硬件组成及工作原理 在理解系统工作原理之前，我们先来了解下系统的硬件组成。多信息质量 检测系统由以下几个部分组成：1 ) 主控微机；2 ) 计算机；3 ) 视觉检测系统； 4 ) 测温系统；5 ) 电焊机；6 ) 机器人；7 ) 触发电路。系统示意图如图2 - 1 所示。 这7 个部分缺一不可，在多信息质量检测统中都发挥着重要作用。 图2 - 1脉冲g m a w 焊多信息质量检测系统 第璋弧焊机器人脉冲g m a w 焊多信息质尾检测系统 本系统主要用于焊接过程熔池图像和近熔池区温度的检测。焊接前，通过 主控微机设置焊接电流、电压、频率、送丝速度和焊接速度，设定运动轨迹。 打丌电源，系统外始工作同时运行软件，此时系统处于工作状态。通过触发 电路，触发摄像机和红外测温仪分别进行熔池图像的实时监控和近熔池区温度 的实时采集，将检测到的数据传给计算机进行处理得到我们需要的反映焊接质 量的熔池尺寸数据和温度数据。为届续的控制做准备。图2 2 为弧焊机器人系 统实物削。 22 焊接系统 吲2 - 2 弧焊机器人系统 焊接系统包括焊接电源、焊接机器人、控制柜和主控微机。焊接电源采用 l i n c o l n 公司提供的p o w e rw a v ef 3 5 5 i 型电焊机，包含送丝机构。焊接机 器人采用日本f a n u c 公司的a r c m a t e l 0 0 i b 型 自由度弧焊机器人，r j 3 i b 型控制柜。主控微机为i b m 原装计算机，其配置有c p u ( 双c p u ，i n t e l p e n t i u m ( r ) 4 ，主频3o g h z l ，内存( 2 5 6 m b ) ，硬盘( h d s 7 2 8 0 6 0 p l a t 2 0 4 0 g b ) ， 网卡( i n t e l ( r ) p r o ，1 0 0 0 m t n e t w o r k c o n n e c t i o n ) 。 第二章弧焊机器人脉冲g m a w 焊多信息质量检测系统 主控微机和控制柜之间通过标准的i u 4 5 网络接口相联。通过访问控制柜 i p 地址( 1 9 2 1 6 8 0 2 ) ，实现主控微机与控制柜之间的通讯，数据交换遵循t c p i p 协议。控制柜根据主控微机发出的指令控制机器人的行走，控制电焊机给定电 压、电流、送丝速度。 2 3 熔池视觉传感系统 脉冲g m a w 焊熔池图像视觉检测系统包括：c m o s 摄像机、触发电路、复 合滤光系统、计算机。系统主要完成电弧的滤光、图像采集、图像数字化、图 像传输、图像处理及熔池特征参数检测。图2 3 为熔池视觉检测系统框图。 图2 - 3 熔池视觉检测系统框图 2 3 1摄像机的选取与计算机硬件接口的实现 摄像机是图像采集的重要部件，它的选择也很重要，关系到所拍摄图像的 实际范围、清晰度、像素数等。这些参数也直接或间接的影响甚至决定了图像 处理的难易程度、最终结果的精确性1 3 1 j 。 本系统采用的是瑞士p h o t o n f o c u s 公司的h u r r i c a n e 4 0 高速相机( 如图2 4 所示) 。瑞士p h o t o n f o c u s 公司主要专注于c m o s 芯片、c m o s 相机的研制。其 生产的c m o s 芯片在全球享有很高的声誉，有多家著名公司都利用其c m o s 芯片作o e m 相机。其研制的c m o s 相机具有大像素、高灵敏度等特点，内置 的l i n l o g 专利技术可大范围提高相机的动态范围，在采用l i n l o g 技术的情况下， 动态范围可扩展到1 2 0 d b ，非常适合焊接质量检测等方面的应用。 主要特点包括：高动态范围总体快门( g l o b a ls h u t t e r ) c m o s 相机，模拟1 英寸一c m o s 传感器，黑白，1 0 2 4 x 1 0 2 4 的像元， 1 0 舡mx 1 0 劬m 像素，4 0 0 - - 1 0 0 0 n m 光谱范围，采用总体快门( g l o b a ls h u t t e r ) ，全分辨率情况下( 1 0 2 4 木1 0 2 4 ) 最快帧频可达1 5 0 帧秒，无s m e a r ，无b l o o m i n g ，可开窗选择，数据接口u s b 2 0 ， 相机大小5 5 5 5 4 9 m m 3 。 1 0 第二章弧焊机器人脉冲g m a w 焊多信息质量检测系统 232 窄带滤光系统 圈2 4 视觉传盛器 由于焊接电弧温度在几干至几万度之间，其辐射能量主要分布在紫外区和可 见光谱区而余属材料辐射能量主要分布在近红外和中远红外光谱区p ，因此理 论上可以通过过滤电弧光的措施来提取出熔池及其周围热场的图像。根据弧光辐 射和熔池辐射的特性，采用窄带滤光系统。其设计原理足根据某种材料的焊接电 弧光谱选中某一中心波长此波长对应的盒属谱线的光谱强度大干此谱线周围的 连续光谱的辐射强度通过滤光片将此波长以外的弧光滤掉p 。 近熔池表而区光谱主要由铁原子光谱、铁离子光谱和熔池会属辐射产生的连续 光谱组成，弧柱区的光谱主要由氩原子和离子的谱线组成。由焊接电弧激发条件 下氩元囊原子和离子谱线分靠图2 5 、幽2 6 可毗看1 3 4 1 在波k 6 0 0 n m 7 0 0 n m 范 围内电弧光基本上为强度较低的连续光谱，氩元素谱线主要集中在3 6 0 n m 5 8 0 n m ，而在4 0 0 n m 7 0 0 n m 范围内铁元素的谱线强度大于氩元素。通过大量实 验，采用波长6 6 7 t2 n m 的窄带滤光片、减光片和玻璃片组成的光学系统置于 导光通路中，构成传感系统的前置光路部分。 圈2 - 5 氪元素特征曲线强度分布 卫 城孔琳眦 第二章弧焊机器人脉冲g m a w 焊多信息质量检测系统 ? 4 目 乞3 占2 巷1 , q a 三o 2 4 温度检测系统 | l 枷e l 螂6 0 0 h ( 眦) 8 0 0 l 0 0 0 图2 - 6g m a w 电弧光谱分布 辐射测温系统主要包括：红外测温仪、触发电路、数据采集卡、计算机。 在焊接过程中通过触发电路将检测到的电流信号转化为t r l 脉冲信号，数据采 集卡将检测到的脉冲信号传送给计算机，判断脉冲信号的下降沿( 此时对应的 焊接电流基值时刻) 给温度传感器发出信号采集温度。图2 7 为温度场正面温 度实时检测系统框图。一。 图2 7 温度场正面温度实时检测系统框图 2 4 1 红外测温仪的选取 红外测温技术在产品质量监测、设备在线故障诊断、安全保护等方面发挥 了重要作用。在选择测温仪型号时应首先确定测量要求，如被测目标温度，被 测目标大小，测量距离，被测目标材料，目标所处环境，响应速度，测量精度， 用便携式还是在线式等等：在现有各种型号的测温仪对比中，选出能够满足上 述要求的仪器型号；在诸多能够满足上述要求的型号中选择出在性能、功能和 价格方面的最佳搭配。 ( 1 ) 确定测温范围：每种型号的测温仪都有t i 己特定的测温范围。因此，用 户的被测温度范围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽。根据黑 体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误 第一章弧焊机器 脉冲g m a w 埠多信息质簧 盘测系统 差所引起的辐射能量的变化，因此，测温时应尽量选用短波较好。 ( 2 ) 确定目标尺寸：红外测温仪根据原理可分为单色钡愠仪和双色测温仪( 辐 射比色测温仪) 。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪 视场。建议被测目标尺寸超过视场太小的5 0 为好。对丁比色测温仪，其温度 是由两个独立的波k 带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小不 充满视场，测量通路上1 竽在烟雾、尘埃、阻挡，对辐射能量有衰减时，都小对 测量结果产生重大影响。 ( 3 ) 确定距离系数( 光学分辨率) ：距离系数由d ：s 之比确定，即测温仪探头 到目标之间的距离d 与被测目标直径之比。如果测温仪由于环境条件限制必须 安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。 光学分辨率越高，剐增大d ：s 比值，测温仪的成奉也越高。 综合上述凼索，奉文选择r a y t e k 公司生产的m a r a t h o n f r l b 光纤式非 接触红外双色测温仪( 如图2 - 8 所示) 。其前端由小型、固定焦距光学头、及具 有柔性的不锈钢保护套的光缆组成。光缆连接到计算机上。叮使用双色或单色 模式进行温度测量： 图2 - 81 f 接触式红外测温仪 2 42 数据采集卡的选取 本系统采用了北京阿尔泰科贸有限公司的u s b 2 0 1 3 数据采集卡作为数据的 输入输出接口。u s b 2 0 1 3 模板是u s b 总线兼容的数据采集板可经u s b 电缆 接入计算机，具有体税小、即插即刚等特点。u s b 2 0 1 3 板l 设计有1 2 b i t 分辨 率的帅转换器和d a 转换器，提供了1 6 路单端或8 路双端的模拟输入通道 和4 路d a 输出通道，d 转换器输入信号范围：5 v 、1 0 v 、o 1 0 v d a 转换器输入信号范m ：0 5 v 、0 1 0 v 、5 v 、1 0 v 。1 6 路开关量输入，1 6 路丌毙量输出且均能h 电清零。图2 - 9 为u s b 2 0 1 3 板的主要跳线位置图。 第二章弧焊机器人脉冲g m a w 焊多信息质量检测系统 图2 9u s b 2 0 1 3 板的主要跳线位置图 u s b 2 0 1 3 数据采集卡的原理不再一介绍，我们采用了其1 6 位数字开关量输 入口作为数字信号的数据输入接口，与计算机相联接。其v i s u a lc + + & c + + b u i l d e r 参数定义如下： t y p e d e f s t r u c tu s b 2 0 1 3p a r ad i数字量输入参数 b y t ed 1 0 ；0 通道 b y t ed 1 1 ；1 通道 b y t e d 1 2 ；2 通道 b y t e d 1 3 ；3 通道 b y t ed 1 4 ；4 通道 b y t ed 1 5 ；5 通道 b y t ed 1 6 ；6 通道 b y t ed 1 7 ；7 通道 b y t ed 1 8 ；8 通道 b y t ed 1 9 ；9 通道 b y t ed 1 1 0 ；1 0 通道 b y t ed i l l ；1 1 通道 b y t ed 1 1 2 ；1 2 通道 b y t ed 1 1 3 ；1 3 通道 b y t ed 1 1 4 ；1 4 通道 第二章弧焊机器人脉冲g m a w 焊多信息质量检测系统 b y t e d 1 1 5