（机械制造及其自动化专业论文）异形工件焊接数控系统及焊接质量评价技术的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 为了缓解中小型企业资金不足、先进设备使用能力和购买力有限的问题，设 计开发满足异形工件焊接要求的专用数控系统具有重要的现实意义。本文针对具 体应用场合，采用模块化设计策略、分布式的体系结构，以嵌入式微控制器为中 心测控单元，把视觉传感及图像处理技术引入焊接过程信息反馈环节，以期实现 焊接过程熔池动态特征的实时提取和控制，最终成功开发了一套生产成本低、焊 接质量稳定、应用灵活、操作简便的异形工件焊接数控系统，并对焊接质量评价 技术进行了一些探索性研究。具体工作在于： 第一章，在综合论述焊接自动化技术和焊接质量评价技术的研究现状和发展 趋势的基础上，提出了本文的研究意义和研究内容，并对各章节进行了安排。 第二章，结合具体应用需求，提出异形工件焊接数控系统设计的总体方案， 详细讨论并解决了系统设计过程中遇到的关键技术问题。 第三章，针对焊接熔池特征提取中涉及的关键技术问题，从图像预处理、图 像边缘检测和熔池图像几何特征参数的提取三方面展开具体研究，为焊接过程质 量控制和焊接质量评价奠定了结实的基础。 第四章，从提高超声无损检测中超声回波信号信噪比的角度出发，对焊接质 量离线评价中的关键问题展开研究，提出一种提高超声回波信号信噪比的新方 法有效地解决了焊缝缺陷定量检测中信噪比低、检测结果不够可靠等问题。 第五章，分析系统体系结构，并从软、硬件角度完成系统的总体集成。 第六章，对异形工件焊接数控系统设计和焊接质量评价中涉及的相关技术进 行概括和总结，并对后续的研究工作进行了展望。 关键词：异形工件，焊接数控系统，焊接质量评价，视觉传感 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t oa l l e v i a t e st h ep r o b l e m ss u c ha sf u n di n s u f f i c i e n c y , t h ew e a ka b i l i t yt ou s et h e a d v a n c e de q u i p m e n ta n dt h ep o o rp u r c h a s i n gp o w e ri ns m a l la n dm e d i u m s i z e d e n t e r p r i s e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h es p e c i a ln u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e mt os a t i s f yt h ew e l d i n go fi r r e g u l a rw o r k p i e c e s i nt h i sp a p e r , w eu s e dt h e m o d u l a r i z e da n dd i s t r i b u t i o n a ls y s t e ms t r u c t u r e 、析mt h ee m b e d d e dm i c r o - c o n t r o l l e r u s e da sc e n t r a lo b s e r v a t i o na n dc o n t r o lu n i t ，i n t r o d u c i n gv i s u a ls e n s i n gs y s t e ma n d t e c h n o l o g yo fi m a g ep r o c e s s i n gi ni n f o r m a t i o nf e e d b a c kl i n kt oo b t a i na n dc o n t r o lt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fw e l dp o o li nw e l d i n gp r o c e s si nr e a l - t i m e f i n a l l y , as e to fw e l d i n gn u m e r i c a lc o n t r o ls y m e mf o ri r r e g u l a rw o r k p i e c e sw i t ht h e s i g n i f i c a n tc h a r a c t e r i s t i c so fl o wp r o d u c t i o nc o s t , s t a b l ew e l d i n gq u a l i t y , a n ds i m p l e o p e r a t i o nw a sd e v e l o p e d i na d d i t i o n , t h ea s s e s s m e n tt e c h n o l o g yo fw e l d i n gq u a l i t y w a sa l s od i s c u s s e d t h ed e t a i l sw e r ea r r a n g e da sf o l l o w s ： c h a p t e r1 ，t h ep r e s e n tr e s e a r c ho fw e l d i n ga u t o m a t i o na n da s s e s s m e n tt e c h n o l o g y o fw e l d i n gq u a l i t yt e c h n o l o g yw e r ei n t r o d u c e d b r i e f l y a tt h es a m et i m e ，t h e s i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n t so f t h i ss t u d yw e r ep r e s e n t e d c h a p t e r2 ，t h eo v e r a l lp l a no ft h ew e l d i n gn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o ri r r e g u l a r w o r k p i e c e sb a s e do nt h es p e c i a la p p l i c a t i o nw a sd e s c r i b e di nt h i sc h a p t e r c h a p t e r3 ，t h ek e yp r o b l e m d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gi nt h ee x t r a c t i o no f d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fw e l dp o o lh a db e e ns y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e d t h r e e d e t a i l e dm e t h o d s ( i m a g ep r e p r o c e s s i n g ，e d g ed e t e c t i o na n dd y n a m i cg e o m e t r y c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f w e l dp 0 0 1 ) w e r ep r o p o s e dt os o l v et h i sk e y p r o b l e m c h a p t e r4 ，t h ek e yp r o b l e mi ne v a l u a t i o no f w e l d i n gq u a l i t yw a ss t u d i e db a s e do n t h ei m p r o v e m e n to fs n rf o re c h oi nn o n d e s t r u c t i v eu l t r a s o n i cd e t e c t i o n a n df i n a l l y , an e wm e t h o dw a sp r o p o s e dt oi m p r o v es n rf o ru l t r a s o n i ce c h oa n du s e dt os o l v et h e p r o b l e m ss u c ha sw e l d e dj t i n tf l a wi nt h ee v a l u a t i o na n du n c e r t a i n t yo fw e l d i n g q u a l i t ye f f i c i e n t l y c h a p t e r5 ，t h es y s t e ms t r u c t u r ew a sa n a l y z e df i r s t l ya n dt h ei n t e g r a t i o no ft h e s y s t e mw a sc o m p l e t e df r o mb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c h a p t e r6 ，t h ec o n t e n t so ft h ew h o l ep a p e rw a ss u m m a r i z e da n dt h ef u t u r e r e s e a r c ho ft h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rw e l d i n gi r r e g u l a rw o r k p i e c e sw a s f o r e c a s t e d k e yw o r d s ：i r r e g u l a rw o r k p i e c e s ，n u m e r a lw e l d i n gs y s t e m ，e v a l u a t i o no fw e l d i n gq u a l i t y , v i s u a ls e n s i n g i i 学号 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，也不包含为获得堑婆盘堂或其他教育机 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谢意。 学位敝储魏砚瘌乱签字嗍叼年6 月帅 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、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。本人授权逝鎏盘鲎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、汇编学伉论文。 ( 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：研南缸 签字日期： 一7 年月l i m 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 橱吏己 签字日期：吖年6 月j 2 日 电话： 邮编： 渐江大学硕士学位论文 第一章绪论 焊接是现代制造技术的重要内容。焊接涉及到机械制造领域的所有部门，焊 接自动化技术的发展已经成为制造技术现代化的重要标志之一。西方发达国家每 年钢产量的5 0 到6 0 需要进行焊接加工，我国2 0 0 1 年钢产量达1 3 亿吨，其中 约四千万吨需要焊接，因此，焊接已经成为一门独立的科学，同时又是一个非常 重要的产业。 由于诸多因素的飞速发展，如焊接物理化学过程，合理工艺的制定与实现， 焊接质量的稳定性，应用的灵活性，操作的安全性及经济性等，焊接制造工艺经 历着从手工焊到自动焊的过渡。近年来，与焊接自动化技术相关的研究成果层出 不穷，主要集中在焊接过程传感、焊接过程建模和控制器设计等方面。随着计算 机与信息控制技术的不断进步和渗透，焊接过程自动化、柔性化以及智能化已成 为焊接行业的发展趋势n “，。 目前，适合于异形工件应用的专用焊接数控系统的研究则相对比较缓慢。其 中的主要原因有：首先，异形工件属于不规则工件，焊缝轨迹复杂，对焊接设备 要求高；其次，由于开发成本过高、操作复杂、工作效率相对较低等因素的限制， 通用焊接机器手没能在这类生产工艺中得到应用。在工业生产过程中，仍有大量 的焊接工作由手工完成，工作条件恶劣，严重损害工人健康，安全隐患明显，环 境污染严重等突出问题仍未得到彻底解决。因此，研究开发满足异形工件焊接要 求的专用数控系统对实现焊接行业自动化、现代化具有重要的现实意义。 提高焊接效率，改善焊接质量是研究焊接自动化技术永恒不变的目标。焊缝 质量直接决定着焊件的性能和使用寿命。由于作业环境的复杂性，在实际焊接过 程中，焊接条件经常变化，焊缝往往会产生缩孔、气泡、裂纹、夹渣、未熔合和 未焊透等缺陷，因此如何有效地评价焊缝质量，确定缺陷类型，发现缺陷产生的 原因，对于改进焊接工艺、提高焊接设备的稳定性具有重要作用。 1 1 焊接自动化技术的研究现状和发展趋势 在焊接自动化技术发展过程中，产生了大量的单元技术，主要包括：焊接任 务规划技术，焊接轨迹控制技术，焊接过程信息传感技术，焊接过程知识建模技 术和焊接过程智能控制技术等。其中，焊接过程信息传感技术和焊接过程智能控 制技术是两个研究最为活跃的关键技术。 浙江大学硕士学位论文 1 1 1 焊接过程信息传感技术日益成熟 在闭环控制系统中，传感器主要是用于监测过程状态，为控制系统提供反映 过程特征的信息。焊接过程的传感，是实现焊接过程质量控制的关键环节。随着 焊接自动化技术的不断进步，焊接过程信息传感技术日益成熟，各种不同的传感 方式相继在焊接过程中得到应用。焊接传感按其原理主要分为光学、声学、力学 和电弧传感等。 声学传感器主要用于g m a w ( 气体保护熔化极电弧焊) 过程熔滴过渡的检 测、等离子穿孔焊等。其中，超声波方法主要用于传感熔透和焊缝缺陷实时检测 等，但由于信号处理设备复杂，特别是探头与工件之间在运动状态下的耦合问题 难以解决，所以它在焊接过程信息传感中的应用极为有限。力学传感器适合于在 熔池振荡法中使用。它以弧压信号作为熔池振荡的检测信号，报据熔池振荡频率 与熔池体积之间的关系，反馈焊接过程熔池特征参数。但是这种方法目前只适合 于步进焊接，并且焊接电源的弧压纹波经常干扰振荡信号，利用普通的焊接电源 很难从较杂乱的弧压信号中分辨出熔透信息。电弧传感器应用简便，不需要外加 传感器以及传感器所需的保护和消噪装置，直接检测电弧自身的特性，主要用于 焊缝跟踪和熔敷控制。 与其他传感方法相比，光学传感器不与焊接回路接触，信号的检测不影响正 常焊接过程，是最适合于在焊接过程中应用的信息传感技术。随着电子工业和图 像处理技术的发展，在红外和可见光范围内的视觉传感器发展日益成熟。 1 ) 红外辐射传感技术自成体系 利用焊接区的红外热辐射传感焊接过程信息的技术研究较早，成果较多，主 要集中在熔透情况、焊道宽度预测以及焊缝对中和焊缝跟踪等方面”“。它通过 测定焊接熔池及热影响区的实际温度分布，能准确地反映熔池的尺寸；选择红外 波段检测熔池信息可以减少弧光辐射的影响。s m i t h 等o 人利用光敏元件测量焊 缝背面受热区特定波段内的辐射光量来传感熔透情况，这一研究成果已经在管环 缝g t a w 和平板对接焊中得到应用。但是，为了避免弧光对红外检测的干扰， 图像传感器只能拍摄熔池前方、后方和背面。n a g a r a j a n 等“”人使用光谱范围在 8 t i m 以上的远红外摄像机直接摄取电弧正下方熔池的温度场，发现焊道宽度与 被测截面峰值的半宽之间存在线性关系，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| b j 也存在线性关系。将发现的规律用m a c 焊接过程的 质量控制，取得了较好的效果。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 围湿度场的分布，不仅可以拧制焊缝背面熔宽，还可以根据熔池温度场分靠的对 称性判断电弧是否对中和电弧偏移的方向，从而实现焊缝对中和焊缝跟踪，但尚 浙江大学硕士学位论文 未解决弧光干扰和温度场定标问题“。陈定华、吴林等人介绍了定标器定标、监 视热电偶动态定标和热循环辅助线法定标三种温度场定标方法“：陈强、潘际銮 等”“”1 人通过理论推导避开了温度场定标问题，也取得了较好的研究成果。 总之，红外辐射传感技术能够通过检测焊接温度场的情况提取焊接过程信 息，是一种较好的熔池动念特征提取方法，也是到目f i 为止发展较为完善和系统 的光学传感技术之。 2 ) 直接视觉传感技术优势明显 对于焊接过程，直接视觉是一种最好的非接触传感形式。它主要是利用光谱 中的可见光波段对焊接区成像，图像中的景物与焊接区各部分一一对应，无需像 红外成像那样只有经过温度场定标以后才能确定焊接区各部分，非常直观。直接 视觉传感技术的主要优点是不接触工件，不干扰正常焊接过程，获取的信息量大， 通用性强，能得到焊接过程动态熔池的二维或三维信息。与其他焊接过程信息传 感方法相比，直接视觉传感技术检测到的熔池信息能赢接反映焊接过程熔化金属 的动态行为，因此该方法更适合于在焊接过程质量控制中应用。目前，利用直接 视觉传感采集焊接熔池正面图像，经处理后获取熔池几何形态信息对焊接质量进 行闭环控制，已成为重要的研究方向。根据视觉检测系统中成像是否需要辅助光 源，直接视觉传感可分为主动式和被动式两大类。 主动式直接视觉传感：是采用激光等辅助光源对焊接区进行人工照明，利用 激光波长单一，方向性、相干性好等特点，获得较清晰图像的视觉传感方式。目 前应用较多的是通过产生一条、多条或网状分布的结构光投射到焊件上，根据结 构光条纹的变形获取有关的几何形状信息。b e a t l i e 等“”入设计了c c d 摄像机和 双激光二极管组成的视觉传感器，用于实现弧焊机器人多道焊时的焊缝自动跟 踪：m o r g a n “等人将两个c c d 摄像机、四个激光二极管和焊枪安装于一体，不 仅便于弧焊机器人的运动，而且由于视觉传感器与焊枪这种比较特殊的位置关 系，避免了弧光直接照射摄像机而干扰焊缝图像，但是这种一体式的视觉传感器 安装难度很大；张裕明、吴林等人利用光截断方式设计了结构光三维视觉传感器， 完成了g t a w 熔透正面视觉自适应控制：k o v a c e v i c 等+ “人设计了一套由强脉 冲激光栅格状多结构光条纹和电子快门摄像机组成的熔池视觉检测系统，获得了 非常清晰的熔池表面反射图像。但是主动视觉由于其所需设备较为昂贵，系统较 为复杂，应用推广常常受到限制。 被动式直接视觉传感：是无辅助光源，直接利用弧光本身照明焊接区而获得 图像的视觉传感方式。目前作为焊接过程视觉图像传感的一种实用技术，研究较 多。对被动式直接视觉传感较为深入的研究起步于2 0 世纪8 0 年代中期，经过围 内外专家学者- 壁持不懈的努力，产生了大量的研究成果。有研究者曾直接利用电 浙江大学硕士学位论文 弧光照射熔池前方的焊接区域获得焊缝信息，根据熔池前方不同距离点电弧光强 度的闪烁来实现焊接过程中的焊缝跟踪；利用带有c c d 摄像机的微型计算机控 制系统对脉冲m i g m a g 焊熔池行为迸行了观察和控制的研究：美国o h i o 大学 开发了一套摄像头置于焊炬内部与电极同轴的集成化视觉传感系统，在t 1 g 焊 熔池观察和m i g 焊焊缝跟踪等方面进行了初步研究：国内上海交通大学设计了 熔池正反两面视觉图像同时同幅传感系统，获得了脉冲g t a w 焊熔池正反两面 的清晰图像，并对图像二维特征尺寸提取进行了较为深入的研究“”1 。 3 ) 数字图像处理技术飞速发展 利用直接视觉传感技术进行焊接过程质量控制时，必然涉及数字图像处理技 术。图像处理结果的好坏直接影响后续的焊接质量控制过程。3 。 数字图像处理技术，从广义上理解包含三个层次的内容：图像处理、图像分 析和图像理解。图像处理较后两个层次来说，又称图像预处理，主要完成图像像 素级上的操作，如图像的消噪和增强，图像的分解、重构以及图像的编码、解码 等。图像分析是以一系列手段提取图像中的特征参数，从而达到表征图像有用信 息的目的。图像理解是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各特征参数所反 映的性质以及它们之间的内在关系，是抽象程度最高的层次。对一般的工业过程 尤其是焊接过程信息获取而言，图像处理技术主要体现在前两个层次上。 数字图像处理技术与计算机图形学、模式识别、计算机视觉等的发展息息相 关，针对不同的应用目的和背景，许多新的图像处理和目标识别的理论和方法被 提出，如匹配理论、小波理论、光度立体学和纹理分析等。在工程应用领域中， 对于数字图像处理技术的研究侧重于新兴理论与具体应用的相互结合。当前，数 字图像处理技术的发展主要得益于模糊数学、小波变换、神经网络和支持向量机 等理论的不断进步。 数字图像处理的主要研究内容包括：图像变换、图像编码压缩、图像增强、 图像复原、图像分割、图像描述和图像分类识别等，其中图像分割是图像处理中 的关键技术之一1 。它的主要作用是提取图像中的有用信息，以便于进一步地进 行图像识别、分析和理解。对于机器视觉而言，图像分割技术是进行图像特征参 数提取的基础及关键。图像分割大体上可以分为基于区域和基于边缘检测两大 类。阙值法和区域增长分裂合并方法属于基于区域的分割方法，其中阂值分割方 法占有重要地位，而阈值的选取是图像阈值分割的关键。采用自适应理论和统计 理论的动态阂值方法在图像处理中获得了很大成功，y a n o w i t z 和r u c k s t e i n 描述了 一种内插方式的阈值求取方法；b e r e s n 提出了一种自适应阈值算法即一个窗口内 中心像素的阈值应该是窗口中各像素灰度级的最大值和最小值的平均值，这种算 法性能良好但对噪声敏感。传统的基于微分算子的边缘检测方法有罗伯特交叉 浙江大学硕士学位论文 ( r o b e r tc r o s s ) 算子、蒲瑞维特( p r e w i t t ) 、索贝尔( s o b e l ) 算子、拉普拉斯 ( l a p l a c i a n ) 算子和综合正交算予等，这些方法比较简单，但边缘提取的精度相 对较低。马尔( m a r r ) 算子和坎尼( c a n n y ) 算子比较复杂，但是能够得到更加 精确的边缘。近年来，随着新兴理论与图像处理技术的不断结合，新的边缘检测 方法层出不穷，其中较为典型的有：基于b p 神经网络的数字图像边缘检测算法、 基于小波变换的亚像素边缘检测算法、基于支持向量机的边缘检测算法和基于最 d , - - 乘支持向量机的图像边缘检算法等“1 。 1 1 2 智能控制理论与焊接过程控制相结合 由于经典过程控制手段难以获得满意的焊接质量，焊接过程控制已由宏观向 微观、由简单p i d 控制向智能控制系统发展。焊接过程质量控制是一个复杂的 不确定性和非线性问题，智能控制方法为解决这一问题提供了新的途径。 现代控制理论在解决自适应控制、鲁棒控制、变结构控制等方面表现出了一 定的局限性，不能从根本上解决不确定性和非线性问题。智能控制理论在人工智 能、控制理论和计算机科学相互交织、不断渗透下逐步发展起来，主要包括分层 递阶自组织控制、知识其控制、模糊控制、专家控制、脑模型控制和人机相结合 控制等。它的基本特点是不依赖或完全不依赖于被控对象的数学模型，而主要利 用人的操作经验、知识和推理技术以及控制系统的某些信息( 如控制输出、误差 和时延等) 和性能得出相应的控制动作。 智能控制理论的发展为焊接过程建模和控制提供了全新的途径。由于焊接过 程是一个多参数耦合的时变非线性系统，影响焊接过程质量控制的因素众多，并 表现出显著的随机性，因此很难按照现代控制理论的方式建立精确的数学模型。 为了解决这些问题，一些焊接工作者在焊接过程控制中引入了智能控制方法，主 要有专家系统、模糊控制和神经网络控制等。 2 0 世纪8 0 年代中期，国外开始研究模糊控制在焊接中的应用，取得了较多 的成果。d i m i t e r “”采用模糊模型描述弧焊机器人工作状况的不确定性，借助配 置的激光传感器对弧焊机器人进行自适应控制。m u r a k a m i ”研制了基于模糊控 制的弧焊机器人焊缝跟踪控制系统，实现焊枪位置、位姿的自动调整。y a m a n e 等3 人利用视觉传感器传感熔池信息，采用f u z z y 控制方法控制脉冲m i g ( 熔 化极惰性气体) 焊的熔宽，改进了焊接质量。k i m 等。1 人应用自组织模糊控制方 法进行了m j g 焊焊缝自动跟踪，取得了较好的效果。 从2 0 世纪9 0 年代初期开始，国内的焊接工作者在焊接过程模糊控制方面开 展了大量的研究。主要的研究成果有：利用模糊控制进行弧焊机器人的参数规划： 实现对脉冲熔化极气体保护焊焊接过程的电弧电压参数的模糊控制；研究了 浙江j = 学硕士学位论文 m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ) 系统模糊控制器的设计和使用方法，并在c 0 2 焊接工艺参数的模糊控制中得到较好应用：设计了种t i g 焊焊接质量参数自 调整模糊与积分的混合控制器，并采用计算机视觉传感方式实现对焊缝熔宽的实 时控制“1 。 采用人工神经网络( a n n ) 设计的控制系统适应性、鲁棒性强，能较好地处 理像焊接过程动态特征控制这种维数高、干扰强、非线性和不确定的复杂过程控 制问题，所以焊接工作者对如何把神经网络引入焊接过程控制进行了积极的研 究。产生的研究成果有：设计了单个神经元自学习控制系统，实现了对于脉冲 g t a w 堆焊熔池动态特征的有效控制；设计了神经网络自学习和专家系统相结合 的多变量智能控制系统，实现了对于脉冲g t a w 焊对接熔池正反面熔宽动态变 化的有效控制；设计了模糊神经网络自适应智能控制系统，实现了对于脉冲 g t a w 焊对接填丝熔池正、反面熔宽及正面焊缝余高的有效控制”1 。 1 2 焊接质量评价技术的研究现状 根据应用场合不同，焊接质量评价可分为焊接质量在线评价和焊接质量离线 评价两种。焊接质量在线评价由于对实时性要求很高，并且作为评价对象的焊缝 尚未成形，因此般从熔池表面几何特征角度出发间接评价焊接质量的好坏。其 中涉及的关键技术与焊接过程视觉传感技术基本一致，此处不再展开讨论。 焊接质量离线评价主要是针对焊缝缺陷进行定量无损检测并进行相应的危 险性评定。焊缝缺陷定量检测不但要判断缺陷的有无，而且还要确定缺陷的大小、 形状、位置和取向等。无损检测技术按其原理不同，可分为射线检测、超声波检 测、电学方法、磁学方法、微波与介电测量方法等。超声检测法使用的声波穿透 材料能力强，可以在宏观和微观尺度上与材料相互作用，所携带的材料信息比较 丰富；声波有纵波、横波、表面波，可以提供传播速度、衰减、散射和非线性参 数b a 等诸多声学参数；声波对人体和材料无损害，使用方便；检测结果以电量 形式输出，使得计算机信号处理、图像处理、模式识别和人工智能等先进技术能 被方便地应用于检测过程；而且超声波对微小裂纹十分敏感，能满足无损检测技 术发展的需求。因此，超声检测在无损检测中占有重要地位，并显示出强大的生 命力和广泛的应用前景。 利用超声波进行缺陷定量检测时，由于焊缝内部结构及性质的特殊性，超声 反射回波信号受到材料噪声的干扰非常严重，信噪比往往较低，这已经成为制约 超声检测可靠性提高的关键因素。为此，不断有学者在这方面进行坚持不懈的研 究。在早期，人们曾提出空间平均法，但是这种方法对测量仪器设备要求较高， 操作复杂，而逐渐被淘汰。后来，人们大多倾向于采用裂谱分析方法，该方法已 6 浙江丈学硕士学位论文 成为目前材料噪声处理最普遍的技术，很多的研究报告也证明了其有效性。然而， 在具体应用过程中仍发现有不足之处，因此有学者在此基础上提出了基于神经网 络的自适应裂谱分析方法，并取得了更好的信噪分离效果。 焊缝缺陷危险性评定是焊接质量评价技术的重要内容。目前，对于金属焊件 通常用弹性断裂力学确定必须检出的临界缺陷大小，也即对于已知其性质的材 料，在确定的载荷下，可以计算得到在特定位置上的临界裂纹大小。因此，可以 用它来评定的缺陷的危险性，确定缺陷存在后焊件的安全系数。 1 3 本文的研究意义和研究内容 随着焊接自动化技术的不断进步，产生了一大批研究成果。如何把先进的科 学技术应用于生产实践，转化为切实的生产力，是应用研究的一项重要任务。 目前，国内外已有大量焊接机器人系统应用于各类自动化生产线，据不完全 统计，中国大陆已有3 0 0 0 台左右的焊接机器人分布于各大中城市的汽车、摩托 车、工程机械等制造业，其中大约5 5 左右为弧焊机器人，4 5 左右为点焊机器 人，已建成相当数量的机器人焊接柔性生产线和机器人焊接工作站。虽然，随着 国内技术水平的不断进步，目前已经具备了生产焊接机器手的能力，设备成本也 已大幅降低，但是在私营经济发达的浙江省，并未能得到广泛应用。究其原因， 价格因素固然是其中重要的因素，但不可否认的是，通用焊接机器手在实现其自 动化、柔性化、智能化的目标中，不可避免地增加了设备操作的难度、间接降低 了焊接效率。因此，以建设先进制造业强省为目标的浙江省，在焊接行业仍以劳 动密集型生产方式为主。大量的劳动力消耗在作业环境恶劣的手工焊接环节上， 存在生产效率低下，安全隐患明显，环境污染严重等突出问题。 为了缓解中小型企业资金不足、先进设备使用能力和购买力有限的问题，设 计开发满足特定异形工件焊接要求的数控系统将具有重要的现实意义。本文针对 具体应用场合，采用模块化设计策略、分布式的体系结构，以嵌入式微控制器为 中心测控单元，把视觉传感及图像处理技术引入焊接过程信息反馈环节，以期实 现焊接过程熔池动态特征的实时提取和控制，最终开发出一套生产成本低、焊接 质量稳定、应用灵活、操作简便的异形工件焊接数控系统，并对焊接质量评价技 术进行了一些探索性研究。 论文内容由以下六个章节组成： 第一章，简要介绍焊接自动化技术的研究现状，针对现实应用需求，融合先 进自动化焊接技术，提出进行异形工件焊接数控系统的设计开发；焊后质量评价 对焊接过程质量控制具有重要作用，针对目前焊缝缺陷定量检测中存在的问题， 阐明进行焊接质量评价技术研究的必要性。 浙江大学硕士学位论文 第二章，结合具体应用需求，在分析系统构成功能单元模块上，提出异形工 件焊接数控系统设计的总体方案，详细分析并解决了系统设计过程中涉及的关键 技术问题。 第三章，针对系统设计中所提出的采用视觉传感反馈环节进行焊接质量在线 评价和质量控制的需求，对动态熔池特征参数提取中必然涉及的数字图像处理技 术这一关键问题展开研究。结合熔池图像的特点，从图像预处理、图像边缘检测 和熔池图像几何特征参数的提取三方面提出了解决这一关键技术的具体方法。 第四章，对焊接质量评价的关键技术展开研究，结合支持向量机理论，提出 一种提高超声回波信号信噪比的新方法，有效地解决了焊缝缺陷定量检测中信噪 比低、检测结果不够可靠的问题。 第五章，分析系统体系结构，并从软、硬件角度完成系统集成。 第六章，主要对异形工件焊接数控系统设计和焊接质量评价中涉及的相关技 术进行概括和总结，并对后续的研究工作进行了展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章异形工件焊接数控系统的设计 异形工件焊接数控系统属于典型的机电一体化产品，由控制器、执行机构、 连接控制器和执行机构的接口及调理电路、机械本体及传感器等五大部分组成。 焊接机器入通常采用专用的控制器，配以多轴运动控制卡，通过相应的执行机构 调整焊接机器手的位置、位姿和动作，从而达到焊接轨迹自动跟踪的目的。它的 通用性强，柔性化、智能化水平高，能满足复杂条件下的焊接要求，但设备成本 高，而且许多关键部件仍需进口。目前，国内虽然已经具备自主生产焊接机器手 的能力，但一只焊接机器手的市场售价仍需1 5 万人民币左右，这在很大程度上 限制了其应用范围。 本系统所针对的焊接对象，从几何形状上看，其横截面是由四段圆弧组成的 封闭曲线。工件由不锈钢片卷绕而成，上下通孔，需要为其焊上项面和底面，焊 接轨迹是两条平行且相等的平面曲线。由于焊接对象确定，因此在系统总体方案 设计中应根据具体应用需求，充分考虑如何合理分解各功能模块，选择合适的主 控芯片，有效地分配系统资源，体现集约化的设计理念。焊接路径规划在整个设 计过程中至关重要，它直接关系到机械结构设计及系统应用软件开发。如何以尽 量少的自由度实现焊接轨迹自动跟踪，是本系统要解决的一项关键技术。同时， 在满足系统基本功能的条件下，如何提高系统的可扩展性及柔性化水平，是系统 设计所追求的另一目标。 2 1 异形工件焊接数控系统的总体方案 2 1 1 系统功能模块分析 系统设计的最终目标是开发出一套自动化焊接设备，它能通过参数设定完成 焊接轨迹自动跟踪，并能在焊接过程中实时监测熔池动态特征，根据熔池形状几 何特征的变化调整焊接速度、焊机输出电流等工作参数，达到高效、稳定的焊接 要求。按功能划分，除必需的机械本体部分外，系统由中央控制单元、焊接轨迹 自动跟踪单元、焊接熔池图像传感单元三大部分组成。 中央控制单元的主要任务是提供便捷的人机交互界面，管理来自系统外部和 系统内部其余单元产生的数据信息，协调各单元之问数据流，使系统运行实时、 高效、顺畅。选择工控机为主拧单元还是采用嵌入式系统解决方案是系统设计中 面临的首要问题。工控机系统稳定，功能强大，通讯手段方便完善，大多通过 c a n 总线扩展系统功能，能有效地满足本系统的设计要求。但是，组合式开发 9 浙江犬学硕士学位论文 思路往往会带来系统资源利用率低、成本急剧上升以及系统实时性下降等突出问 题。因此，实时性高，软、硬件可裁减的嵌入式系统设计方案成为我们的首选。 焊接轨迹自动跟踪单元的主要功能是，通过控制工件和焊枪的运动，协调两 者之问的位置关系，达到焊接过程轨迹自动跟踪的目的。在对焊接方案进行初步 分析后，发现要完成此类工件的自动化焊接至少需要三个轴的协调配合。考虑到 焊接操作本身需要焊枪和工件之间有一定的保持时间，两者之间相对运动速度不 会太高，而且焊接工艺对两者之间的相对位置关系要求不是非常严格，因此可选 择步进电机作为焊接操作的执行机构。由微控制器内部资源扩展形成的电机控制 单元通过传递控制信号给到进电机驱动器，步进电机接受来自驱动器的信号后开 始旋转，并带动机械结构产生相应的动作，这一系列环节构成了焊接轨迹自动跟 踪单元。 焊接熔池图像传感单元的提出，是为了解决焊接过程中缺乏焊接状态实时反 馈、无法在线修正工作参数等严重制约焊接质量提高的突出问题。焊接过程熔池 动态特征直接影响工件的焊接质量。焊接过程视觉传感技术涉及图像采集和图像 处理两个关键环节，数字图像处理理论和技术的飞速发展，使得机器视觉在焊接 过程质量控制中的应用成为可能。通过c m o s 摄像头采集熔池图像，经d s p 处 理后得到熔池几何特征参数并反馈给控制器，控制器据此调整焊接速度、焊机输 出电流等工作参数，从而达到焊接过程实时反馈、实时修正的目的。 2 1 2 系统总体方案设计 在完成系统功能模块分析的基础上，提出异形工件焊接数控系统的总体设计 方案。系统框架如图2 1 所示，主要由基于a r m 核的微控制器a t 9 1 m 5 5 8 0 0 a 、 x 轴步迸电机及驱动器、y 轴步进电机及驱动器、旋转轴步进电机及驱动器，基 于a d s p b f 5 6 1 的视觉传感单元、各运动轴行程及零位开关、接口及调理电路 和机械本体等部分组成。其中，基于a r m 核的微控制器为中心测控单元，实现 信号采集、数据处理、文件管理和指令发布等功能；步进电机驱动器接收控制器 发出的指令，转化为功率信号输出到x 、y 轴和旋转轴步进电机；执行机构产生 相应的动作后，带动各轴上运动机构实现工件和焊枪的相对运动；基于 a d s p b f 5 6 1 的视觉传感单元采集焊接过程动态熔池图像，经处理后得到熔池几 何特征参数，并反馈给主控单元；各轴上行程及零位开关检测运动过程中的位置 信息并反馈给控制器；接口及调理电路实现信号的接收、转化和传输等功能；系 统具有u s b 通讯接口，配合键盘操作可实现加r 文件现场输入和从上位机调入 两种方式的自由切换：脚踩开关发送焊接命令给控制器，用于启动系统焊接操作。 1 0 浙江丈学硕上学位论文 焊枪 擦 和视 垛 ，1 卜 习 觉运 动机 构 o 剑钮功模u 。气缸。 ： d jw 螺 卜队 髅w 懈 工件 隶 夹持 童舌 _ “一j 一 。 ( s 1 ) 口 “ 等效的频域表示是： w l ( 口，f ) = 百、 aj t 一t o o u v l 国p + a o , ) e + j a j r d ( 3 2 ) 式中肖( 缈) ，甲( 曲分别是x ( ，) 和y ( ，) 的傅里叶变换。 由于图像是二维信号，因此需要把小波变换由一维推广到二维。从上述定义 出发，可以把一维小波变换作如下推广：令，( 五，x 2 ) 为一个二维信号，五，x 2 分 别表示横坐标与纵坐标；g ( x 。，x 2 ) 代表二维的基本小波；岫，“( _ ，屯) 表示 l g ( x l ，恐) 的尺度伸缩和二维位移，于是有 枥江大学硕十学位论文 ( ：) = i 1 “孚，学 则二维小波变换的初步定义如下： 啊( 口；6 1 ，如) ：去f j ，( ，而矽f 世，逊1 豳鸱 啊( 口；6 1 ，如) 2 吉f j m ，而矽【等，学j 豳鸱 引入旋转因子后 rc o s os i n 0 1 2 l s i i l 口c o s 0 i 二维小波变换的定义可表示为： ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 喝( 础；6 1 ，6 2 ) = 丢j f ( 耳，而) 吵f 虻坐些嫂，虻坐唑业k 凼 a口l 2 ) 二维小波分解与重构算法 设一元尺度函数( x ) 生成一个多分辨分析 ，而一元尺度函数2 ) 生 成另一个多分辨分析 曙 ，则w 与曙的张量积空间为 略= 取。曙( 3 7 ) 由于叫的基底是 2 ”( 2 x 一，) ，而嘭的基底是 2 2 妒22 , x - t ) ，所以k 的 基底是 2 ( 2 x - j ) f k 2 ( 2 x f ) 。 对于二元函数厂( x ，y ) ，引入记号 五( 五y ) = 2 k f ( 2 x - j ，2 y 一，1 ( 3 8 ) 并令妒( e y ) = 妒1 ( x ) 妒2 ( y ) ，则 纯。，( y ) ：，7 z 是k 的基底，所以 吆 形 成r ( 凹2 ) 中的个多分辨分析，而矿( 墨y ) 是相应的尺度函数。 设瑶关于吃，的补空间是吲，曙关于吆，的补空间是嘭，即 吃，= 吲+ 明，暧，= 呼+ 昨( 3 9 ) 设小波函数妒1 ( x ) 生成吲，小波函数2 ( j ，) 生成眩，则 k + ，= 吃，。嚷，= ( 唆二暇 。( 曙砑 = 圪+ o ( 3 ，。) 浙江大学硕士学位论文 其中：叫1 ) + 科2 j + 州”，州1 = 以圆昨，酬2 ) = 州。曙，州3 = 卅。眩。 令妒1 ( x , y ) = f k l ( x ) 2 ( j ，) ，妒2 ( y ) = 眇( x ) 妒2 ( _ y ) ，l f ，3 ( x ，y ) = ；f ，1 ( 工) 妙2 ( y ) 则叫”，酬”，吲3 的基底分别为 妒1 ( x ，y ) ：歹，f z j ， 】| f ，2 ，( x ，y ) ：，f z j ， | f ，3 幻( x ，y ) ：j ，f z ( 3 1 1 ) 二元分辨分析具有一个尺度函数“y ) 和三个小波函数矿( x ，y ) 。矿2x ，y ) ， 矿3 ( x , y ) 。 任意给定f ( x ，y ) 1 7 ( i r ) ，厶( x , y ) 是厂在中的投影，对于五( x ，y ) 圪， g 。( 工，y ) 暇，有 石+ ，( 一y ) = 五( x ，y ) + ( x , y ) ( 3 1 2 ) 而& ( 五力可进一步分解为 = g 1 + 扩+ ( 3 1 3 ) 其中：g k ( ) 科( f - 1 ，2 ，3 ) 。 设 q ， ， 够， ( i = 1 ，2 ，3 ) 是由两个一元分解序列生成的二元分解序列 令 n j = n i | n 2 | ，珐一i 一- - “一i 2 l 既= 6 f 亏，譬，= 睇彰 五( w ) = q 。妒( 2 k x 一”，2 + y - m ) 反( w ) = 矾。( 2 。x - - g ，2 y m ) i = 1 ，2 ，3 则有分解算法为 q 。= q 。一。g 刖。，。= 雏：。一：。c 州。， i , j，j f 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 同理，设 易，) ， 酬，) ( f - 1 ，2 ，3 ) 是由两个一元两尺度序列得到的二元尺度序 列，即 则有重构算法为 l 岛。，：，g ，+ 3g h 。- 2 j 厂、 i , j p l ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 埘托 j j i i ， ，吐方 ， ， 疗彰 d 斫 = = ， ， 儿，甄 ，【 浙江大学硕士学位论文 l l 2 lh l 2 l l l h l ih l l 夏 l h 2 fh h 2 鞫lh 象 l h ii l b l l h ih h i 图3 - i 图像的小波分解示意