（材料学专业论文）智能化不锈钢阀球气体保护焊接装置研制.pdf

武汉理t ：人学硕十学位论文 摘要 焊接是现代加工制造业的重要技术，是仅次于装配与机械加工的第三大产 业。焊接技术被广泛应用于国民经济的各个方面，尤其在航空航天、微电子封装 技术等高科技领域，焊接技术几乎成为了关键核心技术。随着工业化生产步伐的 不断加快，制造业产能不断提高，各种结构复杂、体积巨大的结构件拼接都对焊 接技术提出了更高的要求。因此，积极探索实现焊接过程自动化及提高焊接设备 智能化的途径，对提高焊接效率、降低生产能耗有重要的意义。本文以图像传感 技术为研究对象，分析了钨极惰性气体保护焊中焊接弧光的形态变化与焊炬空间 位置的关系，并在此基础上设计了智能化不锈钢阀球气体保护焊接试验装置。 数字图像预处理技术主要包括图像平滑、二值化、数学形态学处理等。通过 比较均值滤波器和中值滤波器对焊接弧光图像进行平滑处理的效果，证明了中值 滤波器对图像具有较好的平滑图像能力。之后使用图像二值化处理使图像中目标 区域与背景有效分离，通过级联形态学处理技术的开、闭运算，进一步消除图像 中噪点，使目标区域边界清晰。利用图像分割技术主要研究了图像分割中轮廓跟 踪技术，并使用8 连通链码对图像轮廓进行了量化跟踪。 利用模式识别技术对焊接弧光的面积、形态以及边缘所成夹角三个方面的特 征进行了分析。二值图像中目标区域的面积，使用线段表对目标区域面积进行统 计，可对样本进行初步分类；计算目标区域的7 个h u 不变矩，建立了目标区域 形状的模式分类方法；量化电弧光边缘所成夹角，建立了目标区域夹角的特征分 类方法，尽管上述模式分类方法都可以对样本进行分类，但都存在一定的识别盲 区。焊接弧光面积的特征判别方法不能对目标区域面积相同而形状不同的图像加 以j 下确分类识别；焊接弧光形状的特征判别方法不能对目标区域形状相同而面积 不同的图像加以正确分类识别；根据电弧光区域边缘所成夹角的特征判别方法不 能对形态相同的电弧光加以分类。因此需要将上述三种方法综合使用，克服不同 判别方法存在的不足之处，对焊接弧光的特征进行有效的分类，并在此基础上构 造分类器。本文使用开源图像函数库o p e n c v 并借助于v i s u a lc 抖程序设计软件 完成了上述图像处理技术的研究工作，实现了上述焊接弧光的图像处理功能。 为实现主机与执行机构核心p l c 的通信，可将主机与p l c 内置的r s 4 2 2 编 程接口连接，使用编程口通信指令实现通信链接功能。本文根据编程口通信指令 集的通信格式，使用v i s u a lb a s i c6 0 软件开发工具设计了用于实现主机与三菱 p l c 通信的程序。 关键词：t i g ，模式识别、智能控制 a b s t r a c t w e l d i n gi st h eo n e o ft h ei m p o r t a n tm o d e mp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , w h i c hw a st h e t h i r dl a r g e s ti n d u s t r ya f t e ra s s e m b l ya n dm a c h i n i n g w e l d i n gt e c h n o l o g yh a s b e e n w i d e l vu s e di ne v e r ya s p e c to fn a t i o n a le c o n o m y e s p e c i a l l yi nt h eh i g h t e c h n o l o g y f i e l dl i k ea e r o s p a c ei n d u s t r ya n dm i c r o e l e c t r o n i c sp a c k a g i n g ，t h ew e l d i n gt e c h n o l o g y h a sb e c o m et h ec o r et e c h n o l o g y a st h ei n d u s t r yp r o d u c t i o np a c e c o n t i n u o u s a c c e l e r a t e ，t h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fm a n u f a c t u r i n gc a p a c i t y ，av a r i e t y o f c o m p l e xs t r u c t u r en e e d e df o rs t i t c hr e q u i r eh i g h e rw e l d i n gt e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，i t i s i m p o r t a n tt oe x p l o r ea c t i v ea p p r o a c h t oi m p l e m e n tt h ea u t o m a t i cw e l d i n gp r o c e s sa n d i n t e l l i g e n tw e l d i n ge q u i p m e n tf o rh i g h e l e f f i c i e n c ya n d l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o n i n t h i sp a p e rt h ei m a g es e n s o rt e c h n o l o g ya n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h a p eo ft h e w e l d i n ga r cl i g h ta n dt h el o c a t i o n o fw e l d i n gt o r c hh a sb e e ni n v e s t i g a t e t h e e x p e r i m e n td e v i c eh a sb e e nd e s i g na n de s t a b l i s hb a s e d o nt h er e s e a r c h t h ed i g i t a li m a g ep r e p r o c e s st e c h n o l o g y , i n c l u d ei m a g es m o o t h i n g ，b i n a r y , m a n l e m a t i c a lm o r p h o l o g yp r o c e s sh a sb e e no b s e r v e da n ds t u d i e d c o m p a r et h e p r o c e s sr e s u l t so fi m a g es m o o t h i n gw h i c hp r o c e s sb ya v e r a g ef i l t e ra n d m e d i a nf i l t e r r e s p e c t i v e l y h a ss h o wt h a tt h em e d i a nf i l t e rs m o o t h i n gh a s am o r er e l i a b l e p e r f o m a n c e c o v e r tt h ei m a g et ob i n a r yc o u l ds e p a r a t et h eo b j e c tr e g i o n a n dt h e b a c i k 叮o u n d u s et h ec a s c a d e dm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yo p e r a t i o n s ，w h i c hi n c l u d e o p e na n dc l o s eo p e r a t i o n ，c o u l dd e l e t et h en o i s es p o ti nt h ei m a g ea n dm a k et h e b o u n d a r yo fo b j e c tr e g i o nm o r ec l e a r l y t h e8 - c h a i nc o d eh a sb e e nu s m g t od e s c r i b e t h ei m a g ec o n t o u r s t h ep a t t e r nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nu s i n gt oa n a l y s i st h ea r e aa n dt h e m o r p h o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so fw e l d i n ga r cl i g h t t h e a r e ao ft h eo b j e c tr e g i o ni n b i n a r yi m a g ec o u l d d e s c r i b eb yi n t e r v a ll i s t ，w h i c hc o u l db eac r i t e r i o n o f c l a s s i f i c a t i o nf o rm ed i f f e r e n ta r cl i g h t a n o t h e rc r i t e r i o no ft h ec l a s s i f i c a t i o nw a s b a s e do nt h em o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h e a r cl i g h t ，l i k et h es e v e nh ui n v a r i a n t m o m e n t s ，t h ei m a g ea l s ob e e nc l a s s i f i e db yt h ea n g l eo ft h ea r cl i g h t a l t h o u g ht h e c r i t e r j o n sc o u l dc l a s s i f yt h ed i f f e r e n ta r cl i g h t ，t h e ys t i l l h a v ei t sw e a kp o i n t r e s p e c t i v e l y t h ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o db a s e d o nt h ea r e ao ft h eo b j e c t i v er e g i o nc o u l d n o td i s c r i m i n a t i o nt h em o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m a g e s ，w h i c hh a st h e s a n l eo b j e c t i v er e g i o na r e a t h ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nt h em o r p h o l o g i c a l 武汉理i ：人学硕十学位论文 c h a r a c t e r i s t i c so ft h eo b j e c t i v er e g i o nc o u l dn o td i s c r i m i n a t i o nt h ei m a g e s ，w h i c hh a s t h es a r n eo b j e c t i v er e g i o nm o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h et h i r dm e t h o db a s eo nt h e a n g l eo fa r cl i g h tc o u l dn o td i s c r i m i n a t i o nt h ea r e ah a st h es a m es h a p e t h e s e m e t h o d sm e n t i o n e da b o v eh a v eb e e nc o m b i n ew o u l dm a k et h ec l a s s i f i c a t i o no f d i f f e r e n ta r cl i g h tm o r er e l i a b l e t h ec l a s s i f i e rb a s e do nt h e s et h r e em e t h o d sh a sb e e n d e v e l o p i n g i nt h i sp a p e r , w eu s et h eo p e ns o u r c ef u n c t i o nl i b r a r yo p e n c va n dv i s u a l c h s t u d yt h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a n di m p l e m e n tt h ep r o g r a mt h a t p r o c e s st h ew e l d i n ga r cl i g h ti m a g e t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s ta n dt h ep l ch a sb e e ni m p l e m e n t i n gb y u s i n gt h ec o m m u n i c a t i o np o r tc o m m a n ds e tt h r o u g ht h er s 4 2 2p o r t ，w h i c hb e e n e m b e d d e di nt h ep l c t h eh o s tc o n t r o lp r o g r a mb e e nd e v e l o p e d b yu s i n gt h ev i s u a l b a s i c6 0 k e yw o r d s ：t i g , p a t t e r nr e c o g n i t i o n ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：李一 关于论文使用授权说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 签名：夸一导师签名： 武汉理1 ：人学硕十学位论文 1 1 焊接技术 第l 章绪论 焊接是现代加工制造业的重要技术之一，是仅次于装配与机械加工的第三大 产业。焊接技术被广泛应用于国民经济的各个方面，如机械制造、石油化工、航 空航天、建筑桥梁、核工业等等。尤其在航空航天、电子封装技术等高科技领域， 焊接技术几乎成为了关键核心技术。随着我国现代化建设事业的深入发展，中国 的钢产量自1 9 9 6 年突破l 亿吨后，连续五年为世界第一，我国2 0 0 8 年的粗钢产 量已经超过4 亿吨【l 】，这其中约4 0 的钢材需要经过焊接才能成为有用的结构件 或产品。 焊接从广义上来讲属于材料连接技术的一个分支，材料连接技术包括机械连 接、化学连接、冶金连接等。其中冶金连接是材料连接的主要方法，应用也最为 广泛。冶金连接是指借助物理冶会或者化学冶金方法，通过材料间的熔合、物质 迁移和塑性变形等形成材料在原子间距水平上的连接，这样的连接强度高、刚度 大，且服役环境和温度可以与被连接材料相当【2 】。传统意义上的焊接就是指冶金 连接。发展到今天，焊接工艺技术接近几百种，采用了光、电、力、热、声以及 化学等一切可以利用的能源。焊接技术之所以有如此多的应用主要得益于焊接结 构具有其它材料连接技术所不具备的优点。首先，焊接结构不受外形尺寸的限制， 可以方便地拼接成尺寸很大的工程结构。其次，与铆接或螺栓连接相比，焊接结 构的重量较轻。焊接结构的整体性、完整性好。再者，焊接结构的密封性好，可 以用于压力容器的制造。焊接工艺可以根据结构及设计的需要，在不同的部位采 用不同材质或不同级别的材料，也可以采用不同厚度的材料，从而节省材料，使 结构更加轻巧，降低了制造成本【j j 。 1 1 1 焊接技术应用 国家奥林匹克体育中心鸟巢，在其建设伊始就受到了人们的广泛关注， 其设计构造独特，钢结构交织的复杂网状结构没有使用一根立柱，整个建筑物的 网状结构都是由焊接完成。“鸟巢”的仰焊技术是工程关键的技术之一。它不仅 可以大大减少焊接工作量，缩短施工工期，降低工程施工成本，而且更重要的是 能有效控制“鸟巢 焊接结构的仞始应力，改善构件的变形，对保证结构的安全 性具有重要的作用。“鸟巢”抗层状撕裂焊接技术是工程又一关键技术。“鸟巢” 钢结构工程结构复杂，主载荷结构采用特大板厚的q 4 6 0 等高钢级，结构刚度大， 武汉理l ：人学硕士学_ i 】= 论文 结构设计又难以完全避免对层状撕裂敏感的焊接接头形式。为解决“鸟巢”层状 撕裂的焊接工程问题，专门研制了超低氢、超低杂质含量的高韧性抗层状撕裂焊 条，并应j l j 于“呜艇”工程层状撕裂敏感的焊接接头，成功地扼制了层状撕裂缺 陷的产生n 凰 鬻麟矧 甑溢 国家大剧院是椭圆形状，连续钢网架结构。东西轴长2 1 2 米，南北轴长1 1 4 米，中间没有支撑，是目前我国跨度最大的壳件钢结构建筑。大剧院的钢网架是 用很多横向和纵向的钢粱拼出来的，总用钢量达到6 7 4 0 吨。仅现场的焊缝就有 3 3 公骋长。国家犬剧院穹项表面面积达3 6 万平方米。主要由银白色钛板构成。 钛扳每块长l 米，宽06 米，一共铺了2 万多块。在焊接铁板的时候因为钢结 构的外层是防水层，很光滑，因此施工人员在防水层上面安装了金属卡子然后 再弓钛板焊接口l 。 图1 2 国家人剧院 r i g 1 - 2n a t i o n a lc c l l t r cf o rt h ep e r f o r m i n ga r t s 武汉理i 人学硕十学位论文 1 1 2 自动焊接 随着工业化生产步伐的不断加快，各种结构复杂、体积巨大的结构件对焊接 技术提出了更高的要求。在汽车行业，汽车销售量的逐年提升，促使广大汽车制 造厂商针对不断扩张的市场需求提高产能，焊接作为汽车制造的重要环节自然成 为汽车生产技术革新的前沿阵地，随着汽车生产线自动化程度的不断提高，焊接 机器人逐渐走入了人们的视野。在汽车制造领域，焊接机器人的使用占到了相当 的比例，目前研发的焊接机器人主要包括点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人、 喷漆机器人等【5 。8 1 。在航空航天制造领域，焊接机器人同样有着重要的作用，航 天飞机燃料箱、机翼蒙皮以及尾舵这些大型结构件不但要求焊接接头质量高，而 且焊接成品的一致性好，焊缝的性能要与周围的材料相同，这都是需要焊接机器 人来完成睁1 丌。在船舶制造业中，自动化焊接对提高船舶的整体性能更是起着举 足轻重的作用，龙骨作为一艘货轮的核心部件，以往都是由数百名焊接工人分段、 分时逐步焊接起来的，不但焊接速度慢、效率低且焊接质量不能保证。随着自动 化焊接技术的发展及其在船舶制造行业的广泛应用，我国的船舶制造水平不断提 高，自动化焊接技术不但提高了船舶制造的生产效率，减少了生产能耗，还提高 了船舶生产的质量【8 母】。为我国船舶制造行业的国际竞争力的不断攀升做出了重 要贡献。 手工焊接操作可通过观察接头的位置、熔池的行为、电弧形状和焊道外观了 解焊接过程中的状态，当上述焊接状态与最佳状态不致时，可以手动调节各种 规范参数使之达到最佳，以获得高质量的焊缝。焊接自动化被认为是对焊接工人 焊接操作的机械化模拟l l0 1 。通过使用各种声、光、电、热传感器采集焊接过程 的相关信息，这些信息是影响最终焊接效果的各种内外因素。根据采集到的相关 信息，可通过计算机程序对这些采集到的信息进行处理，如模式识别，判断当前 焊接状况并对焊接装置做出实时调整，使焊接过程处于最佳状念，从而获得能与 人工焊接相媲美的高质量焊缝。 焊接过程的自动化通常是基于示教重现系统或是离线编程系统【l1 | ，这样的系 统都属于控制论中的开环系统，虽然能够部分实现焊接的自动化。但是由于这样 的系统没有信息的反馈，不能根据焊接过程的实时信息及时进行焊接参数的调 整，所以这一类系统的焊接质量难以保证。而控制论中提到的另一大类控制系统 闭环系统却叮以克服开环系统的弊端，指导研究人员不断开发出新的焊接自 动化系统，推动焊接自动化向焊接智能化方向迈进。 目前智能化焊接系统的研究主要集中在焊接传感器、信息处理和机构控制这 几个方面【1 2 】。这三者构成了焊接过程控制系统。焊接过程控制系统是智能化焊 接系统的核心，这个系统是一个集信息采集，信息处理和信息响应为一体的闭环 武汉理i ：人学硕十学位论文 系统。能够对整个焊接过程进行实时监控，根据实际焊接状念做出合理判断并激 活执行机构做出响应，在一定程度上模拟了焊接工人的操作。 实现焊接智能化的第一步是焊接过程信息的采集。多年来研究人员针对焊接 过程中的声、光、电、热等现象已开发出上百种的传感装置，这些传感装置主要 分为接触式和非接触式两种。其中用途较广泛有如下几种： 1 ) 超声传感器：超声传感器主要用于熔滴过渡检测、等离子穿孔焊接等。 2 ) 电弧传感器：当焊接电极与工件之间的距离变化时会引起电弧电流或者 电弧电压变化，根据这一现象开发的电弧传感器能检测坡口的中心位置，电弧传 感方式主要有旋转电弧传感、摆动电弧传感及双丝电弧传感。旋转电弧传感器的 旋转频率较高( 最高可达几十赫兹) ，相比于摆动电弧传感器检测灵敏度更高， 电弧传感器具有体积小，不受电弧光、电磁波辐射、烟尘干扰的优点，因此弧焊 机器人多使用这种传感器【l 引。 3 ) 红外辐射传感器：红外辐射传感器属于非接触式传感器，其利用焊接区 域的红外辐射获得焊接过程的信息，由于焊接弧光亮度的影响，这种传感器只能 安放在熔池背面，通过观察熔池背面红外温度场的变化来获得焊接信息。该传感 器需要进行温度场定标，这样才能确定温度场的实际状态，从一定程度上限制了 其应用范围。 4 ) 视觉传感器：视觉传感器是指c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 或者c m o s ( c o m p l e m e n t a r y m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 等图像传感器。在焊接机器人领域， 图像传感器有着极其广泛的应用。图像传感器可直接采集焊接区域的图像信息， 成像清晰、响应速度快、体积小、成本低，并能与计算机结合使用。配合先进的 数字图像处理技术进行实时分析，大幅提高了焊接过程信息记录的效率和准确 率。图像传感器在焊接智能化研究中主要用于如下几个方面： ( 1 ) 焊缝视觉跟踪：焊接过程中，对焊炬与焊缝的相对位置，焊炬运动轨 迹及其空间姿态都要求有较精确的定位，另外焊接坡口或焊缝周围区域在焊接过 程中会因受热而发生形变，这时要求焊炬的运动轨迹和空间姿态能够在焊接进行 的同时根据焊接情况的变化做出相应的调整，以此来实现伺服或称为随动的焊接 动作。视觉传感器能实时提供准确度极高的接头图像，且可以利用数字图像处理 技术定量研究分析接头的形状和面积信息。为焊炬运动轨迹规划、空问姿态调整、 焊接精密度提供了重要保证【1 4 _ l9 1 。 ( 2 ) 焊缝二维及三维信息提取：焊接过程中采用图像传感器直接观察焊接 的熔池区域，通过进行图像分析可建立熔池信息的二维和三维模型【2 0 之1 1 。熔池模 型反映了实际的焊接状况，对焊接质量控制有着重要意义。 ( 3 ) 工件三维模型构建：利用两个以上的图像传感器对同一工件进行观察， 4 武汉理l ：人学硕十：学位论文 可以根据双目和多目立体视觉技术对三维物体进行重构，并进行三维测量，实现 三维逆向工程的功能【2 2 1 。这一技术的应用可以为焊接提供准确的焊缝位置信息， 提高焊接精确度，简化焊接步骤。 近几年迅速发展的c m o s 图像传感器，不但比目前应用广泛的c c d 摄像头 制造成本低，能耗更低，且图像质量有了巨大的飞跃，被广泛用于d s l c ( 单反 数码相机) 、视频监控设备中【2 姐钔。本试验使用c m o s 视频传感器直接观察焊接 弧光，根据焊接弧光形态特征的变化来判断焊炬与焊缝之间的距离变化。在视频 图像采集的研究中，j a es e o nk i m 2 5 1 等人针对可视化焊缝跟踪系统在焊缝识别 过程中识别图像易受到光学噪声( 如闪光，焊渣飞溅，焊接时产生的烟尘等) 影 响的问题，采用焊接前建立焊缝模型，焊接时检测焊缝特征的方法，将两种方法 收集的焊缝信息进行融合，最后得到在不同光学环境下鲁棒性较高的焊缝特征图 像。但文中并未提及图像处理算法的执行效率问题。j e y o n g y u t 2 6 】等人研究了 在使用视觉传感器进行高度变化的薄板工件焊缝跟踪过程中，针对阴影效应及视 场丢失而造成焊缝识别数据缺失的问题，提出了相应的数学模型。 1 1 3 钨极惰性气体保护焊( t i g ) 钨极惰性气体保护焊是以钨及钨合金作为电极材料，在惰性气体的保护下， 利用电极与母材金属( 工件) 之间产生电弧融化母材和填充焊丝的过程。英文称 为g t a w g a st u n g s t e na r cw e l d i n g 或t i g t u n g s t e ni n e r tg a sw e l d i n g 。由于焊 接过程中电极不熔化，因此t i g 焊接亦称为非熔化极惰性气体保护焊【2 7 。2 8 1 。焊 接时，惰性气体以一定的流速从焊炬的喷嘴中喷出，在电弧周围形成气体保护层 将空气隔离，防止大气中的氧、氮以及水蒸气对钨极、熔池以及焊接热影响区金 属造成有害影响，以获得优质的焊缝。 t i g 焊接分为手工焊接和自动焊接两种操作方式。手工焊接时，焊炬的运动 和焊丝的送进均由焊工的左右手协调操作，可用于结构较复杂的焊接工件和自动 焊接难以接近的部位或者间断的短焊缝焊接；自动焊接时分别通过焊炬或工件的 移动装置及送丝机构完成两个动作，适用于焊接直线型焊缝、环形焊缝、曲线焊 缝等【2 9 - 3 。 在焊接时所使用的焊接保护气体主要有惰性气体氩( a r ) 、氦( h e ) 两种。 用氩气保护的称为钨极氩弧焊；用氦气保护的称为钨极氦弧焊。二者在电、热特 性方面有所不同。其中，氩气的使用较为广泛且制造成本较低，工业焊接上主要 采用的是钨极氩弧焊。 ( 1 ) t i g 焊接的工艺特点 1 ) 惰性气体( 氩气，氦气) 不与金属发生任何化学反应，在惰性气体保护 武汉理j ：人学硕十学位论文 下焊接，不需要使用焊剂就可以焊接几乎所有的金属，焊接后不需要去渣，应用 面广。 2 ) 焊接工艺性能好，明弧，能观察电弧及熔池。即使在小的焊接电流下电 弧仍然燃烧稳定。由于填充焊丝是通过电弧间接加热，焊接过程无飞溅，焊缝成 形美观。 3 ) 可以进行全位置焊接，是实现单面焊双面成形的理想焊接方法。并能进 行脉冲焊接，容易调节和控制焊接的热输入，适合于薄板或对热敏感材料的焊接。 4 ) 电弧具有阴极清理作用。电弧中的阳离子受到阴极电场加速，以很高的 速度冲击阴极表面，使阴极表面的氧化膜破碎并清除掉，在惰性气体保护下，形 成清洁的金属表面，又称为阴极破碎作用。 当母材是易氧化的轻金属如铝、镁及其合金作为阴极时，这一清理作用尤为 显著。因为这些会属表面生成的氧化膜熔点远高于母材，不清除则无法进行焊接。 t i g 焊时不需要外加焊剂就能把氧化膜清除掉，从而获得纯净的焊缝会属。 ( 2 ) t i g 的缺点及其局限性如下： 1 ) 熔深较浅，焊接速度较慢，焊接生产率较低，惰性气体较贵，生产成本 较高。 2 ) 钨极载流能力有限，过大的焊接电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒可 能进入熔池造成对焊缝的污染，使接头的力学性能降低，特别是塑性和冲击韧性 明显降低。 3 ) 惰性气体在焊接过程中仅仅起到保护隔离作用，因此对工件表面状态要 求较高。焊接件在焊前要进行表面清沈、除油、去锈等准备工作。 4 ) 焊接时气体的保护效果受周围气流的影响较大，需要采取防l x l 措施。 ( 3 ) t i g 焊的应用范围 1 ) 焊接母材 钨极氩弧焊几乎呵以焊接所有金属和合金，但其成本较高，生产中主要用于 焊接铝、镁、钛、铜等有色金属及其合金以及不锈钢和耐热钢。 2 ) 焊接接头和位置 t i g 焊属于全位置焊接技术。常规的对接、搭接、t 形接头和角接等接头形 式在任何位置，只要结构上具有可达性均能焊接。薄板的卷边接头，搭接的点焊 接头均可以焊接，而且无需填充会属。 3 ) 板厚与产品结构 t i g 焊特别适合薄板焊接，焊接厚度可达0 1 m m 。从生产率考虑以3 r a m 以 下薄板焊接最为适宜；5 m m 以下可开坡口单道焊；对较厚的工件可多层焊接或 者多层多道焊接。 6 武汉理j ：人学硕十学何论文 薄壁产品如箱体、隔膜、壳体、蒙皮、喷气发动机叶片，散热片、鳍片、管 接头等均可采用t i g 焊接。重要厚壁结构件，如压力容器、管道、汽轮机转子 等对接焊缝的根部熔透焊道或其他结构窄缝的打底焊道，也可采用t i g 焊接。 1 2 数字图像处理技术 数字图像( d i g i t a li m a g e ) 是对客观世界连续图像的离散化数字表达。数字 图像的基本元素称为像素( p i x e l ) 。数字图像通常包括二维和三维两种。一幅二 维数字图像通常可用一个二维数组f ( x ，y ) 表示。这里x 表示离散化图像的行，y 表示离散化图像的列，f 表示离散化图像的某一性质( 如灰度，色彩等) 。亦可将 一幅二维数字图像表示成二维r x c 矩阵( r 表示图像总行数，c 表示图像总列 数) ： f = i 。石： 厶厶： nl 旺 睑 ( 1 2 1 ) 数字图像技术包括图像的采集、编码、存储及传输、图像合成、图像显示与 输出、图像变换、图像增强、图像恢复、图像分割以及目标检测等一系列的技术。 各种图像处理技术的研究和应用框架被称为图像工程。图像工程被划分为三个层 次：图像处理、图像分析及图像理解【32 1 。 图像处理是大量图像技术的一个子集，主要研究图像之i 、习j 的变换。图像处理 的操作对象一般是像素，其主要目的是对图像进行诸如滤波、色彩或亮度矫正等 操作提高数字图像的信噪比。由于某些图像目标区域模糊，信号微弱，还需要对 数字图像进行增强，增强的作用是通过一定的技术手段对数字图像进行修正或者 是变换以达到可供计算机分析的要求。为了后续对数字图像中特定目标进行识 别，还需要对图像进行分割分离出特定目标。如果是在噪声、电磁干扰等恶劣环 境下完成的图像采集，得到的数字图像会发生一定程度的退化，为了便于研究人 员观察分析，还需要对图像加以改善，包括逆滤波，维纳( w i e n e r ) 滤波等技术。 图像处理的目的除了改善可视化效果、便于分析处理研究以外，还需要在保证图 像质量( 最大限度的保留数字图像数据所承载的信息) 的前提下尽量对图像数据 进行压缩，消除冗余数据，使得图像的存储、传输及处理性能得到改善。以上是 图像处理的主要部分，概括起来图像处理包括图像增强、图像变换、图像恢复、 图像重建以及图像编、解码等几个方面的内容。 c c 石厶 武汉理：人学硕十学何论文 图像分析是在完成图像处理之后对图像中感兴趣的区域进行检测和测量，以 获取图像所承载的有效信息。对图像中目标的检测包含许多方法，比如边缘检测、 轮廓跟踪、h o u g h 变换( 亦称哈夫变换) 、阈值分割以及空间聚类等方法。图像 分析是一种将图像转化为数据的过程。此阶段将图像的描述及分析上升到了对图 像中量化了的特征数据进行分析计算的高度。图像中目标的特点和性质都以特征 测量数据和测量符号的形式被提取出来供后续分析识别使用。 图像理解是整个图像工程框架中最高层次的分析技术。图像理解是在图像分 析的基础上进一步对图像的内容及含义做出客观、合理的描述和解释。图像理解 根据图像分析得到的数据进行分类，将不同图像样本的模式特征加以人工或是自 动分类，并将分类信息存入数据库。再根据统计决策分析、句法结构分析、人工 神经网络分析等模式识别方法对待检测样本图像进行自动分析，完成对图像中目 标的检测与定位。从而真j 下实现对数字图像所蕴含信息的提取、解释及使用。 获得焊接过程信息后就需要对信息进行相应的处理，提取出焊接过程的特征 信息。数字图像处理技术的发展直接推动了这一进程。数字图像处理技术其实质 是利用计算机强大的可编程能力和运算处理能力对图像数据进行处理，从图像中 获取对研究人员有价值的各种信息，这其中包括目标的大小、色彩、亮度等。数 字图像处理技术是基于离散数学理论、概率论、集合论等数学知识，用程序设计 方法加以实现的一类信息处理技术【3 弘3 6 】。数字图像处理技术实现的核心是算法， 本试验中具体涉及到图像预处理技术和图像模式识别技术两大类。 本文使用开源图形图像处理函数库o p e n c v 作为图像处理的主要工具，并借 助于w i n d o w s 操作系统平台下的v i s u a lc h n e t 程序设计软件设计了图形处理 框架和用户界面，实现了主机对焊接弧光图像的自动处理功能。o p e n c v ( o p e n s o u r c ec o m p u t e rv i s i o nl i b r a r y ) 是一个跨平台计算机视觉函数库。o p e n c v 最早 由著名计算机芯片制造商英特尔公司发起并参与开发，以b s d 许可证授权发行， b s d 协议允许该函数库可免费用于商业和研究开发目的。o p e n c v 在英特尔公司 的主导下版本不断演进，并针对其i n t e l 平台的处理器做了高度优化，因此该函 数库可用于开发实时图像处理、计算机视觉以及模式识别程序。 1 3 模式识别技术 获得焊接过程信息后就需要对这些信息加以分析，而后根据分析得到数据建 立起焊接过程的数学模型。但是根据经典的过程控制理论建立的过程控制模型都 是线性模型，不能很好的描述焊接这一复杂的控制过程。虽然也有使用p i d 控 制技术建立的焊接过程模型，但其仅能在一定程度上实现焊接的自动化。为进一 步实现焊接过程的智能化，广大科研工作者做出了不懈努力，针对以往线性过程 武汉理l ：人学硕士学f 7 = 论文 控制理论的不足之处，许多新的过程控制理论体系被提了出来【3 7 。3 羽。由于实际的 过程控制中往往需要处理大量的未知或非确定因素，这就促使人们探索不同于以 往基于大量试验数据构建起的过程控制模型。于是诸如模糊控制、人工神经网络 ( a r t i f i c i a ln e u r o nn e t w o r k ) 、模式识别( p a t t e r nr e c o g n i t i o n ) 以及专家系统等 现代控制理论得到了广泛的研究和应用。模糊控制基于模糊数学的相关理论如模 糊推理、模糊判断、隶属函数等。根据事先确定的判断规则或误差限，形成固定 的分类集合。在实际应用中，系统根据已有的分类集合对过程状态进行判断。专 家系统是根据已有的专家经验和专业知识，采用人工智能的方法对问题进行推理 和分类判断的系统。人工神经网络模拟人类神经细胞的工作机理，根据已有的经 验和知识对问题进行分类和判断p ，模式识别就是人工神经网络的一个典型应 用。 上述理论都是为解决非确定和非线性问题而建立的。但到目前为止这些理论 仍在不断发展之中，还没有一个能够完全解决上述问题的理论。从实用主义的角 度来讲，上述理论的应用范围很有限，需要根据具体的过程控制环境加以选择和 组合使用。本试验选择模式识别方法对焊接弧光的各种形态模式样本加以分类， 构造分类器，对焊接过程的实时图像进行快速模式识别。 1 4 本论文研究内容、目的及意义 1 4 1 研究内容 生产不锈钢阀球过程中普遍存在人工焊接操作难度大，成品率较低的问题， 后经研究发现不锈钢阀球是将一圆形管材以冲模方式，直接冲制成一个两侧具有 圆形开孔的球壳体，且在球壳体周面冲制出供阀杆卡制的卡掣槽，接着将一外径 相等于圆形开孔口径且长度相等于球塞流道长度的圆形中管，焊接固定于球壳体 两侧的圆形开孔间，再经过圆度矫正及表面磨光修整处理后，制作构成一内部中 空的球塞。其实物及构造图见图1 1 。 上述生产工艺的焊接环节都是由人工操作完成的。由于圆形中管和球壳开口 的配合往往不能精确控制，焊接时中管和球壳受热膨胀度不同，且不锈钢阀球有 多种尺寸，焊缝的状况也各有不同，导致人工焊接工艺质量难以控制，阀球成品 率低。针对上述问题，通过查阅相关资料，确定本试验设计数字图像处理程序自 动分析采集自c m o s 视频设备的焊接弧光，根据其尺寸及形态特征变化，通过 基于p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 的自动执行机构调整焊炬位置的阀球焊 接装置，用以替代人工焊接操作。 9 武汉理工大学颂士学位论文 ( a ) 阀球实物图( b ) 阀球结构图 圈卜3 阀球实物图与结构图 f i g 1 3 t h e v a l v eb a l la n d i t ss t r u c t u r e 1 4 2 研究目的及意义 ( 1 ) 研究目的： 以智能化嘲球焊接过程为研究对象，采用计算机视觉技术识别视频图像采集 系统所提供焊接弧光图像，根据焊接弧光的形忐变化及时调整焊枪的姿态。实现 对焊枪姿态的局部智能化控制，提高成品率。 ( 2 ) 研究意义： 该装置可实现智能化的不锈钢焊接操作，提高产晶的成品率及牛产效事：同 时，减少焊接设备的复杂程度，降低生产能耗；智能化的焊接操作可替代传统人 工焊接操作，避免了生产过程中辐射及烟尘对操作人员的直接伤害。 武汉理i ：人学硕十学位论文 第2 章智能化焊接装置设计 2 1 智能化焊接试验机构设计 本试验所用智能化焊接装置结构如图2 1 所示，对应的实物装置见图2 2 。本 试验装置总体上分为三个部分：机械执行机构、运动控制模块以及视频采集模块 组成。机械执行机构根据主机发出的指令执行相应的机械动作，如驱动x y 伺 服电机运转，实现焊炬的纵向与横向运动，驱动小型变频器实时调整旋转载物台 的旋转速度等。该试验装置还可以根据工件的大小自动粗调焊炬位置。上图中分 别标示出了不同伺服电机驱动焊炬运动的方向，焊炬在伺服电机的驱动下可以完 成纵向和横向运动，焊接机构由工作台、旋转载物台、机械运动臂、焊炬夹持装 置组成。机械臂上加载两台轻型伺服电机用于控制焊炬x y 方向的运动。工作 台中心区域垂直固定一个旋转载物台并配有伺服电机，通过旋转工件使焊接过程 具有了z 方向的焊接运动。 图2 1 智能化焊接装臀结构图 f i g 2 1s k e t c hm a po fe x p e r i m e n t a ld e v i c e 武汉理工人学硕士学位论文 圈2 2 试验装黄照片 f i g 2 - 2 p i c t u r e o f e x p e r i m e m a ld e v i c e ( 1 ) x 轴倒服电机，( 2 ) y 轴伺服电机，( 3 ) 焊炬，( 4 ) 旋转载 物台，( 5 ) 速度传感器( 6 ) 工作台，( 7 ) 旋转载物台伺服屯 机，( 8 ) p l c ，( 9 ) 速度控制器组，( 1 0 ) 输出继电器 本试验装置基本实现了阀球焊缝的三维焊接动作，如图2 3 所示： 疆 圈2 - 3 焊矩与工件运动方向 f i g2 - 3 t h e m o t i o nd i r e c t i o no f a r c t o r c ha n d w o r kp i e c e 武汉理_ j 入学硕十学侥论文 运动控制部分主要由主机、三菱p l c 和速度控制器组成。这一部分是焊接 系统的控制核心，主要用于视频信号的输入和处理以及控制指令的输出。视频采 集模块主要完成焊接弧光的图像采集工作，该模块由c m o s 图像传感器及滤光 片组成。 2 2 试验装置控制功能模块 2 2 1 运动控制模块 运动控制模块由三菱p l c 、继电器组、变频器、速度控制器以及伺服电机组 成。三菱p l c 选用型号为f x l n 2 4 m r ，该型p l c 共有输入输出触点2 4 个，还 具备高速计数器，能同时控制四台伺服电机。不但可以满足试验需要还可提供接 口冗余，方便后续扩展。同时，三菱p l c 还具备r s 2 3 2 串行通信及r s 4 2 2 编程 接口，主机可通过上述两种接口与p l c 链接，完成通信命令的传输任务。利用 m i c r o s o f t 公司发布的v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等软件开发工具完成主机通