（机械电子工程专业论文）电弧焊熔透视觉传感与识别方法研究.pdf

摘要 摘要 实现气体保护电弧焊熔透控制是自动电弧焊的一个重要研究领域，焊接熔透是焊 接质量控制中关键的一项性能指标。影响焊接熔透程度的因素主要与焊接材料、焊接 电流、焊接速度等焊接工艺参数有关，控制熔透状态的直接因素是焊接电流、焊接速 度。焊接熔透状态的识别检测方法有直接检测法与间接检测法，由于直接检测方法需 要在焊接结束之后剖开焊件进行检测是一种不可逆的破坏性检测，在实际生产中不能 作为常规检测方法。间接检测法有多种，本论文以视觉传感为基础，研究焊接正面熔 池特征参数与焊接熔透之间的关系模型，达到通过观测熔池特征参数来间接推断熔透 状态。 视觉传感式熔透状态监控的一般方法是利用c c d 传感器采集焊接实时熔池图像， 之后利用图像处理技术提取熔池特征参数，根据已建立起来的熔池特征参数与熔透状 态的关系模型，从而间接的推断出熔透状态。本论文重点是熔池特征参数的提取以及 熔池特征参数与熔透状态之间关系模型的建立，设计合理的分类器，识别出不同的熔 池特征参数所对应的熔透状态。 首先基于一套基于视觉传感的氩弧焊系统，进行试验研究。该系统主要包括工作 台、c c d 传感器、步进驱动与控制系统等装置。借助滤光系统在焊接强弧光状态下图 像采集方法根据此方法下获取的熔池图像具有高反光的特点，研究设计一种空域滤波 与频域滤波相结合的图像滤波技术，排除在熔池特征提取阶段的噪声干扰。 其次，利用图像滤波技术滤除图像噪声并提取熔池特征参数。焊接时未熔透到熔 透的过程中熔池表面熔液激烈变化，熔池熔宽可分为外熔宽及熔池内缘宽。在熔池表 面激烈变化的过程中熔池内缘宽与外熔宽之间的液态金属存在互反射和镜面反射现 象，不同部分的熔池进入摄像机的光线不同，利用熔池表面镜面反射现象识别、计算 出熔池外熔宽与熔池内缘宽。 最后，利用氩弧焊堆焊实时图像提取熔池几何特征参数，将外熔宽、熔池内缘宽、 相邻图像外熔宽差值这三种特征参数作为神经网络的输入，以未熔透、熔透、过透三 种状态作为神经网络的输出，分别建立径向基( r b f ) 、b p 神经网络。根据己建立的 神经网络对熔透进行预测，利用实际熔透与预测分类对比，分析不同神经网络对熔透 广东工业大学硕士学位论文 分类识别的准确率。 关键词：熔透识别；图像滤波；视觉传感；r b f 神经网络；b p 神经网络 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t i gw e l d i n gp e n e t r a t i o nc o n t r o li sas i g n i f i c a n tr e s e a r c hf i e l do fa u t o m a t i ca r c w e l d i n g ，a n dt h ed e g r e eo fw e l d i n gp e n e t r a t i o ni sap i v o t a lp e r f o r m a n c ei n d e xo fw e l d i n g q u a l i t yc o n t r 0 1 t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gw e l d i n gp e n e t r a t i o nd e g r e e a r ew e l d i n gm a t e r i a l s ， w e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n gs p e e da n do t h e rw e l d i n gt e c h n i q u ep a r a m e t e r s ，a n dt h ed i r e c t c o n t r o lf a c t o r sa r ew e l d i n gc u r r e n ta n dw e l d i n gs p e e d i d e n t i f i c a t i o nd e t e c t i o nm e t h o do f w e l d i n gp e n e t r a t i o ns t a t ec o n s i s t so fd i r e c td e t e c t i o nm e t h o da n di n d i r e c td e t e c t i o nm e t h o d i no r d e rt od e t e c t ，t h ed i r e c td e t e c t i o nm e t h o dn e e d st oc u to p e na f t e rf i n i s h i n gw e l d i n g ，a n d i ti sak i n do fi r r e v e r s i b l ed e s t r u c t i v ed e t e c t i o n ，t h u si tc a nn o tb er e g a r d e da st h er e g u l a r d e t e c t i o nm e t h o di np r a c t i c e t h e r ea r eav a r i e t yo fi n d i r e c td e t e c t i o nm e t h o d s ，a n dw h a ti s d e s c r i b e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nv i s u a ls e n s i n g ，a n di ti st os t u d yt h er e l a t i o n s h i p m o d e lb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ff r o n tm o l t e np o o la n dw e l d i n gp e n e t r a t i o n ， a n do b s e r v et h e s ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，t oi n f e rt h ep e n e t r a t i o ns t a t ei n d i r e c t l y t h eg e n e r a lm e t h o do fv i s u a l s e n s i n gp e n e t r a t i o ns t a t em o n i t o r i n gi st ou s ec c ds e n s o r t oc o l l e c tr e a l t i m ew e l d i n gp o o li m a g e ，a n dt h e nu s ei m a g ep r o c e s s i n gt oe x t r a c tt h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h ew e l d i n gp o o l ，a n df i n a l l yi n d i r e c t l yi n f e rt h ep e n e t r a t i o n s t a t e a c c o r d i n gt o t h e r e l a t i o n s h i p m o d e l w h i c hh a sb e e nb u i l tu pb e t w e e nt h e s e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dp e n e t r a t i o ns t a t e t h i st h e s i si sf o c u s e do nt h ee x t r a c t i o no f w e l d i n gp o o lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dm o d e l i n go ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dp e n e t r a t i o ns t a t e ，a n dt h ed e s i g no fav a l i d a t ec l a s s i f i e r , w h i c h i su s e dt oi d e n t i f yp e n e t r a t i o ns t a t ec o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s i nt h ef i r s tp l a c e ，w eh a v ed e s i g naa r cw e l d i n gt e s t i n gs y s t e mb a s e do nv i s u a ls e n s i n g ， a n dp e r f o r mt h er e s e a r c ho nt h i sp l a t f o r m t h es y s t e mi sc o m p o s e do fat a b l e ，c c ds e n s o r , s t e p p e rd r i v e r s ，c o n t r o ls y s t e ma n do t h e rd e v i c e s f i r s t l yw ed i s c u s s m e t h o do fi m a g e a c q u i s i t i o nu n d e rs t r o n ga r cw e l d i n g ，w i t ht h eh e l po ff i l t e r i n gs y s t e m s i n c et h ei m a g e o b t a i n e dt h r o u g ht h i sm e t h o dh i g hr e f l e c t i o no fl i g h t ，w ec a nd e v e l o pak i n do fi m a g e f i l t e r i n gt e c h n i q u e sc o m b i n i n gb l a n kd o m a i nf i l t e r i n gw i t hf r e q u e n c yd o m a i nf i l t e r i n g ，t o r e m o v et h en o i s ed u r i n gt h ee x t r a c t i o no fw e l d i n gp o o lc h a r a c t e r i s t i c 广东工业大学硕士学位论文 b e s i d e s ，m a k eu s eo ft h et e c h n i q u e so fi m a g ef i l t e r i n gt oe l i m i n a t ei m a g en o i s e sa n d e x t r a c tt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f t h ew e l d i n gp 0 0 1 w h i l ew e l d i n g ，d u r i n gt h e t r a n s i t i o np r o c e s sf r o mi n c o m p l e t ep e n e t r a t i o nt oc o m p l e t ep e n e t r a t i o n ，s u r f a c eo ft h e w e l d i n gp o o lc h a n g e si n t e n s e l y w e l d i n gp o o lw i d t hc a nb ed i v i d e di n t oi n t e m a lw e l d i n g w i d t ha n de x t e m a lw e l d i n gw i d t h d u r i n gt h ec h a n g i n gp r o c e s so ft h ew e l d i n g p o o ls u r f a c e ， o nt h ei n t e re d g ea n do u t e re d g eo ft h ew e l d i n g p o o l ，t h e r ee x i s t sp h e n o m e n o no fl i q u i d m e t a lm u t u a lr e f l e c t i o na n ds p e c u l a rr e f l e c t i o na n dl i g h t sr e f l e c t e di n t ot h ec a m e r af r o m d i f f e r e n tp a r to ft h ew e l d i n gp o o la r en o tt h es a m e t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h es p e c u l a r r e f l e c t i o no ft h ew e l d i n g p o o l ，w ec a ni d e n t i f ya n dc a l c u l a t et h ei n t e r n a le d g ea n dt h e e x t e r n a le d g e f i n a l l y , w eu s et i go v e r l a yw e l d i n gr u n t i m ei m a g et oe x t r a c tg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f t h ew e l d i n g p o o l ，a n dt a k et h r e ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n ge x t e r n a lw e l d i n gw i d t h ， e x t e m a lw e l d i n gw i d t ha n dt h ed e v i a t i o nv a l u eo fe x t e r n a lw e l d i n gw i d t hb e t w e e na d j a c e n t i m a g e s ，a st h ei n p u to ft h en e u r a ln e t w o r k ，a n dt h r e es t a t e s ，i n c l u d i n gi n c o m p l e t ep e n e t r a t i o n ， c o m p l e t ep e n e t r a t i o na n do v e rp e n e t r a t i o n ，a st h eo u t p u t t h e n ，r b fa n db pn e u r a ln e t w o r k c a nb eb u i l tu pr e s p e c t i v e l y a n dt h ep e n e t r a t i o nd e g r e ec a nb ep r e d i c t e da c c o r d i n gt ot h e n e u r a ln e t w o r k c o m p a r i n gt h ea c t u a lp e n e t r a t i o nd e g r e ea n dt h ep r e d i c t i o n ，w ec a na n a l y z e t h ea c c u r a c yr a t eo ft h e p e n e t r a t i o nc l a s s i f i c a t i o ni d e n t i f i c a t i o nf r o md i f f e r e n tn e u r a l n e t w o r k s k e y w o r d s ：p e n e t r a t i o ni d e n t i f i c a t i o n ；i m a g e f i l t e r i n g ；v i s u a ls e n s i n g ；r b fn e u r a l n e t w o r k ；b pn e u r a ln e t w o r k i v 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2g e n e r a lm e t h o d so fw e l d i n gp e n e t r a t i o nc o n t r o l l i n g 2 1 2 1a r cs o u n dm e t h ( ) d ：1 1 2 2w e l d i n gp o o lo s c i l l a t i o nf r e q u e n c ym e t h o d 2 1 2 3t e m p e r a t u r ef i e l dm e t h o d 3 1 2 4w e l d i n gp o o lv i s u a ls e n s i n gm e t h o d 3 1 3a p p l i a n c eo fv i s u a ls e n s i 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对于电弧焊，焊接自动化的两大关键技术是：焊缝自动跟踪和熔透自动控制。焊 缝跟踪主要解决焊枪定位的问题，而熔透控制则解决焊接速度、焊接电流等方面的问 题。焊接速度及焊接电流直接影响熔透程度，因此恰当的焊接速度及焊接电流控制是 实现高质量焊接的重要因素。焊接速度、电流控制是自动焊接的关键所在。生产实践 中，焊接熔透程度不能直接进行在线测量，而是通过观察熔池特征信息，根据熔池特 征信息与熔深的关系模型，通过焊接表面特征信息间接对熔透进行测量与评价。 实现焊接自动化首要的环节为如何获取有效的焊接实时信息，即信息采集方法。 实际生产过程中，视觉传感方法是一种被较为广泛运用的信息采集方法。基于视觉传 感的焊接熔透控制系统中，利用机器视觉准确提取熔池特征参数，建立准确的熔池特 征信息与熔透程度的关系模型。视觉检测为实现正确的电弧焊接速度控制提供准确的 试验依据，提高焊接产品质量起着重要理论及现实意义。 广东工业大学硕士学位论文 1 2 常见的焊接熔透控制方法 焊接熔透状态在电弧焊以及其他其他焊接工艺中是一个非常重要的焊接参数，它 直接影响着焊接质量。其中的关键是如何监控熔透程度，即找一种合适的方法直接或 者间接的测量熔透程度。综合观察国内外现有的监控熔透技术可以发现，焊接熔透监 控方法主要有电弧声法、温度场法、振荡频率法、光电法和视觉传感法1 2 3 】。 1 2 1 电弧声法 电弧声是一种在焊接工艺过程中产生的非平稳的声音信号，生产过程中，一些熟 练的操作工人经常能从电弧声中“听出”焊接过程稳定性、熔滴过渡方式、飞溅以及焊 缝熔透状犁4 ，5 】，根据这种现象，相关学者作了大量研究工作，并揭示了焊接电弧声源 于焊接过程中焊接能量的变化，它反映的是空气在燃弧及短路过程中产生振动情况。 电弧频率及声压的变化，与引起空气振动的各种因素有关，包括熔池形态和振荡、电 弧斑点跳动、焊接飞溅、短路和再引弧等【6 7 l 。 日本学者a r a t ay o s h i a l d 对不同的焊接产生的电弧声做了大量研究 s q o l ；上世纪8 0 年代后期，k a s h i n e n 和m u e l l e r 等提出焊接电弧的等离子体积变化突然产生电弧声。 在国内清华大学陈强、王耀文等人对通过研究等离子弧焊接穿孔行为的声信号传感， 发现，熔池的熔透程度与焊接过程中的声音在熔池的过渡阶段会产生剧烈的低频振动， 这表明熔透状态的信息与声波信号的低频段分量有很大关系】。 1 2 2 熔池振荡频率法 在电弧力及电弧热的作用下，熔池总存在一些动荡，其振荡模式和熔池的熔透程 度、熔池的几何形状密切相关。熔池振荡频率是焊接熔透量和振荡模式的一个特征相 关量，对熔池振荡频率进行监控可简单地预测熔池熔透情况。国内外许多著名学者已 对熔池振荡频率与熔透程度的关系做了大量研究，研究表明熔透状态与熔池振荡频率 有密切关系，对熔池振荡频率的时监测是研究焊接熔透状态的一种有效方法 1 2 1 。哈尔 滨工业大学杨春利、王其隆以及张九海等人用脉冲电流冲击熔池，使得熔池产生振荡， 使得电弧电压和弧长产生有规律的变化，观测焊接电弧电压变化情况及其变化规律， 揭示了熔池振荡频率与熔池尺寸之间有某种对应关系。但是，发现以上规律只能是在 电弧静止或焊接速度较慢时才可行】。 第一章绪论 1 2 3 温度场法 国内外对焊接熔透状态的监控极为重视，焊接领域的各学者、专家利用不同方法 对焊接熔透状态进行监测，其中焊接温度场的熔透状态控制也是较为普遍的研究方法， 由于焊接过程中焊接熔透状态与温度变化密切相关，因此温度场法在生产实践中也得 到广泛运用。温度场法属于接触式测量方法之一，许多焊接现场由于条件不允许，接 触式测量方法在许多焊接情况下会受到限制，因此非接触式测量方法得到更广泛运用。 受到焊接现场情况的限制，焊接实物背面的温度场的测量难度较大，因此很多情况下 只能获取正面温度场信息【1 3 】。居于非接触式的温度场熔透控制的研究成为温度场研究 的主要热门方向【1 4 】。关于熔透的温度场的研究主要是以熔池正后方某点温度的恒定或 者是以表面热辐射量作为控制量，保证其值的的恒定来控制焊缝熔透的均匀一致性。 近年来，国内外许多学者己对基于温度场的熔透状态监测控制做了研究，并取得一定 研究成果。北京工业大学殷树言及陈树君、哈尔滨工业大学李亮玉等人利用累积原理 和镜像法建立了基于三维焊接温度场的解析性关系表达式，同时借助正面温度场信息 与这已建立的表达式的关系检测熔透状态，为建立基于正面温度场的焊接熔透控制系 统打下基础- 1 3 。沈阳工业大学的邵成吉、王蕊和李德元运用视觉提取焊接熔池的红外 热像信息，实现了焊接过程熔透状态的有效控制 1 5 】。 1 2 4 熔池视觉传感法 和其它传感技术比较，视觉传感法由于不与焊接材料接触，在视觉检测的过程中 不会对焊接过程干扰。视觉传感测量技术能提供丰富的特征信息，它是焊接自动化中 最有前景的传感技术之一，图1 1 为视觉传感焊接自动控制系统简图。随着微机图像 处理技术及视觉传感设备的发展，视觉传感法也逐渐成为焊件质量检测的有效方法。 尤其是进几年来，随着视觉传感技术、计算机软硬件的迅猛发展，视觉传感方法成为 焊件在线控制的热门研究领域。在近几年中运用视觉传感技术采集熔池及其周边图像 信息对焊接质量进行监控已经得到很好的利用，同时基于视觉传感的焊缝跟踪也成为 热门课题。但是大多数研究只提取熔池表面的一维或二维几何信息，仅将一种或为数 不多的几个特征量用于焊接熔透控制1 1 6 】。 广东y - 业大学硕士学位论文 图卜l 视觉传感熔透状态控制系统工作原理图 f i g u r e1 - 1s c h e m a t i co ft h ep e n e t r a t i o ns t a t ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nv i s u a ls e n s i n g 目前国内外已有大量学者对脉冲m i g 焊、t i g 焊以及m a g 焊等针对熔池图像特 征检测与处理技术进行过大量研究，同时在焊缝跟踪、焊接熔池形态检测及实时控制 等方面起得了许多成功应用t l 工2 3 2 5 2 6 。综合国内外专家学者对焊接过程熔池信息传感技术 研究发现，以力、声、热、电作为传感器对熔池熔透进行探测过程中存在多种干扰的 影响。尤其是伴随电弧、工作环境等复杂的外界环境和一些随机过程产生的干扰以及 传感器自身的一些缺陷f 2 4 】。因此利用以上这些传感技术，使得熔池信息采集存在较大 误差，从而对实时熔透控制产生较大偏差，难以准确控制焊接质量。与以上传感方法 相比，视觉传感法属于非接触式传感法，它不与焊接材料相接触，受到焊接现场的干 扰较少，焊接工艺与视觉传感相对独立，在信号检测过程中对焊接过程的影响较小。 焊接视觉传感法，它能提供较为丰富的焊接信息，如接头形状、熔池特征、焊丝位置、 电弧形态及己凝固的焊道形状等，同时它能准确的反应焊接时焊接材料熔化的动态过 程。因此，基于视觉传感技术更适合于焊接过程质量控制过程中熔池信息的提取。因 此，基于视觉传感的焊接实时控制技术已成为焊接质量监控、检测的一个重要研究方 向。 1 3 视觉传感在焊接熔透控制中的应用 焊接过程控制系统中，信息采集方式有多种，而居于视觉检测的方法具有其诸多 优点。首先，利用光学传感器无需与焊接回路接触，在对焊接质量监测的时候不会对 正常的焊接过程产生干扰，同时此方法具有采集的信息量丰富、测量的精度高、动态 响应特性好及灵敏度高等优点。焊接过程视觉传感作为自动焊接控制系统中常见的一 种多信息传感技术，由于视觉传感的实现较为简单同时可操作性强，因此它在自动焊 4 第一章绪论 接控制的传感中占据着举足轻重的作用。 目前焊接质量控制与保证的途径主要有三类：一、进行焊前工艺验证与优化；二、 焊接完成后，利用破坏性有损检查或者无损检测方式检测焊接质量【2 7 】；三、焊接在线 进行质量检测并将其反馈给焊接系统。前两种方法虽然都是保证接头质量的有效方法， 但均未能从根本上控制焊接质量，进行在线实时调整焊接参数是一种能从根源上控制 焊接质量的最有效可行的技术手段。而基于熔池视觉传感的焊接质量控制己成为当今 焊接界的一个研究热点o 】。 1 3 1 熔池图像采集 基于视觉传感的焊接自动控制系统是首选以摄像头作为信息采集器，将焊接过程 中熔池及其邻近区域的光信息提取到图像中，使得图像中的景物与焊接区域各部分一 一对应。视觉图像将给人们提供非常直观、丰富的焊接过程的相关反馈信息，在焊接 电弧高亮度、强辐射的环境中，仍然能获得整个过程中尽可能多的电弧变化情况和熔 融金属动态过程。 焊接过程中产生强烈的电弧光，在电弧光的笼罩下，由于弧光的干扰很难获得熔 池清晰原始图像】。文献【9 】使用3 0 0 w 石英投影灯增强弧光及融化材料周围的亮度， 采用两个普通c c d 摄像机采集焊接熔池信息，研究c 0 2 激光焊熔透实时信息。由于焊 接弧光强度过大，普通光源难以克服电弧光的干扰，提取的熔池图像效果不佳，文献 1 0 乖j j 用强脉冲激光作为光源，设计一套利用普通c c d 摄像机研究g t a w 焊接熔池动 态过程。此设备中使用的脉冲激光的平均功率是7 m w ，脉冲持续3 n s 。利用在脉冲期 间的激光强度远超过电弧强度，利用同步装置摄像机获取熔池图像。在此套系统作用 下，能获取清晰的熔池图像。但是由于主动视觉传感法需要采用特殊电子快门的摄像 机及高能量密度的脉冲激光光源，因此安装后体积较大影响设备灵活性，价格昂贵， 同时由于大部分金属表面存在镜面反射，因此这种方法在实际生产中运用较少。 1