（材料加工工程专业论文）旁路耦合电弧mig焊熔池视觉实时传感与参数控制系统研究.pdf

i 一 t h es t u d yo ft h ew e l d i n gp o o lr e a l - t i m ev i s u a ls e n s i n ga n d p a r a m e t e r - c o n t r o ls y s t e mi nb y p a s sc o u p l i n ga r cm i g w e l d i n g b y ，a n gh a i t a o b e ( h u b e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i n m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rs h iy u m a y , 2 0 1 0 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：江坷法 日期：z 严年多月户日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：；堑净彦务作者签名：7 丑澎矿汐黟 导师签名：7 万纠 e l i 期：砂年 ， e l 期：b p 年 j b 玛j e l 6 月厂p 日 硕士学位论文 目录 目录 i j i 每要i i i a b s t r a c t 第1 章绪论1 1 1 课题背景l 1 2 焊接过程视觉传感国内外发展现状3 1 2 1 焊接过程视觉传感硬件系统相关研究3 1 2 2 焊接过程动态熔池特征提取国内外发展现状6 1 3 焊接过程控制国内外研究现状7 1 。4 本文的研究内容8 第2 章实验系统硬软件设计1 0 2 1l a b v i e w 软件介绍1 0 2 2 焊接电源1 3 2 2 1 电源选择13 2 2 2 旁路电流控制1 4 2 3 工作台运动控制1 5 2 4 视频传感与控制系统设计：1 6 2 4 1c c d 摄像机1 7 2 4 2 复合滤光镜头18 2 4 3 视频采集卡2 0 2 5 电流电压数据采集系统2 l 2 5 1 霍尔电流传感器：2 l 2 5 2 采集电压信号硬件设备。2 2 2 5 3 数据采集卡2 2 2 6d 、l 密i ：1 3 第3 章熔池视觉实时检测 3 1 碳钢堆焊试验研究2 4 3 1 1 焊枪几何参数确定。2 5 旁路耦合电弧m i g 焊熔池视觉实时传感与参数控制系统研究 3 1 2 碳钢堆焊试验电流电压分析2 5 3 2 焊接熔池特征信息提取2 9 3 2 1 熔池图像预处理2 9 3 2 2 基于微分算子熔池边缘提取31 3 2 3 基于l a b v i e w 的熔池图像形态学边缘实时提取3 4 3 2 3 3 非熔化极单旁路耦合电弧m i g 焊熔池图像的形态学边缘提取3 6 3 3 熔池宽度检测与分析3 8 3 4 ，j 、结：4 0 第4 章熔宽模糊控制器设计4 l 4 1 模糊控制的原理4 l 4 2l a b v i e w 模糊逻辑工具箱简介：4 2 4 3 模糊控制器的设计4 3 4 3 1 确定语言变量一4 3 4 3 2 确定隶属度函数一4 3 4 3 3 建立模糊控制规则4 5 4 3 4 模糊推理和解模糊一4 7 4 4 模糊控制器输入输出性能测试4 7 4 5 j 、结i 4 9 第5 章旁路耦合电弧脉冲m i g 焊5 0 5 1 旁路耦合电弧脉冲m i g 焊5 0 5 2 控制系统设计5 0 5 2 1x p c 目标环境5 2 5 2 2p i d 控制系统设计5 3 5 3 单旁路耦合电弧脉冲m i g 焊试验研究一5 7 5 3 1 药芯焊丝焊接5 7 5 3 2 铝合金焊接：5 9 5 3 3 铝钢异种金属焊接6 1 5 4 本章小结一6 3 结论与展望 参考文献 致谢 6 5 6 9 附录a ：攻读学位期间所发表的学术论文目录7 0 硕j 二学位论文 摘要 随着焊接技术的发展，高效化焊接越来越受到焊接领域研究者的重视，针对 现有的高效化焊接方法中存在的不足，提出了旁路耦合电弧g m a w 焊方法，该 方法通过旁路电弧的分流作用，使得流经母材的电流减小，在保证了高熔敷率的 同时，减小了作用于母材的热输入。本文针对非熔化极单旁路耦合电弧m i g 焊进 行了工艺、信号检测与控制系统的研究。 首先建立了一套用于非熔化极单旁路耦合电弧m i g 焊信号检测与硬件平台。 运用l a b v i e w 软件编写了旁路耦合电弧m i g 焊多路电流电压、电弧和熔池图像 的同步采集、运动控制和旁路电流控制程序，实现了对焊接电流、电压及视频图 像的同步高速采集，实时显示及存储功能和运功工作台等硬件设备的实时操作。 其次，在大量工艺性试验的基础之上，针对旁路耦合电弧m i g 焊方法，利用 普通c c d 摄像机配合复合滤光镜片在连续大电流条件下，获取了清晰的熔池图 像。利用数字图像处理技术，通过l a b v i e w 软件i m a q 模块对熔池图像进行实 时处理，通过对比分析各种图像处理方法提取熔池边缘的结果，得到了最佳的形 态学处理方法，并进行了熔池宽度的实时检测。在此基础之上，针对焊接过程是 一个非线性、强耦合、时变性强的复杂多变系统，基于l a b v i e w 软件设计了的 焊接过程中熔宽控制的模糊控制器。 最后，本文提出了主路m i g 焊和旁路t i g 焊均使用恒流电源，以脉冲电流 作为焊接电流形式下的非熔化极单旁路耦合电弧脉冲m i g 焊，利用此种焊接方法 对不同材料的母材进行焊接工艺性试验；为了保证焊接过程更加稳定，电流调节 更加精确，基于m a t l a bx p ct a r g e t 软件设计了焊接过程控制系统。 本文研究表明，针对低成本、高效率的旁路耦合电弧m i g 焊接方法，利用文 中设计的视觉采集系统在约2 7 0 a 连续大电流条件下可以获取清晰的熔池图像。 利用l a b v i e w 软件编程，将视觉采集系统获取的熔池宽度进行自动测量，测量时 间大约4 0m s ，程序测量结果与实际熔池宽度对比结果相符，为视觉传感的熔透 控制奠定了基础。并且通过对主路和旁路均使用恒流电源的旁路耦合电弧脉冲 m i g 焊焊接过程进行控制，取得了稳定的焊接过程，焊缝成形良好，为在对热输 入敏感的母材焊接时精确控制电流奠定了基础。 关键词：旁路耦合电弧m i g 焊；熔池边缘；熔宽检测提取；视觉检测；l a b v l e w ； 模糊控制器；旁路耦合电弧脉冲m i g 焊 n i 旁路耦合电弧m i g 焊熔池视觉实时传感j 参数控制系统研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f w e l d i n gt e c h n o l o g y , t h eh i g h - e f f i c i e n c yw e l d i n ga t t r a c t s t h ei n t e n t i o no fm o r ea n dm o r er e s e a r c h e r si nt h ew e l d i n gf i e l d t h et h e s i sp r o p o s e s b y p a s sc o u p l i n ga r cg m a wm e t h o d w h i c h m a k e su s eo f t h eb y p a s s f l o wo fb y p a s sa r o t or e d u c ec u r r e n tf l o w i n gt h r o u g hp a r e n tm e t a ls oa st or e d u c eh e a t i n p u tt ot h ep a r e n t m e t a lw h i l ee n s u r i n gh i g hd e p o s i t i o nr a t e t h et h e s i sc a r r i e so u tr e s e a r c h e so nt h e p r o c e s s ，s i g n a ld e t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e mo fn o n - m e l tp o l es i n g l e - b y p a s sc o u p l i n g m i g w e l d i n g f i r s t l y , as e to fs i g n a ld e t e c t i o na n dh a r d w a r ep l a t f o r ma p p l i e dt ot h en o n - m e l t p o l es i n g l e b y p a s sc o u p l i n ga r cm i gw e l d i n gi se s t a b l i s h e d ；t h el a d v i e w s o f t w a r ei s a d o p t e dt ow r i t ep r o g r a m sf o rs i m u l t a n e o u sc o l l e c t i o n ，m o t i o nc o n t r o la n db y p a s s c u r r e n tc o n t r o lo fm u l t i c h a n n e lc u r r e n t ，a r ca n dw e l d i n g p o o li m a g e so ft h eb y p a s s c o u p l i n ga r cm i gw e l d i n g ，s oa s t or e a l i z et h er e a l - t i m ec o n t r o lt os i m u l t a n e o u s h i g h s p e e dc o l l e c t i o n ，r e a l - t i m ed i s p l a ya n ds t o r a g eo fw e l d i n gc u r r e n t ，v o l t a g ea n d v i d e oi m a g e sa n dw o r kt a b l e ，e t c h a r d w a r ee q u i p m e n t s i na d d i t i o n ，b a s e do nl a r g ea m o u n to fp o l y t e c h n i ct e s t ，w i t hb y p a s sc o u p l i n ga r c m i gw e l d i n gm e t h o d ，c l e a ri m a g i n e so fw e l d i n g p o o la r eo b t a i n e du s i n gc o m m o n c c dc a m e r aa c c o m p a n yw i t hc o m p o u n d i n gf i l t e r si nt h ec o n d i t i o no fc o n s t a n th e a v y c u r r e n t w i t hd 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 , i m a g e so fw e l d i n g p o o l sa r e p r o c e s s e di nr e a lt i m eb ym e a n so fi m a qm o d u l eo ft h es o f t w a r el a b v i e w a f t e r c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h er e s u l t so fw e l d i n g - p o o le d g ed e t e c t e db y v a r i o u si m a g e p r o c e s s i n gm e t h o d s ，t h eb e s tm o r p h o l o g i c a lp r o c e s s i n gm e t h o d i so b t a i n e da n d w e l d i n g p o o lw i d t hi s a l s od e t e c t e di nr e a lt i m e o nt h eb a s i so ft h a t , c o n s i d e r i n g w e l d i n gp r o c e s si sal e a n e r , s t r o n gc o u p l i n g ，s t r o n gt i m e - v a r y i n gs y s t e m af u z z y c o n t r o l l e rb a s e do nl a b v i e wi sd e s i g n e dt oc o n t r o lw e l d i n g - p o o lw i d t hi nt h e w e l d i n gp r o c e s s l a s t ，i ti sp r o p o s e dt h a tc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c es h o u l db eu s e di nm a i np a s sm i g w e l d i n g ，p u l s ec u r r e n ts h o u l db eu s e di nn o n - m e l t i n gb y p a s sc o u p l i n g a r cm i g w e l d i n g ，a n dd i f f e r e n tb a s em e t a li su s e di nw e l d i n gp o l y t e c h n i ct e s tw i t ht h ew e l d i n g m e t h o d i no r d e rt om a k ew e l d i n gp r o c e s sm o r es t a b l ea n dc u r r e n tr e g u l a t i o nm o r e c o n c r e t e ，w e l d i n gp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nm a t l a b x p c t a r g e t i t i sr e v e a l e dt h a tc l e a ri m a g eo ft h ew e l d i n gp o o lc a l lb eo b t a i n e di nc o n s t a n t l a r g ec u r r e n to f2 7 0 aw i t hv i s u a ld e t e c t i o ns y s t e md e s i g n e db yc h i n e s ei nb y p a s s i v 硕士学位论文 c o u p l i n ga r cm i gw e l d i n g ，w h i c hi sd e e m e d a sal o wc o s tw h i l eh i g he f f i c i e n tw e l d i n g m e t h o d p r o g r a m m e db yl a b v i e w , t h ew i d t ho ft h ew e l d i n gp o o lw h i c hi so b t a i n e db y v i s u a ld e t e c t i o ns y s t e mi sm e a s u r e da u t o m a t i c a l l y t h et i m ef o rt h em e a s u r e m e n ti s a b o u t4 0m s t h er e s u l to ft h em e a s u r e m e n ti si na c c o r dw i t ht h ea c t u a lw e l d i n gp o o l w i d t h i tl a y saf o u n d a t i o nf o rp e n e t r a t i o nc o n t r o li nv i s u a ls e n s i n g t h ew e l d i n g p r o c e s si sc o n t r o l l e di nw h i c h c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ei sa p p l i e dt ob o t hm a i np a s sa n d b y p a s si nb y p a s sc o u p l i n ga r cm i gw e l d i n g t h ew e l d i n gp r o c e s si s s t a b l e t h e w e l d i n gs e a mi sf o r m e dw e l l i tl a y saf o u n d a t i o nf o rt h ep r e c i s ec u r r e n tc o n t r o li n w e l d i n go nt h eb a s em e t a lw h i c hi ss e n s i t i v et oh e a ti n p u t k e yw o r d s ：b y p a s sc o u p l i n ga r cm i gw e l d i n g ；w e l dp o o le d g ee x t r a c t i o n ；v i s u a l d e t e c t i o n ；l a b v i e w ；f u z z yc o n t r o l l e r ；b y p a s sc o u p l i n ga r cp u l s em i gw e l d i n g v 硕，i j 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着我国制造业的迅猛发展和焊接技术的不断进步，焊接结构得到了越来越 广泛的使用，每年的焊接工程量巨大并逐年递增，这就对焊接效率提出了更高的 要求【。为了适应激烈的市场竞争环境和工业需求的急剧扩大，进一步提高具有 自动化，生产效率高，可以全位置焊接、节能、接头质量好等优点的高效m i g m a g 焊成为近年来研究焊接领域的热点问题之一【2 j 。高效化焊接的标志是保证大电流 和高焊速条件下熔滴过渡、电弧形态和熔池流动的稳定性。实现高效焊接两个主 要方法：是大幅提高焊接速度；二是大幅提高熔敷率。这两方面的提高最终都 要归结到焊接电流的大幅度提高。但大焊接电流会导致作用于熔滴和熔池的电弧 力急剧增加，破坏焊接过程的稳定性并使母材热输入高而导致焊缝组织变差、焊 接变形变大。提高焊速后，虽然可以降低热输入，但熔滴过渡和熔池流动状态的 不稳定仍然会导致焊缝咬边甚至“驼峰 焊道”j 。 针对以上问题，为了获得稳定的高效m i g m a g 焊过程，国内外焊接研究者 开展了一系列卓有成效的研究工作，如双丝高速焊系统、t i 。m e 焊系统、磁控大 电流焊系统、激光一m i g 复合焊系统等等，这些先进的高效焊接方法很多已开始 应用于实际生产中。但是这些高效的焊接方法自身也在不同程度上存在着缺陷。 多丝或双丝焊接的方法焊枪和送丝系统比较复杂，因此设备成本高，工艺参数匹 配复杂。t i m e 焊使用的h e 等气体成本昂贵，并且还需要专用的高性能焊接电 源，焊接成本较高，在我国难以被普通用户所接受。磁控大电流m a g 焊方法只 适合于高熔敷率的中厚板焊接，而对薄板焊接时由于电弧力较大容易导致焊穿， 并且对母材热输入过大容易产生焊缝成型缺陷。激光一m i g 复合焊方法焊接设备 价格十分昂贵，维修费用高；在焊接过程中飞溅容易污染激光头的防护玻璃，导 致防护玻璃片失效。 2 0 0 7 年，美国肯塔基大学张裕明教授提出了基于旁路电弧的双电极g m a w 方法( 简称d e g m a w ) 【4 1 。该方法从本质上区别于现有的其它多弧焊接方法， 其基本原理是在焊丝与工件的电弧中间并入t i g 旁路或等离子电弧对流入母材的 电流起分流作用；该方法能够在高熔敷率下有效地控制电弧压力和母材热输入， 并可以通过调节旁路电流参数实现焊丝和母材之间热量的合理分配。双电极 g m a w 焊方法的特点为优化高速焊工艺和便于实现过程自动控制奠定了基础。同 时，该方法对焊接电源的要求较低，采用常规非脉冲电源即可实现对熔滴过渡过 旁路耦合f u 弧m i g 焊熔池视觉实时传感| 了参数控制系统研究 程的有效控制，利于实现低成本的高效m i g m a g 焊接。 山东大学武传松教授与张裕明教授对d e g m a w 高速电弧焊工艺机理进行 了合作研究【5 ，6 】，解释了高速焊接工艺的机理，并建立适用于焊接工艺的有限元模 型，对该工艺条件下的应力一应变场、温度场进行了数值模拟，为焊接工艺参数 优化提供了理论依据。 本课题组兰州理工大学石圩副教授与美国肯塔基大学张裕明教授对旁路电 弧g m a w 高效焊方法进行了进一步合作研究，在d e g m a w 的基础上提出了双 旁路g m a w 方法( 简称d b g m a w ) 及工艺，并对更高熔敷率的双熔化极旁路 g m a w 焊工艺进行了研究。双旁路g m a w 焊接系统如图1 1 所示。 l l 洲 g 乱删 w e l d e r f 1w 。 图1 1 双旁路g m a w 焊接系统 本课题即是对这种旁路耦合g m a w 高效焊接方法中的非熔化极单旁路耦合 电弧m i g 焊部分展开深入的机理研究和应用研究。旨在利用这种低成本高效m i g 焊接方法熔透控制系统解决其他高效m i g m a g 焊技术中存在的问题：设备复杂 成本高、工艺参数匹配复杂、有些方法需要特殊气体或焊接材料、薄板和超薄板 焊接效果欠佳。该方法能够通过改变旁路电弧参数分别改变作用于熔滴和熔池上 的力场分布和热输入，从而合理分配焊丝与母材热量，有效降低大焊接电流时电 弧压力，在高效焊接时避免产生焊缝成型缺陷，因此是一种全新且有发展潜力的 焊接方法。 熔池几何尺寸的变化是焊接过程实时状态的直接反映，因此利用视觉检测和 图像处理技术，提取焊接过程中熔池边缘，研究焊接过程中熔池边缘的实时变化， 对焊接过程的质量控制有着重要意义。在熔化极气体保护焊中，由于弧光和 熔滴过渡对熔池的视觉检测干扰严重，使得大规范连续电流焊接条件下的熔池视 觉检测受到限制。因此，熔池视觉传感与控制方法目前主要集中于小电流或脉冲 t i g 焊中1 1 2 1 引。 为了适应焊接高效化的发展趋势，熔化极气体保护焊的熔池视觉传感开始得 2 硕：i j 学位论文 到重视，但在连续大电流规范下的熔化极气体保护焊的视觉传感技术发展依然困 难较大。本课题组提出的高效焊接方法一旁路耦合电弧m i g 焊，前期研究表明， 利用旁路耦合电弧m i g 焊在大规范连续电流焊接条件下，可以得到稳定的射滴过 渡过程，并且由于旁路电弧的分流作用使通过母材的焊接电流很小，极大的降低 了焊接电弧的亮度，使得焊接熔池被动视觉传感质量大幅度提高，可以比较清晰 的采集到焊接熔池图像，为解决熔化极气体保护焊连续大电流条件下的熔池视觉 传感与控制难题提供了新的途径。所以本文针对旁路耦合电弧m i g 焊方法熔池视 觉传感进行研究。又提出了主路m i g 焊使用恒流电源，以脉冲电流作为焊接电流 形式的非熔化极单旁路耦合电弧m i g 焊，并对焊接过程进行研究。 1 2 焊接过程视觉传感国内外发展现状 1 2 1 焊接过程视觉传感硬件系统相关研究 在实现焊接自动化过程中，熔池边缘的检测与控制始终是当前的热点研究问 题。视觉传感器具有自身不与焊接回路接触，检测不影响焊接过程的进行，并且 提供的信息直观、丰富、灵敏度和测量精确度高、动态响应特性好等优点。通过 视觉传感技术还可以采集到焊接过程中动态的熔池二维或三维信息。与其它焊接 过程信息检测方法相比，视觉传感方法检测到的熔池信息直接反映焊接过程熔化 金属的动态行为【1 4 。6 1 。因此视觉传感器在熔池边缘检测与控制中得到了越来越广 泛的应用。 视觉传感系统中成象光源是辅助光源还是焊接区自身光源，将视觉传感系统 分为主动式视觉和被动式视觉两大类【1 7 1 。主动视觉检测方法是利用激光等辅助光 源对焊接区进行辅助照明，以提高图象的质量。激光具有单波长，方向性、相干 性好等特点，所以采用激光作为辅助光源照射在焊接熔池区域可以获得较清晰的 图像 i s , 1 9 l 。但是主动视觉传感中，所采用的高能量密度的脉冲光源和特殊电子快 门的摄像机价格昂贵，且设备仪器之间配合复杂，限制了这种方法的应用。被动 视觉传感不需要另加辅助光源，利用熔池金属自身的发光和弧光的照明作用，可 实现熔池在传感器件上的成像。该种方法针对g t a w 的研究较多，由于m i g 过 程中弧光强烈，对熔池干扰较大，熔池成像困难，所以对m i g 焊研究较少。但实 际生产中弧焊机器人大多采用m i g 焊，因此研究m i g 焊过程检测与控制更具现 实意义。 文献【2 0 】基于结构光投影，建立了一种主动视觉传感系统。系统如图1 2 所示。 利用小功率激光器作为主动光源并选取合适的激光入射角度投射激光到特制光栅 上，在焊接熔池表面形成变形激光的条纹。c c d 在系统的另一侧选好拍摄角度避 开弧光对熔池图像的干扰，采集到熔池区变形激光条纹。通过对熔池图像特征进 3 旁路耦合电弧m i g 焊熔池视觉实时传感与参数 牵制系统研究 行分析，成功的提取了焊接熔池边缘。 猎扩熏系统l 中藿鬈鋈斧c c d 、。 图1 2 基于结构光的主动熔池视觉传感 文献【2 1 】通过强脉冲激光作为背景光源，利用普通c c d 作为传感器设计了针 对g t a w 焊熔池动态变化的信号检测装置，整个传感装置如图1 3 所示。该装置 中脉冲激光平均功率为7 m w ，脉冲持续时间3 n s ，脉冲激光峰值功率5 0 k w 。c c d 摄像机通过在脉冲期间激光强度远高于电弧和热态金属辐射光强度，同步获取在 脉冲激光照射瞬间的熔池图像。利用该方法获取的熔池图像对比度较高，图像清 晰。 图1 3 激光频闪主动熔池视觉传感 以上两种方法均是通过辅助的光源提供背景光照明来对焊接区熔池成像的主 动视觉传感方法。该种传感方法获得的焊接区图像几乎可以完全去除电弧光的干 扰，因此熔池图像非常清晰。但是也由于自身存在的缺点，该种方法目前仅仅局 限于实验室研究，实际应用较少。目前研究较多的是不加辅助光源，利用弧光本 身照明焊接区的被动式视觉检测方法1 2 引。为了在被动式视觉传感中抑制较强弧光 对熔池成像的影响，国内外研究者们提出了多种方法，如复合滤光法、基准时间 取像法、同轴观测焊接熔池法等等。 目前许多研究者通过对较强弧光光谱的分析，选择弧光对熔池辐射比例适当 的较窄的光谱范围内，通过复合滤光片滤光后获取熔池图像。文献 2 3 】建立了用 于铝合金脉冲m i g 焊熔池图像检测的机器人视觉传感系统，通过窄带滤光的方法 4 坝十字位论文 成功解决了强弧光干扰，获取了清晰的熔池图像。文献 2 2 】利用被动光源视觉传 感方法，研究了p g m a w 正反面熔池成像的滤光方法、成像时间、成像机理。 并利用中性减光技术，可以获取清晰的反面熔池图像。结果表明，正反面熔池成 像的主要光源均来自于熔池的自身反射光，因此，成像质量可靠针对不同的熔池 图像特征，提出了相应的图像处理算法，实现了正反面熔池边界的提取。系统结构 框图如图1 4 所示。 图1 4 被动光源视觉传感方法系统结构框图 文献1 - 2 4 1 均是采用基准时间取像法，利用脉冲t i g 焊焊接过程中基值期间焊 接电流较小，弧光较弱的特点，在脉冲基值期间电流下降后，消除较强弧光对熔 池成像的影响，利用普通c c d 摄像机成功获取清晰的熔池图像。 文献 e 5 1 针对g t a w 焊过程设计了一套同轴式视觉传感器，熔池图像通过与 钨棒同轴的光路经反射镜反射，再经过复合滤光片滤光后，进入c c d 摄像机。 因为对熔池的取向光路与钨棒同轴，钨极尖端遮挡住了电弧中心，电弧产生的大 部分干扰弧光无法由光路进入c c d 摄像机，从而可较为清晰的获取熔池图像。 但该方法设备复杂且庞大，同时在外部干扰作用下电弧烁亮区有可能偏离电弧轴 线从而影响熔池成像的清晰度。 综上所述，熔池视觉传感与控制技术目前主要集中于小电流或脉冲t i g 焊中。 在熔化极气体保护焊中，由于弧光和熔滴过渡对熔池的视觉检测干扰严重，使得 大规范连续电流焊接条件下的熔池视觉检测受到限制。一些非常适用于t i g 焊等 非熔化极气保焊熔池信息的传感与控制的方法，也大都基本处于试验研究阶段。 为了尽快使熔池视觉传感技术得到应用需要解决以下难题： a ) 获得不同的材料、不同的焊接工艺、不同的焊接方法下的电弧和熔池光谱 辐射特性。 b ) 依据光谱辐射图，在摄像机的光谱响应范围内选择合适的光学滤光、减光 系统，获取更清晰的熔池图像，需作进一步研究； 5 旁路耦含i l l 弧m i g 焊熔池视觉实时传感o j 参数摔制系统研究 c ) 根据获得的熔池图像特征采用简单和合适的计算机图像处理算法提取出 熔池的尺寸及形状参数也是研究的重要内容之一。 1 2 2 焊接过程动态熔池特征提取国内外发展现状 焊接视觉传感是熔池边缘提取的基础，熔池边缘提取是视觉传感的目的，两 者之间缺一不可的洲。由上一节介绍的主动视觉和被动视觉两种视觉传感方式可 知，主动式视觉可以避免弧光干扰采集得到较为清晰的熔池图像，因此后期图像 处理中的熔池边缘提取算法较为简单。但是设备仪器昂贵且仪器之间配合复杂， 实际应用中局限性较大。被动式视觉受强烈弧光影响很大，即使采取各种有效措 施也很难消除弧光对熔池成像的影响；同时，在焊接参数的改变时，熔池成像也 会受到很大干扰。所以被动视觉传感对图像处理要求较高，需要熔池边缘算法具 有一定的抗干扰能力，通过图像处理算法来弥补图像传感中的不足。 在传统的图像处理过程中，有r o b e r t s 、s o b e l 、p r e w i t t 、l a p l a c i a n 、z e r o c r o s s 、 c a n n y 等六种经典的边缘提取算子。这些边缘算子通过引入一阶导数或者二阶导 数进行微分运算从而提取图像边缘，但是对噪声非常敏感。而在焊接传感过程中 因弧光、烟尘等干扰信息引起的图像噪声却是无法避免的，这就对准确提取熔池 边缘图像带来了很大困难。为此国内外诸多焊接工作者通过大量努力，提出了许 多新的熔池边缘提取算法。 文献 2 6 】通过被动视觉传感方式，基于蚁群算法的理论提取了铝合金m i g 焊 熔池边缘。利用蚁群算法去除了图像信号中的噪声，阴极雾化区的影响，获得了 满意的熔池边缘图像，且计算速度快，精度高，实现了铝合金m i g 焊过程熔宽的 实时检测。熔池边缘提取效果如图1 5 所示。 原始熔池图像蚁群算法边缘提取 图1 5 蚁群算法边缘提取效果 在图像处理中利用频域图像处理算法可以有效的克服传统的空域图像处理算 法中对噪声敏感的不足之处，并且利于增强图像特征。文献 2 7 】采用中值维纳滤 波算法对焊接熔池图像进行滤波去噪；再对去噪后的熔池图像运用基于傅立叶变 换的巴特沃思滤波器进行高通滤波，以增强图像，并且采用加强滤波算法对图像 进行补偿，同时对图像实行直方图均衡化；最后利用经典的c a n n y 边缘检测算子 提取熔池边缘特征信息。结果表明，对熔池图像运用傅立叶变换高频加强滤波进 6 坝f ：学位论文 行增强处理，并结合空域中较为成熟的图像处理算法，可以获取较好的熔池特征提 取效果。 文献1 2 8 1 利用普通c c d 摄像机获取的c 0 2 焊熔池图像中存在着大量的弧光和 飞溅等噪声。为了获取准确的熔池边缘，文献作者利用中值滤波和乘法运算对c 0 2 焊图像进行降噪处理，并对比分析各种小波尺度对边缘检测结果的影响。结果表 明用b u b b l e 函数构造的小波基对提取c 0 2 焊熔池边缘效果较好。文献作者同时 利用m 带小波变换理论，基予m a l l a t 小波模极大值边缘检测技术，实现了 熔池边缘和焊缝位置的m 带小波检测方法及算法。由文献【2 9 】可知基于m 带小 波变换理论构造的小波基对提取熔池边缘和焊缝位置效果较好，可用于熔深控制、 焊缝跟踪等领域。文献 3 0 1 利用小波变换和改进的p r e w i t t 算子对g m a w 短路过 程的熔滴过渡图像进行边缘检测，也取得了较好效果。 文献 3 1 】对外部干扰较小的t i g 焊利用普通c c d 摄像机采集到了较为清楚的 熔池图像，建立了一套具有阈值自适应功能的二值形态学算法对t i g 焊熔池图像 进行图像处理和特征提取，可以取得很好的效果。 在铝合金t i g 焊中，文献【3 2 】通过对铝合金熔池图像特点的分析，采用边缘 保持滤波和模糊增强对铝合金熔池图像进行图像预处理，并利用m a x mi n 算子边 缘进行检测，同时采用投影法对边缘进行细化和去除伪边缘从而获得清晰的熔池 边缘。同样是对铝合金进行焊接，在脉冲m i g 焊中，文献 3 3 1 提出基于最大类间 方差阀值的遗传算法来提取熔池边缘，证明了通过遗传算法阀值图像分割在熔池 图像边缘提取是可行的，通过该算法提取的铝合金m i g 焊熔池边缘，可有效的克 服图像处理中弧光等噪声及阴极雾化区的影响。 通过以上文献可知，目前对连续大电流规范下的熔化极气体保护焊的熔池边 缘提取研究较少。因为强烈弧光对传感系统的影响，熔化极气体保护焊的熔池图 像中干扰噪声较多，对图像处理困难较大。随着焊接结构越来越广泛的使用，对 焊接生产效率和自动化程度提出了更高的要求。为了适应焊接的发展趋势，熔化 极气体保护焊的熔池视觉传感开始得到重视，同时对该种焊接方法的熔池边缘提 取算法也提出较高要求。 在焊接熔池边缘提取中，不仅需要抗干扰能力较强及边缘提取效果较好的图 像处理算法，还需要考虑图像处理在计算处理过程所耗费的时间，如时间过长， 将影响视觉控制系统的实时性，所以一个好的熔池提取算法将要对熔池提取效果 和所耗用时间进行综合考虑。 1 3 焊接过程控制国内外研究现状 在焊接过程中对熔池图像处理的最终目的是获取熔池最大宽度、熔池半长和 熔池后拖角等特征信息。通过建立熔池特征信号与熔深或熔透等目标对象的映射 7 旁路耦含电弧m i g 焊熔池视觉实时传感了参数控制系统研究 模型，调节焊接规范实现焊接过程控制 3 4 - 3 6 】。由于弧焊过程是一个非线性、强耦 合、时变性强的复杂多变系统，并且在视觉传感中存在弧光、烟尘和熔滴过渡变 化等多方面干扰因素，熔池特征信息提取也较困难，所以弧焊动态过程很难用精 确的数学模型表示出来，基于经典数学模型的传统控制方法很难达到较高的焊缝 质量f 3 7 0 9 】。智能控制是对许多复杂的系统，难以建立有效的数学模型和用常规的 控制理论去进行定量计算和分析，而通过定性和定量相结合的控制算法，能够针 对系统环境和任务的复杂性、模糊性和不确定性，有效的实现复杂的信息处理功 能 4 0 , 4 1 】。因此，国内外大量焊接工作者基于智能控制方法对焊接过程动态熔宽进 行控制研究。 文献【4 2 】针对t i g 焊设计了一套焊接质量参数自调整模糊与积分混合控制系 统。该控制系统可以通过控制焊接电流的变化来达到控制熔宽的目的。文献 4 3 】 针对t i g 焊利用图像处理程序获取熔池正面的几何参数，建立熔池正面几何参数 与背面熔宽的神经网络模型( f b w 模型) ，根据熔池正面的几何参数得出背面熔 宽。针对背面熔宽的控制，设计了单层神经网络控制器。仿真及试验结果表明， 该控制器具有良好的控制特性和控制效果。文献【2 4 】基于x p ct a r g e t ( 实时目标机) 的实时仿真方法对脉冲t i g 焊熔宽视觉传感的模糊控制过程进行了研究，取得了 满意的控制效果。文献【4 4 】对脉冲t i g 焊工艺中焊接电流正面熔宽动态过程提 出了一种模糊神经网络控制方法。并研究了利用人工神经网络直接对过程建模的 控制仿真，从而回避了经典方法对过程建模与控制的困难。 文献【4 5 】针对铝合金m i g 焊过程复杂性，在已建立的脉冲电流占空比与正面 熔宽的阶跃响应模型的基础上，分别设计了九点控制器和模糊控制器对铝合金 m i g 焊接过程中熔池宽度控制进行了仿真研究。结果表明两种控制器在保证控制 精度的同时，具有较好的稳定性和鲁棒性，为实现铝合金m i g 焊熔宽的控制提供了 基础。文献 4 6 1 通过模糊控制技术对m i g 焊过程中动态熔宽进行控制，利用熔宽 的变化及其变化率作为模糊控制器的两输入量，焊接电流作为模糊控制器的输出 量，取得较好效果。 由以上文