（材料加工工程专业论文）连续电流tig焊熔池图像的低成本自动化检测.pdf

l o wc o s ta u t o m a t i cd e t e c t i n go fw e l d p o o l i m a g ei nc o n s t a n tc u r r e n t t i gw e l d i n g a b s t r a c t a sa n i m p o r t a n t m a t e r i a l s p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , c o n s t a n t c u r r e n t t u n g s t e n i n e r t - g a s ( t i g ) w e l d i n g i s w i d e l yu s e d i ni n d u s t r y s e n s i n ga n d m e a s u r i n g t h ei n f o r m a t i o no fw e l d i n gq u a l i t y i st h e p r e r e q u i s i t e f o r r e a l i z i n gt i gw e l d i n gp r o c e s sa u t o m a t i o n a n d m a k i n g i ti n t e l l i g e n t d e t e c t i n g t h ew e l dp o o ls u r f a c eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sf r o mt o p - s i d eo fw o r k p i e c ew i t h v i s u a ls e n s o ri so fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ，b e c a u s ei t i s n e c e s s a r y f o rc o n t r o l l i n gw e l d i n ga n dv e r i f y i n g t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t so fw e l d i n gt h e r m a lp r o c e s s t h er a n g eo fo p t i c sp a r a m e t e r si se n l a r g e dt h r o u g hi m p r o v i n gt h el e n so f t h eo r d i n a r yc c dc a m e r a i m a g e sw i t hh i g hr e s o l u t i o nh a v eb e e nc a p t u r e db y a d j u s t i n g t h eo p t i c sp a r a m e t e r sa n di m p r o v i n gt h ew e l d i n gs y s t e m as e to fs o f t w a r ef o rp r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gt h ew e l dp o o li m a g e si s d e v e l o p e d ，w h i c h f i t st h es p e c i a lr e q u i r e m e n t s a f t e ra n a l y z i n gag r e a td e a lo f w e l d i n gp o o li m a g e s ，a ni m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mt h a tc a l ld e t e c tt h ee n t i r e e d g e o ft h ew e l dp o o li s d e v e l o p e d ，w h i c h d o e s n tn e e dt or e d u c et h e d i s t u r b a n c e i tc a nb es e e nt h a tt h i sl o wc o s ta u t o m a t i cd e t e c t i n gs y s t e ma l s o a c h i e v e sc o m p a r a t i v e l yc l e a ri m a g e si nc o n t r a s tt ot h ei m a g e sc a p t u r e db y i ，a s e r s t r o b e w i t hag r e a td e a lo f e x p e r i m e n t so f c o n s t a n tc u r r e n tt i gw e l d i n gb e i n g c o n d u c t e d ，e n t i r ea n dc l e a ri m a g e sh a v e b e e nc a p t u r e d i nv a r i o u sm a t e r i a l sa n d w e l d i n gc o n d i t i o n s a n d t h ew e l d p o o lp a r a m e t e r s a r ee x t r a c t e d b yt h e d e v e l o p e da l g o r i t h m k e y w o r d s ：c o n s t a n tc u r r e n tt i gw e l d i n g ，v i s i o n b a s e ds e n s i n g ，w e l d p o o l ，i m a g ep r o c e s s i n g ，l o w c o s ta u t o m a t i z a t i o n 生变奎耋堡圭兰堡篁塞 第一章绪论 1 1 选题意义 t i g 焊是气体保护焊的一种，由于氩气的保护，隔离了空气对熔化 会属的有害作用，i 】焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合会、 钛及钛合余以及难熔的活性金属等等，目前广泛应用于飞机制造、原子能、 化工、纺织等工业中。 随着科学技术的发展，许多工业产品( 如航空航天产品、压力容器、 核电设备) 对焊接质量的要求日益提高，为保证焊接质量、提高生产率， 必须对焊接过程实行自动控制。多年来，国内外焊接工作者在焊接质量控 制方面作了大量的研究工作，并且取得了很大的进展【2 。6 j 。但t i g 焊熔透 和焊缝成型控制仍是国内外焊接界尚未完全解决的重要研究课题口，8 j ，其 中遇到的最大的难题就是准确可靠地检测出反映焊接质量的信息。 焊接信息检测是实现焊接过程质量控制的关键环节，如果不能可靠地 检测出反映焊接过程和焊接质量的信息，则无法建立正确的焊接过程模型 和控制器。焊接传感器所处的应用环境极其恶劣，受到弧光、高温、烟尘、 飞溅、振动和电磁场的干扰，且大部分干扰无法去除，这就对焊接传感器、 传感技术提出了更高的要求。 利用视觉传感器从试件f 面拍摄t i g 焊接熔池图像，并提取出丰富 的、直接的焊接质量信息，具有重要的理论意义和实际应用价值。而从试 件正面检测熔池几何形状参数遇到的最大困难就是弧光的干扰。焊接科学 工作者对其进行了大量的探索和研究，但如何拍摄出连续焊清晰完整的正 面熔池图像一直是尚未解决的难题。 本文将采用普通c c d 摄像机从试件正面拍摄出清晰完整的熔池图 像，并通过一系列的图像处理，提取出熔池几何形状参数，为进一步实现 智能控制打下基础；同时也为焊接过程数值模拟提供实验验证手段，推动 数值模拟与仿真的进一步发展。 1 2 焊接过程传感方法 未来焊接技术发展的趋势是焊接自动化、智能化，而传感技术是自动 化、智能化中最重要的部分。根据传感原理，传感技术主要分为声学、力 学、电弧、光学传感等”1 。它们在焊接中主要有以下几种应用”1 ： l 、利川超卢波检测熔池信息 2 、利用x 射线检测熔池信息 3 、利用电弧电压检测熔池信息 h 。 h - 镕# “ t 一 莲鎏豁蔫麓麓； 生变奎耋堡圭兰堡篁塞 第一章绪论 1 1 选题意义 t i g 焊是气体保护焊的一种，由于氩气的保护，隔离了空气对熔化 会属的有害作用，i 】焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合会、 钛及钛合余以及难熔的活性金属等等，目前广泛应用于飞机制造、原子能、 化工、纺织等工业中。 随着科学技术的发展，许多工业产品( 如航空航天产品、压力容器、 核电设备) 对焊接质量的要求日益提高，为保证焊接质量、提高生产率， 必须对焊接过程实行自动控制。多年来，国内外焊接工作者在焊接质量控 制方面作了大量的研究工作，并且取得了很大的进展【2 。6 j 。但t i g 焊熔透 和焊缝成型控制仍是国内外焊接界尚未完全解决的重要研究课题口，8 j ，其 中遇到的最大的难题就是准确可靠地检测出反映焊接质量的信息。 焊接信息检测是实现焊接过程质量控制的关键环节，如果不能可靠地 检测出反映焊接过程和焊接质量的信息，则无法建立正确的焊接过程模型 和控制器。焊接传感器所处的应用环境极其恶劣，受到弧光、高温、烟尘、 飞溅、振动和电磁场的干扰，且大部分干扰无法去除，这就对焊接传感器、 传感技术提出了更高的要求。 利用视觉传感器从试件f 面拍摄t i g 焊接熔池图像，并提取出丰富 的、直接的焊接质量信息，具有重要的理论意义和实际应用价值。而从试 件正面检测熔池几何形状参数遇到的最大困难就是弧光的干扰。焊接科学 工作者对其进行了大量的探索和研究，但如何拍摄出连续焊清晰完整的正 面熔池图像一直是尚未解决的难题。 本文将采用普通c c d 摄像机从试件正面拍摄出清晰完整的熔池图 像，并通过一系列的图像处理，提取出熔池几何形状参数，为进一步实现 智能控制打下基础；同时也为焊接过程数值模拟提供实验验证手段，推动 数值模拟与仿真的进一步发展。 1 2 焊接过程传感方法 未来焊接技术发展的趋势是焊接自动化、智能化，而传感技术是自动 化、智能化中最重要的部分。根据传感原理，传感技术主要分为声学、力 学、电弧、光学传感等”1 。它们在焊接中主要有以下几种应用”1 ： l 、利川超卢波检测熔池信息 2 、利用x 射线检测熔池信息 3 、利用电弧电压检测熔池信息 h 。 h - 镕# “ t 一 莲鎏豁蔫麓麓； 山东大学硕士学位论文 4 、利用声学传感器检测熔池信息 5 、红外传感检测熔池信息 6 、焊接熔池的直接视觉检测 1 2 1 超声波检测 超声波检测利用超声波穿过焊件时的衰减效应检测熔池几何形状，从 而探测熔透情况“0 1 及焊缝的不连续性缺陷。图1 1 是超声波探头检测熔池 深度原理示意图1 3 j 。但超声波在空气中的传播速度与它在金属中的传播速 度不同，探头与工件之间的间隙对它干扰很大，所以超声波探头必须与焊 件紧密接触，以便超声波与工件良好耦合。对于表面状况不好的工件，其 探测准确性必然受到很大的影响。目前解决其耦合性的途径是将脉冲激光 射入熔池产生超声压力波，超声压力波传入母材后再由电磁声式接收器接 收并转化为电信号，。 超 接 1 2 2x 射线检测 图1 1 超声波信号传感示意图【3 在焊接过程中电弧力使熔池表面产生下塌n “，而x 射线穿过厚度不同 的熔池区域时衰减量是不同的，接收穿过熔池区的x 射线，就可以获得熔 池表面下塌信息，而由熔池的下塌量可以确定焊缝熔透情况。a c g u u 等 人采用x 射线检测出了熔池表面的下塌量，并建立了熔池表面下塌量与 熔深的关系以及熔池表面下塌量与焊接电流的关系。但x 射线对人体有 害，需要专门的防护装置，不适合于焊接过程实时控制。 1 2 3 电弧电压传感 j 乜口& 电压受保护气、母材、焊材及坡1 ：3 的影响，能够反映焊接过程的 状态，是焊接过程的一个重要参数。电弧电压传感器通过检测焊接电压或 焊接电流的变化来反映电极、电弧、焊缝相对于熔池或坡口中心的偏移量 2 一 山东大学硕士学位论文 4 、利用声学传感器检测熔池信息 5 、红外传感检测熔池信息 6 、焊接熔池的直接视觉检测 1 2 1 超声波检测 超声波检测利用超声波穿过焊件时的衰减效应检测熔池几何形状，从 而探测熔透情况“0 1 及焊缝的不连续性缺陷。图1 1 是超声波探头检测熔池 深度原理示意图1 3 j 。但超声波在空气中的传播速度与它在金属中的传播速 度不同，探头与工件之间的间隙对它干扰很大，所以超声波探头必须与焊 件紧密接触，以便超声波与工件良好耦合。对于表面状况不好的工件，其 探测准确性必然受到很大的影响。目前解决其耦合性的途径是将脉冲激光 射入熔池产生超声压力波，超声压力波传入母材后再由电磁声式接收器接 收并转化为电信号，。 超 接 1 2 2x 射线检测 图1 1 超声波信号传感示意图【3 在焊接过程中电弧力使熔池表面产生下塌n “，而x 射线穿过厚度不同 的熔池区域时衰减量是不同的，接收穿过熔池区的x 射线，就可以获得熔 池表面下塌信息，而由熔池的下塌量可以确定焊缝熔透情况。a c g u u 等 人采用x 射线检测出了熔池表面的下塌量，并建立了熔池表面下塌量与 熔深的关系以及熔池表面下塌量与焊接电流的关系。但x 射线对人体有 害，需要专门的防护装置，不适合于焊接过程实时控制。 1 2 3 电弧电压传感 j 乜口& 电压受保护气、母材、焊材及坡1 ：3 的影响，能够反映焊接过程的 状态，是焊接过程的一个重要参数。电弧电压传感器通过检测焊接电压或 焊接电流的变化来反映电极、电弧、焊缝相对于熔池或坡口中心的偏移量 2 一 山东大学硕士学位论文 4 、利用声学传感器检测熔池信息 5 、红外传感检测熔池信息 6 、焊接熔池的直接视觉检测 1 2 1 超声波检测 超声波检测利用超声波穿过焊件时的衰减效应检测熔池几何形状，从 而探测熔透情况“0 1 及焊缝的不连续性缺陷。图1 1 是超声波探头检测熔池 深度原理示意图1 3 j 。但超声波在空气中的传播速度与它在金属中的传播速 度不同，探头与工件之间的间隙对它干扰很大，所以超声波探头必须与焊 件紧密接触，以便超声波与工件良好耦合。对于表面状况不好的工件，其 探测准确性必然受到很大的影响。目前解决其耦合性的途径是将脉冲激光 射入熔池产生超声压力波，超声压力波传入母材后再由电磁声式接收器接 收并转化为电信号，。 超 接 1 2 2x 射线检测 图1 1 超声波信号传感示意图【3 在焊接过程中电弧力使熔池表面产生下塌n “，而x 射线穿过厚度不同 的熔池区域时衰减量是不同的，接收穿过熔池区的x 射线，就可以获得熔 池表面下塌信息，而由熔池的下塌量可以确定焊缝熔透情况。a c g u u 等 人采用x 射线检测出了熔池表面的下塌量，并建立了熔池表面下塌量与 熔深的关系以及熔池表面下塌量与焊接电流的关系。但x 射线对人体有 害，需要专门的防护装置，不适合于焊接过程实时控制。 1 2 3 电弧电压传感 j 乜口& 电压受保护气、母材、焊材及坡1 ：3 的影响，能够反映焊接过程的 状态，是焊接过程的一个重要参数。电弧电压传感器通过检测焊接电压或 焊接电流的变化来反映电极、电弧、焊缝相对于熔池或坡口中心的偏移量 2 一 山东大学硕士学位论文 “。它优点是直接利用电弧自身作为传感器，从电弧本身直接提取电压信 号来反映焊接过程的状态，无须力l l j b 部探测器，这就去除了外部探测器因 受环境影响而性能不稳定的缺点。其主要应用有横向纵向自动跟踪、背面 熔透控制、熔透过渡方式控制。 1 2 3 1 横向纵向自动跟踪 横向跟踪即自动对中控制。因为焊矩的偏移会导致焊接电压的不对 称，通过测量电弧电压，就可以判断焊炬的位置，从而实现对中控制。 纵向跟踪又叫焊矩高度控制。研究发现：当给定电弧电压和焊接速度 以后，焊接电流与焊矩到工件的距离有关，控制这个距离就可以控制焊缝 的几何形状。j w k i m 等利用电弧电压对焊矩的高度进行了控制。 1 2 _ 32 熔透控制 熔池在电弧力作用下产生振荡，其振荡规律正好是电源电压的波动规 律。熔池振荡频率又与熔池体积、质量密切相关，将熔池假设为圆柱形时， 可以获得熔池的半径或熔深，从而得到焊缝熔透信息“+ 。所以通过检测 电弧电压可以实现对焊接熔透的控制。 由于振荡时产生的电弧信号变化范围很小，焊接电弧的弧压纹波常常 干扰振荡信息，利用普通的焊接电源很难从较杂乱的弧焊信号中分辨出熔 透信息；另外，当电弧快速行走时，电弧力不再作用于熔池的中心，熔池 难以产生有规律的振荡。哈尔滨工业大学杨春利等利用熔池谐振信号作为 熔透信息进行熔透控制“，但只适用于步进焊接，无法实现连续行走。 1 2 3 3 熔滴过度方式控制 在g m a w 工艺中熔滴过渡方式对熔池冶金、熔深、金属凝固、热量 流动和物质输入均有较大的影响。熔滴在焊丝端部粘着时间反映熔滴过渡 方式，熔滴在焊丝端部粘着会使电弧电压会产生扰动。利用电弧电压传感 器探测熔滴在焊丝端部的粘着时间，就可以分辨出过渡方式。 j o h n s o n “”在g m a w 中用电弧电压传感器探测熔滴在焊丝端部的粘着 时问，分辨出了大滴过渡、喷射过渡和射流过渡三种方式，并观察到了单 个熔滴的分离情况。 r e w i c k 施加正弦震荡电压对电弧进行干扰，在给定平均电流的情况下 测量电弧的电阻增量。结果表明：电弧的电阻增量是电流的函数，电阻增 量与瞬时焊接电压和焊接电流有良好的线性关系，而且独立于所施加的正 弦震荡电压的频率。冈此，存会属过渡方式转换f 夏域，电弧电阻增量可以 作为判断熔池过渡方式并进行实时控制的依据”o 。 1 2 4 利用声学传感器检测熔池信息 山东大学硕士学位论文 “。它优点是直接利用电弧自身作为传感器，从电弧本身直接提取电压信 号来反映焊接过程的状态，无须力l l j b 部探测器，这就去除了外部探测器因 受环境影响而性能不稳定的缺点。其主要应用有横向纵向自动跟踪、背面 熔透控制、熔透过渡方式控制。 1 2 3 1 横向纵向自动跟踪 横向跟踪即自动对中控制。因为焊矩的偏移会导致焊接电压的不对 称，通过测量电弧电压，就可以判断焊炬的位置，从而实现对中控制。 纵向跟踪又叫焊矩高度控制。研究发现：当给定电弧电压和焊接速度 以后，焊接电流与焊矩到工件的距离有关，控制这个距离就可以控制焊缝 的几何形状。j w k i m 等利用电弧电压对焊矩的高度进行了控制。 1 2 _ 32 熔透控制 熔池在电弧力作用下产生振荡，其振荡规律正好是电源电压的波动规 律。熔池振荡频率又与熔池体积、质量密切相关，将熔池假设为圆柱形时， 可以获得熔池的半径或熔深，从而得到焊缝熔透信息“+ 。所以通过检测 电弧电压可以实现对焊接熔透的控制。 由于振荡时产生的电弧信号变化范围很小，焊接电弧的弧压纹波常常 干扰振荡信息，利用普通的焊接电源很难从较杂乱的弧焊信号中分辨出熔 透信息；另外，当电弧快速行走时，电弧力不再作用于熔池的中心，熔池 难以产生有规律的振荡。哈尔滨工业大学杨春利等利用熔池谐振信号作为 熔透信息进行熔透控制“，但只适用于步进焊接，无法实现连续行走。 1 2 3 3 熔滴过度方式控制 在g m a w 工艺中熔滴过渡方式对熔池冶金、熔深、金属凝固、热量 流动和物质输入均有较大的影响。熔滴在焊丝端部粘着时间反映熔滴过渡 方式，熔滴在焊丝端部粘着会使电弧电压会产生扰动。利用电弧电压传感 器探测熔滴在焊丝端部的粘着时间，就可以分辨出过渡方式。 j o h n s o n “”在g m a w 中用电弧电压传感器探测熔滴在焊丝端部的粘着 时问，分辨出了大滴过渡、喷射过渡和射流过渡三种方式，并观察到了单 个熔滴的分离情况。 r e w i c k 施加正弦震荡电压对电弧进行干扰，在给定平均电流的情况下 测量电弧的电阻增量。结果表明：电弧的电阻增量是电流的函数，电阻增 量与瞬时焊接电压和焊接电流有良好的线性关系，而且独立于所施加的正 弦震荡电压的频率。冈此，存会属过渡方式转换f 夏域，电弧电阻增量可以 作为判断熔池过渡方式并进行实时控制的依据”o 。 1 2 4 利用声学传感器检测熔池信息 山东大学硕士学位论文 声学传感器以电弧产生的声音作为反馈信号，主要用于g m a w 过程 熔滴过渡的检测、等离子穿孔焊等。研究发现：当焊接电流以一定的频率 变化时，电弧就会发出一定强度的声音，且声音的强度与弧长成正比“。 k a s k i n e n 等用声学传感器控制g t a w 的弧长；l e w i s 等用声学信号监视 激光焊接时等离子气体的生成情况，并根据等离子体与熔深的关系判断焊 缝的熔透；m c ，j o h n 则进一步利用上述方法实现了对激光焊接的实时检 测。文献 2 2 采用图1 2 所示的等离子弧焊背面声音信号传感系统检测工 件的熔透程度，实现了焊缝成型的闭环控制。此种传感方法的不足在于声 音信号传输速度很低，信号滞后现象严重，传输的信息量小。 图1 2 等离子弧焊背面声音信号传感示意图【2 2 】 1 2 5 红外传感检测熔池信息 焊接热过程贯穿于整个焊接过程的始终，影响和决定了焊接接头的性 能、组织、应力、变形及是否产生缺陷“。焊接温度场的分布与熔透有着 对应关系，焊接时熔池后部附近点的表面温度与背面熔宽之间也存在着对 应关系。对焊接温度场进行检测，获取焊接熔池及周围热场的状况，可以 提取出焊接质量的控制信号”“。 焊接温度场是一个瞬息万变的动态温度场，对它的测量最早采用热电 偶。在被焊材料上焊上若干个热电偶，用x y 记录仪记录每一个热电偶的 滥度变化曲线，而后人工整理结果。每次测量的点数非常有限，各点测量 和记录的同步精度也不高，而且热电偶易产生接触不良，因此，用热电偶 测温度不能反映焊接温度场的全面情况，更难以实现对它的分析与控制 d 盛熬j ；熬爱1 1 ： 山东大学硕士学位论文 声学传感器以电弧产生的声音作为反馈信号，主要用于g m a w 过程 熔滴过渡的检测、等离子穿孔焊等。研究发现：当焊接电流以一定的频率 变化时，电弧就会发出一定强度的声音，且声音的强度与弧长成正比“。 k a s k i n e n 等用声学传感器控制g t a w 的弧长；l e w i s 等用声学信号监视 激光焊接时等离子气体的生成情况，并根据等离子体与熔深的关系判断焊 缝的熔透；m c ，j o h n 则进一步利用上述方法实现了对激光焊接的实时检 测。文献 2 2 采用图1 2 所示的等离子弧焊背面声音信号传感系统检测工 件的熔透程度，实现了焊缝成型的闭环控制。此种传感方法的不足在于声 音信号传输速度很低，信号滞后现象严重，传输的信息量小。 图1 2 等离子弧焊背面声音信号传感示意图【2 2 】 1 2 5 红外传感检测熔池信息 焊接热过程贯穿于整个焊接过程的始终，影响和决定了焊接接头的性 能、组织、应力、变形及是否产生缺陷“。焊接温度场的分布与熔透有着 对应关系，焊接时熔池后部附近点的表面温度与背面熔宽之间也存在着对 应关系。对焊接温度场进行检测，获取焊接熔池及周围热场的状况，可以 提取出焊接质量的控制信号”“。 焊接温度场是一个瞬息万变的动态温度场，对它的测量最早采用热电 偶。在被焊材料上焊上若干个热电偶，用x y 记录仪记录每一个热电偶的 滥度变化曲线，而后人工整理结果。每次测量的点数非常有限，各点测量 和记录的同步精度也不高，而且热电偶易产生接触不良，因此，用热电偶 测温度不能反映焊接温度场的全面情况，更难以实现对它的分析与控制 d 盛熬j ；熬爱1 1 ： 塑奎奎耋堡圭耋堡墼塞 0 j o 随着计算机技术的不断发展，各种先进的传感器不断出现，检测温度 的传感器也由热电偶发展到光电元件、激光、光导纤维、红外摄像机、 c c d 摄像机等一些光电器件。 红外传感用于焊接，可以追溯到2 0 多年前的熔化自动焊红外温度传 感系统。红外线传感对热的敏感性使其在焊缝不连续性缺陷、冷却速度 和焊接温度场的检测方面显示了巨大的应用潜力。 红外摄像检测系统检测温度场的基本原理为：红外摄像管的靶面由半 导体材料构成，当被测温度场热像通过光学系统在靶面成像后，温度高的 点红外辐射强度大，基波波长长，使该点电阻小，当电子束扫描到该点时， 该点输出较高的电平，反之则输出较低的电平。摄像管将物体温度分布以 连续变化的电平波形输出。将上述电平波形记录在录像带上，就可以把物 体温度分布及其变化过程记录下来。如果将电平波形变成数字信号输送导 计算机存储器中，就可以实现对焊接温度场的自动处理，并为计算机实时 控制焊接热过程提供了可能。 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、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 焊未熔透情 况下的背面温度场检测。文献 2 7 1 采用远红外传感器观测温度长，其光谱 范围( 8 - 1 2 岬) 远离电弧光谱的上限( 4 “m ) ，有效的消除了弧光的干扰。 采用红外摄像测温遇到的困难就是温度定标的问题。材料、摄像距 离、材料表面状态和热场中各点辐射的相互影响，而其它因素虽与温度无 关，却又影响所测灰度值，这就给温度的定标造成了很大的困难，必须在 相对固定非温度影响因素下进行温度定标献1 2 ”。文献 2 3 介绍了三种方 法：定标器定标、监视热电偶动态定标方法和热循环曲线辅助线法。采用 上述定标方法得到的结果与焊接热过程理论计算结果比较，仍存在很大差 距纠，文献 5 l 通过理论推导避开了温度场定标问题，但推导过程作了种种 与实际焊接过程不符的假设，其实测的温度场分布与计算之间仍存在一定 的差距。 1 2 6 焊接熔池的直接视觉检测 直接视觉传感主要利用光谱中的可见光段对焊接区成像，图像中的景 物与焊接区部分一对应，非常直观。检测和控制焊接过程，直接视觉传 感是- - 4 十最好的非接触式的传感形式，它不接触工件，不干扰难常的焊接 过程，无须像红外成像那样只有经过温度定标以后才能确定焊接区的各部 分，获取的信息量大，通用性强。它还可以得到焊接过程动态熔池的二维 或三维信息，与其它焊接过程信息检测方法相比，这种方法检测到的熔池 信息直接反映焊接过程熔化会属的动态行为【8 】。直接视觉传感既可以从熔 一5 一 塑奎奎耋堡圭耋堡墼塞 0 j o 随着计算机技术的不断发展，各种先进的传感器不断出现，检测温度 的传感器也由热电偶发展到光电元件、激光、光导纤维、红外摄像机、 c c d 摄像机等一些光电器件。 红外传感用于焊接，可以追溯到2 0 多年前的熔化自动焊红外温度传 感系统。红外线传感对热的敏感性使其在焊缝不连续性缺陷、冷却速度 和焊接温度场的检测方面显示了巨大的应用潜力。 红外摄像检测系统检测温度场的基本原理为：红外摄像管的靶面由半 导体材料构成，当被测温度场热像通过光学系统在靶面成像后，温度高的 点红外辐射强度大，基波波长长，使该点电阻小，当电子束扫描到该点时， 该点输出较高的电平，反之则输出较低的电平。摄像管将物体温度分布以 连续变化的电平波形输出。将上述电平波形记录在录像带上，就可以把物 体温度分布及其变化过程记录下来。如果将电平波形变成数字信号输送导 计算机存储器中，就可以实现对焊接温度场的自动处理，并为计算机实时 控制焊接热过程提供了可能。 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、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 焊未熔透情 况下的背面温度场检测。文献 2 7 1 采用远红外传感器观测温度长，其光谱 范围( 8 - 1 2 岬) 远离电弧光谱的上限( 4 “m ) ，有效的消除了弧光的干扰。 采用红外摄像测温遇到的困难就是温度定标的问题。材料、摄像距 离、材料表面状态和热场中各点辐射的相互影响，而其它因素虽与温度无 关，却又影响所测灰度值，这就给温度的定标造成了很大的困难，必须在 相对固定非温度影响因素下进行温度定标献1 2 ”。文献 2 3 介绍了三种方 法：定标器定标、监视热电偶动态定标方法和热循环曲线辅助线法。采用 上述定标方法得到的结果与焊接热过程理论计算结果比较，仍存在很大差 距纠，文献 5 l 通过理论推导避开了温度场定标问题，但推导过程作了种种 与实际焊接过程不符的假设，其实测的温度场分布与计算之间仍存在一定 的差距。 1 2 6 焊接熔池的直接视觉检测 直接视觉传感主要利用光谱中的可见光段对焊接区成像，图像中的景 物与焊接区部分一对应，非常直观。检测和控制焊接过程，直接视觉传 感是- - 4 十最好的非接触式的传感形式，它不接触工件，不干扰难常的焊接 过程，无须像红外成像那样只有经过温度定标以后才能确定焊接区的各部 分，获取的信息量大，通用性强。它还可以得到焊接过程动态熔池的二维 或三维信息，与其它焊接过程信息检测方法相比，这种方法检测到的熔池 信息直接反映焊接过程熔化会属的动态行为【8 】。直接视觉传感既可以从熔 一5 一 山东大学硕士学位论文 池的f 面提取信息，也可以从焊缝的背面提取信息。但背面的传感器与正 面的焊枪的运动难以相互协调，熔宽信息具有一定的滞后性，一些应用场 合也不允许进行背面传感，因而应用受到一定的限制。 直接视觉传感在焊接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 路线偏差，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【引。 熔池正面几何形状与熔透、成形密切相关，从试件正面检测出熔池几 何形状参数，获取熔透和成形信息，从而实现熔透和成形的控制。此种方 法检测到的信息量较多且无滞后性，传感器和焊枪可以刚性联接于一体， 都处于试件正面，适合于各种应用场合。随着计算机视觉的发展，利用机 器视觉正面检测直接观察焊接熔池，通过图像处理技术获取熔池的几何形 状信息对焊接质量进行闭环控制，已成为重要的研究方向。这里遇到的一 个主要困难就是如何消除强电弧光对焊接熔池图像的干扰。在焊接过程中 电弧在辐射强度上远远超过了焊接熔池的辐射，如不采取适当的措施，熔 池内部的图像会被电弧光淹没。如果只采用普通的中性减光方法，则在抑 制弧光干扰的同时会大大降低熔池图像的对比度和分辨率，甚至无法分辨 熔池图像的细节信息，理想的视觉传感技术应该能够抑制由于电弧光引起 的摄像机视场中光强的急剧变化。 根据视觉检测系统中成像光源是辅助光源还是焊接区自身产生的光 源，将焊接视觉检测系统分为主动式和被动式两大类。 1 2 6 1 主动式视觉检测 利用辅助光源对焊接区进行照明，抑制弧光的干扰，可以提高图像的 质量。由于激光具有单波长、方向性好等特点，所以采用激光作为辅助光 源可以获得较清晰的熔池图像。 目前应用较多的是通过一定的方法产生条、多条或网状分布的结构 光投射到焊件上，根据结构光的变形获取熔池的几何形状信息。 1 9 9 1 年，哈尔滨工业大学焊接教研室李严等人 2 8 】使用p s d 二维位置 传感器和激光扫描器组成的焊缝跟踪传感器，可以对焊缝的几何形状、空 间位置和尺寸进行检测。激光光束投射扫描振动电机的反光镜上，在振动 电机的作用下，反光镜将光束扫描成一个光面，光面经焊件反射后由p s d 接收，并在p s d 两个电极上逐次输出上焊件上各点的空间位置。它突出 特点是信息处理速度快，但是由于需要机械扫描系统，结构比较复杂。 r j b e a t t i e 等人为了实现弧焊机器人多道焊时的焊缝自动跟踪，专门 没计了双激光二极管的视觉传感器【2 9 。为了获得焊缝的空间位景和尺寸信 息并保证有足够的焊缝检测区域，该传感器中使用了两个激光二极管。这 两个激光二极管在空间各形成一个具有一定宽度的激光条纹，二者重叠组 山东大学硕士学位论文 成一个更宽的条纹，用于检测更宽的焊接空间位置。为了便于弧焊机器人 进行焊缝检测，焊枪可以沿焊丝的轴线转动，由于视觉传感器与焊枪刚性 固定，所以实际上是焊丝不动而视觉传感器可以绕焊丝转动。这种传感器 与机械扫描式视觉传感器相比机械结构简单，但光学系统复杂。 牛津大学的c g m o r g a n 等人为了减少弧焊机器人焊接时的位置偏差， 设计了焊枪一视觉传感器一体式的视觉弧焊机器人引导系统f 3 。该传感器 用了两个c c d 摄像机和四个激光二极管，将c c d 摄像机和焊枪安装于 一体，这不仅便于弧焊机器人的运动，而且避免了弧光直接照射摄像机而 干扰图像，缺点是安装难度比较大。 哈尔滨工业大学焊接教研室的张裕明等人1 2 j 采用n a t i o n a lv - 2 6 0 电视 摄像机和可调n d ：y a g 激光器，利用光截断方式设计了结构光三维视觉传 感器检测了熔池正面的下塌量。图1 3 是该系统视觉传感器原理示意图 “。激光器产生的激光经光纤照射到柱面镜上，柱面镜将其变成平面光与 工件相交形成所需的激光条纹，通过光纹中轴的自适应动态搜索、光纹特 征点的实时无偏搜索及焊缝几何参数的计算三个步骤，并经最小二乘法拟 合以后，在熔池根部附近提取出了t i g 焊正面焊缝平均下塌量及正面熔 宽等信息。建立了正面焊缝平均下塌量与背面熔宽的关系模型，利用正面 平均下塌量、f 面熔宽两个参数实现了t i g 焊熔透正面视觉自适应控制。 该方法所测熔池表面下塌量的位置必须位于熔池后方已经凝固的焊道上， 信息具有一定的滞后性；此外该方法检测的熔池形状参数较少，与熔透密 切相关的熔池长度、熔池面积、熔池后拖角等则无法检测。 y 幽1 3 结构光二维视觉传感示意图1 3 7 一 。j 瓣。j ：巍_ 。 山东大学硕士学位论文 为了获取更多的熔池信息，一些焊接工作者采用了多条纹的结构光 1 3 2 1 。如n r c o r b y 以激光为辅助光源，在c c d 摄像机视场内产生四条光 纹，根据每条结构光纹在摄像机视场内的形状，提取出焊接中心线的和焊 接接头间隙等信息。 美国肯塔基大学r k o v a c e v i c 和y m z h a n g 等人专门设计了一套强脉 冲激光珊格状多结构光条纹和高电子快门摄像机组成的视觉检测系统。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 。这样在激光脉冲持续时间 内，激光的能量密度远远大于弧光的能量密度，而且摄像机的电子快门与 激光脉冲同步曝光，因此熔池在摄像机上成像时激光能有效的抑制弧光； 另外在摄像机成像的光路系统中又加有与激光波长相匹配的窄带光学滤 波器，抑制了其它波长光的干扰，进一步提高了图像的信噪比，通过这些 措施能够获得非常清晰的熔池表面反射图像。 在结构光视觉测量系统中，结构光光平面与焊件相交后，只有被光平 面照射到的部分才能被视觉系统检测到，这样就未能发挥视觉传感系统信 息量大的特点。有的焊接工作结合激光本身的特点，提出了一种由高能量 密度脉冲激光器和与激光脉冲同步的电子快门摄像机组成的频闪视觉检 测高亮度区景物的方法，拍摄的熔池图像的对比度和清晰度都很好 3 3 - 3 5 】。 图l - 4 为r k o v a c e v i c 等人所采用的试验装置，图1 5 是利用该系统拍摄 的熔池区图像。该系统采用了高能量脉冲激光器和特殊电子快门。其基本 原理是在极短时间内发出一束激光，对熔池表面进行照明，抑制电弧光的 干扰，同时打开电子快门拍摄，获取清晰的图像。 为了进一步提高信噪比，在摄像机前面加一窄带滤光片，窄带滤光片 的波长与激光的波长相对应，大大降低了电弧光的能量密度，提高了熔池 正面图像的清晰度。利用该试验系统，张裕明【3 4 】等人发现熔池尾部包含有 丰富的熔透信息。 1 2 6 2 被动式直接视觉检测 被动式视觉检测不需要另加辅助光源，而是利用液态金属黑体辐射 光、金属蒸汽发光、电弧光等光源检测焊接过程信息。检测过程中，主要 考虑的问题是如何避免弧光的干扰。 如果电弧光被遮挡，则电弧光的干扰可以在一定程度上被减弱，基于 这种思想，文献 3 6 】研制了熔池同轴观测试验系统，该系统由标准的光学 平台与经过特殊改装的t i g 焊焊炬组成。t i g 焊枪水平放置，钨极用 特殊的夹具唾南于t i g 焊焊炬安装，钨极上方由光学玻璃密封，熔池区 图像经钨极i ：方的镜面反射后进入摄像机。一方面电弧最亮的部分被电极 和导电嘴挡住，减小了图像系统对电弧光的过度曝光；另一方面，由于来 一8 一 山东大学硕士学位论文 自电弧的光是对称的，全部的熔池区均能清晰的观测到，因此利用陔系统 可以拍摄到较清晰的熔池区图像。另外该系统拍摄的是焊炬下方的熔池区 图像，传感的信号滞后性很小。但该系统结构比较复杂，需要专门设计特 殊的焊枪结构，并且对于电弧偏离或漂移的情况下，难以获取清晰的图像， 限制了它在实际中的应用。 图卜4 试验装置示意图 o 酝4， 些奎奎兰堡圭兰堡篁壅 ： 在焊接过程中，电弧气氛的成分是很复杂的，电弧中主要含有保护气 体的分子和原子、高温条件下保护气体解离出的一次离子以及高温蒸发出 的金属原子，它们在电弧作用下都会发出其特有的谱线。肖强通过对其光 谱线分析，认为能够在电弧谱线间隙中选取个窗口，利用熔池本身的发 光及部分电子光谱背景在熔池及工件表面的反光观察近弧区的图像，以避 丌电弧强谱线的干扰。得出对于以低碳钢为母材的氩弧焊最佳观测窗口应 为4 0 6 4 2 n m ；对于以低碳钢为母材的c 0 2 气体保护焊，最佳观测窗口 为6 0 1 2 r i m 。据此建立了焊缝跟踪系统，取得了良好的效果p “。文献 3 9 1 则针对低碳钢t i g 焊对焊接辐射源中各组分发光机理及规律进行了研究， 发现选取中心波长为4 0 44 n m ，半宽为4 n m 的光谱区域可以检测到熔池区 图像。观测窗口的选择可以由窄带滤光片实现，但窄带滤光片法采集到的 图像清晰度稍差，难以提取出熔池的多个几何参数。 弧光的强度与焊接电流的大小密切相关，若在采集图像时降低焊接电 流，则可以在一定程度上减弱电弧光的干扰。李鹤岐等人利用带有c c d 摄像机的计算机控制系统对脉冲m i g m a g 焊焊接熔池行为进行了观察。 为了避免强烈弧光对摄像机成像质量的影响，在摄像机对熔池成像期间将 焊接电流减小到最低的维弧电流，以期得到清晰的图像，同时设计了计算 机控制系统接口、焊接熔池面积计算和控制的程序，实现了对焊接条件变 化b , l 熔池的初步控制【6 j 。清华大学机械工程系王克争等人口j 采用先进的 c c d 摄像机，通过周期性的减小焊接电流，排除电弧光的干扰，摄取到 m i g 焊焊接熔池的图像，利用计算机进行图像处理，提取熔宽作为控制 量，从而控制焊接熔深。r n i e p o l d 等人p 州则利用m i g m a g 短路过渡时 电弧几乎熄灭的瞬间拍摄熔池区图像。刘玉池、黄斌等人 4 0 1 4 1 1 利用t i g 脉冲焊基值期间焊接电流较小，弧光较弱的特点，利用普通c c d 摄像机 在基值期间成功获取了熔池图像，并对2 m m 厚低碳钢板脉冲t i g 焊熔宽 进行了实时检测和控制。山东大学高进强1 4 圳根据焊接电流的大小实时调节 图像采集时的亮度，减小了连续电流t i o 焊接时的弧光干扰，检测出了 清晰的熔池图像。 哈尔滨工业大学的娄亚军【8 j 将降低焊接电流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。通过试 验确定取像电流值为6 0 a ，即在采集图像期间将焊接电流降低到6 0 a 。该 方法拍摄的图像较清晰，效果好于单独采用降低焊接电流和窄带滤光片 法。该方法仅适用于脉冲焊，并且取像电流固定，为适应取像电流，需要 对焊接电流进行调整，可能对焊接过程造成一定的影响。 综卜所述，可以看出焊接过程传感检测领域的国内外研究现状及存在 的问题： 1 、声学传感器、电弧传感器结构简单，但由于其本身的局限性，传 山东大学硕士学位论文 感的信息量较少，限制了它们在熔池形状检测和熔透控制方面的应用。 2 、光学传感器中的远红外传感方法能够获取较清晰的熔池区图像， 但定标困难。 3 、直接视觉传感方面，熔池同轴观测法的焊枪结构需专门设计，难 以在实际中应用；激光频闪视觉检测设备能够获取清晰的熔池图像，但设 备昂贵，无法在工业生产中推广应用。被动式视觉检测为了检测出熔池而 人为的降低焊接电流，干扰了正常的焊接过程。 4 、由于实验条件的限制，基于普通c c d 摄像机的检测装置没有拍摄 出整个熔池轮廓【3 】【6 】【8 【4 2 】，提取的熔池信息较少，无法确定熔池长度，只 能得到熔池半长，而熔池半长的获取依赖于最大熔宽的位置，误差较大。 1 3 主要研究内容 本文拟在现有设备的基础上，基于低成本自动化检测策略，利用普通 c c d 摄像机从试件正面直接拍摄熔池区图像，提取出完整的熔池边缘。 1 、改造现有设备，在现有t i g 焊视觉检测设备的基础上，改造传动 系统和光学系统，使之能在低碳钢和不锈钢堆焊、对接焊等各种情况下都 能拍摄出分辨率、清晰度都比较高的完整熔池图像。 2 、进行熔池图像的标定，使计算机能够提取出足够多的、准确的信 息。 3 、分析熔池图像的特点，设计图像处理算法，提取出完整的焊接熔 池边缘。 4 、在不同材料、不同焊接工艺参数下检测连续电流t i g 焊接熔池图 像。 5 、用激光频闪频闪视觉检测仪检测连续电流t i g 焊接熔池图像，比 较两种不同检测系统的检测结果。 山东大学硕士学位论文 感的信息量较少，限制了它们在熔池形状检测和熔透控制方面的应用。 2 、光学传感器中的远红外传感方法能够获取较清晰的熔池区图像， 但定标困难。 3 、直接视觉传感方面，熔池同轴观测法的焊枪结构需专门设计，难 以在实际中应用；激光频闪视觉检测设备能够获取清晰的熔池图像，但设 备昂贵，无法在工