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山东大学硕上学位论文 短路过渡m a g 焊熔池形状参数的视觉检测 摘要 随着焊接自动化的发展，对在线质量检测提出更高的要求。而焊接过程中焊 接熔池包含较为丰富和直接的焊接质量信息，熔池的形状参数是判断焊缝成形和 内在质量的重要依据。利用视觉检测获取熔池的形状参数对于验证焊接热过程数 值模拟结果、实现焊接质量在线检测以及焊接熔透控制有重要的理论意义和工程 实用价值。 本文针对弧光、飞溅以及烟尘等干扰因素较多的短路过渡m a g 焊接过程， 构建了相应的熔池视觉检测系统。基于电弧光谱分析，选择了复合滤光器，减弱 了弧光的干扰。设置c c d 摄像机曝光时间，设计了短路过渡信号的获取及c c d 摄像机外触发电路，准确地将c c d 摄像机的曝光时刻定位于短路过渡阶段，从而 克服了不同时刻采集亮度不同、飞溅等干扰较多的问题。提出了正前方小角度和 正后方大角度的采集方式，采用普通工业c c d 摄像机拍摄到了连续清晰且不失真 的熔池图像。 通过分析焊接熔池区图像，设计了7 7 方形中值滤波算法，利用改进的梯度 法设计了边缘增强算法，选择了边缘点的动态搜索算法，从而得到完整的熔池边 缘，利用针孔模型对摄像机进行标定，实现对熔池几何参数的提取。 对采集到的不同焊接电流、焊接速度以及喷嘴高度情况下的熔池图像进行了 熔池长度、熔池宽度以及宽长比等几何参数的提取，分析了熔透情况、熔池几何 参数与工艺参数间的变化规律。 结合熔池侧面检测的结果，分析熔池正面检测时熔池长度结果存在较大误差 的原因，并提取侧面图像中熔池倾斜度对正面检测结果进行修正，最后提出了采 用以正面检测为主并综合侧面检测结果的熔池检测方案。 关键词：短路过渡m a g 焊接；视觉检测；熔池形状参数；c c d 摄像机外触发； 图像处理 山东大学硕上学位论文 v i s i o n - b a s e ds e n s i n go fw e l dp o o lg e o m e t r y i nm a g w e l d i n go fs h o r t c i r c u i t i n gt r a n s f e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e mo fw e l d i r 玛p r o c e s sa u t o m a t i o n ，al l i 曲e rd e m a n di se x p e c t e d o nm eo n 1 i n eq u a l i 够m o i l i t o r i l l g s i n c et 1 1 ew e l dp o o lc o n t a i l l se x p l i c i ta n da b u n d a m i 1 1 f o m a t i o na ：b o u tt h ew e l d i i 培q u a l i 劬t l l eg e o m e 仃yo fn l e 、e l dp 0 0 1h a sag r e a t e 胞c to nm ef o m a t i o na i l dq l l a l 时o fm ew e l d e dj o m d e t e c t i n g 也ew e l dp o o l g e o m e t r i c a lp 猢e t e r s 丘o mt o p s i d eo fw o r kp i e c e 谢mv i s u 2 l ls e n s o ri so f 伊e a t t 1 1 e o r e t i c a l 柚dp r a c t i c a ls i 鲥f i c a n c ei i lv e r i 研n g 廿l en u m e r i c a ls i 瑚m a t i o nr e s u n so f w e l d i i l gt 1 1 e 册a lp r o c e s s ，r e a l i z i i 培t l l eo n l i n eq u a l i t ) ，m o i l i t o r i n ga i l dc o n t r o l l i n gw e l d p e n e 仃a t i o n a c c o r d i l l gt 0t l l em a gw e l d i n go fs h o r t - c i r c u i t i l 唱饿m s f e rp r o c e s si nw m c ha r c l i g h t ，s p a n e r ，s m o k ed u s ta i l do t l l e ri n t e 疵r e n c ee x i s t ，av i s u a j - b a s e ds e n s i n gs y s t e mi s d e s i g n e d 1 1 ：l r o u g ht h ea n a l y s i so ft l l e a r cs p e c 臼? 唧，ac o 玎】p o s i t e l i g b t - f i l t e ri s d e t e m i n e dt 0e l i i l l i n a t e l ed i s t u r b a n c eo fm ea r cl i g h t ap 1 o p e rs a r l l p l i n gt i m ei s s e l e c t e d as h o r t - c i r c l l i td e t e c t i o n 钺l dc c dc 锄e me x t r i g g e rc i r c u i ti sd e v e l o p e d b a l s e do nt h ew e l d i i l gv o l t a g ew a v e f o m t h ee x p o s u r et i l n ei sf - e da tt h em o m e n to f s h o r tc 沁u i t ，w m c hs o l v e sm ep r o b l e m sc a u s e db yt l l es u 盯。加d i n gl u m i n a l l c e 锄d s p a t t e ri n t e 彘r e n c e ( 加r b b e d 舶mt 1 1 e 舶n tp o s “i o n 、) l ，i t hs m a l la 1 1 9 l ea n d t h er e a r p o s i t i o nw i m1 a 玛ea i l g l e ，u n 缸e 肌p t e d ，c l e a r 锄du i l d i s t o 他d 曲a g e so fw e l dp o o la r e o b t a i n e dl l s i i l gt 1 1 eo r d i n a d ，i i l d l l s t r i a jc c dc 锄e 仇 b a s e do nt 1 1 ea i l a l y s i so ft h ew e l dp o o lh a g e s ，as 甜e so fi i i l a g ep r o c e s s i n g a l g o r i t 妇a r ed e v e l o p e d t 0e x 蚴恤w h 0 1 ew e l dp o o le d g e ，硫1 u d i n gm e7 7 s q u a r em e d i a nf i l t e r i n g ，e d g e e n h a n c e da l g o r i n l ma n dd y n a r i l i cs e a r c h i n g 甜g o r i m m a c c o r d i i l gt on l ec a l i b m t i o n r e s u l to ft l l ep i l l l l o l ec 锄e 飓n l eg e o m 嘶c a jp a r a i n e t e r s o f w e l dp o o la r ea c q u n d 1 kw e l dp o o lg e o m m i c a lp a r 锄e t e r si i l c l u d i i l gm el e n g 札吐i e 诫d t h 锄d 也e b r e 缸咐ll e n g mr a t i oa r ea c q u i r e du i l d e rd i 行i e r e n tw e l d i i l gc u r r e n t ，w e l d i n gs p e e da n d a b s t r a c t c o n t a c tt u b e t o 、o r k p i e c e t h er e g u l a r i 够、衍t l lt h ew e l d i n gp a r 锄e t e r s ，t l l ew e l dp 0 0 1 g e o m 唧a n dw e l dp e n e t r a t i o nc h a i l g i n gr e s p e c t i v e l yi s 雏a l y z e d c o m b i n e d 、) ，i n lm ew e l dp o o l i m a g e sc a p t u r e d 丘o mt 1 1 es i d ed i r e c t i o n ，t h er e a u s o n t l l a tc a l l s e se n o ri nt l l ew e l dp o o l l e n g t l lo b t a i n e d 丘d mt 1 1 et o p s i d es e l l s i n gi sa n a l y z e d t h e o r i g i n a lm e a s u r e m e n ti sm o d i f i e db a s e do n 也ew e l dp o o l 黟a d i e n t an e w m 甜l o d 廿1 a tm et o p s i d e s e n s i n gi sc o m b i l l e d 晰t ht h er e s u l t sa c q u 诫妇丘o mt h es i d ed e t e c t i o n i sa d o p t e d k e y w o r d s ：m e t a l a c t i v e g a s ( m a g ) w e l d i n g o fs h o r t - c 沁u i t i i l g 仃a i l s f e r ； s i o n - b 2 l s e ds e n s i n g ；t o p s i d eg e 锄e 仃yo fw e l dp o o l ；c c dc 锄e r ae x 矗g g e r ； i m a g ep r o c e s s i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：壬刍莹：区日期：五燮：笠 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 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 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：壬霍民导师签名：高蛳 日期：w 山东大学硕- = 学位论文 第1 章绪论 1 1 选题意义 焊接过程自动化、智能化和数字化是保证焊接质量、提高生产效率和改善劳 动条件的重要手段，是当前焊接技术的发展方向【l 】。随着焊接自动化的发展， 对焊接质量检测提出了更高的要求。焊接过程存在着弧光、高温、飞溅、热变形 和工艺规范参数波动等多种因素的影响，因而使得焊接成为一个时变、多因素、 非线性的复杂过程，焊接过程的传感检测存在一定难度。因此针对焊接过程中的 检测，研制低成本、高可靠性、高鲁棒性以及能在工业中应用的检测系统成为研 究的重点【2 】。 实现焊接质量自动控制的前提是准确地检测出反映焊接质量的信息。相对于 电弧、熔滴等，熔池包含有较为丰富和直接的焊接质量信息，熔池的形状和大小 与熔池的冶金反应、结晶组织、焊接缺陷等具有密切的联系，是判断焊缝成形和 内在质量的重要依据，获取熔池的几何参数是实现熔透控制及其他焊接质量自动 控制的基础。 利用视觉传感技术来获取焊接区特征信息，具有信息量大、与工件不接触、 灵敏度和精度高、抗电磁干扰能力强等优点【3 】。利用机器视觉直接观察焊接熔池， 通过图像处理获得熔池几何参数，可以为焊接热过程数值模拟提供准确的验证数 据，同时也为进一步探索熔透、熔池几何参数与工艺参数间的联系，建立熔透控 制模型对焊接质量进行闭环控制奠定基础。 短路过渡m a g 焊过程中存在相对较多的飞溅、烟尘及弧光等干扰，c c d 摄像机采集到的熔池图像必然存在飞溅条纹、边界模糊等问题，使得在后续的图 像处理中会遇到很大的困难。正由于上述原因，以往的熔池检测研究主要针对 t i g 焊接。而m a g 焊兼有c 0 2 焊热效率高、电弧挺度好和熔深大的优点，同时 又具有m i g 焊飞溅少、焊接过程较稳定的综合优势，易于实现高速焊和高效焊 接，在工业生产中广泛应用【4 】。因此m a g 焊熔池检测的研究具有重要的意义。 第1 苹绪论 1 2 研究现状 焊接质量控制是指利用一定的焊接传感器传感，传感对象包括焊缝、电弧、 熔池和熔滴等，得到焊接过程的特征参数，通过一定的建模方法建立焊接过程的 数学模型，根据所得到的模型采用合适的控制手段和策略对焊接过程的工艺参数 进行控制，从而得到好的焊接质量的过程5 1 ，而这其中最重要的是焊接区特征信 息的检测提取。 1 2 1 焊接过程传感技术的研究现状 焊接过程的传感用于检测焊接过程的状态，为过程质量评估提供反映过程特 征的信息。因此目前焊接质量的实时诊断方法仍然是采集反映焊接过程本质的各 种声、光、电等信号，从中提取反映焊接质量的信息实现焊接质量的监测与诊断。 针对焊接过程多种传感技术得到应用，主要包括： 直接检测：视觉检测。 间接检测：声学传感；电弧传感；红外传感；涡流传感；x 射线检测等。 这些传感方法提取的信号范围很广，从起始位置、焊缝跟踪信号到焊缝熔透 等都可提取到，成为焊接质量控制传感器的主要形式。 ( 1 ) 声学传感 声学传感可分为两种：一种是利用焊接过程中的可听信号，这些信号源于电 弧、熔滴过渡或者金属蒸汽及等离子体从小孑l 中喷射时的压力波所造成的，都与 熔池或小孔行为有密切联系，该方法的缺点是声信号易受环境噪声的影响；优点 是信号拾取容易，对系统其他设备无干扰，且对传感器装夹的方向、距离等不敏 感【6 】。另一种是超声波信号检测，信号由焊接过程中工件及其他结构中的应力释 放产生，可用置于工件上的压电陶瓷进行检测。 文献【7 ，8 】将短路过渡g m a w 焊接过程中的声学信号应用于在线检测，如图1 1 所 示的焊接过程声学检测系统示意图，分别采用麦克风和压电陶瓷传感器对焊接区 域的声学信息进行采集，对声学信号的时域和频域分析，并建立了与焊接工艺间 的关系。特别在短路过渡电弧再引燃阶段信号变化突出，从而获得评定焊接过程 稳定性的信息以及检测出导致焊接缺陷的焊接条件。 2 山东大学硕上学位论文 m i c r o 雕h ”眼 b k 4 1 3 4 b & k 2 6 3 6刃 图1 1 焊接过程声学检测系统示意图【7 】 ( 2 ) 电弧传感 1 ) 电弧电压电流检测 电弧传感通过检测焊接电压、焊接电流来实现焊接过程质量的监测与控制。 如图1 2 所示的是电弧电压、电流检测传感的系统结构示意图，这种方法一直是 焊接领域研究的基本手段。电弧传感的主要优点在于：不受焊接过程弧光、磁场、 温度的影响；无须附加传感器，对焊接环境干涉小；结构简单、成本低且可靠性 强。上述优点使得电弧传感在实际焊接领域中广泛应用。电弧传感可检测起弧质 量、焊接电弧稳定性分析、喷嘴高度的变化、保护气体保护不足、送丝故障、母 材错边、焊枪对中以及熔滴过渡方式等【2 1 ，其主要应用有电弧稳定性监测、焊缝 跟踪、熔深检测。 图1 2电弧传感器结构示意酬明 第l 章绪论 电弧过程稳定性监测 焊接电流、焊接电压是电弧焊接最本质的过程参数，直接反映了电弧过程的 稳定性。监测焊接电流、焊接电压可以得到弧长、熔滴过渡形式、熔滴过渡频次 等电弧过程的特征信息。 对于g 彤州焊接过程，弧长是影响过程稳定性的主要因素。由于电弧长度 与电弧电压之间存在较好的线性关系，通过电弧电压检测来控制弧长是广泛应用 的办法【9 ，1 0 1 。对于m i g m a g 过程，电弧传感可获得的信息包括熔滴过渡形式、 频次等；对于短路过渡的g m a w 过程，电弧传感信息包括短路瞬时电流电压变 化、短路电流变化率、短路频次等，可以用于过程稳定性的评判。 焊缝跟踪 焊缝跟踪是电弧传感器实际应用最广泛和成熟的领域。用于焊缝跟踪的电弧 传感器是从电弧的电流与电压变化中获得焊炬与焊缝之间横向与高低偏差信息 的方法，对于熔化极电弧焊，由于电弧的自身调节作用，当导电嘴与工件距离变 化时，干伸长和弧长均发生变化，通过电弧扫描坡口可获得焊炬相对于焊缝的位 置信息。主要有电弧摆动式、双丝并列式以及旋转电弧式几种方法【1 1 。1 5 1 ，其中高 速旋转电弧传感器可以得到较高的灵敏度和响应速度1 5 1 。 熔透控制 熔池振荡利用液体受激产生振荡的物理现象，实现从熔池正面来检测熔池的 熔透或熔深【1 6 1 。液面的自然振荡频率只与液体体积有关，因此可从振荡频率推 算液态物体的体积【1 7 】。在焊接过程中若能获取熔池振荡有关信息即可实时获得 熔深或熔透的信息。当熔池表面振荡时电弧长度随熔池表面振荡而变化，所以电 弧电压也随之产生波动，检测弧压的波动即可获得熔池振荡信息。由于弧压的变 化范围较小，所以常采用激振的方法来提高振荡信号质量【1 8 】。 2 ) 弧光传感 弧光传感通过将弧光强度变化与焊接过程质量信息建立相关性，实现对焊接 质量信息的检测。董春林1 9 】针对不锈钢穿孔等离子弧焊过程，利用如图卜3 所示 的弧光检测系统，对熔池小孔的特征行为与弧光光谱辐射强度之间的关系进行了 光谱试验研究。随着小孔的形成与闭合，弧光光谱辐射强度产生了形似于负脉冲 信号的显著跃变，该跃变信号对于预测小孔的形成和闭合是极为有利的。 4 山东大学硕士学位论文 鹱礓 计算讥l | i 计翼机2 1 8 mh 口a t ilp 虹啦u f 捌i 图1 3 接规范参数与电弧光谱同步检测试验系统框图【1 9 】 杨春利等【2 0 】利用熔池尺寸与熔池自身固有振荡频率具有良好的反比对应关 系，熔池尺寸不同，熔池谐振出现不同的频率点，弧光传感检测熔池振荡，以弧 光光强变动量反映熔池振荡的特征量，提取熔池谐振信号作为熔透控制信号。 ( 3 ) 红外传感 焊接过程的温度场分布与焊后接头的微观结构以及力学性能有着密切的联 系，红外温度传感在各种温度场测量中广泛应用。其问题在于温度标定精度要求 高、辐射源干扰多以及设备昂贵。哈尔滨工业大学的陈定华等【2 l 】利用红外摄像 机摄取熔池背面的温度场。由于影响红外热象灰度值的因素众多，温度值的标定 比较困难，尽管该文给出了三种定标方法，但仍然存在较大的误差。 图1 - 4 红外温度测量系统框图【2 2 】 h 啪g 等【2 2 1 采用如图1 4 所示的红外温度测量系统，针对激光t i g 复合焊接镁 合金过程的红外传感，采用垂直焊缝的采集方位，消除了红外传感在辐射点处电 弧、陶瓷喷嘴、钨极、激光喷嘴等的反射影响，通过红外传感获得弧焊区域的温 度场分布，并经过热电偶标定后获得了较精确的结果。 第1 章绪论 ( 4 ) 视觉传感 1 ) 熔滴检测 利用视觉传感技术来获取焊接区特征信息，具有信息量大、与工件不接触、 灵敏度和精度高、抗电磁干扰能力强等优点。广泛应用在熔池，熔滴、电弧形态 以及焊缝检测中，同时等离子弧焊以及激光焊中等离子云和小孔形态的检测也可 用视觉检测的方式。 工痒台 图1 5g l a w 熔滴过渡信息检测系统【2 3 】 吕云飞【2 3 采用如图1 5 所示的熔滴过渡检测系统，利用信号检测分析技术和 高速摄像技术采集连续电流与脉冲g m a w 焊接参数和熔滴过渡图像，同步分析 焊接参数和熔滴过渡过程的规律和现象，为熔滴过渡的控制提供基础数据 2 ) 激光焊小孔检测 嚣蔓 l ；鹜曼褰毳 铲逝蚺；已箸= 尊 图1 6c 0 2 激光焊同轴视觉系统原理图【2 4 】 陈武柱【2 4 针对c 0 2 激光深熔焊过程，设计出基于具有特殊功能镀膜的分光 镜、综合滤光系统和c c d 摄像机的c 0 2 激光焊同轴视觉系统，如图1 6 所示，解 6 山东大学硕上学位论文 决了熔池图像同轴检测和等离子体强辐射干扰等关键技术，较清晰地实时显示俯 视小孔穿透状态的二维图像。发现了焊接过程中焊缝熔透状态由“未熔透”或“仅 熔池透”变为“适度熔透( 小孔穿透) ”时小孔图像变化的规律，获得了理想熔透 状态的图像特征，为进一步进行熔透闭环控制打下了基础。 3 ) 焊缝跟踪 图1 7 视觉检测焊缝图像 高进强【2 5 】针对g m a w 焊接过程，克服弧光与飞溅干扰，实时采集到清晰的 焊缝图像如图i 一7 所示，并进行图像处理获得焊枪的对中信息，设计控制器实现 闭环控制，并进行折线焊缝工艺试验获得良好的试验效果，实现了对整个焊接过 程的焊缝跟踪。 1 2 2 焊接熔池视党检测的研究现状 焊接熔池的检测可采用多种传感方式，目前主要利用视觉传感的方式，根据 视觉系统中成像光源的特性，视觉检测系统可以分为被动式和主动式两类。被动 光源视觉传感是指利用熔池液态金属辐射或熔池及工件表面反射的电弧光作为 接收器信号源，检测焊接过程中熔池区信息的一种视觉传感方式。主动光源视觉 检测是指利用外加强光源来覆盖电弧光对熔池信息传感的干扰，焊接区对该光源 的反射光作为信号源的一种视觉传感方式。 ( 1 ) 主动式视觉传感 为了减少弧光对图像质量的影响，主动式视觉检测方法采用激光等强光作辅 助光源，对焊接区进行人工照明，以提高图像质量。由于激光具有单波长，方向 性好，相干性强等优点，所以采用激光作为辅助光源可以获得清晰的图像。 第1 单靖论 z h a t l g 和张敏等陋鲰1 利用一种高能量密度的脉冲激光器和与脉冲激光同步 的电子快门摄像机组成熔池视觉检测系统，辅助光源采用脉冲激光或者x e 灯闪 烁光源，获得了非常清晰的熔池表面反射图像，图1 - 8 是他们采集的图像，其中 ( a ) 是g t a w 熔池图像，( b ) 是o m a w 熔池图像。 ( a ) g t a w 熔池图像( b ) g m a w 熔池图像 图i - 8 主动视觉传感熔池图像 k o v a c e v i c 和z h a n 叠【2 9 。2 1 等对熔池表面三维形状检测作了探索，将脉冲激光 透过毛玻璃和光栅照射在熔池表面，摄像机采集到清晰的熔池表面变形激光条 纹。使用不同的图像处理算法，提取出了熔池的边缘和激光条纹的边缘。提出了 图像的成像模型，利用一种迭代算法，计算出了熔池表面的三维形状。但主动式 视觉传感存在设备昂贵、使用寿命低的缺点。 ( 2 ) 被动式视觉传感 采用视觉传感器检测熔池区图像最大的困难是电弧光的干扰，可以通过对焊 接区发光强度、光谱特点以及分布进行分析，采取相应的减光滤光措施从而一定 程度上克服了干扰因素。 1 ) 利用熔池以及工件表面反射的电弧光作为信号源 焊接熔池内部为熔融的液态金属，其表面对弧光的反射是镜面反射而熔池 周围是未熔化的母材金属，其表面对弧光的反射是漫反射。因而能够在熔池边缘 形成鲜明的对比，从而获得清晰的熔池区图像。高进强在分析了1 1 g 焊接电 弧光谱的组成、空间分布及其影响因素的基础上，采用中心波长为6 1 0n m 、半带 宽为1 0 m n 的窄带滤光片以及透过率1 0 的中性减光片，设计出了复合滤光器， 根据焊接电流的大小实时调节图像采集时的亮度，直接利用普通c c d 传感器拍摄 出大部分熔池区图像。如图1 9 所示的是所采集到的t l g 焊接熔池正面图像。 目】1 0m a o 焊短路过渡熔池幽像闱 3 ) 利用弧光减弱进行图像采集的多种方法 文献拍1 利用脉冲0 m a w 焊接过程中基值期间焊接电流较小，弧光较弱的特 点，并结合选择观测窗口的窄带滤光方法，利用c c d 在基值期间获取熔池图像如 图1 1 1 所示。 图1 1 1p g m a w 基值期间熔池图像 王克争等人【3 7 】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，拍摄到了m i g 焊接熔池的图像，利用计算机对图像进行处理，提 取熔宽作为控制量，从而控制焊接熔深。 n i e p o l d 等人则利用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。孙振国等圳1 通过对c c d 摄像机进行改造，设计了可消除c c d 摄像 机固定工作时序与c o ：短路过渡发生的随机性之间的矛盾的实时检测熔池图像 的c c d 控制时序单元，对c 0 2 短路过渡焊接熔池进行了检测，图1 1 2 所示的是 检测到的熔池图像。 图1 】2c 吼短路过渡焊接的熔池图像 综上所述，m a g 焊接过程熔池视觉检测相对于t i g 熔池检测存在较大困难， 其关键问题在于克服弧光、飞溅以及烟尘的干扰，利用普通c c d 摄像机采集到连 续清晰的熔池图像并提取出准确的熔池几何参数。 山东大学硕+ 学位论文 1 3 本文主要研究内容 本文针对短路过渡m a g 焊接过程，采用普通工业c c d 摄像机，提出克服各 种干扰因素的措施，采集到连续清晰熔池图像并进行处理分析，提取出熔池的几 何参数，并对检测过程中存在的误差进行分析修正。主要内容如下： ( 1 ) 构建短路过渡m a g 焊接熔池视觉检测系统；选择合适的窄带复合滤光器 减小弧光干扰；设置c c d 摄像机曝光时间和采集时刻，设计短路过渡信号的获取 及c c d 摄像机外触发电路，并调整摄像机拍摄距离和角度从而进一步消除各种干 扰因素，从而拍摄到连续清晰且不失真的熔池图像。 ( 2 ) 对采集到的图像进行分析和各种图像处理。选择滤波算法消除图像干扰； 运用图像边缘增强使得图像中熔池边缘突出；对熔池边缘点进行搜索拟合从而获 得整个熔池边缘；对摄像机进行标定实现对熔池几何参数的提取。 ( 3 ) 提取不同焊接电流、焊接速度以及喷嘴高度情况下的熔池长度、熔池宽 度以及宽长比等几何参数；结合焊接工艺参数以及焊接熔透情况，对熔池几何参 数的变化曲线进行分析。 ( 4 ) 进行熔池正面图像检测存在的误差分析；针对误差提出修正方案并对熔 池检测结果进行修正；提出熔池正面检测方法的改进途径。 第2 章短路过渡m a g 焊接熔池视觉检测系统 第2 章短路过渡m a g 焊接熔池视觉检测系统 2 1 系统组成 本试验所采用的视觉检测系统由焊接控制系统和图像采集系统两部分组成。 图2 1 是焊接熔池图像视觉检测系统示意图。 融一 f 叫1 图2 1m a g 焊接熔池视觉检测系统示意图 訇像 采集卡 2 1 1 焊接控制系统 焊接控制系统由主控计算机、f r o n i u st p s 4 0 0 0 数字化焊机、f r o n i u s r c u 5 0 0 0 i 控制器、焊接工作台及工作台控制单元组成。其作用是控制试验台行 走机构运动方向、焊接速度及控制焊接参数。 焊接时将工件通过夹具固定于工作台上，主控微机通过串口输出控制量到工 作台控制单元，工作台控制器输出模拟量控制电机转动，带动工作台移动，实现 焊接速度的精确控制。 表2 1f r o n i u st p s 4 0 0 0 数字化焊机主要性能参数 输入功率 焊接周期( 4 0 ，1 0 分钟) 焊接周期( 4 0 ，1 0 分钟) 电流范围 空载电压 工作电压 1 5 1k v a 5 0 暂载率，4 0 0 a 1 0 0 暂载率，3 2 0a 3 4 0 0 a 7 0v 1 4 2 3 4 0v 山东人字坝士字位论又 m a g 焊机采用奥地利f r o n i u s 公司生产的t p s 4 0 0 0 数字化焊机。其主要 性能指标如表2 1 所示，该焊机采用数字化d s p 微处理器监控焊接过程，能快 速对焊接过程的任何变化作出反馈和调整。其控制精确可靠、焊接性能卓越，确 保了焊接质量和重复精度。此焊机可实现手工焊( m m a ) 、m i g m a g 连续焊、 m i g m a g 脉冲电弧焊，且每种焊接方式都有丰富的专家参数，这些专家参数也 可以通过r c u 5 0 0 0 i 遥控器调节。 2 1 2 图像采集系统 图像采集系统主要由a m l l 0 1 型c c d 摄像机、窄带复合滤光器、外触发电 路、m 1 0 a 型图像采集卡以及工控机组成。 ( 1 )c c d 摄像机 随着视觉技术的发展，其在焊接过程检测控制中应用不断推广和提高，而焊 接过程是一个时变、多因素、非线性的复杂过程，存在着弧光、电压波动、热变 形和工艺规范等多种因素的影响，所以对视觉检测系统特别是摄像机有更高的要 求：较好的抗干扰能力包括各种光电热的干扰因素；逐行扫描而不是隔行扫描具 有随机外触发扫描和可控电子快门；摄像机的工作状态和参数通过计算机软件可 调；高灰度分辨率等。 匿瑾墨置墨墨翟圈豳滋翁瀚凌戮缓薹蘸攀? 誓o 目崮 型号：埘1 1 0 1 a 控告i 每梗式i j l参熬显示 | 图2 2a m l l 0 1 型c c d 摄像机软件控制界面 第2 章短路过渡m a g 焊接熔池视觉检测系统 表2 2c c d 摄像机主要性能参数 扫描制式 c c d 尺寸( m m ) 有效视频像元数 灵敏度( 1 u x ) 信噪比( d b ) 帧频范围( h z ) 最大曝光时间 外触发输入 逐行扫描 5 7 9 4 8 9 6 4 0 4 8 0 0 0 5 视频输入可为p a l 或n t s c 等标准视频信号。 8 位高精度高信噪比，d ，宽范围亮度对比度软件调节。 输入的视频幅度可适应o 2v 3v 峰峰，零点调整可适应士1 5v 变化范围。 点阵扰动( p i x e lj i t t e r ) 小于41 1 s 。 图像采集采用高效总线分享技术，提高c p u 并行处理能力。 可支持1 ：1 和4 ：3 采集点阵比例，最大采集分辩率7 6 8 5 7 6 。 图象上下、左右镜象采集。 高带宽输入，数字抗混迭滤波技术，图象水平分辨达6 0 0 线。 可采集单场，单帧，连续帧，精确到场。 1 4 山东大学硕士学位论文 2 2 图像采集系统的设计 2 2 1 窄带复合滤光器的选择 焊接熔池的视觉检测的成像原理在于熔池内部是熔融的液态金属，其表面对 电弧光的反射是镜面反射，而熔池周围是未熔化的母材金属，表面对电弧光的反 射是漫反射，因而能够在熔池边缘形成鲜明的对比，从而获得清晰的熔池区图像。 采用视觉检测的方法对焊接区域进行图像采集需要克服最主要的问题是强 烈的电弧干扰。为排除电弧光的干扰、提高熔池图像的信噪比，通过选取合适的 光信号接收窗口是解决这一问题的主要途径。 文献1 3 6 】测定了g m a w 焊接过程中电弧弧光在2 0 0 锄1 1 0 0 m n 区间内的光谱 特征。从图2 3 中可以看出m a g 弧光光谱分布特征是在连续的背景光谱上叠加一 些离散的特征光谱，特别在6 0 2 6 6 0m n 区域和9 2 2 眦以上的近红外区域，弧光的 特征谱线较少，基本上为强度较弱的连续光谱。尤其在6 0 2 6 6 0m n 区域内，这一 波段辐射强度的变化主要取决于连续光谱的辐射强度，氩铁元素的比例变化对特 征辐射功率影响较小，谱线数量变化也最小，所以选择中心波长在6 0 2 6 6 0n m 区 域内的窄带滤光片配合中性减光片组成的滤光系统进行取像，主要依靠弧光核心 对焊接区的照明作用获取图像，将弧光这一干扰因素转变为有利条件。 6 00 0 0 5 0 警 4 00 0 0 。vv v o 葛 3 00 0 0 釉 j vv w 看 2 00 0 0 1 00 0 0 o 2 0 04 0 06 0 08 0 0l0 0 0 波长纱嗌 图2 3m a g 弧光光谱分布【3 6 】 另外在9 2 2 衄以上的近红外区域选择窗口，由于电弧谱线主要分布在紫外区 和可见光区，进入近红外谱段，随波长增长其强度下降，超过4 0 0 0n m 后电弧光 不复存在。文献刚根据p 1 a 1 1 l 【黑体辐射定律和w e i n 位移定律计算出在接近近红外 第2 苹辑路过渡m a g 焊接熔池视觉柃删系统 波段，熔池的辐射度随波长增加而增加而电弧光光强随波长的增加而减弱。单 纯利用熔池对电孤的反射光作信号，较难采集到清晰的图像。同时普通c c d 硅晶 片对光波的敏感波长范围从4 0 0n m 至1 0 6 0m n ，而且在红外区域随波长的增加， c c d 的感光度是逐渐降低的从而会影响到图像的质量。 鉴于以上分析，试验中将采集窗口设置在6 0 2 6 6 01 1 i i i 这一波段内，这一波段 辐射强度的变化主要取决于连续光谱的辐射强度，氩铁元素的比例变化对特征辐 射功率影响较小。这一波段内，弧光核心的辐射强度最强，周围辐射强度较弱。 利用弧光核心对焊接区域的照明来获取图像。同时该波段属于可见光波段，c c d 摄像机对这一波段的响应灵敏度较高。综上所述，本系统采用在镜头前加装由中 心波长为6 1 0n m 、带宽2 0n m 的窄带滤光片以及透过率1 0 的中性减光片组成的 窄带复合滤光器。 2 2 2c c d 摄像机参数的设置 ( 1 ) c c d 摄像机曝光时间的设置 熔化极气体保护焊中飞溅不可避免，在较大c c d 摄像机曝光时间下，飞溅在 曝光时间内的运动轨迹使得飞溅干扰在采集图像中体现为较多的白亮条纹( 光积 分时间内物体运动距离较大造成的飞溅光源的拖尾) ，这对于后续的图像处理有 较大的影响。试验中将c c d 的曝光时间从1 2 5 0s 调至1 5 0 0s 。曝光速度的提高要 求进光量的增加，增加进光量可以通过在视觉检测系统中减少滤光系统的减光 片、增加镜头的光圈和提高c c d 摄像机的增益等方式实现，这样曝光时间内进入 拍摄视场的飞溅数量减少，同时光积分时间的减少有效地减少了飞溅在焊接图像 中的拖尾现象，提高了图像质量。 ( 2 ) c c d 摄像机采集时刻的确定及外触发电路的设计 短路过渡焊接过程中存在飞溅严重以及电弧弧光强度变化剧烈的问题，而视 觉检测的原理是利用弧光对焊接区的照亮作用，电弧光的剧烈变化使得采集图像 时可能处于低照度或高照度状态，导致图像均很难分辨。 存在以上问题的原因在于c c d 摄像机开启后即以固定场周期开始取像。但短 路过渡频率与之并不配合，图像的采集是在短路过渡过程中的不同阶段进行的， 其对应的弧光强度也就不尽相同，所以c c d 摄像机固定曝光频率与m a g 焊短路 过渡的不确定性之间的矛盾是一个需要解决的问题【3 9 4 0 】。 第2 荦短路垃诬m a g 焊接熔池视觉拎测系统 短路过渡中可以将熔滴过渡的不同时刻与电弧电压的变化对应起来。图2 4 是短路过渡过程中的电压变化曲线，当熔滴接近熔池并造成短路时电弧电压急剧 下降，随着短路电流增加到一定程度后形成缩颈并断开，电弧电压迅速恢复到空 载电压以上，电弧重新引燃。当熔滴短路时电弧电压急剧下降，且短路阶段弧光 和飞溅干扰较小，所以利用外触发功能将c c d 摄像机的曝光时刻都控制在电弧短 路开始阶段的某一时刻时，弧光强度接近且干扰较小。同时试验中将c c d 的曝光 时间设定在1 5 0 0s ，这样图像的曝光采集过程都在短路阶段完成，因此就可以采 集到亮度接近、干扰较少的图像，从而克服了不同时刻采集亮度不同导致的图像 忽明忽暗、飞溅等干扰较多的问题。 莹 i 1 7 1 8 1 9 t i m c ( m 3 ) 图2 - 4 短路过渡电压信号波形 1 1 m c ( m g j 图2 5 短路过渡检测电路输出电压信号波形 通过采集电压信号，分析波形特点，继而检测出短路过渡开始并在此时刻发 出触发c c d 摄像机的t t l 逻辑低电平。即如图2 5 所示，在燃弧阶段输出电平保 持高电平状态，当检测到短路时输出电平转换为0 3v 左右的低电平，从而完成 c c d 摄像机的硬件外触发过程。为此本试验中设计了如图2 6 所示的短路过渡信 号的检测及c c d 外触发电路图。 1 7 弱 为 侣 佃 5 o 蝠瑚l o i 至筌i 型；：丝：茎筌：些型丝： 图2 - 6 短路过渡信号检测及c c d 摄像机外触发电路图 试验中通过将获取的弧压信号经过r c 低通滤波，并采用线性度好、响应速 度快的光电耦合器件p c 8 1 7 ，将经光电耦隔离后的电压信号作为短路检测的信号 源，与电压比较器的基准电压进行实时比较，信号源电压值的范围由电位器r p 。 调节，电压比较器l m 3 1 1 的基准电压由电位器r p 2 调节，通常情况下短路电压不 会超过1 0 v ，所以试验中将基准阕值电弧电压设置为1 0 v 【4 】。因此当电弧电压大 于1 0 v 时，比较器输出端输出高电平，小于1 0 v 时输出低电平，同时通过电阻 r 2 、r 4 分压将输出电压控制在可以触发c c d 摄像机的t t l 逻辑电平范围内，这样 可以较准确地将c c d 摄像机的曝光时刻定位于短路过渡阶段。图2 7 为实际焊接 过程中测得的短路榆测输出信号的示波器波形图。 幽2 7 短路检测输出信号的示波器波形图 通过试验验证短路过渡时刻。试验中通过降低c c d 拍摄角度、增加滤光片以 及减小光圈对前、后方向熔滴的图像进行了拍摄。 表2 _ 3 短路过渡m a g 焊试验条件 焊丝 保护气体 焊接工艺参数 h 0 8 m n 2 s 认12r i l r n 8 0 a 一2 0 c 0 2 流母】5l m l n 焊接电流】2 1 a 送丝速度24 m m m 。 焊接速度4 0 0 m m m l n “ 喷嘴高度1 9 m m ( a ) 正前方采集( b ) 正后方采集 图2 9 相同拍摄角度下熔池图像的差异 在相同的拍摄角度和距离的前提下，正前方和正后方拍摄到的图像中熔池后 部存在较大的差异。试验中采用平板堆焊的方式进行熔池图像采集，熔池后方的 蓦一黑薰 第2 章衙路过渡m a g 焊接熔池视觉检测系统 焊缝金属堆积较高使得熔池整体上是一个较为倾斜的面，同时由于熔滴冲击力和 电弧压力等的作用，导致熔池表面产生了一定的变形，电弧正下方有较大的下凹 变形，而电弧后方熔池表面隆起，从而使得熔池表面变为复杂形状的曲面【4 刀。 如下图所示熔池形状的立体示意图 p 二= = 一一 o ： ，f 1之0 、 “l 矿，l cl 一 b l 1-一 图2 1 0m a g 焊熔池几何参数示意图 特别对于熔池后部的拍摄，倾斜角度与拍摄角度的差异，这都会使得到的图 像可能损失较多的细节，同时使得出现较大的畸变。因此本文的熔池检测采用正 前方小角度3 0o 采集和正后方大角度5 0o 不同方向位置采集的方式。 2 2 3 图像采集系统中影响图像分辨率的因素 分辨率是反映图像细节的能力，是影响图像质量最基本的要素，图像采集系 统中影响图像分辨率的因素有以下三点： ( 1 ) 镜头分辨率 随着镜头光圈的变化，衍射和光差直接影响着镜头的分辨率，同时变化的还 有镜头的景深，所以要综合这三个要素调节镜头的光圈大小才能保证镜头的较高 分辨率，所以设定镜头时应定性地遵循以下原则：为获得高分辨率，镜头的光圈 应尽可能大些，但不是越大越好；适当减少光圈可获得较大的景深，但由于衍射， 光圈的减少又会引起分辨率的降低，所以选择较高档次镜头是保证分辨率的一个 因素；而精细调节焦距是保证镜头分辨率的最基本要求。本文通过改变减光片和 c c d 摄像机的增益设置来配合镜头光圈和焦距的调节从而获得较好的镜头分辨 率。 2 0 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) c c d 摄像机的分辨率 c c d 摄像机的分辨率主要取决于c c d 光敏象元阵列的大小，如今c c d 的像 素从6 4 0 4 8 0 、1 0 2 4 7 6 8 至2 0 4 8 2 0 4 8 ，甚至更高密度的摄像机都已开发出来。 象元密度的增加必然导致帧频的降低【4 1 1 ，特别对于本文中的外触发采集对帧频 有较高的要求，所以对于试验中采用的扫描列数固定行数可调的摄像机，在保证 拍摄目标区域图像完整的情况下适当减少扫描的行数，从而使c c d 摄像机以较高 的帧频进行外触发的采集 ( 3 )图像采集卡的分辨率 采集卡分辨率越高，采样后图像的象元数也就越多，要求c p u 处理的时间越 长，同时对内存的要求也较高，而焊接过程的视觉检测是实时性要求较高的过程， 所以图像采集卡的分辨率不可能较高。本文中图像采集卡的最大分辨率为 7 8 6 5 7 6 ，能够满足图像检测实时性以及图像分辨率的要求。 2 1 耋：至呈璧兰些圣：! 耋! ：耋呈耋呈尘耋些耋：；竺尘 第3 章短路过渡m a g 焊接熔池图像的采集处理与分析 3