（材料加工工程专业论文）填丝脉冲gtaw熔池三维特征实时提取与智能控制.pdf

摘要 填丝脉冲g t a w 熔池三维特征 实时提取与智能控制 摘要 焊接熔池动态特征信息获取与智能控制一直是焊接界研究的前沿课 题，也是智能焊接机器人的一个主要关键技术。目前大部分研究工作集 中在g t a w 不填丝无缝隙对接焊上，在焊缝的成形控制目标上也主要限于 焊缝的二维信息上。而在填丝焊和对焊缝高度信息的控制方面研究很少， 豁而这种情况正是精密焊接所必需的。 ， 本文针对填丝脉冲g t a w 熔池三维特征实时提取与智能控制这一问 芍 0 进行了以下几个方面的研究：首先采用图像传感的方法获得清晰的 j 池图像；然后对熔池的三维形状参数进行定义，并利用计算机视觉中 翳恢复形状理论提取出熔池表面的三维形状信息；进一步建立焊接规 爹数同熔池形状参数之间的非线性模型；最后针对焊接过程多变量、 非线性、变参数的特点设计了非线性智能控制器，实现了熔池三维形状 参数动态智能控制。 被动式视觉传感方法是焊接过程传感的一种主要方法，其主要原理 是利用电弧光照射熔池表面获得熔池图像。本文利用这一传感原理，选 择合适的取像参数，获得了熔池表面不同形状时都很清晰的熔池图像。 上海交通大学博士学位论文 本文分析了焊接的过程中熔池的形状变化及产生的机理，并在此基 础上提出了描述熔池形状的特征参数，即熔池正面长度厶、正面宽度瓢 半长比屁n 背面宽度甄背面长度厶背面宽度眠熔池高度丘和熔池 深度皿。开发了提取熔池正反面形状参数的图像处理算法，满足焊接过 程实时控制的需求。 在填丝脉冲g t a w 过程中，为实现熔池三维形状的动态控制，需要提 取出熔池的正面高度参数。本文对三维计算机视觉中明暗恢复形状的机 理进行了深入细致的研究，对三种典型的算法分别从对真解的逼近程度 和求解效率两个方面进行分析比较。针对z h e n g & c h e l l a p p a 算法对图像 灰度变化的敏感性、对物体的边界约束不强和表面法线与光源方向接近 处的表面计算误差较大的缺点，提出了在求解过程中对输入图像进行光 滑处理、加强边界约束、利用物体表面的已知特征、引入了光强误差加 权调整等约束条件，并通过人工合成图像和实际的焊缝图像来验证此改 进算法的有效性。在一定的工艺条件下电弧可以被抽象为点光源，光强 沿各个方向同性，熔池表面的反射看成是均匀漫反射和镜面反射共同作 用的结果，从而建立了实际熔池表面的成像模型，并通过对实际熔池图 像熔池表面高度的计算，验证了该模型的正确性。 弧焊焊接过程是被焊金属在电弧热源的作用下，经历加热、熔化以 及凝固和连续冷却而最终形成焊缝的过程。可以用非线性函数过程模拟 焊接电弧这一热源特性，热源形成可以被认为是瞬时完成的，故非线性 | 砬 摘要 环节不含动态过程。加热、凝固和冷却过程则用线性动态过程集中描述。 针对这一特点，本文利用h a m m e r s t e i n 模型这一非线性模型来对焊接熔 池形成过程进行描述，并利用递推最小二乘法建立了焊接峰值电流五与 熔池的背面熔宽膨的b w h m 模型和送丝速度阼与熔池表面高度成的t h h m 模型，通过实际焊接过程观测数据的验证并与线性模型比较，显示了该 模型的准确性。针对实际焊接过程中熔池背面形状参数直接测量的困难， 本文还建立了焊接规范参数同熔池正面参数联合预测熔池反面宽度的神 经网络动态模型b w d n n m 。 焊接过程是一个时变的过程，为了对熔池背面熔宽进行实时而良好 的控制，本文设计了基于焊接峰值电流调节的非线性白校正控制器。通 过在2 m m 厚的q 2 3 5 钢试件上对接控制实验，表明该控制器可以很好的克 服外界干扰，从而保证熔池反面宽度的稳定。为了同时满足熔池反面宽 度和正面高度同时稳定的要求，本文还设计了基于焊接峰值电流和送丝 速度调节的非线性复合智能控制器。通过在2 m 厚的q 2 3 5 钢试件上对接 控制实验，控制结果表明该非线性复合智能控制器通过在焊接过程中有 效的调节焊接峰值电流和送丝速度，能够克服焊接过程中的干扰，从而 达到熔池反面宽度和正面高度同时稳定的控制要求。 关键词；填丝脉冲g t a w ，图像传感，明暗恢复形状，h a 舢e r s t e i n 模型， 非线性自校正，复合智能控制 上海交通大学博士学位论文 e x t r a c t i o na n di n t e l l l g e n tc o n c t r o lo f 3 d d y n a m i cw e l dp o o ls h a p el n f o r m a t i o no f p u l s e dg t a ww i t h w i r ef i l l e r a b s t r a c t e x t r a c t i o na n d i n t e l l i g e n tc o n t r o lo fd y n a m i cw e l dp o o lc h a r a c t e r i s t i c si s f r e q u e n t l ys t u d i e di nt h ew e l d i n gf i e l d ，a n ds e r v e sa ni m p o r t a n tk e yt e c h n i q u e i ni n t e l l i g e n tw e l d i n gr o b o ts y s t e m 勰w e l l n o wm o s tr e s e a r c hi sf o c u s e do n b u t tg t a w w e l d i n gw i t h o u tj o i n tg a pa n dw i r ef i l l e r , a n dt h ec o n t r o lo b j e e t s a r el i m i t e dt o2 di n f o r m a t i o no fw e l ds h a p e h o w e v e r , w e l d i n gw i t hw i r e f i l l e rm u c hm o r ee x i s t si nt h ep r a c t i c a lp r o c e s s ，a n dh e i g h ti n f o r m a t i o no f w e l ds h a p ei sa l s or e q u i r e di np r e c i s e w e l d i n gp r o c e s s a i m e da te x t r a c t i n g3 dd y n a m i cw e l dp o o ls h a p ei n f o r m a t i o no f p u l s e d g t a ww i t h w i r ef i l l e ra n dr e a l i z i n gi t s i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，s y s t e m a t i c r e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do u ti nf o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t l y , c l e a ri m a g eo f w e l dp o o lw a sc a p t u r e dt h r o u g hv i s u a ls e n s i n gm e t h o d s e c o n d l y , 3 ds h a p e p a r a m e t e r so f w e l dp o o lw e r ed e f m e da n de x t r a c t e db ys h a p ef r o ms h a d i n gi n c o m p u t e rv i s i o n f u r t h e r m o r e ，n o n l i n e a rm o d e l sr e l a t i n gw e l d i n gp a r a m e t e r s t o s h a p ep a r a m e t e r sw e r ec o n s t r u c t e d f i n a l l y , n o n l i n e a rc o n t r o l l e rw a s d e s i g n e d f o r w e l d i n gp r o c e s sc h a r a c t e r i z i n ga sm u l t i v a r i a b l e ，v a r i a b l e p a r a m e t e r sa n dn o n - l i n e a r , t or e a l i z ed y n a m i ci n t e l l i g e n tc o n t r o lo f w e l dp o o l 3 ds h a p e p a s s i v ev i s u a ls e n s i n gm e t h o di st h em a j o rm e t h o df o rs e m i n g w e l d i n g p r o c e s s ，t h ep r i n c i p l eo fw h i c hi st oc a p t u r ew e l dp o o l i m a g eb yt h e i l l u m i n a t i o no fe l e c t r i ca r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no f p a s s i v e v i s u a l s e n s i n gi np u l s e dg t a ww i t hw i r ef i l l e rw a sd e e p l ya n a l y z e d a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r sw e r es e l e c t e df o ro b t a i n i n gc l e a r i m a g e s w i t h d i f f e r e n ts u r f a c es h a p eo f w e l d p 0 0 1 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w e l dp o o ls h a p ea n di t sm e c h a n i s mw a sd e e p l y a n a l y z e ds oa st op m v i d et h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r st od e s c r i b ew e l dp o o l s h a p es i m p l ya n dv a l i d l y t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fw e l dp o o ls h a p e i n c l u d e dt o p s i d el e n g t hl bt o p s i d ew i d t h 既h a l f - l e n g t hr a t i or ，b a c k s i d e l e n g t hl b ，b a c k s i d ew i d t hw b ，t o p s i d eh e i g h th ba n dt o p s i d ed e p t hd - i m a g e p r o c e s s i n ga l g o r i t h mo fe x t r a c t i n gw e l dp o o ls h a p e p a r a m e t e r s w a s d e v e l o p e d t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f r e a l t i m ec o n t r 0 1 t h e t o p s i d eh e i g h tp a r a m e t e r sw e r en e e d e di no r d e rt oc o n t r o lt h eh e i g h t w e l ds h a p e t h ed i s s e r t a t i o n 锄a l y z e dt h ep r i n c i p l eo f s h a p ef r o ms h a d i n gi n c o m p m e rv i s i o na n dc o m p a r e dt h r e ec l a s s i ca l g o r i t h m si nt h e a s p e c t so f c l o s e n e s sa n de f f i c i e n c y s m o o t h i n gp r o c e s s ，s t r i c t e rb o u n d a r yc o n s t r a i n t s , 上海交通大学博十学位论文 k n o w nc h a r a c t e r i s t i c so nt h ew e l dp o o ls u r f a c ea n dt h ef a c t o ro fb r i g h t n e s s e r r o rw e r ei n t r o d u c e di nt h ei m p r o v e da l g o r i t h mt oa v o i dt h ed i s a d v a n t a g e s i nt h ee x i s t e da l g o r i t h mp r e s e n t e db yz h e n g & c h e l l a p a t h er e c o n s t r u c t e d r e s u l t sv e r i f i e dt h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti nt e r m so fa c c u r a c ya n ds p e e d b yas y n t h e t i ci m a g ea n dar e a li m a g eo fw e l d u n d e rc e r t a i nt e c h n i q u e c o n d i t i o n s ，e l e c t r i ca l ec o u l db et h o u g h to f a ss p o tl i g h ts o u r c e ，t h eb r i g h t n e s s w a ss a m ei na l ld i r e c t i o n sa n dt h er e f l e c t a n c ei n c l u d e dd i f f u s ea n ds p e c u l a r e f l e c t a n c e t h u st h ei m a g i n gm o d e lo ft h er e a lw e l dp o o ls u r f a c ew a s e s t i m a t e da n dt h er e c o n s t r u c t e dr e s u l t sv e r i f i e di t sv a l i d i t y a r e w e l d i n gp r o c e s si st h ep r o c e s si nw h i c h t h em e t a le x p e r i e n c e sb e i n g h e a t e d , m e l t i n g ，s o l i d i l y i n g ，c o o l i n ga n df o r m i n gw e l di nt h ee n du n d e rt h e h e a to fe l e c t r i ca l e t h ep r o p e r t yo ft h ee l e c t r i ca r cc a nb es i m u l a t e db ya n o n l i n e a rf u n c t i o na n dt h eh e a ts o u r c ec a nb et h o u g h ti n s t a n t ，t h u st h e n o n l i n e a rp r o c e s sd o e sn o ti n c l u d ed y n a m i c p a r t t h ep r o c e s so f b e i n gh e a l e d ， m e l t i n g , s o l i d i f y i n g , c o o l i n gc a nb ed e s c r i b e d a sl i n e a rd y n a m i c t h e d i s s e r t a t i o nd e s c r i b e dt h ew e l d i n gp r o c e s sb yh a m m e r s t e i nm o d e l t h e d i s s e r t a t i o ne s t i m a t e db w h mf o rp r e d i c t i n gb a c k s i d ew i d t h 既o fw e l dp o o l t h r o u g hp u l s ec u r r e n ti oa n dt h h m f o rp r e d i c t i n gt o p s i d eh e i g h th tt h r o u g h w i r ef e e ds p e e d 吩b ym e a n so fr e c u r s i v el e a s ts q u a r e ( r l s ) a c c o r d i n gt o h a m m e r s t e i nm o d e l t h ef a c t u a lo b s e r v e dd a t av e r i f i e dt h et w om o d e l s c o r r e c t n e s sa n ds u p e r i o r i t yc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ll i n e a rm o d e l b e c a u s e t h ed i r e c tm e a s u r e m e n to fb a c k s i d ew i d t ho fw e l dp o o l 既i sn o ta v a i l a b l e 。 b w d n n mm o d e lw a sb u i l tt o p r e d i c t 阢t h r o u g hw e l d i n gt e c h n i q u e p a r a m e t e r sa n dt o p s i d es h a p ep a r a m e t e r so f w e l dp 0 0 1 f i n a l l y , i no r d e rt os t a b i l i z eb a c k s i d ew i d t h , an o n l i n e a rs e l f - t u u n i n g c o n t r o l l e rb a s e do nr e g u l a t i n gp u l s ec u r r e n tw a sp r o p o s e d b u t tw e l d i n g e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e do n2 m mt h i c k n e s sm i l ds t e e lw o r k p i e c e s ，a n d t h ec o n t r o lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n t r o l l e rc o u l do v e r c o m et h ed i s t u r b si n t h ew e l d i n gp r o c e s sa n dt h eb a c k s i d ew i d t hc o u l db ew e l ls t a b i l i z e d f o rt h e r e q u i r e m e n to fs t a b i l i z i n gb a c k s i d ew i d t ha n dt o p s i d eh e i 班s i m u l t a n e o u s l y , n o n l i n e a rc o m p o u n di n t e l l i g e mc o n t r o l l e rb a s e do nr e g u l a t i n gp u l s ec u r r e n t a n dw i r ef e e ds p e e dw a sd e s i g n e d b u t tw e l d i n g e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h e c o m p o u n dc o n t r o l l e rc o u l ds t a b i l i z eb a c k s i d ew i d t ha n dt o p s i d eh e i g h t s i m u l t a n e o u s l yb yr e g u l a t i n gp u l s ec u r r e n ta n dw i r ef e e ds p e e d k e y w o r d s ：p u l s e dg t a ww i t hw i r ef i l l e r , i m a g es e n s i n g ，s h a p ef r o m s h a d i n g , h a m m e r s t e i nm o d e l ，n o n l i n e a rs e l f - t u n n i n g ，c o m p o u n di n t e l l i g e n t c o n t r o l 上海交通大学 学位论文原创性声明 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 、进行研究工作所取得的成果。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作品成果。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 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名愈奎噎 1 纱 日期： 2 0 0 6 年4 月卫1 日 上海交通大学 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，同 意学校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。本人授权上海交通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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密形 ( 请在以上方框内打“”) ：储 日期：2 0 0 6 年4 月矶日 胛印少 魅印 签 疆 利 年 作 宝 文 位 期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 焊接熔池动态特征信息获取与智能控制一直是焊接界研究的热点和难点1 1 5 1 。在 实际焊接中，常常存在变形、变散热、变间隙、变错边等影响焊缝成形的干扰因素， 以往只具有示教再现功能的机器人或只具有恒定参数配置的焊接设备，由于无法克 服批量生产中所遇到的这些干扰和变化，已经难以满足高质量焊接的要求。为解决 这一问题。需要研究带有传感器的智能焊接系统。特剔是在追求高质量、高效率的 今天，焊接自动化、机器人化已成为趋势的前提下，对焊缝质量实时控制的要求更 为迫切 6 - s 。 焊接工作者对这一问题开展了大量的研究工作，但是大多还停留在实验阶段， 离实用还有一定距离。究其原因，焊接是一个多输入多输出、非线性，时变、强耦 合的复杂过程，并伴有弧光、高温等因素。在以往的建模工作中无论是根据经验数 据导出的模型，或是根据实验数据统计导出的模型，均是建立在线性系统理论基础 上的，为了符合这一理论框架都对焊接过程做了一些假设，约束条件和未知因素很 多，其假设条件与实际焊接过程存在差距，在线性系统理论框架下建立起来的模型 已被证实只有有限的应用范围，其难以达到满意的结果。因此，人们提出焊缝成形 质量智能控制方法 “，主要思路是结合人工神经网络、专家系统和模糊控制等智能控 制理论，模拟焊工的操作过程，它不依赖于或不完全依赖于被控对象的数学模型， 而主要是利用人的操作经验、知识和推理技术以及控制系统的某些信息( 如控制输出、 误差和时延等) 和性能得出相应的控制动作。由于这一特点，智能控制理论的发展为 焊接过程建模和控制提供了全新的途径，近年来，人们在这一方面取得了很大的进 展9 2 1 ，但是仍需进一步发展和完善。 目前绝大部分焊缝成形控制研究工作集中在薄板的钨极氩弧焊( g t a w ) 上，应 用对象限于无缝隙对接焊。填丝焊和带间隙对接填丝焊研究很少，而这两种情况更 上海交通大学博士学位论文 符合实际的焊接过程。 基于以上分析，作为“脉冲g t a w 焊缝成形智能控制”系列研究的一部分，本 文开展了“填丝脉冲g t a w 熔池三维特征实时提取与智能控制”的研究工作。 1 2g t a w 焊缝成形控制的研究现状 焊缝成形控制系统包括焊接过程传感、焊接过程建模和控制器设计三个方面， 下面分别论述。 1 2 1g t a w 过程传感的研究现状 对于薄板焊缝成形控制来说。焊接过程传感主要指被控量一反面熔宽的检测。 在实际焊接中，由于反面检测的不可达，往往采用检测熔池正面特征信息来间接反 映反面熔宽。针对g t a w 过程中存在的干扰如弧光、高温、振动和电磁场等，和过 程本身的特点，提出了不同的焊接过程传感方法，如超声波法用于传感熔透 1 3 - 1 5 1 ， 电弧电压、弧光法传感熔池振荡信息q ，红外测温法传感焊接温度圳2 ”，x 射线 法传感焊接熔池形状3 4 “，视觉传感器口7 q 等。 视觉传感器是在可见光波段内利用c c d 器件获得焊接过程图像，其特点是不同焊 接回路接触，检测不影响焊接过程的进行，而且能提供丰富的信息，如接头形式、 熔池形状、电弧形态等。近些年来，由于光学器件成本下降，器件工作的可靠性和 保护措施得以提高和完善，图像处理硬件和软件算法的改进，使得视觉传感在焊接 工程中得到普遍的应用。因而，利用机器视觉正面直接观察焊接熔池，通过图像处 理获取熔池的几何形状信息实现焊接质量的闭环控制，已成为重要的研究方向。根 据视觉检测系统中成象光源是辅助光源还是焊接区自身光源，直接视觉检测系统可 分为主动式和被动式两大类。根据传感系统所获取的图像信息特性，视觉检测系 统可分为二维平面方式和三维立体方式两类。 为了减小弧光对图像质量的影响，主动式二维视觉传感方式采用激光等辅助光 源对焊接区进行人工照明，以提高图像的质量。由于激光具有单波长，方向性好， 相干性好等特点，所以采用激光作为辅助光源可以获得较清晰的图像。目前应用较 2 第一章绪论 多的是通过一定的方法产生一条、多条或网状分布的结构光投射到焊件上，根据结 构光条纹的变形获取有关的几何形状信息”“1 。 文献 4 1 设计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 像机组成的被称为“频闪视觉”的熔池视觉检测系统，摄像机的电子快门与激光脉 冲同步。图卜l 是频闪视觉原理图。辅助光源采用脉冲激光或者x e 灯闪烁光源，视 觉传感器采用c c d 摄像机。在一个脉冲周期内利用脉冲功率很高而持续时间很短的 激光照射焊接熔池，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 学滤光片，有效地抑制了弧光干扰，进一步提高了图像的信噪比，获得了非常清晰 的熔池表面反射图像。图卜1 为获得的( ；t a w 焊熔池表面的图像。 图卜1 额闪视觉熔池图像传感原理 ( ) 原理图( b ) 熔池正面图像 f i g 1 - lw e l dp o o li m a g ew i t ht h es t r o b o s c o p i cv i s i o ns e n s i n gs y s t e m ( a ) s c h e m a t i cd i a g r a m ( b ) l m a g eo f w e l dp o o l 这种主动式二维视觉传感方法的特点是熔池图像的清晰度好，通用性强；检测 处理简单，实时性好：但器件价格比较昂贵，限制了这种方法在实际中的应用。 相对于主动式视觉传感方法，被动式直接视觉检测方法要简单得多，它不需要 另加辅助光源，而是利用弧光照明焊接区域。这里应着重考虑的问题是如何既避免 电弧光对焊接区成像的干扰，又对其加以利用使焊接区成像的质量更好，有利于焊 接区特征信息的提取”抽6 】。 上海交通大学博士学位论文 为了消除弧光的影响，文献 4 2 】开发了一套放置在焊炬内部与电极同轴观测焊接 熔池的集成化视觉传感系统，在g t a w 焊熔池观察和m i g 焊焊缝跟踪等方面进行了 初步的研究。系统框图如图1 2 a ，将g t a w 焊炬改装成轴为水平，钨极用一个特殊 的电极夹具以9 0 。安装，保护气喷嘴项部由一个光学玻璃密封，从焊炬正上方观察 i l 对熔池进行同轴观察。图i 2 b 为g t a w 堆焊熔池图像能看出这个图像是反射电 弧光得到的，电极阴影( 黑的斑点) 在熔池图像中心，周围是明亮的电弧光环，电 弧最亮的芯部藏在电极下方。同轴观察由于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量曝光，可以清晰地观察到全部的焊接区。 ( b ) 图i - 2 熔池同轴观测系统 ( a ) 系统组成( b ) 熔池正面图像 f 追i - 2s y s t e mo f c o a x i a lw e l dp o o lv i e w i n g ( a ) s y s k ms e i ( ”i m a g eo f w e l dp o o l 除了同轴观察法，人们更多地采用开窗口复合滤光方法来减少弧光对成象质量 的干扰【“4 ”。为此，人们对弧光光谱组成进行了系统研究【5 “1 1 。j 潍 4 2 4 3 1 n j , e i ：j , 带 有c c d 摄像机的微型计算机控制系统对脉冲m i g m a g 焊接熔池行为进行了观察和 控制。为了避免强烈电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d , n 晟低的维弧电流，以得到清晰的熔池图像，并实现了焊接条件变化 时对熔池的初步控制。 4 第一章绪论 文献【4 8 】通过对电弧及熔池表面的谱线分析和对比，提出了可能的近弧区图像观 察窗1 5 1 ，确定了a t 弧焊及c 0 2 气体保护焊在低碳钢母材上的相应观察窗口。在焊 接过程中，电弧气氛的成份是很复杂的，在弧柱区谱线以非金属为主，而熔池表面 区域以金属谱线为主。电弧光谱是由电子跃迁产生的连续光谱背景和不连续的峰值 谱线两部分组成，而且弧柱区谱线与熔池表面的谱线存在差异，因而能够在电弧谱 线问隙中选取一个窗口，利用熔池本身发光及部分电弧光谱背景在熔池及工件表面 的反光观察近弧区的图像，以避开电弧强谱线的干扰。实验得出结论，以低碳钢为 母材的t i g 焊最佳观察窗口为4 0 6 4 - 1 - 2 0 a ，以低碳钢为母材的c 0 2 焊最佳观察窗口 波长为6 0 1 0 - - 2 0 a 。文献【4 9 根据o t a w 焊光谱在可见光波段的特征，选取了中心 波长为4 0 4 4 a ，半宽为4 0 a 的光谱区域进行取象，图1 ，3 是该文献获得的焊接区图 像。 图卜3 光谱传感方法获得的熔池图像 f i g 1 3i m a g e o f w e l d p o o lb y t h e m e t h o d o f s p e c t r a ls e n s i n g 4 9 1 图1 - 4 脉冲g t a w 熔池正反面图像1 卅 f i g i - 4 a f r a m e o f d o u b l e - s i d e d w e l d p o o l i m a g e s o f p u l s e d g t a w i 州 哈工大从9 0 年代初开始，对弧光光谱和被动式视觉传感方法进行了系统的研究。 文献【5 3 】采用等离子体的光谱诊断方法测量g t a w 等离子体的谱线强度、连续诺线 上坶交通大学博士学位论文 强度或谱线宽度，通过对g t a w 整体电弧的光谱分析，获得了包括焊接电流、弧长 工件材料、保护气流量及焊速等焊接参数对g t a w 弧光光谱分布的影响规律。得出 了( t a w 的总体光谱分布规律是：g t a w 电弧主要由氩光谱组成，其最强区域在 3 2 0 - 4 4 0 n m 和7 0 0 8 0 0 h m 。弧光光谱在6 0 0 n r a 7 0 0 n m 波长范围内基本由连续光谱组 成，无各种金属谱线和氩原子、氩离子谱线，在此弧光波长范围内获取熔池正面视 觉图像主要是弧光的连续光谱对焊接成像区域起照明作用。在此基础上，文献【5 4 】 对脉冲g t a w 过程中脉冲基值电流为6 0 a 的弧光辐射谱线和熔池金属辐射谱线及积 分强度进行了分析，提出在取象的谱线窗口内利用电弧的连续光谱对熔池进行照明， 利用熔池液态金属表面对电弧光的镜面反射和未熔化的与己凝固的工件表面对电弧 光的漫反射提高熔池图像的对比度，变电弧光这一干扰因素为有利条件。使用的窄 带滤光片取象窗口中心波长为6 6 1 r i m ，半宽为l o n m ，峰值透过率为2 8 8 ，同时设 计了焊接过程熔池正反面图像同时同幅传感系统，图1 _ 4 为获得的熔池正反面图像， 图像的对比度和清晰度都很高，便于进一步图像处理和实时控制。文献 5 5 在文献 5 4 的基础上加了一条光路，可以实现在同一幅图像中同时获得熔池正前方、正后方和 反面三个角度的图像。文献i s 6 1 根据铝合金熔池成像特点提出宽带滤光实现了同时同 幅获得熔池正反面清晰图像。 虽然被动式视觉检测方法图像质量比不上主动式视觉传感，但是应用复合窄带 滤光技术，利用电弧和熔池的自身光谱辐射，通过选择一个特定的辐射频域，使焊 接区各辐射源的光强达到一个合适的比例，能够实现从单一信号源中得到焊接区图 像的综合信息。 对于填丝o t a w 焊缝成形而言，为了获得精密的焊缝成形质量，除了要求一定 的正反面熔宽以外还要求有一定的焊缝余高，这就要对焊缝的余高进行控制。因此 国内外学者也开始展开了对熔池三维尺寸的检测【。o ”。 文献 6 2 - 6 6 设计了一套由强脉冲激光栅格状多结构光条纹和高电子快门摄像机 组成的熔池视觉检测系统。脉冲激光器的平均功率为7 r o 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 。在激光脉冲持 6 第一章绪论 续时间内，激光的能量密度远远大于弧光的能量密度，在摄像机曝光时间内激光的 光强远远大于弧光的光强，有效的抑制了弧光干扰，获得了非常清晰的熔池表面反 射图像。图l 一5 为实验系统和获得的1 1 g 焊熔池表面的三维图像，电流为1 1 8 a 。 弧长为3 m m ，不锈钢板s s 3 0 4 。这种方法的计算精度较高，但由于采用了高能量密 度的脉冲光源和特殊电子快门的摄像机，其设备及其昂贵，限制了这种方法在实际 中的应用。 ( a )( b ) 图1 5 结构光熔池表面形状测量系统吲 “) 系统组成( b ) 熔池正面图像 f i g 1 - 5s c h e m a t i c o fs e n s i n g t h e h n r g c o f w e l d p o o l u s i n gs t r u c t u r a l l i g h ts y s t e m 6 2 1 ( a ) s y s t e ms e t ( b ) i m a g eo f w e l dp o o l 文献 6 7 】在文献 5 4 所设计的传感系统的基础上，作者首次将三维计算机视觉中 的由明暗恢复形状方法引入到焊接熔池表面高度信息提取上，图1 6 a 为获得的凸起 型熔池图像，图1 6 b 为采用阴影恢复算法获得的熔池形状。这种方法虽然计算精度 不是太高，但它开辟了一个设备简单，在实际应用中易于实现的道路。 文献 6 8 在文献 6 7 的基础上对不同材料对接熔池表面的成像模型进行深入的 研究，并提取出不同材料对接熔池表面高度的信息。但遗憾的是，文献 6 7 和文献 6 8 限于计算时间过长未能把此种图像处理算法应用于焊接过程中熔池表面高度信 息的实时提取上。 7 上海交通大学博士学位论文 ( a )c o ) 图1 - 6 阴影恢复高度计算熔池表面高度【6 7 l ( a ) 凸起型熔池图像( b ) 计算结果 f i g i - 6 c a l c u l a t i n g t h es u 嘞腊h e i g h t o f w e l d p o o lb y s f s m d t l l c d 【6 7 l ( a ) c o n v e xw e l dp o o l ( b ) c a l c u l a t i n gr e s u l t 综合以上文献，虽然被动式视觉检测方法图像质量比不上主动式视觉传感，但 是应用复合窄带滤光技术，利用电弧和熔池的自身光谱辐射，通过选择一个特定的 辐射频域，使焊接区各辐射源的光强达到一个合适的比例，能够实现从单一信号源 中得焊接区图像的综合信息，有效地提高了在可见光波长内电弧、熔池和焊缝三 者同时成像的清晰度，并且其视觉传感系统只使用窄带滤光片和摄像机，不需要其 它的特殊硬件设备，更适合在焊接生产实际中使用。因此越来越受到人们的重视。 1 2 2g t a w 过程建模的研究现状 对于薄板焊接来说焊缝成形质量由焊缝反面宽度和正面余高来表征。焊接过 程建模就是建立焊接规范参数、焊缝正面特征信息和反面宽度之间的映射关系，这 是控制器设计的自u 提。 目前，g t a w 过程建模的研究方法主要有以下几个方面。 1 数值模拟 从焊接过程的热场和流场的数值分析角度出发，在一定假设的基础上计算出间 接焊接参数同熔池流场和热场之间的关系，再通过熔池热场和流场同直接焊接参数 之闻的关系确定出直接焊接参数研究的焊接过程有直流和脉冲两种，建立的数学 8 第一章绪论 模型不考虑填丝的作用旧”】。 这些模型可以给出一些有指导意义的结论，如焊接规范参数对熔池形状的影响 规律等但因为模型的运算量很大，只能适用于离线建模。 2 熔池振动 从熔池振动的角度出发研究焊接规范参数同熔池反面宽度之间的关系，主要针 对g t a w 定点焊和对接过程1 7 4 - s “。 g t a w 直流焊接过程中，在焊接电流上叠加一定频率的交流信号，这样电弧力 的周期变化引起熔池表面的振动，熔池振动的频率同电流振动的频率一致时发生谐 振现象- 这一现象可以从电弧电压或弧光上的变化反应出来。文献1 7 4 1 发现熔池尺寸 和熔池谐振频率有较好的对应关系，通过检测电弧电压的变化可以预知熔池的熔透 情况。文献 7 5 ，7 6 提出了频率定点焊时全熔透时和部分熔透时的不同的熔池振荡频 率。但在移动电弧焊接过程中，焊接熔池变长，电弧下方的金属由于电弧力的作用 向熔池后方移动，使得熔池振动的模式更为复杂。文献【7 7 】提出了定点焊和移动电弧 的部分熔透和全熔透的不同的熔池振动模式。文献【7 8 进而采用高速摄影的方法测定 了部分熔透和全熔透时的熔池振动频率，发现二者的频率范围存在一定的重叠。两 种熔透模式下在不同的振动频率对应着不同的弧长和不同的弧光强度，文献 7 9 1 采用 弧光信号作为控制量。文献【8 0 从理论上分析了行走电弧下g t a w 熔池振荡行为， 给出了部分熔透和全熔透时的不同振荡模型。 3 熔池形状 对g t a w 焊缝成形的要求是保证焊缝反面宽度稳定。建立熔池正面形状参数和 熔池反面宽度之间的关系，在焊接过程中，通过对熔池正面形状的检测，就可以实 现对熔池反面宽度的预测和控制p 8 5 45 5 6 7 , 8 1 踟】。表1 - 1 列出了目前文献报道的用于焊 缝成形控制的建模模型。 9 上海交通大学博士学位论文 袁1 - i 用于焊缝成形控制的模型 t a b l e1 - 1m o d e l su s e df o rw e l ds h a p ec o n t r o l 研究人员模型输入 模型输出 结构应用对象 张裕明p q正面下塌量 背面熔宽传统 g 1 a w y s t a t n g “衄 焊接规范( 5 个)3 个 a n n吼t 鼬 b i l l vc h a n f s 3 i 焊接规范( 4 个) 1 个 a n n g m a 堆焊 g e o r g ee t u 焊接规范( 4 个) 2 个 a n n v p p a 焊 j yj