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山东大学硕士学位论文 g m a w 焊接熔池的激光频闪视觉检测 摘要 f 熔化极气体保护焊( g m a w ) 是一种重要的热加工丁艺，广泛应用 于工业生产。实现g m a w 焊接过程自动化和智能化的前提条件是必 须检测出反映焊接质量的信息。利用激光频闪视觉检测仪从试件正面 检测g m a w 焊接熔池形状参数，既可以为焊接热过程数值模拟提供 实验验证手段，也可以为进一步的焊接过程控制打下良好的基础，具 有重要的理论意义和工程实用价值。 根据自行编制的计算机程序，控制工作台的移动，从而精确地控 制了焊接速度。改进了激光频闪视觉检测系统，使之能够根据需要控 制采集频率，并实时保存熔池图像。 4 、? 利用试验和统计的方法，调整物距、光圈等光学参数，提高了对 比度，使之可以利用激光频闪仪拍摄出分辨率、清晰度高的完整的 g m a w 焊接熔池图像。开展了多种工艺规范的g m a w 焊接工艺试验， 检测出了q 2 3 5 低碳钢堆焊在不同焊接工艺条件下清晰的g m a w 焊接 熔池图像。 开发出了一套完整的分析与处理软件，适用于g m a w 焊接熔池 这种特殊的图像的处理与分析。对大量的焊接熔池图像进行了分析， 根据图像的特点，设计出不需要滤波但需要图像增强的图像边缘检测 算法，检测出了g m a w 焊接熔池的整个边缘，提取了熔池边缘的象 素值，根据标定系数，描绘出了实际尺寸的熔池边缘。得出了各种工 艺条件下焊接熔池的正面几何参数一熔池宽度和熔池长度，并分析了 焊接工艺参数与熔池形状参数的变化规律。 关键词：g m a w 、视觉检测、焊接熔池、图像处理、熔池边缘 7 山东大学硕士学位论文 l a s e r s t r o b ev i s u a ld e t e c t l o no f g m 。气ww e l dp o o l a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tm a t e r i a l sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , g a sm e t a la r cw e l d i n g ( g m a w ) i sw i d e l yu s e di ni n d u s t r y s e n s i n g a n d m e a s u r i n g t h ei n f o r m a t i o no f w 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 g g m a ww e l d i n g p r o c e s s a u t o m a t i o na n d m a k i n g i t i n t e l l i g e n t d e t e c t i n g t h ew e l d p o o l s u r f a c e g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s f r o mt o p s i d eo fw o r k t ) i e c ew i t hl a s e r s t r o b ei so f g 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 eb e c a u s ei tc a nv e r i f yt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr 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 ，a n di ti st h eb a s i so fw e l d i n g p r o c e s sc o n t r o l l i n g c o m p u t e rp r o g r a m sc o n t r o lt h el n o v e m e n to f t h ew o r k t a b l e ，w h i c hc a r l c o n t r o lt h ew e l d i n gs p e e de x a c t l y t h el a s e r s t r o b ev i s u a l s y s t e m i sa l s o i m p r o v e dt oc o n t r o lt h ec a p t u r ef r e q u e n c ea n ds t o r et h ew e l dp o o li m a g e sr e a l t i m e w i t ht h ee x p e r i m e n t a la n ds t a t i cm e t h o d s ，o p t i c sp a r a m e t e r ss u c ha st h e d i s t a n c ef r o ml a s e r s t r o b et ot h ew o r k p i e c ea n dt h ea p e r t u r ea r ea d j u s t e dt o i n c r e a s et h ei m a g ec o n t r a s t t h u s ，w h o l eg m a ww e l d p o o li m a g e sw i t hh i g h r e s o l u t i o na n d l e g i b i l i t y c a nb ec a p t u r e d b yu s i n g l a s e r s t r o b e al o to f e x p e r i m e n t si ng m a wp r o c e s s e sa r ed o n et od e t e c td i f f e r e n tl e g i b l eg m a w w e l d p o o li m a g e sd u r i n gb e a d o n - p l a t ew e l d i n g o f q 2 3 5 m i l ds t e e l as e to fs o f t w a r ef o r p r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gw e l dp o o li m a g e s i s d e v e l o p e d ，w h i c hi ss u i t a b l et ot h es p e c i a lg m a w w e l dp o o li m a g e s a f t e r a n a l y z i n g al o to fw e l d p o o li m a g e s a n d c o n s i d e r i n g t h ei m a g e sc h a r a c t e r i s t i c s ， a ni m a g ee d g ed e t e c t i n ga l g o r i t h mw h i c hd o e s n tf i l t e r i m a g e s ，b u te n h a n c e t h e m ，a n dc a nd e t e c tt h ew h o l ee d g eo fg m a ww e l dp o o li sd e s i g n e d w e l d p o o le d g e sw i t hr e a ls i z e sa r ed r e w a tt h es a m et i m e ，w e l dp o o lt o p s i d e g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s ( w e l dp o o lw i d t ha n dl e n g t h ) u n d e rd i f f e r e n tp r o c e s s 山东大学硕士学位论文 c o n d i t i o n sa r em e a s u r e d ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nw e l d i n g p r o c e s sp a r a m e t e r s a n dw e l d p o o lg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s i so b t a i n e d k e yw o r d s ：g m a w ，v i s u a ld e t e c t i o n ，w e l dp o o l ，i m a g ep r o c e s s i n g ， w e l d p o o le d g e 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题意义 熔化极气体保护焊( g m a w ) 作为一种重要的机械制造热加工工 艺，在实际生产中同益广泛地被采用，并将占据越来越重要的地位。 a r + c 0 2 气体保护电弧焊，能获得稳定的焊接工艺性能和良好的焊接 接头，可用于平焊、立焊、横焊和仰焊，以及全位置焊等，广泛用于 焊接低碳钢和低合金钢。c 0 2 气体保护电弧焊具有成本低、抗氢气孔 能力强、适合薄板焊接、易进行全位置焊等优点，广泛应用于低碳钢 和低合金钢等黑色金属材料的焊接。 虽然在焊接过程控制方面取得了很大的进展【2 。】，但g m a w 焊接 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【“1 ，由于 g m a w 焊接过程中存在很大程度的金属飞溅，焊缝外形较为粗糙，弧光 干扰强烈、烟雾、不稳定的电弧燃烧等缺点川，使得g m a w 焊接过程的 检测成为难题，然而焊接信息检测在焊接自动控制中起着举足重轻的 作用，是实现焊接过程质量控制的关键环节。 g m a w 焊接熔池包含丰富的、直接的焊接质量信息。利用视觉传 感器从试件正面拍摄熔池图像，并提取出熔池的几何形状参数。检测 出的熔池正面几何形状参数既可以用于g m a w 焊接热过程数值模拟 结果实验验证，可以为g m a w 焊接智能控制打下坚实的基础，具有 重要的理论意义和工程实用价值。 本课题将利用激光频闪视觉检测系统，消除g m a w 焊接过程中电 弧光的干扰，拍摄出清晰、完整的熔池区图像，设计图像处理算法， 提取出g m a w 焊接熔池正面几何形状参数。 1 2 焊接过程传感方法 焊接过程的传感，是实现焊接过程质量控制的关键环节。未来焊 接技术的发展的趋势是焊接自动化，机器人化及智能化，而传感技术 山东大学硕士学位论文 足这发展中最重要的部分。在传感原理疗而，e 要分为声学、力学、 电弧、光学传感等1 2 l 。它们在焊接中部有所应用，主要有以下几种： 利用超声波检测熔池信息 利用x 射线检测熔池信息 利用电弧电压检测熔池信息 利用声学传感器检测熔池信息 红外传感检测熔池信息 从焊接区提取熔池的直接视觉信息 1 2 1 超声波传感 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【1 5 】以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 6 】。但由于超声波在空气中的传播速度 与它在金属中的传播速度相差很大，探头与工件之间的间隙对它干扰 很大，因此，超声波探头必须与焊件紧密接触，以便超声波与工件的 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受并转化为电信号 17 1 。 1 2 2x 射线传寤 在焊接过程中电弧力的作用使熔池表面产生下塌【1 8 】，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 成像，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 等人充分利用了这一点，采用x 射线检测出熔 池表面的下塌量，并建立了熔池表面下榻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，在焊接过程实时控制时极不方便。 山东大学硕士学位论文 超 接 幽i - 1超卢波信号传感示意图m l 1 2 3 电弧电压传感 电弧电压受保护气、母材、焊材及坡口的影响，因此电弧电压能 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反映电极、电弧、焊缝相对于 熔池或坡口中心的偏移量19 1 。电弧电压传感最明显的优点是直接利用 电弧自身作为传感器，从电弧本身提取电压信号来反映焊接过程的状 态，因而无须加外部探测器，这就去除了外部探测器因受周围环境的 影响而性能不稳定的缺点。用电弧电压作为反馈信号的应用主要有横 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流或电 压不对称，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，j w k i m 等利用电弧电压对焊 矩的的高度进行了控制，研究发现：当给定焊接电流和焊接速度以后， 电弧电压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。 1 2 3 2 背面熔遗控制 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 3 山东大学硕士学位论文 动舭律。熔池震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2 “2 ”。 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r 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在作用于熔池 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 2 4 1 ，但只适用于步进焊接， 无法实现连续行走。 1 2 3 3 熔滴过渡方式控制 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。当熔滴在焊丝端部粘着时，电弧 电压会产生扰动，粘着时间反映熔滴过渡方式。j o h n s o n 2 5 l 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间，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。 文献【2 6 】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。因此，在金属过渡方式转换区域， 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。 1 2 4 声学传感 声学传感器可以检测焊接时电弧产生的声音，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，而且 声音的强度与弧长成正比1 2 ”。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 ，g ，k 等用声学信号监视激光焊接时等离子气体的生成 山东大学硕士学位论文 情况，根掘等离子体与熔深的关系判断焊缝的熔透：而 f c ，j o h n 则 进一步利崩上述方法实现了对激光焊接的实时检测。文献f 2 8 1 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， 实现了焊缝稳定成型的闭环控制。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。对于非管系产 品，干扰较大，效果很差。 图1 2 等离子弧焊背面声音信号传感示意图【2 8 】 1 2 5 红外传感 焊接热过程贯穿于整个焊接过程的始终，是影响焊接质量的主要 因素，因为它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f 2 。焊接温度场的分布与熔透有着对应关系，焊接时焊件 上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，直观的描述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1 。 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 热电偶的温度变化曲线，而后人工整理结果。每次测量的点数非常有 山东大学硕士学位论文 限，各点测量和记录的同步精度也不高，而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1 3 “。 随着为计算机技术的不断发展，各种先进的传感器不断出现，检 测温度用的传感器也有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。 红外传感用于自动焊，可以追溯到2 7 年前的熔化自动焊红外温 度传感系统p ”。焊接过程本身是一个复杂的热过程，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。 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，将红外摄像系统和伪着色处理系统 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 焊未焊透情况下的背面温度场检测。 红外摄像微计算机测温度场的基本过程为：首先利用红外摄像机 摄取热场，由于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，温度商的点红外辐射强度大，基波 波长长，使该点电阻小，因而电子束扫描到该点时，该点输出电平高， 反之输出低。摄像管就将物体温度分布以连续变化的电平波形输出。 将上述热像温度电平波形记录在录像带上，就可以把物体温度分布极 其变化过程记录下来。这种方法可以实现计算机对实测温度场的处 理，并为计算机实时控制焊接热过程提供了可能。文献【3 3 】采用的远 红外传感器的光谱范围( 8 - 1 2 p m ) 远离电弧光谱的上限( 4 1 t m1 ，可有 效的消除弧光的干扰。 但是采用红外摄像测温，涉及到了温度定标的问题。例如，辐射 波长、辐射能量、材料、摄像距离、材料表面状态和热场中各点辐射 的相互影响等，而其他因素虽与温度无关，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 山东大学硕士学位论文 下进行温度定标献。文献【3 l 】介绍了三种方法：定标器定标、峪视 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| 2 i ，文献【1 0 】 通过理论推导避丌了温度场定标问题，但推导过程作了种种与实际焊 接过程不符的假设，因此其实测的温度场分布与计算之问仍存在一定 的差距。 1 2 6 直接视觉 检测和控制像焊接这样的生产过程，直接视觉是一种最好的非接 触式的传感形式，它主要利用可见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一一对应，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，非常直观。其主要优点是不 接触工件，不干扰正常的焊接过程，获取的信息量大，通用性强：并 且由于它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 程熔化金属的动态行为【3 ”。直接视觉传感既可以从熔池的正面提取信 息，也可以从焊缝的背面提取信息，从焊缝背面提取质量信息进行熔 透控制，可以提取直接反映熔透信息的背面熔宽，并可避免正面弧光 的干扰。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，并且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【3 4 j 。 熔池正面几何形状与熔透和成形密切相关，从试件正面检测熔池 几何形状可以反映出熔透和成形情况，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 山东大学硕士学位论文 接i i体，郝处于试件正面，适合f 二各种应用场合，是目f i i s f 究较多 的一种方法。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 进行闭坏控制，已成为重要的研究方向。这里遇到的一个丰要困难就 是如何消除强电弧光对焊接熔池图像的干扰。在焊接过程中视觉图像 法一般是获取焊接熔池区域有关信息，而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 节信息一个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。 目前，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 利用辅助光源对焊接区进行照明，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 清晰的图像。目前应用较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，根据结构光的变形获取有关的几何形 状信息，但结构光光平面与焊件相交以后，只有被光平面照射到的部 分才能被视觉系统检测到，未能充分发挥视觉传感系统信息量大的特 点。 1 9 9 1 年，哈尔滨工业大学焊接教研室李言等人p 5 】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，在震动电机的作用下，反光镜将光束扫描成一个光面，光面经 焊件反射后有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 山东大学硕士学位论文 描系统，结构比较复杂。 美国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，专门设计了双激光二极管的视觉传感器1 3 6 1 。为了获得焊缝的空 间位置和尺寸信息并保汪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问各形成一个具有一定宽度 的激光条纹，在空问部分重叠组成一个更宽的条纹，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，焊枪可以沿焊丝的 轴线转动，由于视觉传感器与焊枪剐性固定，所以实际上是焊丝不动 而视觉传感器可以饶焊丝转动。这种传感器与机械扫描式视觉传感器 相比机械结构简单，但光学系统比较复杂。 牛津大学的c g m o r g a n 等人为了减少弧焊机器入焊接时的位置 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 1 3 7 ) 。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，而且由于视觉 传感器与焊枪这种特殊的位置关系，避免了弧光直接照射摄像机而干 扰图像，但是它的安装难度比较大。 哈尔滨工业大学焊接教研室的张裕明等人1 3 8 】利用采用n a t i o n a l v 2 6 0 电视摄像机和波长为1 0 1 u m 功率为o 1 3 3 w 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1 3 9 l 。激光器产生的 激光经光纤到柱面镜上，柱面镜将其变成平面光与工件相交形成所需 的激光条纹，通过光纹中轴的的自适应动态搜索、光纹特征点的实时 无偏搜索几焊缝几何参数的计算三个步骤组成的实时图像处理算法， 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、正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 9 山东大学硕士学位论文 法检测的熔池形状参数较少，与熔透密切相关的熔池k 度、熔池面积、 熔池后拖角等则无法检测。 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【”i ，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 y 图1 - 3 结构光三维视觉传感示意图【3 9 1 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，通过这些措旎能够获得非常清晰的熔池表 面反射图像。 0 山东大学硕士学位论文 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f 言息量大的特点。有的焊接工作结合激光本身的特点，提出了 一种山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 图1 4 试验装置示意图 和清晰度都很好【4 h 2 1 。图1 - 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，该 激光能量密度高于电弧的能量密度，利用该激光对熔池表面的照明， 拍摄熔池的图像，该系统中特殊电子快门必须与激光脉冲同步。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 i f 面图像的清晰度。利用该试验系统，张裕明【4 1 1 等人发现熔池尾部包 含有丰富的熔透信息。 山东大学硕士学位论文 图1 - 5g t a w 焊熔池图像 1 2 6 2 被动式直接视觉 被动式视觉检测方法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、电弧光等检测焊接区熔池过程信息。在这 种检测过程中，最主要考虑的问题是如何避免弧光的干扰。 若电弧光被遮挡，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【4 3 】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， 钨极用特殊的夹具垂直于t i g 焊焊炬安装，钨极上方由光学玻璃密封。 熔池区图像经钨极上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，因此利用该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。 肖强认为焊接过程中，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 山东大学硕士学位论文 以及蕊濉燕发出的金属原子，它们在电弧作用下都会发出其特有的谱 线，在弧柱区以 会属的谱线为主，而在熔池表面则以金属谱线为主。 通过对光谱线分析，认为能够在电弧谱线间隙中选取一个窗口，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，以避开电弧强谱线的干扰。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 n m 。据此建立了焊缝跟踪系统， 取得了良好的效果【4 “。文献 4 5 贝j j 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 4 4 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，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 进行了观察和控制的研究，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时熔池的初步控制【7 1 。 清华大学机械工程系王克争等人1 1 6 】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【4 6 j 则利用m i g m a g 短路过渡时电弧几乎熄灭的 瞬问拍摄熔池区图像。刘玉池、黄斌等人【3 1 【4 7 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，经过一定时间的延迟，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。 山东大学硕士学位论文 哈尔滨工业大学的娄亚军【2j 将降低焊接电流的方法和选择观测窗 | 二】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 ，即在采集图像期问将焊接电 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。 综上所述，可得以下结论： ( 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。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 ) 激光频闪视觉检测仪由于有效地抑制弧光干扰，与普通c c d 摄 象机相比，可以在弧光更强烈的焊接工艺条件下拍摄出清晰的熔池图 像。 1 3 本文主要研究内容 本文利用激光频闪视觉检测仪l a s e r s t r o b e 从试件正面直接拍摄 g m a w 焊接熔池区图像，提取出熔池正面的形状参数，为焊接热过程数 值模拟结果的实验验证和g m a w 焊接过程智能控制奠定基础。主要内 容如下： ( 1 ) 通过调整焊矩高度和摄象机角度以采集到清晰完整的熔池图像： 并对图像坐标系统进行标定。 4 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 在不同保护气体、焊接电流、焊接电压和焊接速度情况下，拍摄 完整清晰的g m a w 焊接熔池图像。 ( 3 ) 设计图像处理程序，对试验中拍摄的各种工艺条件下的g m a w 焊接熔池图像进行处理，提取出熔池边缘。 ( 4 ) 根据图像标定系数，利用提取出的熔池边缘点象素值，描绘出实 际熔池边缘。 ( 5 ) 分析焊接工艺参数与熔池形状参数之间的变化规律。 山东大学硕士学位论文 第二章视觉检测试验系统 2 1 试验系统组成 试验系统主要由激光频闪丰见觉检测系统和焊接控制系统组成。图 ! 1 为系统组成框图。 图2 - 1 系统结构框图 2 1 1 激光频闪视觉检测系统 激光频闪视觉检测仪是由c o n t r o lv i s i o ni n c 公司生产的，被用来 检测高速、高温工艺过程。激光光束具有单色性能，方向性好，亮度 高，产生的图像清晰。激光频闪视觉检测仪将脉冲激光频闪技术、高 速f 包子快门视觉传感器、复合滤光技术、计算机图像处理技术集成于 一体，有效地克服焊接过程中的强弧光干扰，提供清晰的熔池图像和 几何形状尺寸，为焊接过程分析和控制提供了大量的可靠信息。 激光频闪视觉检测仪由摄像机头、控制设备、两个频闪的激光发 射器组成。该设备利用激光发射器发出的激光来抑制电弧光的干扰。 6 山东大学硕士学位论文 脉冲激光器的平均功率为7 m w ，在一个脉冲周期内激光持续时i 刈仅为 5 n s ，激光脉冲功率可达8 0 k w 。摄象机的电子快门与激光脉冲同步， 这样在激光脉冲持续时州内，激光的能量密度远远大于电弧光的能量 密度，在摄象机爆光时问内激光的光强远远大于电弧光的光强，因此 熔池在摄象机成像时激光就能有效地抑制电弧光的干扰。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滤光器，抑制 其他波长光的干扰，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图像。主控计算机对熔池图像进行一系列处理， 就可以可靠地检测出熔池的形状和尺寸，为焊接热加工过程分析和自 动控制提供大量信息。 由于激光脉冲的周期短，激光的瞬时强度远大于熔池中电弧的强 度和辐射，而熔池表面是镜面，激光在未熔化的材料中发生漫发射， 而在熔池中不发生漫反射。因此可以检测到对比度较大的熔池，得到 高质量的图像，同时可以快速可靠地检测到熔池边缘。 2 1 1 1 软件设置 控制程序包括开始停止、增益调整、触发速度、触发方式、设置 同步等参数设置对话框，设置好这些参数，是拍摄出清晰的熔池图像 的前提。 增益对话框用来设置摄像机头的灵敏度。增益越大，拍摄的图像 亮度越高。增益过高容易出现饱和；过低则图像模糊不清。通过调整 增益可以获得清晰的、高对比度的图像。最小增益是2 5 0 ，最大增益 是8 0 0 。不同的激光器发射出的激光不同，增益设置也不同，本文使 用的为激光器a + b ，通过实验将增益设置为6 0 0 。 触发方式对话框分为内触发方式和外触发方式。在内触发方式 中，利用激光频闪仪的内频率发生器产生触发信号，在发射激光的同 时，触发摄像头摄像。触发速度可以通过触发速度对话框进行选择。 外触发方式以面板上的b n c 接头输入的电压信号作为触发信号，同 山东大学硕士学位论文 时触发激光器和电子快门。可以通过触发显示对话框设置输入的触发 信号，这种触发方式用来使系统和外界事件同步。 触发速度对话框仅在内触发方式有效，用来控制触发信号的产生 频率。最小触发速度是2 h z ，最大触发速度是9 9 9 9 9 9 h z ，可根掘需 要柬选择触发频率，本文将其没置为2 h z 。 触发显示对话框用来显示触发信号随时问的变化关系。工轴为时 州，y 轴为触发电压信号的大小。当采取外触发方式时，触发电压可 通过触发显示对话框中的按钮进行改变，最大触发电平5 v ，最小为一5 v 。 快门同步对话框用来设置快门和光源的同步关系，只有在激光发 射的同时，打开电子快门拍摄熔池图像，才能获取清晰的熔池图像。 环境的改变需要重新校准二者的同步关系；时间的推移引起激光器的 衰老，也需要重新校准。 2 1 1 2 硬件设置 1 、光纤电缆的调节 只有充分利用激光器发出的激光( 仅照亮有用的区域) ，才能拍 摄出完整清晰的熔池图像。如果光源照亮的区域过大，图像模糊：如 果区域过小，图像灰度有可能饱和或者不能拍摄出熔池的全部。所以 一定要对光纤电缆相对熔池的距离、照射角度进行精细的调节，使得 光源被充分利用。 2 、光圈的调节 光圈控制进光量的多少，只有合适的进光量才能获得高的清晰度 和对比度，它的调节通常和光纤电缆的调节、软件设置相配合进行。 3 、聚焦管的选择及调节 图像聚焦管是摄像头的一个关键部件，安装到摄像头的前端，共 分为短( 8 3 c m ) 、q h ( 1 1 8 c m ) 、长( 1 5 2 c m ) 三种。不同的聚焦管对熔池图 像的放大程度不同，拍摄的区域面积范围也不同，表2 1 是不同聚焦 管的参数。只有根据不同的焊接方法、工艺参数的范围确定聚焦管， 山东大学硕士学位论文 j 能抽摄出分辨率较高、熔池完整的图像。本文通过实验，选择长度 为8 3 c m 的聚焦管。 综上所述，只有通过软硬件的综合设置，爿能得出物距、光圈、 拍摄角度等参数的最佳配合数据，拍摄出理想的熔池图像。 表2 i 聚焦管参数 2 1 2 焊接控制系统 焊接控制系统由主控计算机、焊机和行走机构组成。其作用是控 制行走机构行走方向、焊接速度及其进行焊接。 焊接试验台机械部分尺寸为9 0 0 r a m x 6 4 0 r a m x 8 0 0 r a m ，g m a w 焊炬固定 在可上下移动的平板上。焊接时，将工件通过夹具固定于工作台上， 主控微机通过d a 转换输出模拟量控制电机，带动工作台水平移动， 实现焊接速度的精确控制。 g m a w 焊机采用唐山松下产业机器有限公司生产的p a n a s o n i c y m 一3 5 0 r f 2 h g e 型逆变式c o ：m a g 自动焊机。其主要性能指标如表2 2 。 微机2 内存2 5 6 m ，通过自行编制的程序主要控制行走机构的运 动方向和速度；由l a s e r s t r o b e 控制激光发生器发射激光，激光通过光 纤管传输，照射到工件上，由摄象机拍摄熔池图像，同时在l a s e r s t r o b e 屏幕和监视器上实时显示摄象机所拍摄的图像；微机1 控制采集到该 微机的图像频率，并保存图像。 9 山东大学硕士学位论文 表2 - 2g m a w 焊接l h 源主要性能指标 型号p a n a s o n i cy m - 3 5 0 r f 2 h g e 额定输入电压相数 a c 3 8 0 v ，3 相 频率数 5 0 、6 0 h z 兼用 额定输入7 6 k v a ( 6 5 k w ) 输出电流d c 4 0 2 0 0 a 输出电压 d c l 2 2 5 v 额定负载持续率( 1 0 分钟周期)6 0 外形尺寸( 宽深高) 3 8 0 5 3 0 7 3 0 ( r a m ) 重最 6 1 k g 2 2 熔池圈像的标定 计算机视觉系统应能从摄像机获取的图像信息出发，计算出客观 环境中物体的位置、形状等信息，甚至于由此识别出环境中的物体。 图像上每一点的亮度反映了空间物体表面某点反射光的强度，而该点 在图像上的位置则与空间物体表面相应点的几何位置有关。这些位置 的相互关系由摄像机成像几何模型所决定。该几何模型的参数称为摄 像机参数，这些参数必须由实验与计算来确定，实验与计算的过程称 为摄像机定标。摄像机模型是光学成像几何关系的简化，最简单的模 型是线性模型，或称针孔模型。在这种模型中，空间任一点在图像上 的位景为光心与该点的连线与图像平面的交点，它们之间是简单的线 性关系。 对于广角镜头，在远离图像中心处会有较大畸变，线性模型并不 能准确地描述成像几何关系，故还有摄像机定标的非线性模型，这种 模型标定精度较高，但计算方法比较复杂。由于本文所用到的焊接实 验系统中的c c d 摄像机不是广角镜头，而且在实际成像时，所摄环 山东大学硕士学位论文 境 见角也比较窄，因此本文中采用的是线性模型摄像机定标。 我们在试验中采用的标定物为如图2 2 所示的同心矩形，牛f 邻线 段之问问距1 m i l l ，各个矩形同心均匀分布。需要标定的参数为实际举 标系与图像坐标系的水平和垂直两个方向的比例系数。操作时编制了 界面友好、即时显示标定系数的软件，见图2 3 。得出其中一组水i f 方向( 垂直与焊接方向) 的标定系数o 0 5 2 l m m p i x e l ，垂直方向( 沿焊 接方向) 的标定系数为o 1 3 1 6 m m p i x e l 。 1 1 1 藤翮洲 | i 烂 刭| i 图2 - 2 标定参照物 图2 - 3 图像标定系数软件 山东大学硕士学位论文 第三章g m a w 焊接熔池图像的采集与处理 本章主要根据拍摄图像的特点。提取出焊接熔池的边缘。熔池图 像边缘提取程序的目的：通过把熔池边缘点的象素坐标保存到数组， 根据图像标定结果，计算出真实的坐标值，从而描绘出真实的熔池边 缘图形。利用图像测量程序，获得熔池的几何形状参数。 3 1 参数设置 焊接熔池成像质量的好坏与摄像机光学参数、激光频闪视觉检测 仪的主控计算机参数有着密不可分的关系。为了获取清晰的焊接熔池 图像，需满足以下要求： 1 、熔池区域后部的要求：应使得图像中的电弧反光点与熔池后部 边缘不相重合。 2 、图像总体灰度的要求：图像的整体灰度以熔池边缘部位能获得 最大反差为标准，不能太高或太低。 3 、熔池区域前部的要求：应使得熔池前部不要被电弧光所遮盖， 以拍摄出完整的熔池图像。 这就要求不仅要对摄像机的拍摄角度、拍摄距离和光纤电缆的角 度和打出激光的光斑大小进行精确的调整，还要对摄像机的光学参数 和激光频闪