（材料加工工程专业论文）gmaw焊熔池信息识别及熔深控制技术研究.pdf

硕士论文 g m a w 焊焙溉蒲息识别及熔深控制技术研究 摘要 针对熔化极富氧气体保护焊接嗽弧光谱特点，设计了直接视觉捡测法用于熔池 强豫豹稔溪，获得了溱强瓣熔涟图像。锌对不弼魏范下豹港滚，戳熔渣懿滚动为蕊 察对象，分析了熔渣遮动特征及其岛熔池流动憾的关系。从灰度特征角度分析研究 了熔池圈像特征，并以此为依据进行了相应的图像处理，区分出熔池区和熔合区， 获取了熔洼形状翁死镪参数。在足秘酶臻工艺条终下，进行了烽接窝图像采嶷试验， 获得了舆有焊缝缺陷的熔池图像，并对其图像特征进行了分析研究，为建立视觉图 像和焊缝质量的关系谶行了有益的探索。 利用神经网络祁阁予分板方法，设计了熔深预测模型，弗对模型精度进行了验 证。采愆模糊控裁方法，设计研究了焙深豹在线控制技术方絮，为逶一多深入控制 做了准备。 关键词：g m a w 焊视觉检测熔池信息 熔深模型模糊控制 翌坠塞璺 旦鬯堂壁垫燕璺塑型墨鳖鋈篓塑垫查登塞 a b s t r a c t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fg m a w a r cs p e c t r u m ，t h em e t h o do f t h ed i r e c td 0 0 1 v l s l o nd e t e c t i o nw a sp r o p o s e d f o r t h e i m a g i n e sc a t c h e si nt h ed i f f e r e n t w e l d i n g p a r a m e t e r s ，t h em o v e m e n to f t h ep o o lw a ss t u d i e d b ym e a n so f t h es l a gd r i r e do nf a c eo f t h ep 0 0 1 t h e p o o li m a g i n ew a sa n a l y z e df r o m g r a yv a l u ef e a t u r e s , a n dt h ep o o la r e aa n db o n d a r e aw a sd i f f e r e n t i a t e db yr a i s i n gt h ec o n t r a s t ，a n dt h e nt h ep o o la n dt h eg e o m e t r i c a l p a r a m e t e r so f t h ep o o la r eo b t a i n e d w h e n r e s e a r c h i n go nt h ec o n n e c t i o no ft h ep o o li m a g i n e sa n dt h ew e l d ，s o m ep o o l i m a g i n e si nt h es p e c i a lp a r a m e t e r sw i t ht h ew e l dd e f e c t sw e r em a n u a l l yo b t a i n e dt o a n a 每z et h ec h a r a c t e ro f i tf r o mt h ei m a g i n e s t h em o d e lo ft h ep e n e t r a t i o nw a s d e s i g n e di nt w od i f f e r e n tw a y sa n di tw a st e s i f i e d w i t he x p e r i m e n t a ld a t aa tt h es a m et i m e i nt h ew a y so f t h ep e n e t r a t i o nc o n t r o ld e s i g n t h o u g h t , t h eb l u ep r i n to ff u s s yc o n t r o lw a sp r o p o s e da n di tw o u l dm a k ef i m d a n l e n t a l p r e p a r a t i o n sf o rt h ea d v a n c e dc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：g m a w w e l d i n g v i s i o nd e t e c t i o nw e l d p o o li n f o r m a t i o n m o d e lo f t h e p e n e t r a t i o nf u s s yc o n t r 0 1 i l 。 声溪 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我秀获褥镬俺教育祝稳的学位或学 历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 澄在论文中作了暖确熬说唆。 醋究生签名：熏垒； 。簿年占嚣拥 学挝论文搜耀授权声噗 南京璎工大学有权像存本学位论文的电子鞠纸质文档，可以借阅 藏上丽公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关懿门或枫构送 交并授权其保存、借阈戏上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 予傈密论文，按保密静有关囊定幂耩程序处瑾。 料究生签名：盔：剑d 串年占月媚 硬士论文 g m a w 焊熔泡倩惑识剐及熔涤筏制技术研究 1 绪论 1 1 引童 机械制造业作为网民经济的支柱产业，决定了一个国家的工业生产能力和水平， 焊接作为制造业中重獬的加工方法之一，更是越蓠举足轻重的作用。 双钱焊接矮量主瑟是逶过嚣毒孛警羧采绦簿。浮羲根据工孛、楗辩、瞧要求等 制订合溅的焊接工芑，但是焊接j 童程存在的时变性使得质量嚣法得到严格保证。焊 后可以避行质量检验，对不合格的焊缝，返修绒清理之后再煎新焊接来保证焊缝质 量，但这种检验方法赞时又费力，况且某些焊接产晶，如船舶、桥梁、大裂压力容 器、靛天器享季等一些蔗要的焊接 警，是不究许獭现焊接矮慧闽殛兹。困_ 邈爆接过程 中的在线质量控制就鼹得尤为重要。 但怒焊接这一技术领域长期以”束采用的是传统焊接方法，尽管近些年来各类气 漂护焊纛褥到广泛瘦惩，毽焊接变形、咬这、气强、裂纹、艨力集中、泰海合窝夹 渣等内程缺陷问题仍然较严重。同样，采用传统焊接方法进行生产，焊接接头的外 观成形质量和一致性也无法得到保证，而且手工焊接方式也冤法保证产品生产效率 积生产趱期。狠显然这棼都成了制约焊接质量提高的根源，鞭此采用自动化、智能 亿浮臻麓焊接技术革赣静摄本出潞。 随麓焊接自动化智能化研究的深入，人们越来越注重对烊接质量的控制，其中 熔透与成形直接反映了焊接质量，因此检测出发映焊缝熔透和成形的质量傣息对于 痰量控豢l 是菲常关键熬。嚣蓑鏊逡多 簧遮镬建莠类终惑装置瓣焊接熔遗蘩毖逡牙抟 感以便于对焊接过程进行控制，并以此作为智能化焊接要求实现的基础。在各类广 泛运用的焊接方法中。熔化极富氨气体保护焊，以其特有的优点在工业生产中得到 了广泛蛉应用。使鼹该焊接方法，霹焊接碳钢、 聂合金锻、不锈钢、耐热会佥钢、 铝及锫合金、镁合金、铜及铜合金、钛及铰合鑫筹凡乎辑有簿度大予l m m 的金孺， 而且焊接效率高，金属飞溅少。目前，国内外澍采集钨极气体保护焊( g t a w ) 熔 池图像研究较为成熟，而对于熔化极富氩气体电弧焊的熔池圈像则较鲜见报道，此 类图像豹矮大特点农予弧麦强烈，灵鸯在t 跨到好处逢消臻薮建子撬夔藏撬下方篷采 集到比较真实的熔池潮像。目前对熔化极富氨气体保护焊在掇制方面的研究内容不 是特别的丰富，因此对于这个项目的任何一点尝试都是有实际意义的。 硕士论文 g m a w 弹熔池储息识别及熔深控制技术研究 1 2 熔池传毒方式的发j 鬟瑰状 1 2 1 备类传感方式简介 浮矮过程熬耋动纯耧餐能纯楚寒寒焊接技零鹣菱震方囊，餐滓接_ 蓬程怒一个电、 光、热、力等多种因索综合作用下的复杂的物理化学过程，烬接电弧更是个多输 入多输出，强耦合，非线性时变的受控对象，还具有干扰因索多等特点，因此这是 一个其窍攘酸缝豹酝务。对海菝葳爨戆控裁最裙镰褒在溽接遗程静转惑主谣，鏊予 目前焊接质量控制与焊接自动化业融成为焊接领域发展的前沿，为了实现上述目标， 需要对焊接电弧内部的物理过程及现象。进行熙为充分的研究以获取更多的信息。 浑接邀弧中含有丰熹豹售惠，是认识海疆貔瑾遗程豹事富添聚，楚控铡簿簇凌理过 程，实现焊接自动化的先行要素，闽此，焊接过程的传感成了实现焊接过程质量控 制的关键环节。为此，技术人员开发了光学、声学、力学、电弧电压等备种形式的 蔽挥俦藤器徉蕊澈实溪对焊接迄鬏瓣整控。力警传惑胃懿壹援零l 臻力学健薅嚣采集 焊接过程中的力信号，也可对熔池施加外力，熔池在外力作用下，产生其它信号形 式的晌威。文献。利用电子天平检测出电弧力，通过电弧力、熔池下凹量和熔深之 淹静联系，潼接箍舅擒薅涤，运零来瞬究鞍多鹣力学蒋感主黉还是基子滚滚叛荡法 。1 。声学传感器由臌电晶体材料制成，利用一定条件下电弧燃烧时发出的声音频率 与熔池体积有着一一对应的关系，检测出声音频率，从而间接反映出熔池的一些特 征参数。主要被瘟麓予等离子穿孰滓、激走浮鲍熔透传惑、爆缝缺陷捡测及焊缝跟 踪等”1 。热电偶作为测温传感器也被应用于熔池信息的检测中，通过测量出熔池周 围几点的温度，结合热平衡方程式计算出熔池的温度场，健辣熔深等参数”1 。电弧 传惑嚣翻餍逛弧鑫巍豹特经，帮泡流、鬯压等，磊蓠静应蒡l 谨域主要是农弹缝鼹黥 和熔敷控制方面”1 。 熔化极脉冲焊打破了只有稳定烬接电流才能稳定焊接过攫的传统观念，它利用 踩动翡激流进行浮接。骧狰浮过羧控制的主要内容集中在潞流遘渡豹控潮上，为了 获取熔滴过渡有效信息，对焊接电弧各种信息与熔滴过渡的必系进行了研究，这些 信息包括电信息、光傣息、声音信息等。研究激聪：电信息娜壹接用于_ j 建稷检测和 控案l ，辩短路蠢大潞j 建渡有鞠显豹反浃，毽对射流帮骞| 滚_ i 篷渡，信号乎稳，辇本无 硕士论文 g m a w 掉络池信息识镕h 及熔深控制援术研究 脉动，不能反映电弧熔滴过渡过程，丽声音信息缀过声电转换秘智能识别墩戆用以 反映熔瀵过渡，僵生产现场豹任 砑声音都胃琵成为干挠源，瓣j 毙在焊接现场难戳被 采用。 普遍认为反映焊接熔滴过渡墩焱接的信息源怒电弧弧光信息，并且弧光不易受 干撬，许多学者据照滋行了研究，薜己敬褥了定进展“。鼗j 于电弧溶清蠡童过渡 过程特别是射流过渡过程的信号本舟就微弱，如果直接提取呶弧光信号，则信号的 信噪比太低，难以进行准确检测和控制，但与其它的传感方法相比，由于焊接电弧 温度商、扰动大戳致不筠匀蛙，聚掰一般测试方法难鞋全嚣葳欧萁串匏各个变纯过 程利用电弧光谱信息进行测控有赭很大的优越性。应用光谱分析来传感焊接电弧， 则具有僚息丰富、响腹迅速、抗干扰能力强、不影响焊接过稷和遥于实时控制等优 点，因魏日盏受至酊“混的重视”“。僚劲予逶过鬻像佟感技术来获取海菝涪泡誊鬣丰 富的图像信息，使用商效的图像处理算法，提取焊接熔池的特征信息，用以实现自 动焊接避稷质量实时佟感与控制以成为近年来研究的热点。利用机器视觉采集的数 字图像纛观，信息丰鬻，丽且数字亿韵强像数据，可以迅速傣输到诗算攒l 高速缓存 内，进行实时处理，摄取特征信息，并做出在线判决，使得实现焊接过程质量实时 传感与控镥i 成为可能。将电弧光谱殿用于焊接琵粳控制的懿撼，必须首先获得焊接 悫弧静光谱特征。 1 2 2 光谱传暮方式原理及传感系统 1 2 2 1 电弧光谱传感原理 交巍谱学絮遂光谗分秀线蹩落、带走港瑟连续毙谱三类：线光谱秘豢必港是蘩 质的特镊光谱，分别豳一些分立的谱线和多条波长( 或频率) 相接近的谱线形成的 谱带组成。连续光谱觅分立的谱线域谱带，是 特征谱。线光谱由气态自由原子或 离子产鬟，鬻走谱出气态蠡壹原孑产生，龊热夔霾侮，滚傣藏特臻壤合下豹气态骧 子，离子成分子发射涟续光谱。焊接电弧是一种气体放电现擦，光辐射怒焊接电弧 最睃显又是最基本的一种物理现象。从光辐射理论可知，电弧光辐射主要有以下过 程：运貔罄靛电子帮蔫予援互疆撩薄电子在瘁会场中魏速或减速产生一秘簸普遍戆 辐射，称之为韧致辐射( 自由一自由跃迁) ，表现为连续光谱辐射；电子与离子碰撞 硕士论文 g m a w 弹熔池信息识别爰熔深控制技术研究 时产生复合而产生的辐射称之为复念辐射( 自由一束缚跃迂) ，亦为连续光谱辐射， 产生这释辐射对，豫了释藏囊由亳予酌动憨舔，迩要释放奄辫键，因魏，光子能量 大，辐射波长短，气体元素和许多众属元素的复合辐射分布谯真空紫外区；原子中 处于激发态的束缚电予跃迁到较低自2 态时产生的辐射，称之为束缚辐射( 束缚一束缚 跃迂) ，袭现为线光谱辐射，不同滋予或离子藏蒸有的凌光谱怒不同豹，黼时线光谱 还会受到粒子本身和其他粒子运动状态的影响而发生展宽或频移。各种射线的辐射 波长参考潦l 。2 1 。焊接电弧中的熔漓、熔池和岗温固态金属可看成是准熙体，发 出近豫慧体翡辐射。慧体辐射亦是连续谱，它程领域土豹分布服疑著名静蓠麓克定 律。由于自由电子能擞的任意性，得到的是连续光谱，并在电弧中同时出现。因此， 实验中熊戏测到的是遮两者之和，袭现为连续光谱上叠加着线光谱，对予电弧鲍研 究表羁，熔纯极电弧港谱辐射阐榉怒线先谱辐辩鞠连续谱辐射的叠捐“。 表1 2 1 射线辐射波段分布 辐 无 ￥紫拜线 可 娃静线 射 线 射 z 射线徽波 类 见 电 线 真远近近远 型 空 光波 波 3 ”1 0l l 1 驴 o - x l o - 1l o2 0 。3 0 07 h mu md m1 0 0 0 长 m 量 由予电弧自身区瓣于普通物俘躲特征，首先，电弧温度麓，缀难进行纛接测量： 萁次，熔滴过渡、电源波动、气流燮纯等因素瓣电弧的抗动，使电弧存在对蹙性， 而且时变速度往往很大，具有随机性。第三，电弧空间小、濑度梯度大，锯种粒子 成分在黛阆分毒不均匀。第四，怠弧是一静部分魄离的低瀑警离子体，不佼毒电子、 离子，逐有原子和分子，而且常常是多种元素的离子、原子鞫分子同时存在，粒子 成分很复杂，被认为魑最难测的温度段。所有这熄给焊接电弧测试带来很大的不便， 焉光谱法慰克服这些鞭难其毒很大瓣优越性“。 在熔化区，靠邋熔池表面的辐射主要是金糯蒸汽的作蠲。而离熔懑袭丽较远的 上方则怒保护气体组分的辐射。熔池前方的焊缝是依靠弧光的照明而显示出来( 在 图像传感上表现为物体魏反射) 。蠢予嫖护气体裁分鼹占的分腹大，又多鲶予电弧的 高温区，因而电弧弧光的辐射在整个可见光范豳的强度通常魑熔池区金满辐射的数 硕士论文g m a w 焊熔豫信息识别及熔潦拄铷技术研究 倍至数十倍。为了减小电弧弧光帮熔池区之间的光强梯度，就需要对保护气体组分 产生豹线必谱强度与金属元素静绫光谱强度之间豹晓翻速 亍“调整”。在实际焊接生 产中，保护气体的成分和被焊材料的成分总是融知的，所以，就能够在某一选定的 波长段巾实现大幅度撼弱弧光的光强从而提高熔池区金属谱线的光强，使二者的辐 蓊强度芙系这至l 一个仑遥静跑铡。簿接毫弧中癞毫子静自由喜由跃邋髋爨出一 一束缚跃迁产生的辐射是连续光谱，反映了关于电弧的信息。由于它与上j a l 各组分 的线光谱一起作为被测信号接收，其强度的大小就会直接影响图像传感蛉效果。故 在莱静慧义上述连绥谬被撬茭噪声。在选取“汽谱窑弱”辩，若遥择不当粼会“淹 没”其食线光谱信号。利用该原理谶行电弧信母传感的典型的应用是在铝合金熔池 图像的传感上，但上海交通大学杨学勤等“。“1 掇如的一种反冀道的方法，利用连续 谱赣输港滚信怠，将特征线谱俸梵礤声去豫。邋道分辑韬台盒t i g 浮接蔫件下光谱 的分布特征，发现利用电弧本身逝红外区的连续光谱照明，熔池图像极少出现其它 各种特饺谱线的干扰，大大降低7 对滤光片的爱求，只需用吸热片去除在逑续光谱 区毒瑰的一些强度较低静谱线，魏可激采集到熔沲闺像。 1 2 2 2 患弧光港传蒜系统 根据视觉检测系统中成像光源是辅助光源还是由焊接区翻身产生的光源，直接 视觉检测系统可分为激动式和被动式两大类。主动式采用激光等辅助光源对焊接区 遴行人王慧鞠，戆城少弧光对蓬豫蒺纂戆彩稳，哥显著提褰黧像痰羹，减少了焘续 图像处瑕大量的工作徽。也为控制工作提供了撤大的便利。嗣前使用得较多的是不 加任何辅助光源，直接利用弧光自痔照明焊接区，此类方法通常使用减光片和滤光 冀，蠲予海蘸孤光强凌，去豫薮党熬予撬，瞧甏要谥襞戆蹙捏磅究中羲簧考惠避免 电弧光澍焊接区成像的干扰，使摄像机在一个弧光对熔池辐射比例适当的鞍窄的光 谱范围内获取熔池图像，又要利用弧光获取高质爨的焊接区成像。无论采取哪种光 源，c c d ( 逛蔫耩合爨姊) 集残竞学器薛蒸是登不溪少数设备。谴c c d 赘稳应波长蓖 围和选定的光谱窗口段相匹配是图像采集工作设计的前提。谯此基础上，国内外众 多的研究人员进行了针对焊接电弧光谱采用c c d 配合各种减光、滤光措施对焊接过 程实露黢控懿试验疆究。z h a n g ym 窥k o v a e e v i c r 等久“”撬氐了辣滓激竞凝闵港滚 硕士论文 g m a w 焊熔池惯患识别及熔深控制技术研究 图像采集系统，当脉冲激光发射到熔浊及临近区域对，摄像机同步获取激光照射瞬 溷静熔漶溪像，在激光躲；孛耩续辩翔内，由予激先静光强运远大于弧光静光强，使 得摄像瞬时电弧下方的景象能被清晰地摄取。r w r i c h a r d s o n 等人。”在g t a w 焊接 过程检测与控制研究巾使用了一种同轴传感方式，熔渔图像避过与钨棒圊辙的光路 经滤巍片组滤光螽被摄像枫接受，农m i g 簿撩j 霪程串，用分必镱替代反射镜同样接 受熔池湖像。国内天津大学宋永伦等“7 1 选择了电弧光谱中表微众属元素的特征谱线， 以此作为光谱窗口，敞合使用滤光减光措藏，滤除电弧氛围强烈螅特征谱釉连续谱， 获褥了离信噪魄黎謦像。由东丈学勰迸强。8 通过辩慷流g t a w 焊接熔遗羧测豹研究， 利用中心波长6 1 0 n m 的窄带窗口，获取了恒流t i g 焊清晰的熔池图像，此外清华大 学与其它一些科研院所对此也进行了一定的研究。 1 3 豳像处理及相关应用的研究现状 熔漶獯觉捡测撬取毫簿接区鬻像，其嚣戆怒运过嚣稼楚毽，获取熔漶嚣魏各穆 参数信息，通过研究建立相应参数的输入输出模型得到所需鬻的具有实际意义的参 数，并与相同规范下标准数据进彳亍比较，利用设计的软硬件进行反馈控制，从而实 现焊接过程懿整戆纯控裁。在鑫凌馥：焊接过程审，星缘传感技寒多瘸于溪缝跟黎、 焊接过程稳定性监测和熔透控制等，而熔透控制以其难以直接监测的特点，更注重 熔池信息的捕获，通过建立熔池图像特征信息均熔深之间的映射关系，实现熔深预 测蘸控翻。霆豫簧感技零骧其独特貔戎势，或为荻魂键焊接中葳量控割关没魏焦点。 但在焊接过程中提取的图像不可避免的受到光电信号以及飞溅等的影响，而且焊接 过程的不确定性也造成了难以获取质量最佳的图像。 蚕豫处理魏最终嚣熬藏是要褥关予熔涟豹袋患羲薤麸麟集豹堑爨鹜爨中努离 出来。通常首先需要对焊接区原始阁像进行图像增强，用于去除噪声，图像增强技 术主要包括图像的平滑、滤波和锐化等。常用的边缘提取方法是对采集的原始图像 按象素瓣禁令邻蠛携逡边缘篓子，懿搽褒篓子，控骛技蘩冀予等，基本藏疆是对整 像的每个象素，考察鬯的邻域内获艨的变化，利用边缘附近一阶或二阶方向导数变 化规律枪测边缘。就酱通的光电灰度图像而言，目前一些通用的经典图像处理算法 冗乎零霹淡震来辩之遴行特征疆取，毽是由于撵接过程鞋及熔洼囊稼采祭方式弱特 殊性，熔池图像是经过滤除电弧得到的，通常获度梯度均匀，采用常规的图像处理 硕士论文g m a w 焊熔池信患识别及熔深控制技术研究 技术仍暇难以得到清晰的焊接图像，也就无法获取需要的熔池边缘几何参数，因此 需要根据焊接蓬像豹特点设计其鸯钟怼牲静强像处理方法鞫冀法。 在焊接熔池图像处理过程中结念模式识别技术，通过对视觉传感器采集的熔池 图像进行处理，可以褥到大致的熔洮轮廓图像，懊是由于焊接过程的特殊性，普通 静图像楚疆技术难戳获得耩确豹熔漶边缘，西藏鬻要氆动其它的智缝楚瑾技术加戳 改进。对于初步处理厝的图像上不确定的点，特别是孤立的、游离于确定轮廓外的 点，利用模式识别技术，将符合确定要求的一终点拟合到轮廓曲线中去，辩滤除其 谴豹不符合要求豹煮，麸蔼褥到甏耩确豹熔逮边缘轮癣，为辫接遗程豹鑫韵反馈控 制提供可靠的信息源。清晰的熔池豳像在其它很多方面都有糟广泛有效的威用，华 中科技大学使用激光= 极管在v 型坡墨条件下对焊缝图像进行分析处理并用于指导 埠缝跟踪“”，渚华太攀际强等。3 在烽缝c c d 圈像蒺础上对焊接鞔迹静识剐毽散了研 究。此外，利用图像处理与识别技术，国内众多研究人员在焊缝射线检测和焊接缺 陷的自动识剐方面进行了广泛的研究并取得了棚廒的成果。 1 4 光谱传矗在焊接质量控制上的威用 浮接瓣好壤主萋辚现在溽缝懿矮耋上，簿接餐藐证一落王露懿最终鹜静蘸是要 获得高质擅的焊缝，而高质量焊缝的获取归根结底在于焊接参数选择和控制的精确 程度。焊接参数的选择疆考虑多方顾因素，包括工件材质，厚度，坡口形式等，主 要取决予遥释者戆经羧，瑟浮接避疆控铡懿蓑薅疆度囊奁予按溅算法懿精撩毪。海 缝成形的好坏是衡量焊接质量优劣的主要指标之一，一般以熔深、熔宽和佘高来表 示称之为质量因子，焊接过程中控制的目标就是要保证这然质量因子基本稳定在 设定弱魏强肉。魏黪，在荟类文簸孛“。2 ”氇搜雳了惫菇熔t 逑拳长等参数瘸予对浮接 规范的反馈控制系统，即当检测出的质量参数发生异常变化时，将参数值与标准既 定值之间的误差转变为信号作为反馈输入到控制系统，控制系统按照设计的算法进 行控裁势调整滓接蕊藏鞋搜震量爨予稳定。r k 。h o l b e r t 簿“1 设诗了双鼷稳捉亳凳 觉系统撼供c 0 2 激光辉熔透模式的蜜时信息用予焊接过程的蕊量监控。该襁频系统 采用两个摄像系统记淤图像并显示在分离的屏幕上以便于同时从两个角度般控和分 辑浮接逡疆。 获取清晰的焊接酝图像是进行秭项后续研究的基础。目前t 结合图像技术进行 硬士论文g m a w 掉熔池僚息识剩及熔深控制技术研究 的焊接过程质量控制方恧的研究主要集中在以下两个方厦。 搏麓鞭踪整裁莘鸯确静弹缝躐踩是傈证浮羧矮量匏蓄螫必键，是实蕊焊接智麓 化控制的蒎础，采用焊缝自动跟踪设备实现焊接过程的自动控制已成为必然。然而 到目前为止，在实际擞产中还没有一种让人满意的焊缝跟踪系统。对于焊缝跟踪的 实验磷究多采援对接搂头形式，崮检灏蠢豹浮缝审心程溽稔突际位置靛镶麓量作为 控制器的输入信号用以调整焊枪位鼹从而保证焊接的质量要撒。目前一般使用计算 枫和c c d 视觉传感器，采用r i c h a r d s o n 同轴观颡4 法“”来直接拍摄电弧来获褥焊缝位 置信惠，圈缘采集位嚣为溶稳鹣裁沿，c c d 凌头蓊装一块衰躐滤光片，选择不阕酌 滤光片，可得到不同对比度的焊缝网像，同时使电源脉冲与图像采集同步，使得图 像采集都是在脉冲基德期间完成。谯文献设计的捧缝跟踪系统中，焊枪和c c d 摄像 撬为刚瞧连接，浮稔农摄像区坐标建确定的，逶过检测浮缝佼霪可褥到簿缝中心与 焊枪的偏麓，作为模糊控制器的输入量，当然焊缝偏差的提取需要进行包括对图像 进行处联魄一系列的工作。此外，掇据不同的坡嗣角度设计一套刚性连接的光路系 统，接投海疆韵光源缀渡口反射螽的光线，并毒发生编差惹羧渡至l 麓光线避行毙较， 由得到的箍量进行控制0 5 “，也不必为一种有研究价值的方法。韩国学者避来提出 一个模型，根据母材形状来设计c c d 的梅造和移动路径，可减少电弧噪声对视觉传 感器豹影响，并能够大大改善程簿遗程中接头囊动跟踪豹可纛往8 “。 熔涤与熔透控制熔深与熔透控制技术的关键是在于如何有效地获取反映焊接 熔深及熔港的信号。犟在上世纪八十年代末，大岛健司、李鹩歧、王克争镣人就曾 提出过建立在视觉传感基础上的熔深控翻”9 ，键毪稍只是籁擎认为熔池的熔深与 熔宽成简单线性关系，而事实上焊缝熔深与熔宽之间并不能用简单的线性关系来 描述，遴过控制焊缱熔宽，闯接控捧熔深并不畿满足实际生产中一些有精确要求的 浮接矮囊控制。利用洛池圈像进行溶深和熔透静传感与控制襻在着两大障褥。首先 由于弧光的强烈干扰，难以获得清晰的原始图像，这对图像处理技术提出了较高的 要求；第二点是采集的图像是平磁闲像，难以建立二维图像与熔深和熔透( 三维参 量) 之阐的可靠关系，扶蔼难戳檄捺二维图像柬可靠酶转感熔深与熔透。由于霹接 熔深和熔透总是以温殿场的变化表现出来，因此可以考虑通过检测温度场的变化来 达到控制熔透程度的露的，逶常采髑的是红外技术进孬温度场的控制”3 “1 ，通过对墀 缝热辐瓣鹜像的红外传感来获取撵撩温度场图形。继两由溢魔场的交纯情况来识剐 硕士论文g m a w 焊熔越信息识别及络深控制技术研究 熔深和熔透状况。文献中。o 还提如了图像比色法实时获取温度场信息的基本原理。 裁瘸透税缳理溺量淹漶形获默露获敬熔透痞惠静怒声波法也褥到了广泛磷究。 1 5 焊攘过程智熊控制的瓤发晨 在黹蒙进行实对处理的系统中，依靠人为干预的经典控制无法起到应肖的作用， 因此新一代控制理论智能控制理论得到了很大的发展。其基本特点是不依赖或 不完全镁赖被控对象豹数学模型，囊要利爰久黪操作经验、鳃谖窝摆理技零l 冀及控 制系统的某些信息和性能得出相应的控制动作，其实现主要途径包括：专家系统、 模糊控制、神经网络控制及其相氨的结合。 专家系统是一毒枣爨有大量专门窳识与经验鹣餐戆计算投系统，它把专门领域中 人类专家豹知识和思考解决问题的方法、经验和诀窍组织整谶并存储在计獬机中， 不但能模拟领域专家的思维过程，逐能让计算机如人类专家那样智能地解决实际问 蘧。基藏专家系统奁烽接串熬应爝主要还是集孛在工艺设计秘工艺方法戆逡耩、焊 接缺陷的诊断等，即通过计算机来对焊接工艺和方法迸行智能化选择以及通过图像 对焊缝缺陷进行自动评判。模糊控制吸取了人的思维具有模糊性这一特点，通过模 凝数学中攘糖关系、摸鞭捶理露决繁褥出疆应数控制矮刘表，叁艇鼷携壤叟残控裁 决策表，通过查询得到相应的控制动作，在解决焊接过程非线性系统和难以建立准 确模型的工程问题中可发挥其独特的实用性能。清华大学的陈强、潘际銮和日本崎 玉大学大薅建司舍弦，壤攥c c d 蜜孵捡测窭静熔宠及熔窕交健趋势，逶逡量卡冀壤模 糊推理决策运算改变焊接电流从而j 友到控制熔邋的目的，在焊缝跟踪中的应用也极 大改善了系统的稳定性和精确性，同时还针对c 0 2 焊接的特点，阐述了m i m o ( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ) 系绞骥秧控毒l 器懿鞣突池1 。华露溅工大学黄蠢生等久设 计了一种t i g 焊熔宽的参数自调熬模糊与积分的混合控制器。“3 ，采用积分控制器与 模糊控制器并联，消除极限环振荡，具有自适成能力，满足丁控制要求。神经网络 爨是利瘸了天藏豹鬟黢结秘黎撬爨骧及天懿懿谈霹经验对系绞控裁，逶邈安对谈爱 和分离出变化的模式以及从经验中学习到模式的变化，做到在数据不完备的情况下 也能对系统进行控制。前面提及的众多学者在焊接质量控制问题上尝试建立的各类 捡溅海缝参鼗夔数学攥整，毽罄楚在一定鬏没蓉箨下方戆实魏控毒l ，悉溪接过程懿 复杂性使这些模型与实际对象相去甚远，很难获得满意的效果。采用a n n ( 人工神 硕士论文 g m a w 焊熔池信息识别及熔深控制技术研究 经陬络) 建模可以不燧对焊接过稷傲任何假设，较真实蛇反映焊接动态特性。黄 石生等入采用久工神缀网络方法激g t a w 作为对象泳1 ，建立了静态模型，并从矮帮 量两个方面验证了该模型的可行性，同时提出了动态过程建模和控制方法，并实验 验证了方案的正确性。此外，神经网络还结合专家系统用于烬接过程，与模糊推理 结合溺鼍：过程控裁潞。 1 6 关子i t l i a w 烨的新研究 长期以来，对于熔化极气保护焊( g m a w ) 的研究，国内外学者做出了大量的 工作，假主要仍是集中在工艺方筒“1 。甘肃工业大学分析了焊接过程中的电弧声 售号，铁辩域窝频域瓣令方瑟努掇了短路遘渡g t a w 浮续过糕孛产生瓣惫蔽声荣号 特征。并根据声信号特征探讨了电弧声的产生机理“。 早在8 0 年代末期，国内学者“就提出并研究了计算机控制g m a w 焊的思路和 浚程，嚣寒夔羞人工褰戆靛发震，麓续又有关予涮蘑模糕控露l 鞠薅经网络辩g m a w 焊进行控制研究的文濑发表“删。 基予钢焊丝g m a w 焊，熔滴稳定是整个焊接过程稳定的前提。通常用以控制 遘渡稳定程夔电弧继惑毒：短路瓣阗魏压交纯；夺绣鼗开瓣润麓弧歪变化；熔滚短 路后困缩颈变细形成的d 叱+ 。利用这些信息可设计特殊时序驱动c c d 进行图像采 ，“i 集，但该捡测法既要解决c c d 固定工作时序与短路发生的随机性之闯矛麟，又要避 开邀薮阂烁察飞溅、濑垒豹干扰。天津大学稀潮簿”1 通过对m i g m a g 烊溺稀不丽 熔滴过渡形式的电弧光谱分布曲线的分析，选择长波区的f e 谱线作为测试谱线进行 熔池信息蛇传感并取褥了进展。 1 7 本课曩研究内容 由予弧焊过程戆复杂牲，将剃怒熔琵援气体缳护浑毫渡大，又畜熔滂避渡过程， 因而其熔池信息的检测和智能化控制都很困难，日前提出的技术方法大部分都是针 对g t a w 焊接方法，熔化极富氩气体保护焊视觉检测和智能控制研究的较少，即使 对予g t a w ( t i g ) 方法迄是戳饕壤丝工艺方浚磅究懿较多。海接工艺动态过程是 一个多戳索影响的复杂过程，特别是弧焊动态过程对熔深、熔宽、熔透及成型等焊 硕士论文g m a w 焊嬉池信息识别及熔深撩制技术研究 接质量的实时控制问题，由于被控对象的强非线性、专辛料物溅化学变化的嶷杂性， 馥及大豢隧枫干扰帮不确定因素熬存在，使得露效实对控稍簿接嚣量或为阑内外浑 接界多年来瞩目的难蹶。由于焊接电弧的特殊性造成了熔池图像采集的困难，一般 研究是以电弧光谱信息为依据进行仑适的滤光秘减光措掩，谯一定的光谱波段窗口 孛透孳亍熔沲蘑像静采集，对熔澹甏像进行处毽剃稿。毽是对予熔淹匿豫与辫缝凌量 之间的童接关系却少见有探讨，这方面是由于电弧物质的特殊性，另一方面也在 于熔池尚未凝固成焊缝，无法直接与焊缝质量遴行有效的联系。但有经验的焊接技 舜都能瀵 i 窭自身视凳嵇惫来傈 正瀑接接头霞蠢，圈魏对于络漶强像与浮缝褒量的一 些相关性成该是值得我们进行深入探讨的。 出予计算机技术、传感器技术的发展、控毒瑗论的丰富绘整个工业券带来了不 小的变化，将计算枫、传惑器和先进的控翻理论用于传统工波是不可避免静趋势， 也是改溉和发展传统行业的必由之路。在这样的举术大背景下，本课题正魁将传统 鲍焊接方法与高科技技术裙结合，僳涯焊接质璧，提离焊接效率，节约2 滋鞠资源， 改善劳渤环境，走滓援行业的可掩续发震道路。 本课题主要研究熔池信息在线检测、特征识别与控制问题。该研究内容是焊接 援术发髅鸵热点研究方惫，具有缀麓的学术和艨麓馀篷。熔漶褫觉检测帮缓糍控制 系统能成功检测出熔澈清晰的图像，剩用数字圈像处理技术捡测出熔池袭灏形状尺 寸参数及相应的焊接质量特征，建立焊接工艺参数与熔池表阐参数映射关系模型， 劳剥躅梭测售号襄关系摸型建立鼗优控制系缝，实现逶过控制溽接工艺参数达到 阐接控制焊接质量的黼的。 本课题主要针对g m a w 中富氯活性气体保护焊动态过稷智能控制，视觉信号 约检测掇毅采矮l 氐藏本魏适于实琢蠖瘸粒毒璺觉佼感方式。利羽毫弧光鞋及熔洼塞身 反射传感熔池信号，使用近红外c c d ，配合窄带滤光系统摊酴弧光干抗，获取熔池 视觉信号，经数字图像处理获取直接焊接参数的检测值，根据视觉信号判断焊接过 程、动态调节工艺参数保证焊接质爨。 硕士论文 g m a w 焊髂溅惰息识剐及蝽漾控$ 技术研究 2g m a w 焊熔池图像传感与控制系统 2 1g m a w 焊熔池田像传蒜与控制系统总体鲭构 送行熔纯极富氯气体傈护弹试验时采用蛰实验总体系统豕意图见圈2 1 ，按实际 功能模块分，参见图2 2 。 隧2 本谍题实验幕统框垂 执i 亍瞧毖 、，：- ，t _ t r ， 图2 2 试验系统功能模块圈 溥羧魄源采弱辩代递交( t i m el 涮e r 王e r ) z p 7 5 0 0 鍪浑掇，配合f d 2 0 。1 0 型 送丝机构进行焊接操作。焊接操作台由n l w 2 型自动等离子焊机控制箱和幽三相异 步y s 7 1 2 4 型电机两部分组成，其中焊机控制箱是南京理工大学焊接技术应用研究 中心鱼行设计鲍，异步电枫用于遴程焊接行程控囊4 。叁动焊接霹以透过调节控制籍 交频器邋两调节步逡电机转动速发米实现，电橇每转动一圈，焊枪褶对予工作台移 赣士论文g m a w 掉熔溉信惠识别及熔潦控制技术研究 动2 m m ，因此，实际焊接速度为2 r a m 电机转速。焊枪剐性阐定于焊接工作台，可 稷据王傍潭疫遗嚣簿枪褰度方蠢瓣满节，簌露逡孬乎滓。弱瓣稿子湛洼圈像蹙感翡 c c d 以定角度置于焊枪行进路线上，可对熔池进行前后两个方向的图像采集。其 实物参见图2 3 。 嘲2 3 直接照射视觉传感茉堍寮物圈 本文如无特别搬爨，实验用保护气体均选蹋了8 0 a r + 2 0 c 0 2 的溃会气体， 由鹜2 4 和圈2 。5 觅，当熔纯撤富氩气傈浮采露8 0 a t + 2 0 0 o ( 2 0 2 静濑食气体时 飞溅率最小，焊丝熔敷效率达到9 8 以上，同时，该气体混含比条件下，焊缝表面 成形最好，可获得嘏健效果的焊缝衷面粗糙度。 气棒i 比( x ) a 气悻辩比( x b 嘲2 。4 不同混合魄瓣飞蠢事和髂敷蒜数 曲 r 翻2 5 最镶嘏弧电匿下，溅螽跑写捍缝 崧嘲榧糙度的关燕 硕士论文 g m a w 焊络池信息识剐及熔深控制技术研究 2 2 豳像黄惑与采集系统 2 2 1 视觉传薯幕统的设计息想 本嚣蘧静嚣藜褒予袋渍酝戆熔 邀强像串获激爱浚浮接鹱爨靛有嗣特镁德惑，进 而以这必有用特征信息为指导最终熊够实现控制焊接质量。酋先需要利用对焊接图 像适应性强的图像传感采集系统，分离识别出熔池图像中有用信息，这是实现整个 曩标豹蒸础。可以说媾遗匿像熬葳爨决定了竣觉糗测凄量控制匏成败，露熔池馁感 系统秘优劣直接决定了所采集到潮像的质量，臻无疑闯，由瀚像传感系统获取的熔 池图像的清晰度对实黢结果有很大影响，因此圈像传感系统的设计是整个课题中关 键的一步。 在本文麓实验孛，设诗了壹撩秘镜瑟爱骞重嚣饔视觉簧惑系绕对港渔送逡孝亍传惑。 2 2 1 1 直接视觉传蒜系统 采掰鲡闰2 - 3 的赢接视觉传戆系统进行图像采集，可以穰c c d 视场中采集到相 对较大的熔池图像，而且该系统绐构简单，不需疆进行复杂的光路设计。内于是直 接对熔淑图像进行传感，因此，程本文所采用的攀c c d 图像传感研究中，将c c d 与簿稔鬻瓣嚣定予一体，整霹敬辩c c d 遥嚣三爨由发豹壹绫移动调节，还霹苏菠之 绕“一个平行于工作螽且垂直于焊接运动方向的轴”进行旋转调节，通过遮四个自 由度的调节实现c c d 与焊枪之间的位置关联。猩c c d 与焊枪相对位置确定后，可 以垮c c d 褫场中瓣佼霉售患与实琢坐标下我谴爨形成对应关系，印可进孬图像雏定 标工作，扶而确定熔池图像中的几何参数。此种图像传感方式，相对于采用反射光 路进行采集的方式，减少了图像定标很大一部分的工作量，相应的也降低了图像定 标部分的难度。 篷褥注意静是糕耀该褪觉传惑系统试验对，翻子需要采集熬是浮缝烙漶魏蚕豫， 因此，实际操作过程中，c c d 总题在尾随焊枪进行运动，而不能让c c d 处于焊枪 运动的路线之前。 懿豁，嚣要在c c d 甓头藏蘑安装一块茨飞溅玻璃冀，震袋跨止飞溅溅瓣裂c c d 镜头上，造成摄像机的损坏，同时由于c c d 运幼于焊缝之上，焊缝处于嵩漱到低温 的散热状态，加上熔溅脱落等原因，无法避免的也会给采集的图像质量以及采集设 备造成一定的损害，解决办法是对c d d 采取外麦防护和冷却措施。 硕士论文 g m a w 焊熔池信息识别及熔深控制技术研究 2 2 1 2 反射光路视觉传感系统 使用直接视觉传感系统进行实验也有其应用的局限性，摄像机距离焊接熔池区 较近，而熔池的热辐射相当强烈，会使摄像机在一定的工作时间后温度过高，从而 降低摄像机的使用寿命。此外在实时传感的熔池图像上，由于焊接电弧光电信号的 影响，对c c d 信号的采集产生干扰，反映在所采集的图像上将会出现很大的和抖动 和噪声，从而影响了图像的质量。为此，考虑设计了反射视觉传感系统。其设计原 图2 2 1 利用反射传感光路示意图 理如图2 2 1 ，a b 为熔池范围，d e f 为设计的光路系统，各参数值分别选取为：b 为1 0 m m 左右，b 为3 0 。左右，其中e ，f 为两面平面镜，c 为套简内径，取值为 2 5 m m 。熔池a b 区热辐射光线经平面镜f 反射到平面镜e ，再经反射将熔池信息传 送到c c d 中，图中d 处为c c d 放置地点。 由于通过该套光路采集到的熔池图像在c c d 视场中的位置较小，熔池图像难以 识别，因此对该系统采集的实验没有深入进行下去。 2 2 2 熔池圈像传量与采集模块 整个实验系统结构中，图像的传感与采集模块是重要的基础，实现对熔池几何 尺寸的视觉传感，该模块由复合滤光片组、近红外c c d 摄像机、图像采集卡、计算 机及图像处理软件几个部分构成。导光通路传输熔池区热辐射光线，经复合滤光片 组消除弧光干扰，近红外c c d 摄像机将采集到的熔池图像信息以视频信号形式输入 至图像采集卡，最终由计算机上的图像处理软件处理后，提取出熔池信息特征比较 满意的图像。该模块详图参见图2 2 2 。 硕士论文 g m a w 弹髂弛信息识别及熔深控制技术研究 近红外c c d 摄像枫采用台湾敏遇o s 4 5 d 型靶面摄像机。o s 4 5 d 型摄像机的响 应渡长藏潮在0 。4 1 1 # 琢之闻。该摄像瓤最突爨静特点蔑激电荷为信号，窜j 矮电 荷的储存和转移实现网像信号的输出。摄像机的作用是将熔池区的光信号转换成电 信号保存在摄像机的呶荷耦合器件( c c d ) 中。图像采集卡怒将该模拟量淡示的电 圈2 2 2 嘲僳采集系缔流群洋陬 信号转羧残诗算援霹戮毒昃裂夔数字镶号，势将该数字售号罄一定豹暝廖秘蕊定魏嚣 像格式排列。 在进行图像采集试验初期，使用了两类图像采集卡，利用f l y v i d e 0 9 8 阁像采集 专及其稳斑较终迸学了簿接疼港迄续图像夔粟袋，j 龟羚，在送行荤获图缀熬采集嚣 使用的怒北京大恒v i d e o p c i x r 犁图像采集卡，该图像卡采集最大分辨率为7 6 8 5 7 6 8 b i t 。在找到c c d 对于熔池图像的最佳响应范围后，进入图像采集试验的成 熬麓，这懿采震了受楚逶震戆大毽d h - c g 4 0 0 凝频圈缘采集卡，该专镬躅受灵活、 功耗更低，所采集的图像数据传输熬本不占用c p u 时间，可将图像直接传送到计算 机内存，同时分辨率最大可达到7 6 8 5 7 6 2 4 b i t ，支持各类采集方式，最大的优点 在于方馁使爱者按傻簇震寒更改秘缡译程痔，簸大满足试验耪磷究戆要求。 2 2 3 滤光片的选择 本实验不另翔鞴霸光源，直接利用弧光和烙溉自身辐射照明浮接区。癌j 于焊接 电弧温度在几千至几万度之间，其辐射能量主要分布在紫外区和可见光谱区，而金 属材料辐射能量主要分农在近红羚羊鞋中远红步 必谱区“”，因她理论上可以通过过滤 电弧光的措施来提取氇 熔池及萁蠲嗣煞场豹圈稼。授据弧光辐射和熔池辐辩的特性， 且为了抑制弧光的强烈干扰，常常需要采用各种擞型的滤光片。滤光片主鬻目的是 为了大蟥度衰减电弧静毙辐射强度，同畦不影嗡或较小豹影响熔池辐射光秘反射光 的辐射强度，以使得缎过该滤光片缀后的光辐射其有较高的信噪比，有利予提取出 硕士论文 g m a w 焊熔池信息识别及熔深控制技术研究 熔池的特征数据。采用滤光片去除弧光的干扰，可以使摄像机在一个弧光对熔池辐 射比例恰当的较窄的范围内获取熔池图像“，但需要注意的是既要避免弧光对焊接 区成像的干扰，又要利用弧光获取高质量的焊接区图像，以有利于焊接区特征信息 的提取。 在接近近红外波段，熔池的光谱辐射出射度随波长增加而增加，而弧光光强随 波长的增加而减弱，即信噪比逐步增大。单纯利用熔池对电弧的反射光作信号，较 难采集到清晰的图像，应充分综合利用熔池自身辐射光和反射光，尽量增加熔池图 像的信噪比。同时考虑到c c d 摄像机最大检测波长是1 1 0 0 r i m ，采用接近该检测波 长的近红外区滤光片来获取弧焊熔池信息应是最优方法之一。实验的最初阶段，进 行了试用各种滤光片反复图像采集的试验，通过对所采集图像效果上的比较，发现 一片波长8 5 0 n m 的截止滤光片和一片波长为1 0 6 4 n m ，带宽为4 0 r i m 的带通滤光片两 者效果差异比较明显。综合考虑c c d 最大检测波长等因素，最终1 0 6 4 n m 带通滤光 片配合o 1 的减光片使用来进行图像采集部分的工作。 2 3 焊接参数调整控制的实现 本课题中的实验都是在一定的条件下完成的。在所有的实验过程中，每组实验 保持气体流量不变，焊枪干伸长度不变以及图像采集的速率不变。 本课题的研究计划通过大量的试验，从中获取数据用以建立模型从而验证图像 处理的效果，同时所建模型还能对焊接时规范参数的选取具有指导作用。质量控制 系统中以熔深作为被控制量，焊接速度为操作量，后面的叙述也证实了焊接速度对 试验的主要影响，在此不再赘述。 焊接速度的调整主要通过执行模块来实现。执行模块由d a 卡、变频器、交流 电机等组成，参见图2 2 。通过计算机处理，将采集到的熔池图像中的参数以及实际 的焊接规范由数学模型转换成被控量。控制模块中的控制器实际为计算机中用软件 实现的数字处理器，通过将给定值d s 和计算机处理值