（材料加工工程专业论文）mag焊单面焊双面成形熔池视觉特征与控制模型研究.pdf

硕士论文 m a g 焊单面焊双面成形熔池视觉特征与控制模型研究 摘要 本文利用被动视觉传感技术采集得到了清晰的m a g 焊熔池图像 进行了大量的单 面焊双面成形短路过渡焊接试验 重点研究了不同熔透成形状态条件下焊接熔池视觉特 征 建立了焊缝熔透成形的多参数监测体系 为焊接质量在线智能控制提供相关的试验 数据和控制模型 利用工业c c d 配合近红外复合滤光系统 传感采集获得了短路过渡m a g 焊过程 的高清晰熔池图像 利用数字图像处理技术 对熔池图像处理算法进行了优化 大大提 高了程序执行的效率 满足了熔透控制的实时性需求 在已有的熔池几何形态特征参数体系基础上 提出熔池边界倾斜角0 和熔池尾部轮 廓角1 3 等特征参数j 设计了相关参数实现的程序 提取了不同类型熔池图像的形态特征 参数 试验证明 当 5 0 9 0 0 尾部轮廓角b 1 2 0 0 全熔透型熔池一般呈近椭圆形 熔池后拖角仅 9 0 0 尾部 轮廓角1 3 1 1 0 0 焊塌型熔池与全熔透型熔池相比较 呈更大程度的细长状椭圆形 熔池 后拖角仪 6 0 0 尾部轮廓角1 3 1 0 个像 素 且熔池宽度收缩量a w 3 0 个像素 综合信息将预示着焊塌现象的发生 从图像灰 度分布特征出发 引入区域像素灰度均值 若连续帧熔池图像对应的区域像素灰度均 值 发生陡降 且变化量 p 2 0 即可判断此时焊穿的概率极大 应进行焊穿处理或停 止焊接 从采集所得的m a g 单面焊双面成形熔池图像库中抽取熔透 未熔透 焊塌状态下 的典型熔池图像 选用 归一离散化 方法建立不同熔透状态下熔池尾部轮廓标准化曲线 模型 并提出偏差均值e 和偏差标准方差 作为判断熔池熔透类型的特征参数 根据大 量的试验数据获得了基于不同熔池尾部轮廓标准曲线的特征参数阈值范围 实现了根据 熔池图像形态特征即可判断对应焊缝熔透状态的所属类型 在此基础上 建立了焊接熔 透成形的多参数监测控制模型 为焊接质量在线控制的实现奠定了基础 关键词 m a g 焊 短路过渡 单面焊双面成形 视觉传感 图像处理 视觉特征 熔池尾部轮廓 硕十论文m a g 焊单面焊双面成形熔池视觉特征与控制模型研究 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r l o t so fo n e s i d ew e l d i n gw i t hb a c kf o r m a t i o ne x p e r i m e n t so fs h o r t c i r c u i t t r a n s f e rw e r ep e r f o r m e d a n dv i s u a lf e a t u r e so fm a g w e l d i n gp o o lo fd i f f e r e n tp e n e t r a t i o n w a st h ec o r eo ft h i ss u b j e c t b a s e do nt h ec l e a rp o o li m a g e so b t a i n e db yp a s s i v ev i s u a ls e n s i n g t e c h n o l o g y am u l t i p a r a m e t e rm o n i t o r i n gs y s t e m o fw e l dp e n e t r a t i o nf o r m a t i o nw a s e s t a b l i s h e d t h i sc a np r o v i d er e l a t e dd a t aa n dm o d e l sf o ro n l i n ec o n t r o lo fw e l d i n gq u a l i t y a p a s s i v ev i s u a ls e n s i n gm e t h o d sc o u p l e dw i t hn e a r i n f r a r e di n d u s t r i a lc c d w e r eu s e d t oa c q u i r ec l e a rp o o li m a g eo fs h o r t c i r c u i tt r a n s i t i o nm a gw e l d i n g t h ew e l dp o o li m a g e p r o c e s s i n gs y s t e ma l g o r i t h mw a so p t i m i z e db yu s i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n d t h ep r o g r a me x e c u t i o ne f f i c i e n c yw a sg r e a t l ye n h a n c e d w h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n t so f w e l d i n gp e n e t r a t i o nr e a lt i m ec o n t r o lw e l l w e l dp o o lo b l i q u i t y0a n dt a i lc o n t o u ra n g l epw e r ep r o p o s e db a s e do nt h ee x i s t i n g g e o m e t r yp a r a m e t e r ss y s t e mo fw e l dp o o la n dr e l a t e dd i g i t a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h mw a s d e s i g n e d t h eg e o m e t r yp a r a m e t e r so fd i f f e r e n tt y p ew e l dp o o lw e r ee x t r a c t e d w h i c hs h o w s t h a tw h e n 一5o 0 9 0 a n d1 3 12 0 0 p e n e t r a t e dw e l dp o o lw a sn e a r n o r m a lo v a lw i t h e r 9 0 0a n d1 3 110 0 c o m p a r e dw i t hp e n e t r a t e dp o o l t h ec o l l a p s e dt y p e s h o w e dm o r es l i g h t 嘶t l l 仅 6 0 a n dp l0 i nt h ev e r t i c a la x i sa n dt h ep o o lw i d t hs i g n i f i c a n t l y s h r i n k e d3 0p i x e l s a w 3 0 b e t w e e nt w oa d j a c e n tf r a m e s m e a no fg r a yp i x e l s p w a s p r o p o s e dt oi d e n t i f yt h ei m a g eo fb u r n i n gt h r o u g hw e l d i n gp o o l i fpd r o p e dr a p i d l yb y m o r et h e2 0 t h ep r o b a b i l i t yo fb u m i n gt h r o u g hw a sg r e a t s t a n d a r d i z a t i o nc u r v em o d e l so fw e l dp o o lt a i lc o n t o u r sf o rt y p i c a li m a g e so fp e n e t r a t e d n o n p e n e t r a t e d a n d c o l l a p s e d w e l dp o o l w e r ee s t a b l i s h e d b yu s i n g n o r m a l i z a t i o n d i s c r e t i z a t i o n m e t h o d t w oc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sm e a nd e v i a t i o nea n dm e a ns q u a r e d e v i a t i o n w e r ep r o p o s e d t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r st h r e s h o l dr a n g ew e r eo b t a i n e df r o m i i i a b s t r a e t 硕上论文 l o t so fe x p e r i m e n t s w h i c hw a su s e dt oe s t i m a t et h ep o o lp e n e t r a t i o nt y p e o nt h i sb a s i s a m u l t i p a r a m e t e rm o n i t o r i n gs y s t e mf o r w e l dp e n e t r a t i o nf o r m a t i o nw a se s t a b l i s h e d w h i c hc a n p r o m o t et h ed e v e l o p i n gs t e p so fw e l d i n gq u a l i t yo n l i n ec o n t r 0 1 k e yw o r d s m a gw e l d i n g s h o r t c i r c u i tt r a n s i t i o n o n e s i d ew e l d i n g w i t hb a c kf o r m a t i o n v i s u a ls e n s i n g i m a g ep r o c e s s i n g v i s u a lf e a t u r e s w e l dp o o lt a i lc o n t o u r s i v 声明 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 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明 研究生签名 j 二箍互珏 历 年石月万日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容 对 于保密论文 按保密的有关规定和程序处理 研究生签名习磕磕 形年 月矽日 硕士论文m a g 焊单面焊双面成形熔池视觉特征与控制模型研究 1 绪论 1 1 选题意义 焊接是制造技术的重要组成部分 在工业生产中占有举足轻重的地位 而熔化极气 体保护焊作为一种重要的焊接方法 以其焊接生产效率高 焊接质量稳定 焊接成本低 和适用性广等优点 被广泛应用于航天航空 汽车制造 工程机械 化工设备 船舶制 造 电站锅炉等行业i 目前工业生产中 产品的焊接工艺越来越复杂 尤其是对焊接质量和效率的要求也 越迫切 实现的唯一途径就是要提高焊接过程的自动化和智能化控制水平 最大限度摆 脱对工人的技艺和劳动的依赖性 随着计算机技术 信息技术和传感技术的不断发展 基于视觉传感的焊缝跟踪研究工作日趋完善 基于熔池形貌跟踪的焊接质量控制研究已 发展成为焊接过程智能化控制领域的又一新热点 基于视觉传感的焊缝熔透成形控制旨 在模拟有经验的焊工在实际焊接过程中 当焊接条件发生异常变化时 焊工能够根据观 察熔池奇异形态做出 智能判断 进而调整焊接参数来保证焊接质量 本文通过建立熔池形貌视觉传感系统采集高质量的熔池图像 利用数字图像处理技 术对熔池图像进行特征参数提取 分析未熔透 焊塌 焊穿等焊接熔透成形缺陷对应的 焊接过程熔池视觉特征 寻找能够表征或预测熔透状态信息的过程控制参数 从而针对 单面焊双面成形的焊接过程熔池形态进行建模 为焊接熔透成形的在线控制奠定基础 因而 本文具有较高的研究意义 1 2 焊接过程熔池视觉传感技术研究现状 国内外焊接工作者对于焊接过程自动化和智能化控制领域已经做出了广泛的研究 研究范围包括能够反映焊接过程稳定性和相关于焊接质量特征信息系统研究 焊接过程 监控传感方法的研究 传感信息的处理方法以及焊接过程智能化控制方法研究等 对焊接过程进行实时监控 能够准确可靠的检测出反映焊接过程信息的特征参数 有效的传感器选择是必不可少的前提条件 早期的焊接过程监测传感器研究成果包括接 触式传感器 2 1 电弧传感器 3 4 1 超声波传感器 5 1 温度传感器 6 7 1 等 但是焊接过程是 一个集电 光 热 力 磁多种因素作用的复杂物理化学过程 焊接过程中的飞溅 烟 尘 弧光以及周围复杂的工作环境等都会对焊接过程信息传感造成直接或间接影响 从 而限制了上述传感器的应用范围 实际焊接生产中 一般通过焊前工艺制定 焊接过程在线控制以及焊后质量检测三 个主要环节来保证焊接质量 而随着计算机视觉技术的发展 机器视觉技术被引入到焊 1 绪论硕l 论文 接过程在线控制领域 8 一 与其他焊接过程传感器相比 光学传感器具有不与焊接回路 相接触 监测所得信息量大 信号监测不影响正常焊接过程等优点 以往的焊接过程在 线控制研究中 利用固定在焊枪前端的视觉传感器传感焊缝坡口形状 指导焊枪行走路 径 避免了复杂坡口形状或者因焊接热变形导致的焊接质量变差的情况 随着研究的继 续深入 研究者将目光转向了焊接熔池 由于焊接熔池内包含有丰富的焊接过程和焊缝 质量信息 若能够将这一有利的状态信息充分利用起来 对整个焊接过程智能化控制研 究将是一个重大的突破 基于视觉传感的焊缝熔透成形控制研究正是利用视觉传感技术 实时传感熔池正面形貌 根据熔池形态特征的奇异性变化对焊接过程稳定性和焊缝熔透 情况做出智能化判断 并在线调整焊接工艺参数 从而保证焊接熔透成形 同时利用焊 缝跟踪和熔池视觉技术对焊接过程进行在线调整 保证焊接质量 是焊接工作者一直追 求的目标 1 2 1 二维视觉传感技术 熔池正面形貌视觉传感是焊接质量控制的重要组成部分和关键环节 熔池特征信息 能反映焊缝成形是否良好以及判断焊接缺陷存在与否 1 0 早在上世纪8 0 年代 国外焊 接工作者已经丌展了基于视觉的焊接熔池传感系统的探索实践 y m z h a n g r k o v a c e v i c 等人 1 1 1 2 1 针对连续电流t i g 焊专门设计了一套由强脉冲激光栅格状多结构光条纹和电 子快门组成的熔池视觉检测系统 早期的研究主要集中于主动视觉传感法 即借助外界 激光光源以减少电弧光对熔池图像的影响 但由于主动视觉设备成本高 限制了其在工 业生产中的应用 被动视觉传感仅利用弧光本身照明和熔池自身辐射成像 相比于主动视觉传感法 需要解决的主要问题是抑制弧光对熔池成像的影响 为此 研究者们提出了多种方法 同轴观测焊接熔池法 1 3 复合滤光法 14 1 基值时间取像法 1 5 针对我国焊接行业的发展 国内焊接工作者近些年来在熔池图像传感系统研究领 域取得了丰硕的成果 南京理工大学王克鸿等人 1 6 1 7 设计并利用近红外窄带复合滤光视觉传感系统 针 对t i g 焊 等离子焊及熔化极气体保护焊等不同焊接方法 采集得到对应不同焊接母材 的清晰熔池图像 上海交通大学王建军 1 8 利用宽带滤光技术 设计了一套能够同时同幅传感熔池正 反面图像的视觉系统 并确定了熔池图像采集时刻 试验证明 在基值电流条件下延时 5 m s 发出取像指令能够采集得到一帧清晰完整的熔池正反面图像 如图1 2 1 所示 哈尔滨工业大学闫志鸿等人 1 9 一0 1 建立了一套脉冲熔化极气体保护焊的双面实时视 觉传感系统 利用中心波长为6 6 5n n l 的窄带滤光片在脉冲基值结束期间取像 获取了清 晰的j 下面熔池图像 利用中性减光技术获取了清晰的反面熔池图像 2 十论立m a g 焊单面焊m m 成 睇瑞池视觉特征 控制模型研究 幽12l 一帧完藕的铝台金填丝脉冲t i g 焊熔池划掾 山东大学王德民等人 2x 1 针对g m a w 的短路过渡形式特点 选用窄带复合滤光器 确定了短路过渡阶段为c c d 摄像机的曝光时刻 采用丁f 前方小角度3 0 和正后方大角度 5 0 不同方位进行熔池形貌跟踪 均获得清晰且不失真图像 兰州理工t 学石圩等人1 2 2 致力f 铝合盒脉冲m i g 焊熔池图像检测的机器人视觉传 感系统的研究 应用窄带滤光片消除弧光干扰 获取了清晰的铝合金焊接区熔池图像 清华大学曹一鹏等人 1 针对c 0 2 短路过渡焊接熔池图像实时检测的要求 研n t 一 种基于普通工业c c d 摄像机的专用传感器 设计了可消除c c d 摄像机固定工作时序与 c 0 2 短路过渡发生的随机性之 自j 的矛盾的实时检测熔池图像的控制时序 试验表明 该 传感器可以准确地获得清晰的熔池图像 1 2 2 三维视觉传感技术 在二维视觉传感技术基础上发展而来的三维视觉传感技术应用于熔池图像实时跟 踪 并通过后期图像处理的算法提取出焊接熔池表面的三维信息 可以为焊接熔透成形 控制带束重大突破 从现有文献资料看 这方面的研究工作主要有结构光三维视觉法 阴影恢复形状法等 y m z h a n g 等人提出了结构光三维视觉法 文献 2 4 设计了一套由强脉冲激光栅格状 结构光条纹和高速电子快门摄像机组成的熔池视觉检测系统来获取清晰的熔池表面反 射图像 在此基础上 y mz h a n g 李 k 1 2 52 选择1 9 1 9 点阵结构光形式 计算得到投影 反射对应荚系 利用合适的图像处理算法 得到了可 三l 用于表面恢复的一系列数据 图 l2 2 是结构原理圈 图1 23 a 和图123 c o 分别是参考点在发射图和反射图中的位置 绪论 峨l 论文 蚓 2 2 结构原理图 口皤 r 曲熔池崮像曲 熔池表面恢复结果 图12 4 由单幅图像恢复物体表面三维形状结果圈 文献 2 9 3 0 在l e e k u o 通用反射图模型的基础上 提出了变因子反射图方程求解 方法 采用超松弛方法从实际成像条件下的合成图像中计算出球面的高度 建立了熔池 表面的反射模型 采用预处理菇轭梯度法计算了铅合金典型熔池表面的高度 哈尔滨 业人学王志江等人口 利用小功率结构光条纹激光器投射激光条纹于非熔 化极气体保护焊熔池表面 山成像屏接收熔池表面镜面反射过来的激光条纹 利用匹配 一 n 硕 论文m a g 焊单面焊双面成形熔池视觉特征与控制模型研究 的窄带滤光片与c c d 摄像机观察成像屏上的条纹变化 在强弧光下获得了清晰的能够 反映熔池表面形貌的激光反射条纹图像 从而计算获得熔池表面高度等三维信息 1 3 焊接过程熔池图像处理技术研究现状 利用数字图像处理技术对传感所得熔池图像进行特征信息提取 数字图像处理精度 将对焊接熔透成形实时控制的实现产生决定性的影响 因此 加强对熔池图像处理技术 的研究有着十分重要的意义 1 3 1 熔池图像形态参数提取 熔池图像在采集的过程中受到焊接飞溅 强电弧 焊接电源磁场等多因素干扰 使 得图像本身存在大量的干扰噪声 图像预处理就是要从图像像素级进行操作 达到减小 图像噪声 提高信噪比的目的 在熔池图像处理软件中 最常用的图像滤波方法有均值 滤波 高斯滤波和中值滤波等 文献 3 2 禾1 j 用傅立叶变换高频加强滤波进行熔池图像增 强处理 图像分割是图像处理的基本问题 在图像分析和识别中起着重要的作用 其中阈值 选取是阈值分割的关键技术1 3 3 1 文献 3 4 提出了一种判断分析法自动选择阈值 很好地 适应了实时控制的需求 另外 研究者还采用迭代阈值法 大津法和改进o t s u 法获取 熔池图像分割的闽值 3 5 3 引 文献 3 9 币1 j 用最大方差自动取阈值法 获得了良好的分割效 果 熔池图像边缘检测的准确与否关系到熔池形态特征参数的提取 继而影响到控制模 型对焊接状态的判断 因此寻找一种对噪声不敏感 定位精确 不漏检真边缘且又不引 入假边缘的检测方法 始终是研究工作的重点目标 近几年来 研究者在熔池图像边缘 检测方面进行了众多尝试 也取得了不少成果 早期对熔池边缘的提取主要是利用传统的边缘检测算子 如经典的梯度算子模板 s o b e l 模板 k i r s c h 模板 p r e w i t t 模板 r o b e r t s 模板 l a p l a c e 模板等m 随着数字图 像处理技术的同步发展 越来越多先进的检测算法引入到熔池边缘检测方面 文献 4 l 提出了基于m 带小波变换的焊接熔池图像边缘检测 文献 4 2 设计了以幅角斜率方向作 为小波模值的局部极大点的比较方向的判据 较好的滤除了噪声形成的伪边缘信号 文 献 4 3 提出了一种基于c a n n y 边缘检测算子和去除小物体的熔池图像处理算法 杜全营 王建军等人脚 提出了利用m a x m i n 算子对边缘进行检测 采用投影法对边缘进行细化和 去除伪边缘而得到清晰的熔池轮廓 文献 4 5 采用灰度形态学数字图像处理技术 成功 地提取出了焊接熔池图像的边缘 如图1 3 1 所示 文献 4 6 提出和设计了基于蚁群算法 的熔池图像处理程序 文献 4 7 j 备基于最大类间方差阈值的遗传算法应用于铝合金m i g 焊熔池边缘的提取 5 绪论 碰 论文 砸 十 t n 堤 m m 图l3l c 仉焊接熔池图像及灰度形态学尊法实现过程 由于焊接过程的复杂性 检测提取的熔池边缘往往存在断续和孤立点现象 基于熔 池图像连续性实质 研究者利用二次睦线拟合或插值方法对所获得的熔池边缘进行复 原 边缘嗨线与实际的熔池边缘吻合良好l 聃 文献 4 9 针对填丝脉冲g t a w 熔池形状变 化的特点 提出了统一的熔池形状非线性拟合公式 获得了良好的熔池边界提取效果 1 3 2 图像缺陷特征信息提取 研究熔池几何形态参数与焊缝成形质量间的对应关系是研究熔池图像视觉传感的 主要思路 此外 熔池图像的奇异特征与焊缝成形缺陷之间的对应关系也是近几年一些 焊接工作者的研究重点 南京理工大学王克鸿等人 s o 5 2 提出了用灰度均值和标准差研究g m a w 焊接过程的 思路 研究得出熔池视觉图像的灰度均值 标准差波动的大小能够反映焊接过程稳定性 的初步结论 另有研究者提出了一种基于熔池图像质心位置间接得到焊缝中心位置的图 像处理方法 华南理工的戴光智等人利用多幅具有互补信息的熔池图像重建一幅高分 辨率 高质量图像的超分辨率处理方法 有效地提高了m a g 焊图像的分辨率 改善了 图像质量 州 综上所述 寻求一种既能有效提取熔池图像边缘及特征信息 满足控制精度要求 又要能够满足焊接质量在线控制的实时性需求的图像处理算法是研究工作的一个重要 方向 1 4 焊接质量过程控制研究现状 焊接过程是一个受多种因素交互作用 且叉包含非线性和时变性的复杂过程 另一 方面智能控制有着传统经典控制理论所不具有的自学习 自适应 t l 组织功能 因而非 碗 论zm a g 焊单面焊 面成形站池视觉特征与挡制模型w f 究 常适用于解决焊接过程这类多输入多输出强耦台复杂系统的控制问题 目前国内外学者 应用于焊接质量控制领域的智能控制技术主要有模糊逻辑控制 神经网络控带4 及两者结 合产物模糊神经网络控制技术等 国内清华大学陈强等人 将焊工操作经验总结成模糊控制规则 研究结果表明针对 啦变量m i g 焊的熔透模糊控制方法埘散热引起的熔宽变化做出了很好的响应 陈普本等 人u q 建立了焊缝熔宽模糊控制系统 采用熔宽的变化及其变化率作为模糊控制器的两输 入量 以焊接电流为输出控制量 试验表明该控制器设计检测与控制熔池变化在一定程 度上能够满足脉冲g m a w 焊缝宽度的实时性与精度要求 兰州理工大学石圩 樊丁等 人口7 设计了模糊专家控制系统 模糊控制器控制焊接热输入 专家系统负责脉冲参数 匹配 从而保证焊接过程的稳定性 试验结果如图1 4 1 所示 r m 埠钝 m 目 琏 c h m 咖 鞋 a 恒参数焊接时正反面焊缝形态的照片 0 模糊专家控制时止反面埠缝形态的照片 囤1 41 焊接试验焊缝形态图 人工神经网络的出现为焊接智能控制的进一步发展提供了良好的条件 5 9 6 国外 dsn a g e s h 等人 6 2 1 建立了g m a w 焊接过程的四层b p 网络模型用于预测焊缝余高 焊 缝j 下面宽度 熔透深度以及熔透面积 s u g a y 等旧荆用人工神经网络建立了t i g 熔池 尺寸 焊接参数与熔深之间的关系模型 通过人工神经网络的输出优化焊接电流控制背 面焊道宽度 文献 6 8 均提出利用神经网络建立焊接过程正面熔宽 背面熔宽的关系 模型 模糊控制与神经网络控制在焊接智能控制领域都得到了广泛的应用 但是各自却都 存在一定的局限性 例如模糊控制器稳态性能和动态性能之间存在矛盾 而人工神经网 络的学习速度慢 知识表达困难等婶i 鉴于此 基于两者的神经模糊控制方法开始得到 了越来越多的关注 美国k e n t u c k y 大学的rk o v a c e v i c 和ymz h a n g l 7 0 j 利用神经网络方法获得模 糊模型的参数 并建立了熔池正面几何参数同背面熔池宽度之间的s u g e n o 模糊模型 文献 7 1 采用神经模糊控制器 实现了焊缝跟踪和熔透的集成智能控制系统 陈善本等 1 绪论硕十论文 人 7 2 1 建立了基于g t a w 平板对焊正反面熔池的最大宽度 长度与面积等参数的神经网 络模型 采用模糊辨识方法提取焊接过程的模糊控制规则 设计了具有自学习适应能力 的模糊神经网络控制器 此外 研究人员对焊接过程的建模方法做了进一步探讨 文献 7 3 7 5 尝试运用粗 糙集理论对焊接动态过程进行建模 获取知识模型 文献 7 6 将支持向量机建模方法应 用于焊接过程建模 文献 7 7 将无模型自适应控制引入到脉冲g t a w 的熔透及焊缝成 形控制中 1 5 本文研究的主要内容 本文以低碳钢m a g 焊单面焊双面成形焊接过程为研究对象 采用被动视觉传感方 法 利用普通的工业c c d 配合近红外窄带复合滤光系统 采集不同熔透情况下的过程 熔池图像 并运用改进的数字图像处理系统对熔池图像进行视觉特征参数提取 改善熔 池几何形态参数体系 分析熔池正面形态特征与焊接熔透情况之间的对应关系 进一步 建立不同焊接熔透成形状态下熔池视觉特征模型 为后续焊缝熔透成形的在线控制提供 控制依据 本文主要包括以下研究内容 1 进行单面焊双面成形工艺试验研究 针对m a g 焊电弧光谱特点 改进现有传感系 统 采集不同熔透成形情况下对应的高清晰熔池图像 2 优化现有熔池图像处理算法 满足在线控制的精度要求和实时性需求 针对单面焊 双面成形熔池视觉特征 改善熔池形态参数指标体系 3 分析单面焊双面成形过程特征和成形机理 试验研究全熔透 未熔透 焊穿和焊塌 状态视觉图像的特征规律 4 提取单面焊双面成形熔池视觉特征参数 建立不同熔透类型熔池的形态分类模型 5 设计熔透成形多参数在线监测控制模型 为实现基于视觉传感的m a g 焊短路过渡 双面自由成形控制提供决策依据 8 硕l 谴z m a g 单面焊日面成形熔池视觉特缸与控制模型研究 2m a g 焊单面焊双面成形焊接工艺试验与视觉传感系统 2 1 视觉传感系统的建立 被动视觉传感系统能够实时监测焊接过程熔池形貌 准确可靠的检测出反映焊接过 程信息的熔池特征参数 并且不影响焊接过程的稳定进行 鉴于被动视觉传感系统的优 越性 本文建立了一套完备的正面熔池视觉传感系统 用柬为焊接熔透成形控制提供先 期的数据依据 熔池正面视觉传感系统结构示意图如图21l 所示 试验系统实物图如 图2 1 2 所示 图21 视觉传感系统结构示意图 幽2 12 熔池视觉采集系统实物图 视觉传礴系统中 利用自行设计的夹具将近红外复合滤光系统与实时监测的c c d 摄像机固定于焊枪正后方 并与工件成一定的倾角 以利于观察熔池正面形貌 焊接过 程进行时 熔池自身的辐射光和熔池对电弧的反射光经复合滤光系统到达c c d 摄像机 c c d 将采集得到的正面熔池图像再由图像采集卡转换为数字信号传送到计算机的内存 中 在主控计算机中显示熔池图像并进行图像处理 提取熔池特征信息 一直 2 m a g 焊单面蜱 面成 焊接1 试验q 视觉传感系统 碗 论文 2 1 1c c d 选型及镜头选择 本试验采用台湾敏通公司的m t v 1 8 8 1 e x 型靶面摄像机 其响应的光谱波长范围 在0 4 i 1 1 a m 之间 摄像机的技术性能指标见表2 11 表2 11m t v 1 8 8 l e x 副c c d 的性能参数 t vs y s t e m e l ac c i r i m a g ed e v i c e 1 2 j r i c hc c di m a g es e n s o r i m a g e a t e a 79 6 r a m 6 4 5 r a m c c d t o t a lp i x e l s 8 1 i h 5 0 8 v 7 9 5 h x 5 9 6 v h o d z o n t a lf r e q u e n e y157 3 4 k h z156 2 5 k h z v e d i c a lf r e q u e n c y6 0 h z5 0 h z s c a n n i n gs y s t e m 5 2 5 l i n e s 6 0 f i i e s s e c6 2 5 l i n e s 5 0 f i l c s s e c 配合m t v 1 8 8 1 e x 型c c d 本试验选用启光公司的f s l m 2 5 1 4 型镜头 图21 3 所示 焦距为2 5 r a m 镜头具体参数见表212 同时选用北京大恒公司的d h c 0 4 0 0 视频图像采集卡 c g 4 0 0 主要性能指标见表213 表2 i2 镜头参数表 焦距 像面尺寸 接口 焦孔比 f 视垢角度 最小距离 2 5 r a m i 您 l4 吒 0 3 砧们5 x 4 4 表21 3 c g 4 0 0 土要性能指标 r u 瞄2 l3 镜头实物图 2 1 2 近红外复合滤光系统的组成 利用被动视觉传感系统对熔池形貌进行在线跟踪的光源被广泛认为来源于熔池自 身热辐射光和熔池反射电弧光两部分 电弧光作为光源照亮熔池 c c d 摄像机根据熔 池对弧光的反射光光强在内部苍片上积聚相应的电荷 进一步通过模数转换获得熔池图 像 然而当电弧光太强时 熔池被强烈的电弧所笼罩 根容易造成c c d 摄像机的光饱 和 在计算机上所呈图像将是一片亮光 得不到真实完整的熔池图像 相反 如果电弧 光较弱时 则不能提供足够的光源对络池进行照明 熔池尾部较暗区域会囡光照不足而 不清晰甚至无法获得完整的熔池形貌 因此要采嶷高清晰的熔池图像 就需要尽可能的 硕上论文 m a g 焊单面焊双面成形熔池视觉特征与控制模型研究 降低进入c c d 镜头的电弧光强度 减少图像采集过程中的不利因素 提高信噪比 焊接电弧光谱的波长范围很广 在可见光与紫外光部分电弧光强极高 7 8 如图2 1 4 所示 当电弧波长为0 5 0 7 9 m 时 电弧光强达到峰值 另外 熔池自身辐射光是随电 弧波长的增大而增加的 为降低电弧光的干扰 提高熔池图像的信噪比 在弧光较弱的 近红外波段取像可以极大的抑制绝大部分的电弧光 而使熔池辐射光尽可能地全部被 c c d 接收 考虑到工业c c d 的取像波长上限是1 1 0 0 n m 试验选取1 0 6 4 r i m 近红外取像 窗口并配以1 的减光片作为试验的复合滤光系统 肛m 图2 1 4 电弧波长与光强的关系 2 1 3 复合滤光系统套筒的设计 视觉传感采集熔池图像的清晰度与诸多因素相关 例如c c d 摄像机相对于焊枪的 安装位置 近红外滤光系统的安装 焊材与母材性能 比如表面光洁度 等 试验采集熔池图像的过程中经常会发生如图2 1 5 所示的情况 常称之为 鬼像 鬼像 的存在会对图像处理造成困难 使得熔池轮廓的提取容易误判 产生伪边缘 利用一般的数字图像处理算法很难排除 鬼像 对主体熔池图像的干扰 因此 必须采 用尽可能的方法消除 鬼像 鬼像 的产生 绝大多数情况是由于近红外复合滤光系统中的滤光片和减光片之 间存在夹角 没有足够高的平行度所致 因此 本试验重新设计了复合滤光系统装置 图2 1 6 所示的是自行设计的复合滤光系统装置结构图 其中 a 区用于放置c c d 镜头 部分 b 区用于放置滤光片和减光片 安装时将滤光片和减光片置于a 区和b 区之间 的凸台上 再利用一个紧固螺环从右端拧入 将滤光片和减光片夹紧 c 区用于放置挡 飞溅用的玻璃片 为了方便及时更换玻璃片而尽量减小对减光片和滤光片的位置影响 利用套筒结构将玻璃片外置 与左端的主体部分 a b 部分 进行螺纹连接 方便拆卸 和更换玻璃片 2 m a g 焊单m 悍口面成 焊接t 艺h 骢与w 黉传赙系统颂 论文 圈215 具有 鬼像 现象的熔池图像 图217 所示的是复台滤光系统套简装置实物图 利用泼装置能够保证滤光片和减 光片之间良好的平行度 同时也保证了c c d 摄像机与复合滤光系统之间的同轴度 利 于采集清晰的熔池图像 葡 e 互 判 匠茏 阁216 近红外濉光系统装置的结构圈 图2 l7 近红外滤光系统实物蚓 硕十论文m a g 焊单面焊双面成形熔池视觉特征与控制模型研究 2 2m a g 焊单面焊双面成形焊接工艺试验研究 2 2 1 单面焊双面成形形态分类研究 单面焊双面成形坡口对接焊的主要困难在于如何保证背面焊缝的成形 良好的单面 焊双面成形熔透状态应既能保证正面焊缝有相当的焊缝宽度及余高 熔敷金属能够填满 坡口 同时背面焊缝成形均匀且具备适当的熔宽及余高 如图2 2 1 a 所示 但在实 际对接焊接生产中 常会出现多种焊接缺陷 最常见的即为熔透成形缺陷 包括未熔透 焊塌和焊穿 如图2 2 1 b c 和 d 所示 醯区羽一圆一f i 蔷蔷 c a 熔透 b 未熔透 c 焊塌 d 焊穿 图2 2 1 不同程度焊缝熔透成形特征 单面焊双面成形的焊接生产中常通过采用加垫板承托的方法强制液态熔融金属成 形 对于如小直径管道环焊缝 小直径容器封头焊接等难以采用加垫板的形式来进行焊 接的产品 往往利用自由成形的焊接方法 自由成形条件下的全熔透状态时 焊接熔池 完全依靠熔化的液态金属跟熔池壁之间的表面张力的承托作用来平衡包括电弧吹力 熔 池液态金属重力等力的作用 使得熔池保持动态平衡 焊接过程持续稳定进行 与加垫 板承托的情况相比较 自由成形条件下的单面焊双面成形对焊接热输入的要求更加严 格 保证热输入线能量的大小是保证背面焊缝成形的关键 线能量过小 会使得焊接接 头根部不能完全熔透 易发生未熔透缺陷 线能量过大 熔化金属易从焊缝背面漏出 使得焊缝正面凹陷 背面凸起 发生焊塌缺陷 严重情况下会将母材烧穿 形成焊穿成 形缺陷 如何避免单面焊双面成形缺陷的产生 保证焊接产品的质量 是本文研究的目 的之一 为了后续研究的方便 本文按照单面焊双面成形焊缝背面透过金属量的不同将焊缝 成形形态分为未熔透 全熔透 过熔透 焊塌和焊穿五类 分类标准见表2 2 1 1 3 2m a g 焊译面焊双面成形焊接工艺试验与视觉传感系统硕 论文 表2 2 1 单面焊双面成形形态分类标准 焊缝成形类型分类标准 未熔透 全熔透 过熔透 焊塌 焊穿 焊接板材坡口根部没有被完全熔化 焊缝根部完全熔化 且正面焊缝具有一定的余高 背面焊缝熔宽 小于4 m m 背面焊缝余高在小于2 r a m 成形均匀 焊缝根部完全熔化 且正面焊缝具有一定的余高或略有下榻 背 面焊缝熔宽大于3 s m m 背面焊缝余高在2 4 r a m 之间 成形均匀 焊缝根部完全熔化 正面焊缝严重下榻 背面焊缝熔宽人于5 r a m 背面焊缝余高大于4 m m 成形不均匀 焊缝根部金属被击穿 出现明显的熔孔 2 2 2 单面焊双面成形焊接工艺试验 本文进行的单面焊双面成形m a g 焊的具体焊接工艺条件如表2 2 2 为了寻求良好 的焊接工艺范围 进行了大量的焊接工艺试验 部分焊接工艺试验参数见表2 2 3 所示 试验发现 本次不加垫板的单面焊双面成形试验对焊接热输入的要求十分严格 因此合 适的工艺规范区间相对较窄 稍大幅度调整焊接热输入都将引起未熔透或者焊塌 甚至 焊穿缺陷的产生 表2 2 2 焊接试验工艺条件 1 4 相关参数内容 材料 坡口形式 接头形式 焊前处理 试验板尺寸 焊丝材料 牌号 焊丝直径 保护气种类 保护气流量 干伸氏 熔滴过渡形式 成形要求 低碳钢q 2 3 5 单边3 0 0 l m m 钝边 对接接头 表面打磨除锈 3 5 0 x 2 5 0 x 6m m h 0 8 m n 2 s i a 1 2 m m 8 0 a r 2 0 c 0 2 2 0 l m i n 1 2 r a m 短路过渡 单面焊双面成形 不加垫板 颂j 艟女m a g 埠单脚焊 面成肜熔池挑觉特征 控制模型岍究 表2 23 m a g 焊焊接r 艺参数表 通过大量焊接试验 获得了针对本焊接试验对象的合理焊接工艺范围 图2 22 给 出了焊接试验中一道熔透成形比较好的焊缝正反面外观图 其焊接工艺规范参数见表 2 23 中第七道 删2 2 2 单面焊双面成形焊缝正反面外观图 实际焊接过程中 由于焊接过程中可变因素非常多 比如周围环境变化 电网波动 板材坡口加工精度不高 焊接热变形 坡口间隙变化等 即使在同样的焊接热输入条件 下进行焊接 焊后所得焊缝的熔透情况却可能不尽相同 这一点在本文所进行的大量的 焊接试验中也得到了体现 如图2 23 所示为与表223 中第七道焊缝相同焊接工艺条件 下所获得的焊缝i f 反面外观图 焊缝前半部出现未熔透 后半部虽然焊透 但是背面透 过焊缝的熔化金属量少 成形不好 鉴于此种情况 本文尝试利用视觉传感技术对焊接 过程的熔池形貌进行监测 以实时获得反映焊接过程稳定状态和焊接熔透状况的有用信 息 从而根据这些特征信息对焊接过程进行判断 进而做出相应调整以保证良好的单面 笛竹 笛笛筋 如嚣如 姗 圳圳 姒蚋姗 阳蚰蛐蚰 加 鲫踮 5 5 5 5 5 5 5 5 2 3 4 5 6 7 8 9 m i 慢 2 m a g 焊单删焊 目成彤焊接i 艺试验与把持悻感系统 镕女 焊双面成形的质量 因而奉文的研究工作是非常有意义的 削2 23 单面焊双面成形焊缝外观圈 2 3 本章小结 l 建立了m a g 焊视觉传感系统 包括c c d 摄像机 镜头 图像采集卡 近红外 复合滤光系统的选择 2 设计了近红外复合滤光系统豹密封套筒 保证了滤光片与减光片及c c d 摄像机 镜头之间的平行度和同轴度 彻底解决了 鬼像 问题 3 进行了多组单面焊双面成形工艺试验研究 确定了短路过渡熔池图像采集工艺 试验方案 4 给出了在本文焊接条件下 单而焊双面成形焊缝熔透类型的评判标准 颂 论立m a g 掉单血焊双曲成蟮镕池桃m 特征与控制模型 兜 3 熔池图像特征信息处理系统与特征参数体系 利用数字图像处理技术对视觉传感所获得到的熔池正而图像进行处理 提取相关于 焊接过程稳定性和焊接质量信息的特征参数 通过分析焊接缺陷存在情况下的熔池形态 特征以及特征参数统计规律 以期能够将焊接 经验 转化为 科学 的智能判断 将 定性 的分析过程转化为 定量 的在线智能控制 3 1 熔池图像分区域灰度信息 图3ll 所示为焊接过程中实时采集所得的一帧完整的正面熔池图像 图像中易分 辨出焊接电弧区 熔池液态金属区 浮渣区 半凝固区瞰及母材背景区 圈3l2 为图 3ll 熔池图像的灰度直方图 欢度直方图能够反映熔池图像中像素处于不同级别版度值 出现的次数 图3j l 典型熔池图像 圈3 l2 熔池图像灰度直方图 在正面熔池形貌视觉传感中 虽然液态金属处于不断的动态流动过程 但通常将液 态熔池金属对电弧光的反射理解为近似镜面反射 由于电弧自身光照强烈 温度最高 在图3ll 所示的熔池图像中呈现出接近于饱和的执度像素级 观察得到电弧区域上半 部为向下的钟罩型 而电弧下半部为电弧经液态金属反射所成的电弧倒影 液态熔池金 属在焊接热源的作用下 温度较高 热辐射较大 且能镜面反射电弧先进入c c d 摄像 机 因此液态熔池区较亮 但明显暗于电弧区 液态熔池金属温度随着区域距电弧的距 离增加而递减 图像中熔池区的灰度级别也在递减 熔池内部浮渣往往稳定的存在于熔 池尾部 因浮渣的温度高于熔池尾部相邻区域 且浮渣的黑度小于铡液的黑度 所以熔 池图像中浮渣要比周围的液态熔池金属区域亮一些 图31l 中易辨别出浮渣的形态及 大小 焊接过程中液态熔池金属在电弧高温和电弧吹力综台作用下从熔池前端流向熔池 区域后方 随着焊接热源在焊接方向上不断前移 后部的液态熔池金属温度逐渐降低并 3 蚺池幽像特征信息k 理系统 特征参数体系 目 谴i 冷却 形成固液两相并存区域 即为半凝固区 温度相比于液态熔池区较低 表现在熔 池图像中半凝固区笺暗于熔池尾部及浮渣区 母材区对电弧光的反射为漫反射 只有部 分反射光线进入取像系统 因此母材区作为背景区表现晶暗 l a 熔池电弧区灰度直方图 b 熔池液态金属区灰度直方幽 一 j i i c 焙池浮渣区灰度直方圈 d 熔池半凝固区灰度直方图 图3 l3 熔池图像备区域灰度直疗酗 图313 a b c d 分别对麻所截取的部分电弧区 液态熔池医 浮渣区 半凝固区 忽略了各区域的过渡区域 的扶度直方圈 c c d 摄像机所采集得到的熔池 图像为灰度图像 故熔池图像的扶度级别介于0 2 5 5 之间 分析图313 可知电弧区的 扶度级别主要集中在2 2 0 2 5 0 熔池犀像素扶度级别主要集中在6 0 2 0 0 尾部