熔池视觉传感的应用与研究现状.doc

熔池视觉传感的应用与研究现状摘要：焊接熔池形状和尺寸对焊缝成形具有非常重要的作用，对焊接接头的性能也有重要影响。利用视觉传感方法采集熔池信息，从而达到对焊接质量的自动化控制，是现在焊接界的一个重要的研究方向。关键词：视觉传感方式 熔池视觉传感采集系统 熔池视觉传感研究现状0 序言焊接质量控制的研究是焊接过程自动化的重要组成部分。由于对焊接过程自动化和智能化水平的要求日益提高，对焊接质量的控制变得尤为重要。近年来，随着计算机视觉技术的发展，利用机器视觉直接观察焊接熔池，通过图像处理获取熔池的几何形状信息，对焊接质量进行闭环控制，已成为重要的研究方向1-3。焊接熔池是影响焊接质量的重要因素,熔池的尺寸(正面熔宽,熔深或背面熔宽，余高)直接关系到焊接接头的力学性能,焊接过程中熔池尺寸的稳定对于焊接质量的保证是非常重要的;另外,熔池中包含着丰富的信息,在焊接实践中,熟练的焊工主要是通过观察熔池的变化等因素来调整焊接参数获得满意的焊缝成形。因此,焊接熔池的视觉传感成为近年来国内外研究的热点之一4。1视觉传感方式目前，国内外研究人员对焊接过程熔池信息传感及时已经进行了大量的研究5-6。声、力、电、热传感器在熔池信息过程中受到多种干扰的影响，特别是伴随电弧、工作环境等复杂的物理过程和随机过程产生的干扰以及传感器自身的一些缺点，较难在焊接过程质量控制中准确全面地采集传感熔池信息。与其他传感方法相比，视觉传感器不与焊接回路相接触，信号检测不影响正常焊接过程。它能提供丰富的信息，如熔池特征、接头形状、电弧形态、焊丝位置及已凝固的喊道形状等，并能直接反应焊接过程熔化金属的动态行为，更适合于焊接质量控制过程中熔池信息的采集传感。近些年来，光学器件成本下降，计算机视觉技术的发展，各种图象处理算法的产生和完善，为视觉传感器在焊缝成形检测与控制中的应用提供了条件7。根据视觉传感系统中成像光源是辅助光源还是焊接区自身光源，视觉传感系统可分为主动式和被动式两大类8。 主动式视觉检测方法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、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9。但由于在主动式视觉传感中，所采用的高能量密度的脉冲光源和特殊电子快门的摄像机，价格昂贵，且设备复杂，限制了这种方法在实际中的应用10。被动式视觉传感不另加辅助光源，而是利用弧光本身照明和熔池自身辐射成像。这一方法需要焊接作为材料加工的一种重要手段在工业生产中得到广泛应用。2 熔池信息传感采集系统熔池信息传感采集的系统基本上由复合滤光片组、CCD摄像机、图像采集卡、计算机及图像处理软件等构成。导光通路传输加热区区热辐射光线，经复合滤光片组消除弧光干扰，近红外CCD摄像机将采集到的加热区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，提取出加热区信息特征、比较满意的图像。其系统组成图（图1）和熔池信息采集系统流程图（图2）如下所示。图1 熔池信息采集系统组成图加热区复合滤光片组近红外CCD图像采集卡工业控制计算机 计算机图像处理 软 件图2 熔池信息采集流程图3 熔池视觉传感的应用（1）通过图像处理提取熔池的特征参数来控制焊接过程目前焊接自动化、智能化已成为焊接技术的主要发展方向。焊接智能化技术的核心是实现焊接过程和质量的实时检测与自动调整控制11。随着焊接自动化，智能化技术的发展，基于熔池视觉传感的焊接质量控制已成为当今焊接界的一个研究热点12-14。熔池的形状和大小对于熔池的冶金反应、晶体结构、焊接缺陷等等具有极其重要的影响，它直接决定着焊缝的成形和内在质量。描述熔池的特征参数包括熔池的正面宽度、正面长度、正面高度、后拖角、背面宽度、背面长度和背面高度。焊接过程中熔池背面的形状无法直接观测，但是可以通过观测熔池正面的形状参数来预测背面的形状参数。熟练的焊接工人通过观测正面熔池特征参数、工件的接头形式、电弧的形状和熔滴过渡形式等来预测背面的形状和尺寸参数，通过调节焊接参数实现熔透的控制，保证焊接质量的稳定。因此熔池正面形状信息的提取对于焊接过程控制具有非常重要的作用。目前熔池形状参数的提取主要集中在熔池的二维信息，但是熔池的表面高度更能反映焊缝熔透与背面成形情况，与焊缝余高有一定的对应关系，对于熔池形状的控制具有非常重要的作用。但是由于焊接过程中存在着声、光、电、磁、高温、飞溅和烟尘的干扰，同时焊接熔池具有体积小、重量轻、温度高且分布不均匀、高温存在时间短、冷却速度快、熔池受到各种力的作用处于动态运动过程中、填充金属的熔化和凝固过程同时存在等特点，因此熔池表面高度的测量和计算非常困难。目前，国内外针对TIG焊、脉冲MIG焊及MAG焊等熔池图像信息检测和处理进行了大量研究，并在熔池形貌检测与实时控制、焊缝跟踪等方面取得了成功应用15-18，例如，安徽省港航勘测设计院的王平对PTIG焊建立近红外CCD熔池动态信息的图像检测系统对熔池进行了检测，山东兖矿集团东华建设有限公司刘志永等人对连续电流对接TIG焊，利用视觉普通摄像机从试件正面检测出了熔池形状参数等等。除了不锈钢和碳钢材料外，有人还对铝及铝合金的熔池视觉图像传感进行了研究，获取得了比较清晰的图像，而且针对不同的焊接方法和用意建立了熔池视觉检测系统等19。采集了熔池的某些形状参数之后，我们可以利用控制单元达到对焊接工艺参数的调节。从我们已学知识可以知道，利用人工神经元控制模型通过采集熔深、熔宽来控制焊接电流、焊接电压。在一篇题为基于熔池视觉的MAG焊的焊接缺陷特征识别的硕士论文中较系统地对熔池图像特征以及典型焊接缺陷之间关系进行了试验研究，得到了表面气孔、内部气孔(夹渣)、焊穿、未熔合等缺陷对应的熔池图像特征。可见对熔池图像特征的采集在焊接工作中的应用，我们仍需要不断创新研究，发现它的新用途。（2）弧焊过程中加热区包括电弧、熔池、熔渣、焊道，可以通过熔池传感系统采集加热区中熔池的视觉图像信息。下面对焊偏情况下的熔池视觉图像特征以及焊枪高度快速变化状况下的熔池视觉图像特征进行简单的介绍。1）焊枪高度快速变化状况下的熔池视觉图像特征：随着喷嘴相对高度的增大，焊丝的干伸长度明显变长，电弧以及加热区相对下移，同时气体对加热区的保护效果也变差，图像上可以观察到明显的飞溅。焊丝发生下移时的瞬间电弧跳弧现象以及跳弧后残留的电弧热效应虚图像。2） 焊偏状况下的熔池视觉图像特征（此部分内容参考王克鸿老师的“材料加工过程控制”的课件）现以焊枪左偏情况下的熔池图像特征进行介绍。对焊接时获取的图像进行灰度分析，由灰度分布可以发现，其左侧灰度值上升部分的宽度很窄，右侧陡降部分宽度很大。一般认为，在图像灰度值渐变区域是熔合区及焊缝区，如果图像左侧上升部分的宽度与右侧陡降部分的宽度相差无几，则说明熔合得较好。对图像进行轮廓提取并进行数学运算，可以得到表征焊枪偏离程度的焊偏参数。4熔池视觉传感的研究现状熔池形状和尺寸对焊缝成形具有非常重要的作用，熔池的形状和尺寸的传感是焊缝成形控制的基础，焊接过程中声、光、电、磁、热等信息可以用来传感熔池的形状信息。如熔滴过渡，根据电弧的变化监测GMAW过程的焊接质量；利用电传感实现熔敷控制；超声波传感熔透情况；熔池振荡法监测熔池的体积和熔透信息；温度传感器用于控制MIG/MAG焊的熔深；光学传感器获取熔池的二维和三维信息。视觉传感方法如上文叙述可以分为主动式视觉传感和被动式视觉传感两种。通过查阅文献，找到了下面有关熔池视觉传感的研究现状的两张表，如下所示。表120和表220分别是焊接熔池主动式视觉传感器和焊接熔池被动式传感器的研究现状。表1 熔池主动式视觉传感技术的研究现状表2 熔池被动式传感技术的研究现状（待续）（续）表2 熔池被动式传感技术的研究现状参考文献：1. Kovacevic R, Zhang Y.M. Vision Sensing of 3D Weld Pool Surface. Proceedings of the 4th International Conference on Trends in Welding Research, Gatlinburg, Tennessee, USA, 5-8, June, 1995 2. ZhangY.M., Li L. and Kovacevic R. Monitoring of Weld Pool Appearance for Penetration Control. Proceedings of the 4th International Conference on Trends in Welding Research, Gatlinburg, Tennessee, USA, 5-8, June, 1995 3. Kovacevic R., Zhang.Y.M and Beardsley.H. On-line Sensing of Metal Transfer for Adaptive Control of GMA Welding. Proceedings of the 4th International Conference on Trends in Welding Research, Gatlinburg, Tennessee, USA, 5-8, June, 1995 4. 刘习文，王国荣，石永华，钟继光。焊接熔池传感与控制系统的研究现状，20045. 王克鸿，汤新臣，刘永，等.富氨气体保护焊熔池视觉信息传感试验研究.机械工程学报，2004 6. 王建军，林涛，陈善本.铝合金TIG焊熔池图像的获取与处理J.机械程学报，20037. 赵冬斌. 基于三维视觉传感的填丝脉冲GTAW熔池形状动态智能控制D. 哈尔滨工业大学博士学位论文. 2000.8. Bentley A. E., Marberger S. J. Arc Welding Penetration Control Using Quantitative Feedback Theory. Welding JournalJ. 1992, Vol.9. Kovacevic R., Zhang Y. M. Three-dimension Measurement of Weld Pool SurfaceC. Proceedings of the International Conference on Modeling and Control of Joining Processeses, Oriando, Florida，USA, 199310. 闫志鸿，张光军，高洪明，吴林，P-GMAW正反面熔池图像传感研究11. 潘际变.现代弧焊控制.北京:机械E业出版社，200012. 陈强，孙建国.计算机视觉传感技术在焊接中的应用J.2001，2 (1)13. 张广军，陈善本，刘晓东.脉冲GTAW焊接区视觉图像传感系统.焊管，200114. 汤新臣，郭国林，虞剑，光学传感技术在熔池信息检测中的应用.机械制造与自动化，200315. 陈念，孙振国，陈强.基于视觉图像传