焊接电弧高速摄影技术及其同步装置.pdf

箩 路 杨运强 l 张晓琪l 李俊岳2 李 桓 2 l 株洲工学院 湖南 株洲4l2008 2 天津大学 天津300072 摘要 高速摄影是一种先进实用的实验手段 广泛用于焊接熔滴过渡研究中 着重介绍了这一 技术应用的背光技术和同步技术 并实际设计了高速摄影同步装置 实现了多种信息同步的高 速摄影 关键词 高速摄影 同步 焊接电弧 中图分类号 TG403文献标识码 A文章编号 l00l 2303 2003 0l 00ll 04 收稿日期 2002 08 27 基金项目 国家自然科学基金资助项目 59975068 作者简介 杨运强 l966 男 湖南宁乡人 教授 博士 现为 北京工业大学机电学院博士后 主要从事焊接物 理及焊接自动控制研究工作 Technology of high speed photograph of welding arc and its synchronizer YANG Yun giangl hHANG Xiao gil LI Jun yue2 LI Huan2 l hhuzhou Institute of Technoiogy hhuzhou 4l2008 China 2 Tianjin University Tianjin 300072 China Abstract High speed photograph is an advanced usefui method which is wideiy used in the research work of dropiet transfer of weiding arc This paper mainiy introduces the back iight technoiogy and synchronizes technoiogy and a new synchronizer reaiizes muiti signai synchronize of high speed photography of weiding arc Key words high speed photograph synchronization weiding arc 第33卷第l期 2003年l月 Voi 33 No l Jan 2003Eiectric weiding machine 前言 高速摄影 高速摄像技术是一种先进的测试手 段 它能把一个高速的运动过程或高速瞬变过程的 空间信息和时间信息联系在一起 作为能够记录高 速过程的一种手段 在焊接中 常用于熔滴过渡过 程的研究 l 目前 很多单位都购置了或正准备购置高速摄 影或高速摄像机 但使用上尚存在一些问题 影响 了设备的正常应用 在此就这方面的问题进行分析 并介绍一些解决办法 1背光技术及其光路 由于电弧是一个高亮度辐射光源 直接取像看 不到其内部变化过程 必须采用背光技术取像 对 背光的要求是在高速摄影胶片处所接受的光的强 度必须至少强于电弧本身的弧光 背光及其光路的 选用和配合直接影响高速摄影摄像质量 可以选用的背光光源有2类 一类是以氙灯 碘 钨灯为代表的点光源背光光源 另一类是以激光为 代表的平行光背光光源 摄影 摄像装置也因背光类 型的不同而不同 图l是焊接电弧高速摄影装置图 其中图la是背光光源为氙灯 碘钨灯的摄影装置 图lb 是背光光源为激光的摄影装置 图l高速摄影光路示意图 由于背光光源为点光源 如氙灯 碘钨灯 其自 身光强与距离的平方成反比 与电弧类似 因此 必 须利用反射和透镜聚焦作用 使光源收敛 以提高 光源的利用率 同时 其光谱选择性比不上激光 难以 利用滤光片衰减弧光 滤除弧光的任务完全由小孔 光阑来承担 由于背光光源具有一定尺寸 不能通过 ll 箩 路 透镜严格聚焦于一点 因此光阑小孔直径也不能太 小 滤除弧光的作用是有限的 加大背光功率 提高 背光 电弧光的比值是提高图像效果的首选途径 背光光源为平行光源 一般为激光 时 由于激 光为单色平行光源 可以通过透镜聚焦成一个很小 的点 在光强比的调节上具有独特的优越性 因此 利用扩束和聚焦作用能够拍出视场较大的 清晰程 度较好的画面 由于激光为单色光 使干涉滤光片的 选择比较容易 可以使在高速摄影胶片处所接受的 光的强度远高于电弧弧光 同时还可以用小孔光阑 调节弧光与背光的比例 激光为背光不足之处是由 于激光的相干性 光路中的污物 如镜头上的灰尘 等 容易在底片上产生干涉而形成干涉花纹 形成较 大的光斑 将严重破坏所摄取的图像质量 因此以 激光为背光时 镜头污物的清理尤为重要 在熔滴过渡高速摄影中 弧光与背光的亮度应 该有一个合适的比例 如果背光太弱 熔滴就显示 不出来 仅靠调整曝光参数或加滤光片的普通摄影 方法无法满足两者的亮度比例要求 采用小孔光阑 技术 是提升电弧图像清晰度的较好办法 以碘钨灯等一般光源为背光 适合拍摄弧光较 弱的短路过渡过程 激光为背光更适合拍摄弧光较 强的自由过渡电弧熔滴过程 信号同步技术 目前所拥有的高速摄影机有2类 一类仅摄取 图像并在胶片上打时标 仅能通过时标确定相邻照 片之间的时间间隔 不能记录与电弧行为相关的其 他信息 即所谓非同步高速摄影 另一类为在摄取 图像和在胶片上打时标同时 在胶片上还显示l路 信号波形 即所谓同步高速摄影 时标仅能反映图 像之间的相对间隔 不能与所采集到的电弧各种信 息进行对比分析 因此很多物理过程也就被忽略掉 了 于研究工作不利 现有的所谓同步高速摄影只能 显示l路信号 虽有利于熔滴过渡行为与信号波形 的对比研究 但信号波形直接打在胶片上 破坏了 图像效果 2 即使能在胶片上同时显示多路信息 由 于电弧图像效果将更坏 也不利于电弧熔滴过程分 析 对于电弧同一过程 所采集到的信息越多 越有 利于研究 随着焊接电弧研究的深入 要求捕捉其中 熔滴过渡过程所对应的电弧各种信息之间的关系 从中发现一些电弧的变化特征 高速摄影胶片图像与计算机所采得的信号必 须有一个同步媒介才能使它们紧密联系在一起 高 速摄影所摄得的图像是拍摄过程的某些不连续时 间点的像 它与连续的信号变化通过时标媒体就可 以进行对应 因此 最好的信号媒介莫过于脉冲电信 号 利用该信号可以在胶片上打下信号点 同时又 可以送计算机采集 通过计算机采得的脉冲信号和 胶片上信号点对照 就可以实现多信号的同步 因为高速摄影开始时存在胶片加速过程 当胶 片加速到正常速度后所摄得的胶片图像才能是清 晰图像 这段时间的长短受太多因素的影响 同样的 规范下拍摄时胶片加速时间长短存在很大的误差 靠胶片加速和信号采集同时起动不能保证信号的 同时性 因此不能利用采集一般高速摄影机的时标 打点信号来实现同步 必须另外设计信号同步装置 采用外加同步标度信号打点能很好地解决高 速摄影同步的问题 即 利用时标信号在高速摄影 胶片边沿打下印记 同时该时标信号和电弧的其他 信号一道采集在计算机中 通过时标这一媒体 很方 便地实现电弧信息与熔滴过渡图像进行对应 图2为 多信号同步高速摄影信号波形及其对应关系示意 图 图形上部为高速摄影胶片及其所打的时标和同 步时标 图形的下部自下至上依次为计算机所采集 林玉驹 PENTAZET 35高速摄影机说明书 天津 天津大学 精密仪器教研室 l980 图2多信息同步高速摄影示意图 研究与设计第33卷 l2 箩 路 到的焊接电流 电弧电压 电弧熔滴过渡光谱信号 及其同步时标信号 我们可以利用同步时标这一媒 介把信号波形发生时刻和高速摄影胶片上的电弧 图像进行对应 以确定电弧的具体行为是在什么样 的电弧信号下产生的 从中找出其关系 加深对电 弧的认识 图3为同步标度信号产生方式 采用多重循环计数的同步时标信号能大大增 强同步信号的可读性 多重脉冲发生器工作方式是 起动打点前 一直输出高电平 起动打点后 先打出 外循环标志 外循环标志与外循环数一致 然后再 打内循环 内循环中又包括10个小循环 通过外循 环标志可确定胶片图像大体位置 通过内循环和小 循环再确定图像具体准确位置 这样 通过3轮循环 不必去寻找同步标度信号开始点就能在不太长的 胶片上 惟一确定同步标度信号位置 理论上在胶 片长度和计算机容量足够大的情况下 无论采样和 拍摄信号时间多长 任何时刻波形和图像都能在胶 片上和计算机上反映出来 而不会因为信号的重复 而发生信号错位现象 3 同步装置介绍 上述同步信号的产生是通过单片机产生的 通 过单片机和PC机的配合 利用高速摄影机原来信号 接口很方便地实现了多信号同步高速摄影 这里结 合德国产PENTAZET 35高速摄影机对其增加的 同步装置进行介绍 图4为同步装置系统硬件简图 由于高速摄影 机采用较高的电压 200 300 V 和较大的电流 相对 单片机而言 显然不能直接与单片机电路相连 同 时为了单片机和计算机的安全 也要求进行信号隔 图3同步标度信号 图4多信息同步高速摄影系统硬件简图 研究与设计第1期杨运强等 焊接电弧高速摄影技术及其同步装置 13 箩 路 离 信号隔离的同时还要进行功率放大 才能保证系 统的正常工作 图4中高速摄影胶片加速直接由PC 机控制 同步标度信号由单片机产生 并由PC机 控制起动 单片机和PC机共地 而它们和高速摄影 机之间采用光藕隔离 PC机在起动同步标度信号输 出同时开始信号采样 包括同步标度信号和与高速 摄影有关的其他信号 这样就实现了多信息同步高 速摄影 图5为同步高速摄影工作时序图 具体的工作 时序是 在高速摄影前 先起动高速摄影机的电源 电机空载运转 摄影正式开始时 由PC机向上述单 片机系统发出胶片加速的命令 电机带载运行 胶片 从静止加速到正常速度 这段时间需要约0 38 ms 经 验值 后由PC机再向上述单片机系统发出起动时 标信号打点的命令 单片机输出的时标脉冲经过信 号隔离 接通高速摄影同步时标发生器电路的M N 即可在胶片靠里位置打出同步时标信号 同时开始 采集数据 完成同步高速摄影 4应用情况介绍 利用上述技术 成功地进行了多信息同步的高 速摄影 验证了熔滴过渡特征光谱信息与熔滴过渡 的对应关系 验证了利用熔滴过渡光谱传感器在线 检测与控制脉冲焊熔滴过渡效果 获得了很大的成 功 具体结果可参阅文献 3 5结论 对高速摄影的背光技术和同步技术进行了介 绍 设计了专门的高速摄影多信息同步装置 并进 行了实际应用 从研究结果可得到如下结论 a 焊接电弧高速摄影必须采用背光技术 不同 背光有不同的应用特点 摄影光路也必须根据不同 的背光情况作相应的改变 b 多信息同步高速摄影非常有利于焊接电弧物 理过程的研究 本研究提出的高速摄影同步方案能 很方便和准确地实现多信息同步高速摄影 参考文献 1 安藤弘平 长谷川光雄 焊接电弧现象 增补版 M 北京 机械工业出版社 1985 2 张龙 脉冲MIG MAG 焊熔滴过渡的弧光传感及其实时 控制 D 哈尔滨 哈尔滨工业大学 1992 3 杨运强 熔化极脉冲焊熔滴过渡的光谱在线传感与控制 的研究 D 天津 天津大学 2002 图5同步高速摄影工作时序 国际电工委员会 IEC 于2002年2月在新加坡设立了新亚洲太平洋中心 以下简称亚太中心 来自 20个国家150多位代表出席了新地区中心成立大会 随之召开了高层研讨会 讨论了参与IEC工作的亚 太地区各国在受益方面的诸多问题 澳大利亚1925年加入IEC并成立了IEC澳大利亚国家委员会 澳大利亚标准已形成完整的体系 目 前已有6 000多项澳大利亚标准 包括澳大利亚 新西兰标准 澳大利亚国际标准有限公司 前身是澳大利亚标准协会 简称澳大利亚标准 是93个IEC技术委员会 和分技术委员会的P成员 并主持4个IEC秘书处的工作以及为一些技术专家在60多个IEC技术委员会 的工作组供职 澳大利亚每年举行一次IEC会议 而且在1979年和1993年举行了2次IEC大会 澳大利亚作为理事局的成员参与IEC的管理工作 并积极参与IEC合格评定活动 并且是首批非欧 洲国家认证机构之一 IEC国际标准通过消除贸易壁垒 寻找新的市场和贸易机遇促进世界贸易 澳大利亚标准是第一批 声明遵守TTO贸易技术壁垒协议附录3 良好行为规范 的国家标准机构之一 澳大利亚制定了采用国际 标准的政策 经过30年的采用国际标准工作 采用率为目前现有IEC国际标准的90 IEC带给澳大利亚的主要好处包括 更有效率的生产 更低的设计成本 更简单的投标和商业合作 更好地用通用语言进行交流 法规与执行的透明度 摘自 电焊机标准化通讯 IEC积 极 支 持 地 区 标 准 化 研究与设计第33卷 14 焊接电弧高速摄影技术及其同步装置焊接电弧高速摄影技术及其同步装置 作者 杨运强 张晓琪 李俊岳 李桓 作者单位 杨运强 张晓琪 株洲工学院 湖南株洲412008 李俊岳 李桓 天津大学 天津300072 刊名 电焊机 英文刊名 ELECTRIC WELDING MACHINE 年 卷 期 2003 33 1 被引用次数 7次 参考文献 3条 参考文献 3条 1 杨运强 熔化极脉冲焊熔滴过渡的光谱在线传感与控制的研究 2002 2 张龙 脉冲MIG MAG 焊熔滴过渡的弧光传感及其实时控制 学位论文 1992 3 安藤弘平 长谷川光雄 焊接电弧现象 1985 引证文献 7条 引证文献 7条 1 乔慧娟 焦向东 周灿丰 赵华夏 焊接电弧高速图像采集 期刊论文 北京石油化工学院学报 2009 4 2 李明利 杨战胜 李桓 激光高速摄像系统在观察熔滴过渡过程中