熔池視覺傳感的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀.doc

熔池視覺傳感的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀摘要：焊接熔池形狀和尺寸對(duì)焊縫成形具有非常重要的作用，對(duì)焊接接頭的性能也有重要影響。利用視覺傳感方法采集熔池信息，從而達(dá)到對(duì)焊接質(zhì)量的自動(dòng)化控制，是現(xiàn)在焊接界的一個(gè)重要的研究方向。關(guān)鍵詞：視覺傳感方式 熔池視覺傳感采集系統(tǒng) 熔池視覺傳感研究現(xiàn)狀0 序言焊接質(zhì)量控制的研究是焊接過程自動(dòng)化的重要組成部分。由于對(duì)焊接過程自動(dòng)化和智能化水平的要求日益提高，對(duì)焊接質(zhì)量的控制變得尤為重要。近年來，隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，利用機(jī)器視覺直接觀察焊接熔池，通過圖像處理獲取熔池的幾何形狀信息，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行閉環(huán)控制，已成為重要的研究方向1-3。焊接熔池是影響焊接質(zhì)量的重要因素,熔池的尺寸(正面熔寬,熔深或背面熔寬，余高)直接關(guān)系到焊接接頭的力學(xué)性能,焊接過程中熔池尺寸的穩(wěn)定對(duì)于焊接質(zhì)量的保證是非常重要的;另外,熔池中包含著豐富的信息,在焊接實(shí)踐中,熟練的焊工主要是通過觀察熔池的變化等因素來調(diào)整焊接參數(shù)獲得滿意的焊縫成形。因此,焊接熔池的視覺傳感成為近年來國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一4。1視覺傳感方式目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)焊接過程熔池信息傳感及時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究5-6。聲、力、電、熱傳感器在熔池信息過程中受到多種干擾的影響，特別是伴隨電弧、工作環(huán)境等復(fù)雜的物理過程和隨機(jī)過程產(chǎn)生的干擾以及傳感器自身的一些缺點(diǎn)，較難在焊接過程質(zhì)量控制中準(zhǔn)確全面地采集傳感熔池信息。與其他傳感方法相比，視覺傳感器不與焊接回路相接觸，信號(hào)檢測(cè)不影響正常焊接過程。它能提供豐富的信息，如熔池特征、接頭形狀、電弧形態(tài)、焊絲位置及已凝固的喊道形狀等，并能直接反應(yīng)焊接過程熔化金屬的動(dòng)態(tài)行為，更適合于焊接質(zhì)量控制過程中熔池信息的采集傳感。近些年來，光學(xué)器件成本下降，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，各種圖象處理算法的產(chǎn)生和完善，為視覺傳感器在焊縫成形檢測(cè)與控制中的應(yīng)用提供了條件7。根據(jù)視覺傳感系統(tǒng)中成像光源是輔助光源還是焊接區(qū)自身光源，視覺傳感系統(tǒng)可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類8。 主動(dòng)式視覺檢測(cè)方法采用激光等輔助光源對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行人工照明，以提高圖像的質(zhì)量。由于激光具有單波長(zhǎng)，方向性、相干性好等特點(diǎn)，所以采用激光作為輔助光源可以獲得較清晰的圖像9。但由于在主動(dòng)式視覺傳感中，所采用的高能量密度的脈沖光源和特殊電子快門的攝像機(jī)，價(jià)格昂貴，且設(shè)備復(fù)雜，限制了這種方法在實(shí)際中的應(yīng)用10。被動(dòng)式視覺傳感不另加輔助光源，而是利用弧光本身照明和熔池自身輻射成像。這一方法需要焊接作為材料加工的一種重要手段在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。2 熔池信息傳感采集系統(tǒng)熔池信息傳感采集的系統(tǒng)基本上由復(fù)合濾光片組、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)及圖像處理軟件等構(gòu)成。導(dǎo)光通路傳輸加熱區(qū)區(qū)熱輻射光線，經(jīng)復(fù)合濾光片組消除弧光干擾，近紅外CCD攝像機(jī)將采集到的加熱區(qū)圖像信息以視頻信號(hào)形式輸入至圖像采集卡，最終由計(jì)算機(jī)上的圖像處理軟件處理后，提取出加熱區(qū)信息特征、比較滿意的圖像。其系統(tǒng)組成圖（圖1）和熔池信息采集系統(tǒng)流程圖（圖2）如下所示。圖1 熔池信息采集系統(tǒng)組成圖加熱區(qū)復(fù)合濾光片組近紅外CCD圖像采集卡工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)圖像處理 軟 件圖2 熔池信息采集流程圖3 熔池視覺傳感的應(yīng)用（1）通過圖像處理提取熔池的特征參數(shù)來控制焊接過程目前焊接自動(dòng)化、智能化已成為焊接技術(shù)的主要發(fā)展方向。焊接智能化技術(shù)的核心是實(shí)現(xiàn)焊接過程和質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)與自動(dòng)調(diào)整控制11。隨著焊接自動(dòng)化，智能化技術(shù)的發(fā)展，基于熔池視覺傳感的焊接質(zhì)量控制已成為當(dāng)今焊接界的一個(gè)研究熱點(diǎn)12-14。熔池的形狀和大小對(duì)于熔池的冶金反應(yīng)、晶體結(jié)構(gòu)、焊接缺陷等等具有極其重要的影響，它直接決定著焊縫的成形和內(nèi)在質(zhì)量。描述熔池的特征參數(shù)包括熔池的正面寬度、正面長(zhǎng)度、正面高度、后拖角、背面寬度、背面長(zhǎng)度和背面高度。焊接過程中熔池背面的形狀無法直接觀測(cè)，但是可以通過觀測(cè)熔池正面的形狀參數(shù)來預(yù)測(cè)背面的形狀參數(shù)。熟練的焊接工人通過觀測(cè)正面熔池特征參數(shù)、工件的接頭形式、電弧的形狀和熔滴過渡形式等來預(yù)測(cè)背面的形狀和尺寸參數(shù)，通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)實(shí)現(xiàn)熔透的控制，保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。因此熔池正面形狀信息的提取對(duì)于焊接過程控制具有非常重要的作用。目前熔池形狀參數(shù)的提取主要集中在熔池的二維信息，但是熔池的表面高度更能反映焊縫熔透與背面成形情況，與焊縫余高有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于熔池形狀的控制具有非常重要的作用。但是由于焊接過程中存在著聲、光、電、磁、高溫、飛濺和煙塵的干擾，同時(shí)焊接熔池具有體積小、重量輕、溫度高且分布不均勻、高溫存在時(shí)間短、冷卻速度快、熔池受到各種力的作用處于動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中、填充金屬的熔化和凝固過程同時(shí)存在等特點(diǎn)，因此熔池表面高度的測(cè)量和計(jì)算非常困難。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)TIG焊、脈沖MIG焊及MAG焊等熔池圖像信息檢測(cè)和處理進(jìn)行了大量研究，并在熔池形貌檢測(cè)與實(shí)時(shí)控制、焊縫跟蹤等方面取得了成功應(yīng)用15-18，例如，安徽省港航勘測(cè)設(shè)計(jì)院的王平對(duì)PTIG焊建立近紅外CCD熔池動(dòng)態(tài)信息的圖像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)熔池進(jìn)行了檢測(cè)，山東兗礦集團(tuán)東華建設(shè)有限公司劉志永等人對(duì)連續(xù)電流對(duì)接TIG焊，利用視覺普通攝像機(jī)從試件正面檢測(cè)出了熔池形狀參數(shù)等等。除了不銹鋼和碳鋼材料外，有人還對(duì)鋁及鋁合金的熔池視覺圖像傳感進(jìn)行了研究，獲取得了比較清晰的圖像，而且針對(duì)不同的焊接方法和用意建立了熔池視覺檢測(cè)系統(tǒng)等19。采集了熔池的某些形狀參數(shù)之后，我們可以利用控制單元達(dá)到對(duì)焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)。從我們已學(xué)知識(shí)可以知道，利用人工神經(jīng)元控制模型通過采集熔深、熔寬來控制焊接電流、焊接電壓。在一篇題為基于熔池視覺的MAG焊的焊接缺陷特征識(shí)別的碩士論文中較系統(tǒng)地對(duì)熔池圖像特征以及典型焊接缺陷之間關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了表面氣孔、內(nèi)部氣孔(夾渣)、焊穿、未熔合等缺陷對(duì)應(yīng)的熔池圖像特征?？梢妼?duì)熔池圖像特征的采集在焊接工作中的應(yīng)用，我們?nèi)孕枰粩鄤?chuàng)新研究，發(fā)現(xiàn)它的新用途。（2）弧焊過程中加熱區(qū)包括電弧、熔池、熔渣、焊道，可以通過熔池傳感系統(tǒng)采集加熱區(qū)中熔池的視覺圖像信息。下面對(duì)焊偏情況下的熔池視覺圖像特征以及焊槍高度快速變化狀況下的熔池視覺圖像特征進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。1）焊槍高度快速變化狀況下的熔池視覺圖像特征：隨著噴嘴相對(duì)高度的增大，焊絲的干伸長(zhǎng)度明顯變長(zhǎng)，電弧以及加熱區(qū)相對(duì)下移，同時(shí)氣體對(duì)加熱區(qū)的保護(hù)效果也變差，圖像上可以觀察到明顯的飛濺。焊絲發(fā)生下移時(shí)的瞬間電弧跳弧現(xiàn)象以及跳弧后殘留的電弧熱效應(yīng)虛圖像。2） 焊偏狀況下的熔池視覺圖像特征（此部分內(nèi)容參考王克鴻老師的“材料加工過程控制”的課件）現(xiàn)以焊槍左偏情況下的熔池圖像特征進(jìn)行介紹。對(duì)焊接時(shí)獲取的圖像進(jìn)行灰度分析，由灰度分布可以發(fā)現(xiàn)，其左側(cè)灰度值上升部分的寬度很窄，右側(cè)陡降部分寬度很大。一般認(rèn)為，在圖像灰度值漸變區(qū)域是熔合區(qū)及焊縫區(qū)，如果圖像左側(cè)上升部分的寬度與右側(cè)陡降部分的寬度相差無幾，則說明熔合得較好。對(duì)圖像進(jìn)行輪廓提取并進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以得到表征焊槍偏離程度的焊偏參數(shù)。4熔池視覺傳感的研究現(xiàn)狀熔池形狀和尺寸對(duì)焊縫成形具有非常重要的作用，熔池的形狀和尺寸的傳感是焊縫成形控制的基礎(chǔ)，焊接過程中聲、光、電、磁、熱等信息可以用來傳感熔池的形狀信息。如熔滴過渡，根據(jù)電弧的變化監(jiān)測(cè)GMAW過程的焊接質(zhì)量；利用電傳感實(shí)現(xiàn)熔敷控制；超聲波傳感熔透情況；熔池振蕩法監(jiān)測(cè)熔池的體積和熔透信息；溫度傳感器用于控制MIG/MAG焊的熔深；光學(xué)傳感器獲取熔池的二維和三維信息。視覺傳感方法如上文敘述可以分為主動(dòng)式視覺傳感和被動(dòng)式視覺傳感兩種。通過查閱文獻(xiàn)，找到了下面有關(guān)熔池視覺傳感的研究現(xiàn)狀的兩張表，如下所示。表120和表220分別是焊接熔池主動(dòng)式視覺傳感器和焊接熔池被動(dòng)式傳感器的研究現(xiàn)狀。表1 熔池主動(dòng)式視覺傳感技術(shù)的研究現(xiàn)狀表2 熔池被動(dòng)式傳感技術(shù)的研究現(xiàn)狀（待續(xù)）（續(xù)）表2 熔池被動(dòng)式傳感技術(shù)的研究現(xiàn)狀參考文獻(xiàn)：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. 劉習(xí)文，王國(guó)榮，石永華，鐘繼光。焊接熔池傳感與控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，20045. 王克鴻，湯新臣，劉永，等.富氨氣體保護(hù)焊熔池視覺信息傳感試驗(yàn)研究.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004 6. 王建軍，林濤，陳善本.鋁合金TIG焊熔池圖像的獲取與處理J.機(jī)械程學(xué)報(bào)，20037. 趙冬斌. 基于三維視覺傳感的填絲脈沖GTAW熔池形狀動(dòng)態(tài)智能控制D. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文. 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. 閆志鴻，張光軍，高洪明，吳林，P-GMAW正反面熔池圖像傳感研究11. 潘際變.現(xiàn)代弧焊控制.北京:機(jī)械E業(yè)出版社，200012. 陳強(qiáng)，孫建國(guó).計(jì)算機(jī)視覺傳感技術(shù)在焊接中的應(yīng)用J.2001，2 (1)13. 張廣軍，陳善本，劉曉東.脈沖GTAW焊接區(qū)視覺圖像傳感系統(tǒng).焊管，200114. 湯新臣，郭國(guó)林，虞劍，光學(xué)傳感技術(shù)在熔池信息檢測(cè)中的應(yīng)用.機(jī)械制造與自動(dòng)化，200315. 陳念，孫振國(guó)，陳強(qiáng).基于視覺圖像傳