專利名稱：弧焊熔池動態(tài)特征視覺傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種視覺信息傳感方法，特別是一種弧焊熔池動態(tài)信息視覺傳感方法，屬于焊接切割領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對焊接裝配的質(zhì)量提出了更高的要求，為適應(yīng)工件形式和環(huán)境的變化，必須對焊接過程進(jìn)行閉環(huán)控制，而如何傳感準(zhǔn)確的焊接過程質(zhì)量信息已成為焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)。焊接熔池視覺圖像中含有豐富的焊接質(zhì)量信息，利用視覺傳感器獲取熔池圖像，可以得到如焊縫方向、間隙大小、熔池寬度和焊縫余高等信息，進(jìn)而可以進(jìn)行焊縫熔透和焊縫成形等控制。如“real-time imageprocessing for monitoring of free weld pool surface”(journal of manufacturingscience and engineering 1997(119))(“用于自由焊接熔池表面監(jiān)測的實時圖像處理?！盧.庫瓦西維克，制造科學(xué)與工程雜志，1997年5月，161～169，第5期。美國機械工程協(xié)會出版。)文中指出通過利用激光作為輔助光源，可以獲得焊接熔池正面熔寬和焊縫高度等信息，從而為焊接過程閉環(huán)控制打下基礎(chǔ)。但是上述研究和應(yīng)用存在很大的局限性。首先，采用從焊縫正面單側(cè)觀察方式只能獲取焊接熔池正面圖像，而焊接過程中，只根據(jù)焊縫正面熔池圖像無法全部了解焊縫的熔透和背面的成形狀況，因而無法全面監(jiān)控焊接質(zhì)量。其次，采用激光作為輔助成像光源，需要附加多種硬件，比如，電源、激光器等，這些硬件固定在焊槍端部，極大地影響了焊接過程中，焊槍運轉(zhuǎn)的空間和靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種弧焊熔池動態(tài)特征視覺傳感方法，該方法通過采用新型的光源代替成本高、結(jié)構(gòu)法雜的激光光源，并針對上述方法圖像有用信息含量少的缺點，提高所獲取的圖像信息含量，所獲取的圖像不僅含有熔池正面信息，同時還含有熔池背面信息。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明以焊接電弧光照明焊接熔池，采用濾光片截取反射電弧光中的特定波長范圍的光線作為成像光源，并用減光片調(diào)節(jié)光強，通過平面鏡反射作用改變光線傳播方向，采用CCD攝像機和普通光學(xué)鏡頭將同時刻的焊接熔池正面和反面信息成像在同一個CCD攝像機靶面(即焊接熔池同時同幅圖像)，不需要其他任何輔助光源成像。
以下對本發(fā)明方法作進(jìn)一步的說明，具體步驟如下(1)焊接過程中，電弧發(fā)光產(chǎn)生焊接電弧光，以焊接電弧光照明焊接熔池。
(2)電弧光被焊接正面熔池反射改變傳播方向，在CCD攝像機鏡頭與熔池之間設(shè)置濾光片，部分光線進(jìn)入濾光片，濾光片具有濾光作用，其中只有波長在520nm～630nm區(qū)間的光線可以通過濾光片，其余波長光線被濾除。
(3)在濾光片后部設(shè)置減光片，減光片與濾光片平行，光線通過濾光片后進(jìn)入減光片，減光片可以均勻降低不同波長的入射光的強度，防止由于光強過高導(dǎo)致的圖像細(xì)節(jié)模糊。
利用具有降低光強的減光片，這種減光片可以將進(jìn)入的具有可見光波長范圍的光線的強度同等地減弱相同的比例，避免因入射光線強度過高，使圖像各個部分的對比清晰，保證成像效果。
(4)在減光片后面設(shè)置平面鏡，光線經(jīng)過減光片后到達(dá)平面鏡，平面鏡的角度可以調(diào)整，保證光線能夠最終進(jìn)入攝像機鏡頭，光線被平面鏡反射后改變傳播方向，進(jìn)入CCD攝像機鏡頭，在CCD攝像機靶面成像，得到焊接熔池正面圖像。
(5)同時，焊接熔池背面發(fā)出的部分光線，也進(jìn)入另外設(shè)置在CCD攝像機鏡頭與熔池之間的減光片，調(diào)整光強后到達(dá)平面鏡，被平面鏡反射后改變傳播方向進(jìn)入同一個CCD攝像機鏡頭，在CCD攝像機靶面成像，得到焊接熔池反面圖像。這樣，同一時刻的焊接熔池正反面信息在同一幅圖像上得到體現(xiàn)，獲得焊接熔池正反面同時同幅圖像，實現(xiàn)焊接熔池動態(tài)信息視覺傳感，而且利用本發(fā)明方法可以單獨獲取所需的單側(cè)熔池正面或反面圖像信息，使用靈活。
采用CCD攝像機和普通光學(xué)鏡頭將同時刻的焊接熔池正面和反面信息成像在同一個CCD攝像機靶面，即焊接熔池同時同幅圖像，是利用平面鏡對光線的反射作用，改變?nèi)肷涔饩€的方向，使來自不同空間位置的焊接熔池正面和反面位置的光線能夠進(jìn)入同一個CCD攝像機的視野，并將熔池正反面信息同時成像于同一幅圖像之中。具體實現(xiàn)步驟如下a.引燃焊接電弧，電弧光照明焊接熔池正面；b.電弧光被熔池反射，到達(dá)平面鏡；c.到達(dá)平面鏡的光線發(fā)生發(fā)射，改變方向，經(jīng)濾光片和減光片進(jìn)入CCD攝像機鏡頭；d.同時，被焊接熔池背面反射的光線，到達(dá)平面鏡發(fā)生反射改變方向，經(jīng)過減光片進(jìn)入同一個CCD攝像機鏡頭；e.進(jìn)入CCD攝像機鏡頭的兩路光線將焊接熔池正反面信息同時成像于同一幅圖像之中。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，本發(fā)明取的焊接熔池信息含量豐富，且所用裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，成本低，集成度高，可以獲得清晰的焊接過程中焊接熔池正面和背面的圖像本，實現(xiàn)對焊接過程的有效監(jiān)測和控制。本發(fā)明在工作過程中以焊接電弧光作為成像光源，使焊接過程所產(chǎn)生的能量的到了充分的利用，不僅達(dá)到了節(jié)能的目的，而且極大地降低了設(shè)備成本，同時，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活。而以激光作為光源的傳感器由于需要附加激光發(fā)生器和輔助電援，不僅提高了設(shè)備成本，而且使焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，嚴(yán)重影響焊接設(shè)備運轉(zhuǎn)的靈活性。傳統(tǒng)的激光單側(cè)熔池圖像傳感方法，只能獲得焊接熔池正面圖像，無法得知焊縫背面情況，而焊縫的熔透是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，只有獲得焊縫背面信息，才能了解焊縫的熔透情況。采用本發(fā)明可以獲取完整的焊縫正反面圖像，實時了解焊縫熔透情況，完全可用于對焊接過程的監(jiān)視和控制，對保證產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要意義。
具體實施例方式
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的理解采用上述傳感方法進(jìn)行實際鋁合金TIG焊熔池同時同幅圖像獲取試驗，試驗條件如下焊接方法鋁合金TIG焊；試驗材料鋁合金LD12；材料規(guī)格250×50×3.5mm3；焊接電源INVERTER ELECON 500P；電源頻率2Hz；電流形式交流脈沖；送絲機構(gòu)CM-271；計算機PACK-610 industrial computer；CCD攝像機-MTV-1881EX；圖像采集卡VIEDEO-PCI-XR；濾光片參數(shù)520-630nm；減光片參數(shù)減光度70％和10％的減光片各一片；取像時刻脈沖基值期間；焊接規(guī)范取像基值電流90A，焊接速度可調(diào)節(jié)，送絲速度可調(diào)節(jié)。
具體實施過程如下采用牌號為LD12規(guī)格為250×50×3.5mm3的鋁合金焊件進(jìn)行焊接試驗，開啟焊接電源(INVERTER ELECON 500P)，產(chǎn)生頻率為2Hz，基值電流為90A的交流焊接電流，送絲機CM-271的送絲速度為10mm/s，焊接過程中產(chǎn)生電弧光，電弧光被熔池表面反射后，進(jìn)入濾光片，濾光片的透光波長為520-630nm，因此只有波長位于520-630nm內(nèi)的光線通過濾光片進(jìn)入位于后面的減光片，減光片的透光率為10％，因此，通過減光片后光強為原來的10％，光強得到調(diào)整。然后上述光線到達(dá)平面鏡，被平面鏡反射改變傳播方向，進(jìn)入CCD攝像機-MTV-1881EX的鏡頭，在攝像機靶面上成像。同時，焊接熔池背面光線進(jìn)入另外的減光片，減光片的透光率為70％，因此通過減光片后，光強降為原來的70％，然后，光線進(jìn)入位于CCD減光片后方的平面鏡，被平面鏡反射后進(jìn)入CCD攝像機-MTV-1881EX的鏡頭，在攝像機靶面上成像，這樣在同一個CCD攝像機的靶面上得到同時刻的熔池的正反面圖像。利用型號為VIEDEO-PCI-XR的圖像采集卡和型號為PACK-610 industrial computer計算機采集上述圖像得到焊接熔池的同時同幅圖像。
采用上述設(shè)備及試驗條件，可以獲取鋁合金TIG焊條件下清晰的焊接熔池正反面熔池同時同幅圖像。從圖像中可以觀察到正面熔池邊緣、反面焊縫邊緣、正面熔池金屬堆積情況、母材金屬、反面焊縫突起、焊縫方向、噴嘴位置、焊絲位置等情況。
權(quán)利要求
1.一種弧焊熔池動態(tài)特征視覺傳感方法，其特征在于，以焊接電弧光照明焊接熔池，采用濾光片截取反射電弧光中的特定波長范圍的光線作為成像光源，并用減光片調(diào)節(jié)光強，通過平面鏡反射作用改變光線傳播方向，采用CCD攝像機和普通光學(xué)鏡頭將同時刻的焊接熔池正面和反面信息成像在同一個CCD攝像機靶面，即焊接熔池同時同幅圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的弧焊熔池動態(tài)特征視覺傳感方法，其特征在于，具體步驟如下(1)焊接過程中，電弧發(fā)光產(chǎn)生焊接電弧光，以焊接電弧光照明焊接熔池；(2)電弧光被焊接正面熔池反射改變傳播方向，在CCD攝像機鏡頭與熔池之間設(shè)置濾光片，部分光線進(jìn)入濾光片，濾光片具有濾光作用，其中只有波長在520nm～630nm區(qū)間的光線通過濾光片，其余波長光線被濾除；(3)在濾光片后部設(shè)置減光片，減光片與濾光片平行，光線通過濾光片后進(jìn)入減光片，減光片均勻降低各波長入射光的強度，防止光強過高導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)模糊；(4)在減光片后面設(shè)置平面鏡，光線經(jīng)過減光片后到達(dá)平面鏡，通過調(diào)整平面鏡的角度保證光線最終進(jìn)入攝像機鏡頭，光線被平面鏡反射后改變傳播方向，進(jìn)入CCD攝像機鏡頭，在CCD攝像機靶面成像，得到焊接熔池正面圖像；(5)同時，焊接熔池背面發(fā)出的部分光線，也進(jìn)入另外設(shè)置在CCD攝像機鏡頭與熔池之間的減光片，調(diào)整光強后到達(dá)平面鏡，被平面鏡反射后改變傳播方向進(jìn)入同一個CCD攝像機鏡頭，在CCD攝像機靶面成像，得到焊接熔池反面圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的弧焊熔池動態(tài)特征視覺傳感方法，其特征在于，焊接熔池同時同幅圖像是通過平面鏡對光線的反射作用，改變?nèi)肷涔饩€的方向，來自各空間位置的焊接熔池正面和反面位置的光線進(jìn)入同一個CCD攝像機的視野，并將熔池正反面信息同時成像于同一幅圖像之中，具體實現(xiàn)步驟如下a.引燃焊接電弧，電弧光照明焊接熔池正面；b.電弧光被熔池反射，到達(dá)平面鏡；c.到達(dá)平面鏡的光線發(fā)生發(fā)射，改變方向，經(jīng)濾光片和減光片進(jìn)入CCD攝像機鏡頭；d.同時，被焊接熔池背面反射的光線，到達(dá)平面鏡發(fā)生反射改變方向，經(jīng)過減光片進(jìn)入同一個CCD攝像機鏡頭；e.進(jìn)入CCD攝像機鏡頭的兩路光線將焊接熔池正反面信息同時成像于同一幅圖像之中。
全文摘要
一種弧焊熔池動態(tài)信息視覺傳感方法屬于焊接切割領(lǐng)域。本發(fā)明以焊接電弧光照明焊接熔池，采用濾光片截取反射電弧光中的特定波長范圍的光線作為成像光源，并用減光片調(diào)節(jié)光強，通過平面鏡反射作用改變光線傳播方向，采用CCD攝像機和普通光學(xué)鏡頭將同時刻的焊接熔池正面和反面信息成像在同一個CCD攝像機靶面。本發(fā)明取的焊接熔池信息含量豐富，且所用裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，成本低，集成度高，可以獲得清晰的焊接過程中焊接熔池正面和背面的圖像本，實現(xiàn)對焊接過程的有效監(jiān)測和控制。
文檔編號B23K31/02GK1448239SQ0311616
公開日2003年10月15日 申請日期2003年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月3日
發(fā)明者陳善本, 王建軍, 林濤, 邱濤, 陳文杰, 王偉 申請人:上海交通大學(xué)