專利名稱：基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域，特指一種基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法。
背景技術(shù)：
窄間隙電弧焊可分為窄間隙熔化極氣體保護(hù)電弧焊、窄間隙埋弧焊、窄間隙非熔化極氣體保護(hù)電弧焊等多種工藝，其中以窄間隙熔化極氣體保護(hù)電弧焊(簡稱窄間隙MIG/MAG焊)的利用率為最高。窄間隙MIG/MAG焊是一種在窄坡口條件下進(jìn)行的多層焊接方法，一般以每層單道或每層雙道的自動方式施焊，具有坡口形狀簡單、焊縫截面積小、焊接效率高、能耗少、焊接熱輸入低、焊接熱影響區(qū)小、接頭韌性好等優(yōu)點(diǎn)，在大厚度鋼板焊接中優(yōu)勢明顯，但也存在著坡口側(cè)壁熔合和焊縫跟蹤兩大技術(shù)難題。另外，窄間隙焊接坡口窄、電弧 弧光強(qiáng)、煙塵集中，難以人工方式監(jiān)控焊接過程。為了解決窄間隙坡口側(cè)壁熔合問題，國內(nèi)外先后開發(fā)出多種工藝技術(shù)，典型的有搖動電弧窄間隙焊(專利號為ZL 200810236274. 5、名稱為“搖動電弧窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊接方法及焊炬”)、旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊(專利號為ZL 200510038527. 4、名稱為“空心軸電機(jī)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接方法及裝置”)、超窄間隙焊、雙絲窄間隙焊等。但是在焊接過程中，往往受到坡口加工誤差、工件裝配誤差、接縫固定曲率、焊接熱變形等因素的影響，導(dǎo)致焊炬中心偏離接縫中心(即出現(xiàn)所謂的焊縫偏差)，如果對焊縫偏差不及時地進(jìn)行調(diào)整，將會影響焊接質(zhì)量。也就是說，即使采用了合適的熔透控制技術(shù)，如果不能保證焊炬中心線與工件坡口中心的嚴(yán)格對中，坡口兩側(cè)壁的均勻熔透實(shí)際上也無法保證。因此，開發(fā)適用于窄間隙焊接應(yīng)用的過程監(jiān)控和焊縫跟蹤技術(shù)，已成為能否保證其焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。傳感技術(shù)又是實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤的關(guān)鍵。焊縫跟蹤傳感方法一般有接觸式、電弧式、電磁式、光電式、視覺式等多種。其中，視覺傳感器因其具有與工件不接觸、信息量大(可兼作監(jiān)控)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、適用坡口形式多等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前景的傳感方法。目前，常用的視覺傳感器分為電荷耦合器件(CCD)式和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)式兩種，可將不同強(qiáng)度的光線信號轉(zhuǎn)換為不同幅度的圖像信息。與CCD式相比，CMOS傳感器具有芯片集成度高、功耗低、響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍廣(可達(dá)120dB)等優(yōu)點(diǎn)，可采用“線性+對數(shù)”的圖像信號放大模式，能對低亮度信號線性放大而對高亮度信號則進(jìn)行對數(shù)放大，在保證低亮度區(qū)域圖像對比度的同時盡可能地擴(kuò)展動態(tài)范圍，因此特別適合在像焊接這種明暗對比程度高的環(huán)境中工作。關(guān)于窄間隙焊接的視覺傳感技術(shù)研究不多。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，在名為“基于面陣CCD圖像處理的窄間隙焊自動跟蹤系統(tǒng)”(張富巨等，焊接技術(shù)，2000年，第29卷，第6期，36 37頁)一文中，提出了一種基于面陣CCD圖像處理的窄間隙焊自動跟蹤系統(tǒng)，其構(gòu)成包括工業(yè)控制計算機(jī)、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、鏡頭、減光和濾光系統(tǒng)等。該系統(tǒng)利用弧光的作用，使坡口內(nèi)部近坡口棱邊處(無焊槍遮擋部分)呈現(xiàn)出幾乎一致的白色，而坡口外的工件表面和棱邊處呈現(xiàn)出一致的黑色，通過計算白色條紋到窗口邊緣的距離與標(biāo)定的距離差，實(shí)現(xiàn)窄間隙焊縫跟蹤。該方法存在的缺點(diǎn)是(I)CCD攝像機(jī)動態(tài)范圍小，圖像質(zhì)量欠佳；(2)采集的圖像不是直接的電弧區(qū)域圖像，即傳感檢測位置與電弧實(shí)際位置不同步，降低了傳感檢測精度；(3)功能單一，不能同時監(jiān)測熔池和電弧信息。在名為“一種窄間隙焊接被動光視覺傳感器的研究”(許平非等，電焊機(jī)，2010年，第40卷，第3期，37 39頁)一文中，提出了一種窄間隙紅外CXD視覺傳感系統(tǒng)，其構(gòu)成包括計算機(jī)、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡和濾光系統(tǒng)等。該系統(tǒng)利用紅外CCD攝像機(jī)，配用中心波長為920nm的窄帶濾光片，采集焊接區(qū)域圖像，來觀測窄間隙焊接過程。該方法存在的缺點(diǎn)是(I)采用的CCD攝像機(jī)，動態(tài)范圍小、響應(yīng)速度較慢，影響焊接實(shí)時監(jiān)控和動態(tài)分析效果；(2)僅進(jìn)行窄間隙焊接過程的實(shí)時監(jiān)測，未見實(shí)現(xiàn)焊縫的同步跟蹤控制。在專利申請?zhí)枮?00910076527. I、名稱為“基于視覺檢測的窄間隙電弧焊接在線決策方法”中，公開了一種焊槍偏移調(diào)整(即為焊縫跟蹤控制)方法，通過CCD視覺傳感器檢測電弧擺動幅度中心(即電弧擺動中心)和焊縫寬度中心(即焊縫中心)，當(dāng)檢測到電弧擺動中心與焊縫中心不重合時，即對焊槍位置進(jìn)行調(diào)整。該方法存在的缺點(diǎn)是(I)只針對擺動 電弧應(yīng)用場合，工藝適用范圍窄；(2)需要通過多次邊緣和位置檢測才能獲取焊縫偏差信息，圖像處理工作量大，決策繁瑣費(fèi)時，影響焊縫跟蹤控制的實(shí)時性；(3)采用CCD視覺傳感方式，圖像質(zhì)量欠佳，影響檢測精度。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在傳感檢測精度較低、監(jiān)控效果欠佳、功能單一等缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種基于紅外CMOS視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法，能實(shí)時監(jiān)視窄間隙焊接過程中熔池、電弧和浮渣等的形狀和動態(tài)行為，并能提取出焊縫偏差信息以達(dá)到焊縫跟蹤的目的。本發(fā)明提出的基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法的技術(shù)方案是包括如下步驟
1)采用包含有紅外CMOS攝像機(jī)、濾光系統(tǒng)、圖像采集卡、計算機(jī)、顯示器的紅外視覺傳感系統(tǒng)，將攝像機(jī)與窄間隙焊炬固連后放置在焊炬前方并與工件底面呈20飛0°的夾角，利用窄間隙焊接電弧光和熔池自身輻射光作為光源采集焊接圖像，將焊接圖像信號經(jīng)圖像采集卡送入計算機(jī)，經(jīng)顯示器顯示；
2)攝像機(jī)采集焊前焊炬對中時基準(zhǔn)圖像或采集燃弧且電弧居中時基準(zhǔn)圖像，采用左側(cè)圖像截取窗口和右側(cè)圖像截取窗口分別對獲取的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行截取，得到坡口左側(cè)壁邊界或熔池左邊緣至左側(cè)圖像截取窗口左邊緣的左基準(zhǔn)邊界距離L”以及坡口右側(cè)壁邊界或熔池右邊緣至右側(cè)圖像截取窗口右邊緣的基準(zhǔn)邊界距離4；
3)當(dāng)電弧運(yùn)動至離坡口右側(cè)較近時，左側(cè)圖像截取窗口截取不受電弧干擾的左側(cè)圖像，并計算出熔池左邊緣至左側(cè)圖像截取窗口左邊緣的當(dāng)前左邊緣距離4，此時焊縫偏差特征值A(chǔ)z等于所述左基準(zhǔn)邊界距離Z7減去當(dāng)前左邊緣距離Zi，若Az=O則焊縫無偏差，即焊炬對中，若Az > 0則焊炬偏向坡口右側(cè)，若Az <0則焊炬偏向坡口左側(cè)；
4)當(dāng)電弧運(yùn)動至離坡口左側(cè)較近時，右側(cè)圖像截取窗口截取不受電弧干擾的右側(cè)圖像，并計算出熔池右邊緣到右側(cè)圖像截取窗口右邊緣的當(dāng)前右邊緣距離&，此時焊縫偏差特征值A(chǔ)z等于所述右基準(zhǔn)邊界距離4減去當(dāng)前右邊緣距離Zy，若Az=O則焊縫無偏差，即焊炬對中，若Λζ> O則焊炬偏向坡口左側(cè)，若Λζ < O則焊炬偏向坡口右側(cè)。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述紅外視覺傳感系統(tǒng)具有三種工作模式工作模式一是實(shí)現(xiàn)單一的窄間隙焊接監(jiān)控功能，工作模式二是實(shí)現(xiàn)單一的窄間隙焊縫偏差檢測功能，工作模式三是實(shí)現(xiàn)窄間隙焊接監(jiān)控和焊縫偏差檢測的雙重功能；對于工作模式一，所述計算機(jī)為一臺計算機(jī)；對于工作模式二，所述計算機(jī)為一臺計算機(jī)或一臺數(shù)字信號處理器；對于工作模式三，所述計算機(jī)是由主計算機(jī)和從計算機(jī)構(gòu)成的雙機(jī)系統(tǒng)，主計算機(jī)采集焊接區(qū)域圖像信息并送顯示器實(shí)時顯示，從計算機(jī)以定時或外部觸發(fā)方式向主計算機(jī)請求對應(yīng)時刻的圖像數(shù)據(jù)，并通過圖像處理實(shí)時提取焊縫偏差信息。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果
I)紅外CMOS攝像機(jī)體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍廣，配用窄帶紅外濾光系統(tǒng)，采集到的焊接區(qū)域圖像質(zhì)量高且焊絲、熔池、電弧和浮渣均清晰可見，實(shí)時監(jiān)控效果好，工程實(shí)用性強(qiáng)。2)在實(shí)時監(jiān)控的同時，還可以實(shí)現(xiàn)對焊縫偏差的同步檢測。并且針對搖動、旋轉(zhuǎn)、擺動等形式的運(yùn)動型電弧，通過小窗口截取遠(yuǎn)離電弧側(cè)的圖像進(jìn)行處理，避免了運(yùn)動電弧干擾，提高了焊縫偏差檢測精度。3)以焊前提取的焊炬對中時坡口側(cè)壁與工件底側(cè)面的邊界為基準(zhǔn)，并在焊前對該基準(zhǔn)邊界至圖像截取窗口邊緣的距離進(jìn)行標(biāo)定，可使得焊縫偏差檢測系統(tǒng)在施焊后即可同步投入使用，可消除檢測工作盲區(qū)。4)具有多種工作模式，即單純的窄間隙焊接實(shí)時監(jiān)控模式、單純的窄間隙焊縫偏差實(shí)時檢測模式、以及窄間隙焊接實(shí)時監(jiān)控與焊縫偏差實(shí)時檢測同步工作模式，可滿足不同應(yīng)用場合下的功能需求。5)針對運(yùn)動型電弧和非運(yùn)動型電弧等不同的窄間隙焊接工藝，采取相應(yīng)的小窗口圖像截取策略，并通過提取坡口單側(cè)邊緣來獲取焊縫偏差信息，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，焊縫偏差檢測實(shí)時性好。


圖I是窄間隙焊接的紅外視覺傳感系統(tǒng)示意圖。圖2是窄間隙焊接實(shí)時監(jiān)控效果實(shí)例圖，其中，圖2(a)為電弧搖到右側(cè)壁時電弧及熔池區(qū)域紅外視覺傳感效果圖，圖2(b)為電弧向左側(cè)壁搖動過程中電弧及熔池區(qū)域紅外視覺傳感效果圖，圖2(c)為電弧搖到左側(cè)壁時電弧及熔池區(qū)域紅外視覺傳感效果圖。圖3是采集的焊接區(qū)域圖像輪廓示意圖。圖4是窄間隙焊縫偏差檢測原理示意圖。其中，圖4(a)為焊炬對中情況下焊前采集的基準(zhǔn)圖像示意圖，圖4(b)為燃弧且電弧居中時采集的基準(zhǔn)圖像示意圖，圖4(c)為電弧運(yùn)動至離坡口右側(cè)壁較近時焊縫偏差特征值的檢測原理圖，圖4(d)為電弧運(yùn)動至離坡口左側(cè)壁較近時焊縫偏差特征值Λζ的檢測原理圖。圖5是采用圖像處理法檢測窄間隙焊縫偏差的流程圖。圖6是窄間隙焊前基準(zhǔn)圖像邊緣提取效果實(shí)例圖。其中，圖6(a)為圖像處理前截取的小窗口圖像，圖6(b)為經(jīng)過圖像處理的邊緣提取后圖像。圖7是窄間隙焊接時基準(zhǔn)圖像邊緣提取效果實(shí)例圖。其中，圖7(a)為圖像處理前截取的小窗口圖像，圖7(b)為經(jīng)過圖像處理的邊緣提取后圖像。圖8是窄間隙焊接過程中焊炬右偏0. 5mm時熔池右邊緣提取效果實(shí)例圖。其中，圖8(a)為圖像處理前截取的小窗口圖像，圖8(b)為經(jīng)過圖像處理的邊緣提取后圖像。圖9是焊縫偏差量J與圖像處理提取的焊縫偏差特征值A(chǔ)z之間關(guān)系圖。其中，圖9 (a)為直流焊情形，圖9(b)為脈沖焊情形。圖I中1 一窄間隙焊炬；2—紅外CMOS攝像機(jī)；3—濾光系統(tǒng)；4一圖像采集卡；5—計算機(jī)；6—顯不器；7—工件；8—溶池；9一焊縫；a —攝像機(jī)與工件底面的夾角。圖2中10—電??；11一焊絲；12—浮渣。圖3中13—熔池后邊緣；14一熔池前邊緣；15—熔池左邊緣；16—熔池右邊緣。圖4中17—工件左側(cè)壁與底側(cè)面的邊界線；18—工件右側(cè)壁與底側(cè)面的邊界線； 19一左側(cè)圖像截取窗口 ；20—右側(cè)圖像截取窗口 'L1 一坡口左側(cè)壁邊界17 (或溶池左邊緣15)至左側(cè)圖像截取窗口 19左邊緣的左基準(zhǔn)邊界距離一坡口右側(cè)壁邊界18 (或熔池右邊緣16)至右側(cè)圖像截取窗口 20右邊緣的右基準(zhǔn)邊界距離;4. 一電弧運(yùn)動至離坡口右側(cè)壁較近時熔池左邊緣15至左側(cè)圖像截取窗口 19左邊緣的當(dāng)前左邊緣距離一電弧運(yùn)動至離坡口左側(cè)壁較近時熔池右邊緣16至右側(cè)圖像截取窗口 20右邊緣的當(dāng)前右邊緣距離；Az—圖像處理提取的焊縫偏差特征值，即為焊縫偏差對應(yīng)的像素差。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明適用于搖動電弧窄間隙焊接、旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接、擺動電弧窄間隙焊接等運(yùn)動電弧焊接，以及非運(yùn)動電弧(如超窄間隙焊接)窄間隙焊接等場合。下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實(shí)施方式和實(shí)施過程做詳細(xì)說明。本發(fā)明的基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法采用如圖I所示的紅外視覺傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括窄間隙焊炬I、紅外CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)攝像機(jī)2 (含微距鏡頭)、濾光系統(tǒng)3、圖像采集卡4、計算機(jī)5、顯示器6。其中，紅外CMOS攝像機(jī)2變焦范圍為18 45mm、光圈值為5. 6 32，其與焊炬I機(jī)械固性連接后置于工件7的上前方，且與工件底面成20飛0°的夾角a ;濾光系統(tǒng)3與攝像機(jī)2同軸相連，該濾光系統(tǒng)包括窄帶濾光片、中性減光片、防護(hù)玻璃(即UV鏡)，窄帶濾光片的中心波長為70(Tll00nm，中性減光片的透過率為廣20%，防護(hù)玻璃用于防飛濺，利用窄間隙焊接電弧光和熔池8自身輻射光作為光源，通過濾光系統(tǒng)3能有效地消除弧光、煙塵、飛濺等干擾，并用中性減光片調(diào)節(jié)光強(qiáng)，以便能采集到清晰的焊接區(qū)域圖像；圖像采集卡4置于計算機(jī)5的卡槽內(nèi)并通過視頻線與攝像機(jī)2相連，將攝像機(jī)2采集的焊接圖像信號經(jīng)圖像采集卡4送入計算機(jī)5 ;顯示器6與計算機(jī)5相接，實(shí)時顯示采集到的焊接區(qū)域圖像。焊前，設(shè)置紅外CMOS攝像機(jī)2的工作模式，調(diào)整鏡頭焦距和角度，使焊絲端部及待焊區(qū)域的圖像清晰地顯示在顯示器6上。該系統(tǒng)具有三種工作模式通過模式一可實(shí)現(xiàn)單純的窄間隙焊接實(shí)時監(jiān)控功能，通過模式二實(shí)現(xiàn)單純的窄間隙焊縫偏差實(shí)時檢測功能，通過模式三則可達(dá)到窄間隙焊接實(shí)時監(jiān)控和焊縫偏差實(shí)時檢測的雙重功能。當(dāng)該系統(tǒng)在模式一方式下工作時，計算機(jī)5實(shí)際上為一臺計算機(jī)；當(dāng)該系統(tǒng)在模式二方式下工作時，計算機(jī)5為一臺計算機(jī)或一臺數(shù)字信號處理器(DSP);當(dāng)該系統(tǒng)在模式三方式下工作時，即在實(shí)時監(jiān)控與焊縫偏差檢測同步工作模式下，計算機(jī)5則是由主計算機(jī)和從計算機(jī)(或DSP)構(gòu)成的雙機(jī)系統(tǒng)，其中，主計算機(jī)負(fù)責(zé)采集焊接區(qū)域圖像信息、并送顯示器6實(shí)時顯示，從計算機(jī)(或DSP)以定時或外部觸發(fā)方式向主計算機(jī)請求對應(yīng)時刻的圖像數(shù)據(jù)，并通過圖像處理實(shí)時提取焊縫偏差信息。在工作模式二和工作模式三情況下，計算機(jī)5根據(jù)該焊縫偏差，通過焊縫糾偏機(jī)構(gòu)實(shí)時調(diào)整焊炬位置，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤控制。如圖2所示為基于紅外視覺 傳感的窄間隙焊接實(shí)時監(jiān)控效果實(shí)施例。這里，電弧運(yùn)動方式為圓弧形搖動，焊接方法為窄間隙MAG直流焊，計算機(jī)5為一款工業(yè)計算機(jī)，圖像采集卡4的型號為MicroEnable IV-ASl ;攝像條件是采用數(shù)字式紅外CMOS攝像機(jī)2，攝像機(jī)角度α為30°，攝像速度1000幀/秒，光圈值22，焦距20cm，濾光系統(tǒng)3中的窄帶濾光片中心波長808nm、半帶寬10nm，中性減光片透光率為10% ;焊接工藝參數(shù)焊接電流300A,焊接電壓29V,焊接速度20. 3cm/min,實(shí)芯焊絲直徑I. 2mm,焊炬高度18mm,保護(hù)氣體Ar+20%C02的流量為40L/min，低碳鋼試件坡口間隙12mm、坡角0°，電弧搖動頻率2. 5Hz、搖動幅值68°、搖動半徑6. 84mm，搖動電弧在坡口左右兩側(cè)壁停留時間各為100ms。圖2中，圖2(a)為電弧搖到右側(cè)壁停留時電弧10及熔池8區(qū)域紅外視覺圖像，圖2(b)為電弧向左側(cè)壁搖動過程中電弧10及熔池8區(qū)域紅外視覺圖像，圖2(c)為電弧搖到左側(cè)壁停留時電弧10及熔池8區(qū)域紅外視覺圖像?？梢?，無論電弧處在搖動過程中的何種位置，都能從圖像中清晰地觀察到焊絲11、熔池8、電弧10和浮渣12，從而達(dá)到實(shí)時監(jiān)控的目的。為了便于后續(xù)說明，本發(fā)明觀察到的焊接區(qū)域圖像可以用圖3所示的示意圖來表示，圖3中包括電弧10、焊絲11、熔池后邊緣13、熔池前邊緣14、熔池左邊緣15、熔池右邊緣16。窄間隙焊縫偏差檢測原理如圖4所示。在焊炬I對中情況下，采用紅外CMOS攝像機(jī)2采集焊前基準(zhǔn)圖像(其示意圖如圖4(a)所示)，或采集燃弧且電弧10居中時基準(zhǔn)圖像(其示意圖如圖4(b)所示)，并通過左側(cè)圖像截取窗口 19和右側(cè)圖像截取窗口 20分別對獲取的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行截取，得到坡口左側(cè)壁邊界17 (或熔池左邊緣15)至左側(cè)圖像截取窗口19左邊緣的左基準(zhǔn)邊界距離乙，以及坡口右側(cè)壁邊界18 (或熔池右邊緣16)至右側(cè)圖像截取窗口 20右邊緣的基準(zhǔn)邊界距離4。在采用運(yùn)動電弧焊接過程中，當(dāng)電弧10運(yùn)動至離坡口右側(cè)壁較近(相對于離左側(cè)壁)時，通過電弧運(yùn)動位置信號控制左側(cè)圖像截取窗口 19截取不受電弧10干擾的左側(cè)圖像進(jìn)行處理(如圖4(c)所示)，并計算出熔池左邊緣15至左側(cè)圖像截取窗口 19左邊緣的當(dāng)前左邊緣距離Zi,此時焊縫偏差特征值Lx (即為焊縫偏差對應(yīng)的像素差)等于左基準(zhǔn)邊界距離乙減去當(dāng)前左邊緣距離Zi，若Az=O則表示焊縫無偏差(此時焊炬I對準(zhǔn)焊縫9的中心)，若Λ^> O則表示焊炬I偏向坡口右側(cè)，若Λζ <0則表示焊炬I偏向坡口左側(cè)；當(dāng)電弧10運(yùn)動至離坡口左側(cè)壁較近(相對于離右側(cè)壁)時，通過電弧運(yùn)動位置信號控制右側(cè)圖像截取窗口 20截取不受電弧10干擾的右側(cè)圖像進(jìn)行處理(如圖4(d)所示)，并計算出熔池右邊緣16到右側(cè)圖像截取窗口 20右邊緣的當(dāng)前右邊緣距離&，此時焊縫偏差特征值Lx (即為焊縫偏差對應(yīng)的像素差)等于右基準(zhǔn)邊界距離4減去當(dāng)前右邊緣距離&，若Az=O則表示焊縫無偏差，若Λζ> O則表示焊炬I偏向坡口左側(cè)，若Δζ<0則表示焊炬I偏向坡口右側(cè)。通過上述小窗口截取遠(yuǎn)離電弧側(cè)的圖像進(jìn)行處理，能有效地避免運(yùn)動電弧的干擾，提高焊縫偏差檢測的精度和實(shí)時性。對于非運(yùn)動電弧窄間隙焊接(如超窄間隙焊接)來說，則可用小窗口截取坡口任一側(cè)焊接圖像進(jìn)行處理。圖像處理是焊縫偏差檢測的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，圖像處理檢測窄間隙焊縫偏差的流程如圖5所示，具體包括1)針對紅外CMOS攝像機(jī)2采集到的實(shí)時圖像，采用小窗口 19或20來截取遠(yuǎn)離電弧側(cè)的熔池與側(cè)壁邊緣15或16的圖像，以減少計算機(jī)5的圖像處理工作量，提高圖像處理速度，同時避免電弧干擾。2)采用中值法對截取后的圖像進(jìn)行平滑濾波，以降低焊接區(qū)域圖像信號中由弧光、飛濺、煙塵、外部環(huán)境干擾等引起的噪聲。3)通過對所截取圖像的灰度分析，找出熔池圖像與背景圖像灰度分布的峰谷點(diǎn)并定位閾值點(diǎn)后，對平滑后的圖像進(jìn)行閾值分割，即對圖像進(jìn)行黑白化處理，以簡化圖像層次，突出邊界，方便邊緣提取。4)利用將高斯濾波和拉普拉斯邊緣檢測算法結(jié)合在一起的Log邊緣算子，對閾值化后的圖像進(jìn)行平滑和積分處理濾除噪聲后，檢測熔池與背景圖像灰度特性發(fā)生變化的位置，提取出熔池8與坡口側(cè)壁之間的邊緣線。5)計算熔池與坡口側(cè)壁邊緣線到圖像截取窗口邊緣的當(dāng)前邊緣距離4.或^，并將計算出的當(dāng)前邊緣距離(簡稱當(dāng)前邊距)Zi或Zy與基準(zhǔn)邊界距離(簡稱基準(zhǔn)邊距)Z1或匕進(jìn)行比較，求得用像素差值A(chǔ)x表示的焊縫偏差特征量。圖6為焊炬對中情況下窄間隙焊前基準(zhǔn)圖像邊緣提取效果實(shí)例圖。攝像條件數(shù)字式紅外CMOS攝像機(jī)2的角度a為30°，光圈22，焦距20cm，無濾光片、無減光片；圖像 截取窗口大小為200X120像素；試件由三塊機(jī)加工的低碳鋼板點(diǎn)焊而成，底板長寬厚尺寸為250 X 75 X 16mm，左右側(cè)壁棱邊長寬高尺寸為250 X 16 X 20mm，由左右側(cè)棱邊沿底板長度方向圍成的12mm坡口間隙位于75mm寬的底板中央。圖6 (a)中，較亮處為試件底板,較暗處表示16mm寬的坡口右側(cè)棱邊；圖6(b)中，白線為經(jīng)圖像處理提取的坡口右側(cè)壁與試件底板的邊界線，即為右基準(zhǔn)邊界。圖7為焊炬對中情況下燃弧時獲取的基準(zhǔn)圖像邊緣提取效果實(shí)例圖，其中圖7(a)為圖像處理前截取的小窗口圖像，圖7(b)為經(jīng)過圖像處理的邊緣提取后圖像；圖8為窄間隙焊接過程中焊炬右偏0. 5_時熔池右邊緣提取效果實(shí)例圖，其中圖8(a)為圖像處理前截取的小窗口圖像，圖8(b)為經(jīng)過圖像處理的邊緣提取后圖像。其圖像截取窗口尺寸同圖6，其余試驗(yàn)條件與圖2中所涉及的相同。比較圖6(b)和圖7(b)中的白線位置，可知焊前和燃弧時獲得了幾乎一致的基準(zhǔn)邊界位置。將圖8(b)與圖8(a)比較可知，圖8(b)中白線表示的熔池右邊緣與圖8(a)中熔池與側(cè)壁實(shí)際邊界線基本重合，說明了本發(fā)明的圖像處理邊緣提取算法的有效性和可靠性。圖9為焊縫偏差量J與圖像處理提取的焊縫偏差特征值A(chǔ)z之間關(guān)系圖。其中，圖9 (a)為直流焊情形，圖9(b)為脈沖焊情形；焊縫偏差量^/的負(fù)值表示左偏、正值表示右偏。直流焊接試驗(yàn)條件與圖2中涉及的相同；脈沖焊接參數(shù)平均焊接電流300A、平均焊接電壓30V、電流脈沖占空比50%、脈沖頻率200Hz、脈沖峰值電流485A，其余試驗(yàn)條件與直流焊接時相同。從根據(jù)實(shí)際測量值得到的擬合結(jié)果來看，圖像處理提取的焊縫偏差特征值A(chǔ)z與實(shí)際焊縫偏差量V之間呈高度線性關(guān)系，且在直流焊接和脈沖焊接時無本質(zhì)性區(qū)別，說明本發(fā)明的窄間隙焊縫偏差檢測方法檢測精度高、實(shí)用性強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一種基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法，其特征是包括如下步驟 I)采用包含有紅外CMOS攝像機(jī)(2)、濾光系統(tǒng)(3)、圖像采集卡(4)、計算機(jī)(5)、顯示器(6)的紅外視覺傳感系統(tǒng)，將攝像機(jī)(2)與窄間隙焊炬(I)固連后放置在焊炬(I)前方并與工件(7)底面呈2(Γ60°的夾角，利用窄間隙焊接電弧光和熔池(8)自身輻射光作為光源采集焊接圖像，將焊接圖像信號經(jīng)圖像采集卡(4)送入計算機(jī)(5)，經(jīng)顯示器(6)顯示； 2)攝像機(jī)(2 )采集焊前焊炬(I)對中時基準(zhǔn)圖像或采集燃弧且電弧(10 )居中時基準(zhǔn)圖像，采用左側(cè)圖像截取窗口(19)和右側(cè)圖像截取窗口(20)分別對獲取的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行截取，得到坡口左側(cè)壁邊界(17)或熔池左邊緣(15)至左側(cè)圖像截取窗口( 19)左邊緣的左基準(zhǔn)邊界距離L1，以及坡口右側(cè)壁邊界(18 )或熔池右邊緣(16 )至右側(cè)圖像截取窗口( 20 )右邊緣的基準(zhǔn)邊界距離L2 ； 3)當(dāng)電弧(10)運(yùn)動至離坡口右側(cè)壁較近時，左側(cè)圖像截取窗口(19)截取不受電弧(10)干擾的左側(cè)圖像，并計算出熔池左邊緣(15)至左側(cè)圖像截取窗口(19)左邊緣的當(dāng)前左邊緣距離4，此時焊縫偏差特征值Lx等于所述左基準(zhǔn)邊界距離Z7減去當(dāng)前左邊緣距離Zi，若Az=O則焊縫無偏差，即焊炬對中，若Λζ> O則焊炬(I)偏向坡口右側(cè)，若Λζ<0則焊炬(I)偏向坡口左側(cè)； 4)當(dāng)電弧(10)運(yùn)動至離坡口左側(cè)壁較近時，右側(cè)圖像截取窗口(20)截取不受電弧(10)干擾的右側(cè)圖像，并計算出熔池右邊緣(16)到右側(cè)圖像截取窗口(20)右邊緣的當(dāng)前右邊緣距離Lj,此時焊縫偏差特征值Λζ等于所述右基準(zhǔn)邊界距離L2減去當(dāng)前右邊緣距離Zy，若Az=O則焊縫無偏差，即焊炬對中，若Λζ> O則焊炬(I)偏向坡口左側(cè)，若Λζ<0則焊炬(I)偏向坡口右側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法，其特征是所述紅外視覺傳感系統(tǒng)具有三種工作模式工作模式一是實(shí)現(xiàn)單一的窄間隙焊接監(jiān)控功能，工作模式二是實(shí)現(xiàn)單一的窄間隙焊縫偏差檢測功能，工作模式三是實(shí)現(xiàn)窄間隙焊接監(jiān)控和焊縫偏差檢測的雙重功能；對于工作模式一，計算機(jī)(5)為一臺計算機(jī)；對于工作模式二，計算機(jī)(5)為一臺計算機(jī)或一臺數(shù)字信號處理器；對于工作模式三，計算機(jī)(5)是由主計算機(jī)和從計算機(jī)構(gòu)成的雙機(jī)系統(tǒng)，主計算機(jī)采集焊接區(qū)域圖像信息并送顯示器(6)實(shí)時顯示，從計算機(jī)以定時或外部觸發(fā)方式向主計算機(jī)請求對應(yīng)時刻的圖像數(shù)據(jù)，并通過圖像處理實(shí)時提取焊縫偏差信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法，其特征是對所述圖像截取窗口截取的圖像進(jìn)行處理時，先采用中值法平滑濾波，再進(jìn)行灰度分析和閾值分割，最后利用將高斯濾波和拉普拉斯邊緣檢測算法結(jié)合在一起的Log邊緣算子對閾值化后的圖像進(jìn)行平滑和積分處理濾除噪聲，提取邊緣線。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法，其特征是對于非運(yùn)動電弧窄間隙焊接，用左側(cè)或右側(cè)圖像截取窗口相應(yīng)地截取坡口任一側(cè)焊接圖像進(jìn)行處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法，其特征是所述攝像機(jī)(2)變焦范圍為18 45mm、光圈值為5. 6 32，所述濾光系統(tǒng)(3)與所述攝像機(jī)(2)同軸相連，該濾光系統(tǒng)(3)包括中心波長為70(Tll00nm的窄帶濾光片、透過率為f 20%的中性減光片 、防護(hù)玻璃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。其紅外視覺傳感系統(tǒng)包括紅外CMOS攝像機(jī)、濾光系統(tǒng)、圖像采集卡、計算機(jī)和顯示器等。以窄間隙焊接電弧光和熔池自身輻射光作為光源，利用紅外窄帶濾光系統(tǒng)濾除干擾信號并調(diào)節(jié)光強(qiáng)，計算機(jī)實(shí)時采集并顯示紅外CMOS攝像機(jī)獲取的焊接圖像。通過圖像截取窗口截取遠(yuǎn)離電弧側(cè)的圖像進(jìn)行處理，并通過提取坡口單側(cè)邊緣來獲取焊縫偏差信息，可在有效避免運(yùn)動電弧干擾的同時，提高焊縫偏差檢測的實(shí)時性。本發(fā)明系統(tǒng)構(gòu)成簡單、監(jiān)控圖像清晰、焊縫偏差檢測精度高、抗干擾能力強(qiáng)、工程實(shí)用性好，可達(dá)到窄間隙焊接實(shí)時監(jiān)控和焊縫偏差同步檢測的目的。
文檔編號B23K9/16GK102814574SQ20121032592
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者王加友, 朱杰, 葉利利, 楊茂盛 申請人:江蘇科技大學(xué)