机器视觉在焊接熔池实时检测与参数测定中应用【文献综述】

毕业设计开题报告电气工程及其自动化机器视觉在焊接熔池实时检测与参数测定中应用1前言部分机械制造业作为我国国民经济的支柱产业，决定了我国的工业生产能力和水平，焊接作为制造业中总要的加工方法之一，更是有着举足轻重的作用。

随着科技水平的进步，人们对焊接质量的要求也越来越高。

而人工焊接时，由于受到技术水平、疲劳程度、责任心、生理极限等客观和主观因素的应影响，难以较长时间保持焊接工作的稳定性和一致性。

而且，由于焊接恶劣的工作条件，愿意从事手工焊接的人在减少，熟练的技术工人更有短缺的趋势。

另一方面，电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程的自动化提供了有利的条件，并已渗透到焊接的各个领域。

以往焊接质量主要是通过两种手段来保障。

焊前根据工件、材料、性能要求等制订合理的焊接工艺，但是焊接过程存在的时变性使得质量无法得到严格保证。

焊后可以进行质量检验，对不合格的焊缝，返修或者清理之后再重新焊接来保证焊缝质量，但这种检验方法费时又费力，况且某些焊接产品，如船舶、桥梁、大型压力容器、航天器材等一些重要的焊接件，是不允许出现焊接质量问题的。

因此焊接过程中的在线实时质量控制就显得尤为重要。

但是焊接这一技术领域长期以来采用的是传统焊接方法，尽管近些年来各类气保护焊也得到了广泛应用，但焊接变形、咬边、气孔、裂纹、应力集中、未焊合和夹渣等在缺陷问题仍然较严重。

同样，采用传统焊接方法进行生产，焊接接头的外观成形质量和一致性也无法得到保证，而且手工焊接也如先前所提的原因无法普遍适用。

很显然这些都成了制约焊接质量提高的根源，因此采用自动化、智能化焊接时焊接技术革新的根本出路。

随着焊接自动化智能化研究的深入，人们越来越注重对焊接质量的控制，其中熔透与成形直接反映了焊接质量，因此检测出反映焊缝熔透和成形质量信息对于质量控制是非常关键的。

目前国内外普遍使用各类传感装置对焊接熔池信息进行传感以便于对焊接过程进行控制，并以此作为智能化焊接要求实现的基础。

在各类广泛运用的焊接方法中，熔化极氩气体保护焊，以其特有的优点在工业生产中得到了广泛的应用。

使用该焊接方法，课焊接碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热合金钢铝及铝合金、镁合金、铜及铜合金、钛及钛合金等几乎所有厚度大于1mm 的金属，而且焊接效率高，金属飞溅[1]。

目前，国内外对采集钨极气体保护焊（GTAW）熔池图像研究较为成熟，而对于熔化极富氩气体电弧焊的熔池图像则较鲜见报道，此类图像的最大特点在于弧光强烈，只有在恰到好处地消除弧光干扰的前提下才能采集到比较真实的熔池图像。

目前对熔化极富氩气体保护焊在控制方面的研究内容不是特别丰富，因此对这个项目的任何一点尝试都是有实际意义的。

2主题部分2.1熔池传感方式的发展现状2.1.1视觉传感的概念视觉传感, 简言之, 是应用在生产装置的一种电子图像技术。

而这种生产装置不管它是出于过程控制, 机械控制, 还是质量控制等各种目的。

视觉传感器产品(即图像摄取装置, 分CMOS和CCD两种)把图像抓取到, 然后将该图像传送至处理单元, 通过数字化处理, 根据像素分布和亮度、颜色等信息, 来进行尺寸、形状、颜色等的判别。

进而根据判别的结果来控制现场的设备动作[ 2,3 ]。

2.1.2各类传感方式简介焊接过程的自动化合智能化是未来焊接技术的发展方向，但焊接过程是一个电、光、热、力等多种因素综合作用下的复杂的物理化学过程，焊接电弧更是一个多输入多输出，强耦合，非线性时变的控制对象，还具有干扰因素多等特点，因此这是一个具有挑战性的任务。

对焊接质量的控制最初体现在焊接过程的传感上面，鉴于目前焊接质量控制与焊接自动化业已成为焊接领域发展的前沿，为了实现上述目标，需要对焊接电弧内部的物理过程及现象，进行更为充分的研究以获取更多的信息。

焊接电弧中含有丰富的信息，是认识焊接物理过程的传感成了实现焊接过程质量控制的关键环节。

为此，技术人员开发了光学、声学、力学、电弧电压等各种形式的焊弧传感器器件用以实现对焊接过程的监控。

力学传感可以直接利用力学传感器采集焊接过程中的力信号，也可对熔池施加外力，熔池在外力作用下，产生其他信号形式的响应。

文献[4]利用电子天平检测出电弧力，通过电弧力、熔池下凹量和熔深之间的联系，间接推算出熔深，近年来研究较多的力学传感主要还是基于熔池振荡法[5,6]。

声学传感器由电压晶体材料制成，利用一定条件下电弧燃烧时发出的声音频率与熔池体积有着一一对应的关系，检测出声音频率，从而间接反映出熔池的一些特征参数。

主要被应用于等离子穿孔焊、激光焊的熔透传感、焊缝缺陷检测及焊缝跟踪等。

热电偶作为测温传感器也被应用于熔池信息的检测中，通过测量出熔池周围几点的温度，结合热平衡方程式计算出熔池的温度场，估算熔深等参数[7]。

电弧传感器利用电弧自身的特性，即电流、电压等，目前的应用领域主要是在焊缝跟踪和熔敷控制方面[8]。

熔化极脉冲焊打破了只有稳定焊接电流才能稳定焊接过程的传统观念，它利用脉动的电流进行焊接。

脉冲焊过程控制的主要内容集中在熔滴过渡的控制上，这些信息包括电信息、光信息、声音信息等。

研究表明：电信息可直接用过于过程检测和控制，对短路和大滴过渡有明显的反映，但对射流和射滴过渡，信号平稳，基本无脉动，不能反映电弧熔滴过渡过程，而声音信息经过声电转化和智能识别也能用以反映熔滴过渡，但生产现场的任何声音都可能成为干扰源，因此在焊接现场难以被采用。

普遍认为反映焊接熔滴过渡最直接的信息源是电弧弧光信息，并且弧光不易受干扰，许多学者据此进行了研究，并已取得了一定的进展[9]。

由于电弧熔滴自由过渡过程特别是射流过渡过程的信号本身就微弱，如果直接提取电弧光信号，则信号的信噪比太低，难以进行准确检测和控制，但与其它的传感方法相比，由于焊接电弧温度高、扰动打以及不均匀性，采用一般测试方法难以全面反映其中的各个变化过程，利用电弧光谱信息进行测控有着很大的优越性。

应用光谱分析来传感焊接电弧，则具有信息丰富、响应迅速、抗干扰能力强、不影响焊接过程和适于实时控制等优点，因此日益受到广泛的重视[10]。

借助于通过图像传感技术来获取焊接熔池直观丰富的图像信息，使用高效的图像处理算法，提取焊接熔池的特征信息，用以实现自动焊接过程质量实时传感与控制以成为近年来研究的热点。

利用机器视觉采集数字图像直观，信息丰富，而且数字化的图像数据，可以迅速传输到计算机高速缓存，进行实时处理，提取特征信息，并做出在线判决，使得现实焊接过程质量实时传感与控制成为可能。

将电弧光谱应用于焊接过程控制的前提，必须首先获得焊接电弧的光谱特征[11]。

2.2视觉信息传感技术机器人视觉信息传感涉及到几个部分的内容：视觉传感器、光源、视觉信息处理的硬软件。

在弧焊过程中，由于存在弧光、电弧、飞溅以及烟雾等多种干扰，使用何种视觉传感方法是首要确定的问题。

在弧焊机器人中，根据使用照明光的不同，可以将视觉方法分为被动视觉和主动视觉两种。

被动视觉是指利用弧光或普通光源和摄像机组成的系统。

其特点是采用适当的光学系统滤去大部分弧光，使熔池区图像清晰真实；主动视觉一般指具有特定结构光源与摄像机组成的视觉信息传感系统。

其特点是使用适当波长的光源，使之与电弧区别开来，从而光学传感器仅仅接受该波长的光线，而滤去弧光。

2.2.1 被动视觉传统被动式视觉图像传感所用传感器的设计原理是：根据光谱图找到某一波长范围，此波长对应的金属谱线的光谱强度大于焊接电弧的辐射强度，因而可以利用熔池自身的辐射成像。

例如，若取光谱中波长为( 601±2)mm区域，通过选择高性能的滤光玻璃，传感器只允许电弧和熔池以及工件表面的反射光中波长为λ＝（601±2）的光通过，形成熔池图像，并以此来观测焊接熔池变化。

为了避免焊接过程中强弧光等对视觉传感的干扰，在采用了合适波长的滤光片的同时也研究了如何利用合理的抓图时刻来排除干扰。

通过焊接工艺试验，总结了在拍摄TIG 焊图像的规律：a.在脉冲电流峰基值阶段的图像品质存在较大差异，其原因是脉冲电流峰值期间拍摄图像时，因电弧的弧光太强，焊缝信息淹没在弧光之中，导致从图像中获得焊缝位置信息的困难；而在脉冲电流基值期间进行拍摄图像时，电弧的弧光较弱，图像特征相对比较明显，包含的信息丰富，便于后续的图像处理。

b.在脉冲电流基值期间，不同时刻所拍摄的图像质量也不相同。

这是因为作为被动光源的电弧光强在脉冲电流基值期间总是由强转弱地不断变化。

针对电弧光强的这一特点，应该选择脉冲电流基值期间的某一个电弧光强适中的时刻来拍摄图像。

c.峰值电流42A峰值时间50ms，基值电流5A，基值时间80ms时，采用中心波长为860μm的滤光片，在峰值电流过后5ms后，可获取清晰、稳定、特征明显的实时焊缝图像。

研究发现co2焊熔池信息检测相对TIG焊要困难的多，不仅要避开电弧闪烁、飞溅和烟尘等干扰，而且还要解决好摄像机的固定工作时序与短路发生的随机性之间的矛盾。

研制成co2短路过渡焊接熔池图像检测专用传感器。

该传感器具有独特的光学设计，改善了装备此类视觉传感系统的焊枪的灵活性和可达性，且设计了短路过渡发生的随机性与普通CCD 摄像机固定曝光时序之间的这一矛盾的熔池图像检测控制电路，成功检测到短路过渡熔池图像，为从视觉角度进行焊缝跟踪、过程监控和质量控制奠定了基础。

2.2.2 主动视觉主动视觉一般是基于三角测量原理的视觉方法，其光源为单光面和多光面的激光和扫描的激光束。

为简单起见，分别称之为结构光法和激光扫描法。

由于光源是可控的，所获得的图像受环境的干扰可去掉，真实性好。

因而图像底层处理稳定、简单、实时性好。

根据埋弧焊的特点，通过对线阵CCD传感器在光源性质和光路结构上的改进，大大提高了传感器的抗干扰能力。

光源采用半导体激光器，光路结构改为线结构光照射焊缝，线阵CCD 在垂直方向接受散射光，这样可以有效地克服焊缝坡口信号对工件表面状况的敏感性。

激光经柱面透镜在工件表面汇聚成宽度很窄的结构光带，该光带在工件表面和坡口内部将形成一条空间曲线ABCDE。

选择适当的入射角使在垂直方向上的散射光最强，通过圆透镜在线阵CCD的感光带上成像。

当圆透镜的焦距足够大时，该光学系统的景深也相应较长。

可认为像曲线为一平面曲线abcde。

这样，来自工件表面的光能落在CCD上并使其感光，而坡口处的光带BC和CD所成的像bc 和cd落在CCD的感光部分之外，不能使CCD对应的像素感光，由此可以提取焊缝坡口位置信息。

光路中的滤光片用以增强系统的抗杂光干扰能力。

2.3图像处理及相关应用2.3.1图像处理过程简介在使用视觉传感技术进行焊缝跟踪控制的过程中， 激光二极管发出的点光源经过柱状镜变成一束线光源， 投射到工件表面。

由于试验中采用的是激光束垂直照射，CCD 倾斜接收的方案，这样可以同时得到工件表面和高度方向的两维信息。