CN102430853B - 基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法 - Google Patents

Abstract

基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法，涉及一种图像视觉传感方法，是为了解决目前无法对电子束焊接进行实时的视觉传感的问题。它在在发射阴极上施加高压电，使发射阴极和接收阳极之间产生电子束；所述电子束入射至聚焦线圈的中心，并在聚焦线圈的作用下聚焦后入射至偏转线圈的中心，在所述偏转线圈的作用下产生偏转后入射至工作件的上表面，并在待测工作件的上表面形成电子束焊熔池；CCD摄像机采集所述电子束焊熔池的图像，并将所述图像输出给计算机。本发明适用于电子束焊熔池图像采集。

Description

基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法

技术领域

本发明涉及一种图像视觉传感方法。

背景技术

焊接熔池的相关特征参数，如熔深，熔宽等是影响焊接接头机械性能的重要因素，并为焊接过程质量控制提供了重要的数据信息，通过对熔池某些参数的控制就可以实现对焊接质量的控制，获得满足使用要求的焊缝。因此，焊接熔池动态过程的传感与控制成为近年来焊接自动化领域研究的热点问题之一。

焊接熔池视觉传感具有提供信息量丰富直观，灵敏度高，动态响应特性好，抗干扰能力强等优点，是目前最为重要的熔池传感与检测方法。但是目前对于熔池视觉传感的研究多集中于电弧焊等传统焊接工艺，电子束焊由于在真空环境下进行，焊接过程中又伴随有强烈的电磁干扰，要实现对熔池图像的实时采集难度较大，目前国内外解决这一问题的合理方法尚未见报道。

周龙早等在2006年9月发表的《CO₂焊接熔池直接视觉图像传感研究》公开了一种CO₂焊接熔池直接视觉图像传感方法，但是该方法是针对焊接熔池进行的视觉传感，而并不能对电子束焊接进行实时的视觉传感。

发明内容

本发明是为了解决目前无法对电子束焊接进行实时的视觉传感的问题，提供一种基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法。

基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法，电子束焊熔池图像视觉传感系统包括发射阴极2、接收阳极3、聚焦线圈4、偏转线圈5、CCD摄像机7、真空室8和计算机9；发射阴极2、接收阳极3、聚焦线圈4、偏转线圈5、CCD摄像机7均位于真空室8中；在发射阴极2上施加高压电，使发射阴极2和接收阳极3之间产生电子束；所述电子束入射至聚焦线圈4的中心，并在聚焦线圈4的作用下聚焦后入射至偏转线圈5的中心，在所述偏转线圈5的作用下产生偏转后入射至工作件6的上表面，并在待测工作件6的上表面形成电子束焊熔池；CCD摄像机7采集所述电子束焊熔池的图像，并将所述图像输出给计算机；

基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法由以下步骤实现：

步骤一、对待焊工作件进行预处理，用夹具固定好后放入真空室内；

步骤二、设置CCD摄像机参数：在CCD摄像机自带的SDK软件中将CCD摄像机的曝光时间和增益设置为软件自动调整，曝光时间的调整范围是1/10000s～30s，增益的调整范围是260～1023；曝光方式为帧曝光，帧速率设置为30fps；

步骤三、调整CCD摄像机的空间位置：调整镜头前端距离熔池的距离d和镜头与工件之间的夹角α，d的范围在110～170mm之间；α的范围在30～60°之间；

步骤四、对CCD摄像机进行电磁屏蔽处理后装上镜头防护罩用专用夹具固定在真空室内：将导电布作为屏蔽材料缠绕在CCD摄像机上，在CCD摄像机表面构成一层屏蔽罩；CCD摄像机用专用夹具固定在熔池侧上方；

步骤五、利用航空插头将CCD摄像机和真空室外部计算机连接在一起；将CCD摄像机的接口转换卡集成为USB接口，通过航空插头将摄像机和真空室外部计算机连接在一起；

步骤六、对彩色熔池图像视觉传感系统进行标定：以焊枪正下方正对工件表面的一点为坐标原点o，焊接方向为x轴正方向，垂直于焊接方向向下为y轴正方向，建立坐标系oxy，称之为工件坐标系；然后利用圆的无方向性，在白纸上以工件坐标系为参照系画一组同心圆，圆的半径以1毫米为单位递增，其中最小的圆的半径为1毫米，其和oy轴的交点为A点；画好后将白纸放在焊接平台上，拍一张照片；以照片平面的左上角为原点，正方向向下为Y轴正方向，正方向向右为X轴正方向，建立坐标系OXY，称之为图像坐标系；在工件坐标系和图像坐标系建立完成后，只要在标定图像上找到o点和A点在图像坐标系中的坐标，然后通过下列公式就可以计算出图片中单位像素在工件坐标系中y方向上的实际尺寸W_y；

$W_y=\frac{1}{\sqrt{{(X_A-x_o)}^2+{(Y_A-Y_o)}^2}}$

步骤七、开始抽真空，使得真空室内的真空度在5×10^-2Pa至5×10^-4Pa之间；

步骤八、进行焊接，同时启动CCD摄像机进行拍摄，在CCD摄像机镜头前安装的滤光系统将大部分弧光滤除，只让一小部分强度较弱的弧光通过，利用熔池金属自身的辐射光和剩余弧光的照明作用，实现熔池在CCD靶面上的成像，完成基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感。

有益效果：本发明通过CCD摄像机能够对电子束焊熔池图像进行采集，实时性较高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是视觉传感系统标定示意图；图3是摄像机与工件的工作角度示意图；图4是具体实施方式十中实验获得的熔池图像；图5是当电子束流为55mA，焊接速度为8mm·s^-1时获得的熔池图像；图6是当镜头前端距离熔池的距离为120mm，镜头与工件之间的夹角为50°时获得的熔池图像；图7是窄带滤光片的中心波长为640nm时获得的熔池图像；图8是窄带滤光片的中心波长为630nm时获得的熔池图像；图9是窄带滤光片的中心波长为649.95nm时获得的熔池图像。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，一种电子束焊熔池图像视觉传感系统，它包括发射阴极2、接收阳极3、聚焦线圈4、偏转线圈5、CCD摄像机7、真空室8和计算机9；发射阴极2、接收阳极3、聚焦线圈4、偏转线圈5、CCD摄像机7均位于真空室8中；在发射阴极2上施加高压电，使发射阴极2和接收阳极3之间产生电子束；所述电子束入射至聚焦线圈4的中心，并在聚焦线圈4的作用下聚焦后入射至偏转线圈5的中心，在所述偏转线圈5的作用下产生偏转后入射至工作件6的上表面，并在待测工作件6的上表面形成电子束焊熔池；CCD摄像机7采集所述电子束焊熔池的图像，并将所述图像输出给计算机。

本实施方式中的CCD摄像机7为彩色摄像机。

本实施方式中，电子束焊彩色熔池图像视觉传感系统利用摄像机自带的SDK软件开发包和MATLAB相结合，实现电子束焊彩色熔池图像的实时采集和处理，具体过程如下：

(1)对待焊工件进行预处理，用夹具固定好后放入真空室内；

(2)设置摄像机参数：在软件中将摄像机的曝光时间和增益设置为软件自动调整，从而实现对摄像机曝光量的控制，使拍摄的熔池图像光照强度在合理的范围之内，曝光时间的调整范围是1/10000s～30s，增益的调整范围是260～1023。曝光方式为帧曝光，以满足拍摄熔池这种运动物体的需要。帧速率设置为30fps；

(3)调整摄像机的空间位置；调整镜头前端距离熔池的距离d和镜头与工件之间的夹角α，经试验研究，当d的范围在110～170mm，α的范围在30～60°时，拍摄效果较好，可以获得清晰的熔池图像；

(4)对摄像机进行电磁屏蔽处理后装上镜头防护罩用专用夹具固定在真空室内：将导电布作为屏蔽材料缠绕在摄像机上，在摄像机表面构成一层屏蔽罩，将焊接过程中产生的强烈的电磁干扰屏蔽掉；镜头防护罩是保护镜头在焊接过程中不受高温金属蒸汽和金属飞溅的损伤，同时对镜头也起到一定的屏蔽作用；摄像机用专用夹具固定在熔池侧上方。

(5)利用航空插头将摄像机和真空室外部计算机连接在一起：将摄像机的接口转换卡集成为USB接口，通过航空插头将摄像机和真空室外部计算机连接在一起，摄像机自动完成A/D转换，并且利用USB接口供电，无需图像采集卡和外接电源。；

(6)对彩色熔池图像视觉传感系统进行标定：以焊枪正下方正对工件表面的一点为坐标原点o，焊接方向为x轴正方向，垂直于焊接方向向下为y轴正方向，建立坐标系oxy，称之为工件坐标系。然后利用圆的无方向性，在白纸上以工件坐标系为参照系画一组同心圆，圆的半径以1毫米为单位递增，其中最小的圆的半径为1毫米，其和oy轴的交点为A点。画好后将白纸放在焊接平台上，拍一张照片。以照片平面的左上角为原点，正方向向下为Y轴正方向，正方向向右为X轴正方向，建立坐标系OXY，称之为图像坐标系。在工件坐标系和图像坐标系建立完成后，只要在标定图像上找到o点和A点在图像坐标系中的坐标，然后通过下列公式就可以计算出图片中单位像素在工件坐标系中y方向上的实际尺寸；

$W_y=\frac{1}{\sqrt{{(X_A-x_o)}^2+{(Y_A-Y_o)}^2}}$

(7)开始抽真空，使得真空室内的真空度在5×10^-2Pa至5×10^-4Pa之间；

(8)进行焊接，同时启动摄像机进行拍摄，在CCD摄像机镜头前安装的滤光系统将大部分弧光滤除，只让一小部分强度较弱的弧光通过，利用熔池金属自身的辐射光和剩余弧光的照明作用，实现熔池在CCD靶面上的成像。

步骤(1)中所述的对待焊工件进行预处理是指：对待焊工件表面进行机械打磨和化学清洗。

步骤(5)中所述的利用航空插头将摄像机和真空室外部计算机连接在一起是指：将摄像机的接口转换卡集成为USB接口，通过航空插头将摄像机和真空室外部计算机连接在一起，摄像机自动完成A/D转换，并且利用USB接口供电，无需图像采集卡和外接电源。

本发明的优点：(1)该型号摄像机具有体积小，重量轻，耐高温，集成度高的特点，非常适合电子束焊这种高压真空的工作环境，并且其性能参数可以满足本系统的使用要求。(2)采用导电布作为屏蔽材料，将焊接过程中产生的强烈的电磁干扰屏蔽掉，保证了摄像机能够在真空室内稳定工作，且成本低廉；(3)以熔池金属自身的辐射光和剩余弧光作为成像光源，无需其它任何辅助光源，不仅极大的降低了设备成本，而且简化了设备结构，使得设备的可靠性和稳定性大大增加；(4)采用了彩色熔池图像视觉传感的方法，提供的信息量更加丰富直观。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种电子束焊熔池图像视觉传感系统的区别在于，它还包括滤光系统，所述滤光系统包括窄带滤光片和防护玻璃片构成，所述防护玻璃片用于对窄带滤光片进行防护；所述滤光系统固定在CCD摄像机7的镜头前，用于过滤进入CCD摄像机7的镜头的光。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的一种电子束焊熔池图像视觉传感系统的区别在于，窄带滤光片的中心波长为620～710nm，半宽为±10nm，峰值透射率为50％。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一、二或三所述的一种电子束焊熔池图像视觉传感系统的区别在于，它还包括屏蔽材料，所述屏蔽材料缠绕在CCD摄像机7主体上。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的一种电子束焊熔池图像视觉传感系统的区别在于，屏蔽材料为导电布。

本实施方式，将导电布作为屏蔽材料缠绕在CCD摄像机7上，在CCD摄像机7表面构成一层屏蔽罩，将焊接过程中产生的强烈的电磁干扰屏蔽掉；镜头防护罩是保护镜头在焊接过程中不受高温金属蒸汽和金属飞溅的损伤，同时对镜头也起到一定的屏蔽作用；CCD摄像机7用专用夹具固定在熔池侧上方，实现对CCD摄像机7进行电磁屏蔽处理。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式一、二、三或五所述的一种电子束焊熔池图像视觉传感系统的区别在于，它还包括镜头防护罩，所述镜头防护罩固定在CCD摄像机7的镜头上。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式六所述的一种电子束焊熔池图像视觉传感系统的区别在于，CCD摄像机7的曝光时间的调整范围是1/10000s～30s，增益的调整范围是260～1023；曝光方式为帧曝光；帧速率为30fps。

本实施方式能够在软件中将摄像机的曝光时间和增益设置为软件自动调整，从而实现对摄像机曝光量的控制，使拍摄的熔池图像光照强度在合理的范围之内。曝光方式为帧曝光的目的是为了满足拍摄熔池这种运动物体的需要。

具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式一、二、三、五或七所述的一种电子束焊熔池图像视觉传感系统的区别在于，CCD摄像机7与待测工作件6之间的夹角为30～60°。

本实施方式中，调整摄像机的空间位置是指：调整镜头前端距离熔池的距离d和镜头与工件之间的夹角α，经试验研究，当d的范围在110～170mm，α的范围在30～60°时，拍摄效果较好，可以获得清晰的熔池图像。

具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式八所述的一种电子束焊熔池图像视觉传感系统的区别在于，CCD摄像机7与待测工作件6之间的夹角为50°。

具体实施方式十、本具体实施方式与具体实施方式一、二、三、五、七或九所述的一种电子束焊熔池图像视觉传感系统的区别在于，待测工作件为0Crl8Ni9不锈钢、5A02防锈铝或QCr0.8铬青铜中的一种。

通过具体实验验证本发明的效果：试验条件如下：焊接方法：电子束焊接；实验材料：TAl5钛合金；材料规格：100mm×50mm×20mm；焊机：法国TECHMETA公司生产的MEDARD45型真空电子束焊机；计算机：普通台式计算机；摄像机：陕西维视数字图像技术有限公司生产的MV-VD030SM/SC工业CCD数字摄像机；镜头：陕西维视数字图像技术有限公司生产的AFTvision ZMLl000工业变倍缩放镜头；滤光片参数：中心波长为660nm，半宽为±10nm,峰值透射率为50％；焊接规范：工作距离为175mm，加速电压为55kV，聚焦电流为2480mA，电子束流为60mA，焊接速度为6mm．s^-1。采用如实施方式一的方法获得的图像如图4所示；

当电子束流为55mA，焊接速度为8mm．s^-1时，获得的熔池图像如图5所示；

当镜头前端距离熔池的距离为120mm，镜头与工件之间的夹角为50°时，获得的熔池图像如图6所示；

当实验材料为0Crl8Ni9不锈钢，窄带滤光片的中心波长为640nm时，获得的熔池图像如图7所示；

当实验材料为5A02防锈铝，窄带滤光片的中心波长为630nm，获得的熔池图像如图8所示；

当实验材料为QCr0.8铬青铜；窄带滤光片的中心波长为649.95nm时，获得的熔池图像如图9所示。

采用上述方法及设备，可以获得清晰的电子束焊熔池图像，从图中可以清楚的看到熔池的大小，熔池内部液态金属的流动等与焊接质量有关的信息。

Claims (8)

1.基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法，电子束焊熔池图像视觉传感系统包括发射阴极(2)、接收阳极(3)、聚焦线圈(4)、偏转线圈(5)、CCD摄像机(7)、真空室(8)和计算机(9)；发射阴极(2)、接收阳极(3)、聚焦线圈(4)、偏转线圈(5)、CCD摄像机(7)均位于真空室(8)中；在发射阴极(2)上施加高压电，使发射阴极(2)和接收阳极(3)之间产生电子束；所述电子束入射至聚焦线圈(4)的中心，并在聚焦线圈(4)的作用下聚焦后入射至偏转线圈(5)的中心，在所述偏转线圈(5)的作用下产生偏转后入射至工作件(6)的上表面，并在待测工作件(6)的上表面形成电子束焊熔池；CCD摄像机(7)采集所述电子束焊熔池的图像，并将所述图像输出给计算机；

其特征是：基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法由以下步骤实现：

步骤一、对待焊工作件进行预处理，用夹具固定好后放入真空室内；

步骤二、设置CCD摄像机参数：在CCD摄像机自带的SDK软件中将CCD摄像机的曝光时间和增益设置为软件自动调整，曝光时间的调整范围是1/10000s～30s，增益的调整范围是260～1023；曝光方式为帧曝光，帧速率设置为30fps；

步骤三、调整CCD摄像机的空间位置：调整镜头前端距离熔池的距离d和镜头与工件之间的夹角α，d的范围在110～170mm之间；α的范围在30～60°之间；

步骤四、对CCD摄像机进行电磁屏蔽处理后装上镜头防护罩用专用夹具固定在真空室内：将导电布作为屏蔽材料缠绕在CCD摄像机上，在CCD摄像机表面构成一层屏蔽罩；CCD摄像机用专用夹具固定在熔池侧上方；

步骤五、利用航空插头将CCD摄像机和真空室外部计算机连接在一起；将CCD摄像机的接口转换卡集成为USB接口，通过航空插头将摄像机和真空室外部计算机连接在一起；

步骤六、对彩色熔池图像视觉传感系统进行标定：以焊枪正下方正对工件表面的一点为坐标原点o，焊接方向为x轴正方向，垂直于焊接方向向下为y轴正方向，建立坐标系oxy，称之为工件坐标系；然后利用圆的无方向性，在白纸上以工件坐标系为参照系画一组同心圆，圆的半径以1毫米为单位递增，其中最小的圆的半径为1毫米，其和oy轴的交点为A点；画好后将白纸放在焊接平台上，拍一张照片；以照片平面的左上角为原点，正方向向下为Y轴正方向，正方向向右为X轴正方向，建立坐标系OXY，称之为图像坐标系；在工件坐标系和图像坐标系建立完成后，只要在标定图像上找到o点和A点在图像坐标系中的坐标，然后通过下列公式就可以计算出图片中单位像素在工件坐标系中y方向上的实际尺寸Wy；

$w_y=\frac{1}{\sqrt{{(X_A-X_o)}^2+{(Y_A-Y_o)}^2}}$

步骤七、开始抽真空，使得真空室内的真空度在5×10^-2Pa至5×10^-4Pa之间；

步骤八、进行焊接，同时启动CCD摄像机进行拍摄，在CCD摄像机镜头前安装的滤光系统将大部分弧光滤除，只让一小部分强度较弱的弧光通过，利用熔池金属自身的辐射光和剩余弧光的照明作用，实现熔池在CCD靶面上的成像，完成基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感。

2.根据权利要求1所述基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法，其特征在于电子束焊熔池图像视觉传感系统还包括滤光系统，所述滤光系统包括窄带滤光片和防护玻璃片构成，所述防护玻璃片用于对窄带滤光片进行防护；所述滤光系统固定在CCD摄像机(7)的镜头前，用于过滤进入CCD摄像机(7)的镜头的光。

3.根据权利要求2所述基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法，其特征在于电子束焊熔池图像视觉传感系统中，窄带滤光片的中心波长为620～710nm，半宽为±10nm，峰值透射率为50％。

4.根据权利要求1、2或3所述基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法，其特征在于电子束焊熔池图像视觉传感系统还包括屏蔽材料，所述屏蔽材料缠绕在CCD摄像机(7)主体上。

5.根据权利要求4所述基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法，其特征在于电子束焊熔池图像视觉传感系统中，屏蔽材料为导电布。

6.根据权利要求1、2、3或5所述基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法，其特征在于电子束焊熔池图像视觉传感系统还包括镜头防护罩，所述镜头防护罩固定在CCD摄像机(7)的镜头上。

7.根据权利要求1所述基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法，其特征在于电子束焊熔池图像视觉传感系统中，CCD摄像机(7)与待测工作件(6)之间的夹角为50°。

8.根据权利要求1所述基于电子束焊熔池图像视觉传感系统的视觉传感方法，其特征在于电子束焊熔池图像视觉传感系统中，待测工作件为OCr18Ni9不锈钢、5AO2防锈铝或QCr0.8铬青铜中的一种。

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