CN103692119A - 基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置 - Google Patents

基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置。该装置包括置于真空室的机械夹具、相机防护外壳、摄像机、减光滤光系统和开槽铝板，其中开槽铝板的中心开有一条凹槽，且开槽铝板平行置于焊接工件的上方，使凹槽处于焊缝正上方；机械夹具一端固定于真空室的顶部，另一端固定连接相机防护外壳，摄像机固定于相机防护外壳内部，摄像机镜头前方设置减光滤光系统；摄像机通过数据传输线及真空转接头与真空室外的计算机相连；焊接时开槽铝板阻挡金属蒸汽与飞溅，摄像机通过减光滤光系统采集电子束深熔焊的熔池图像信号并输入真空室外的计算机，得到电子束深熔焊的熔池图像并进行动态监测。本发明具有动态特性好、信噪比高、实时性强的优点。

Description

基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置
技术领域
本发明属于电子束深熔焊熔池动态检测技术领域，特别是一种基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置。
背景技术
电子束深熔焊过程中熔池区域产生的一种空腔现象我们称为匙孔，匙孔的形状和尺寸随时间变化，匙孔腔周期性地被液态金属填满。匙孔的形成、维持与稳定，以及匙孔的大小、尺寸、形态及其与电子束和焊接材料的相关性决定了匙孔的特性，匙孔的特性导致了电子束焊接中几种典型焊接缺陷的形成。
焊接熔池视觉图像能反映出焊接过程的多种信息，国内外有多家单位对弧焊、激光焊接、电子束焊过程熔池图像采集及分析处理。王克鸿等人在“基于视觉的MAG焊气孔缺陷图像特征初步探讨”采集MAG焊熔池静态图像并对气孔等缺陷特征进行分析（王克鸿等，焊接学报，2006年，13-16，第27卷第12期）；杨家林等人在“基于视觉的激光深熔焊匙孔检测及图像处理”中对激光焊接熔池静态图像中匙孔检测并处理（焊接，2011年，19-24，第2期）；张秉刚等人在“基于视觉传感的电子束深熔焊焊缝表面成形的预测”中采集了电子束焊接熔池静态图像，提取熔池边缘作为熔池特征考量。PeterPetrov等人通过集电极二次发射粒子、光电二极管和CCD技术研究电子束焊接中熔池和匙孔的形成，使用SBIG的ST-8天文用CCD摄像机，提取并给出了熔池及匙孔尺寸（Vacuum，Experimental investigation of weld pool formation in electron beam welding1998,42,39-43）。上述检测方法主要集中在CCD相机采集熔池图像的边缘形态静态检测上，CCD摄像机灵敏性差，动态响应范围窄，静态图像给予人眼的视觉效果不够直观，数据传输线多采用USB线路，在真空室的高电磁辐射环境下受到很大干扰，信噪比降低，加上金属蒸汽对镜头前方的污染使得采集过程后期图像模糊，得到的熔池信息十分受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动态特性好、信噪比高、实时性强的基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，能够直观的反映真空电子束深熔焊过程，从而直接观察匙孔的实时动态变化。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，该装置包括置于真空室的机械夹具、相机防护外壳、摄像机、减光滤光系统和开槽铝板，其中开槽铝板的中心开有一条凹槽，且开槽铝板平行置于焊接工件的上方，使凹槽处于焊缝正上方；所述机械夹具一端固定于真空室的顶部，另一端固定连接相机防护外壳，摄像机固定于相机防护外壳内部，摄像机镜头前方设置减光滤光系统；摄像机通过数据传输线及真空转接头与真空室外的计算机相连；
焊接时开槽铝板阻挡金属蒸汽与飞溅物，摄像机通过减光滤光系统采集电子束深熔焊的熔池图像信号，将采集到的图像信号转换为电信号后通过数据传输线输入真空室外的计算机，计算机将电信号还原成图像信号并存储，得到电子束深熔焊的熔池图像并进行动态监测。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：（1）采用千兆以太网线传输数据的CMOS高速摄像机，以太网线采用差分方式传输信号，有效降低了真空室内高电磁干扰；（2）采用减光滤光系统去除飞溅、减弱弧光、滤除多余频率弧光，采集到的熔池图形具有动态特性好、信噪比高、实时性强等优点；（3）减光滤光系统的内圈粘贴多层玻纤铝箔胶带，最大程度的降低了高温高电磁辐射对镜头镀膜的损害。
附图说明
图1是本发明基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置的结构示意图。
图2是本发明电子束深熔焊熔池动态监测装置中开槽铝板的俯视图。
图3是本发明电子束深熔焊熔池动态监测装置中减光滤光系统的剖视图。
图4是本发明电子束深熔焊熔池动态监测装置中机械夹具的结构示意图。
图5是本发明实施例1中高氮钢与装甲钢对焊的熔池匙孔轮廓图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
结合图1，本发明基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，包括置于真空室的机械夹具1、相机防护外壳2、摄像机3、减光滤光系统4和开槽铝板5，其中开槽铝板5的中心开有一条凹槽，且开槽铝板5平行置于焊接工件6的上方，使凹槽处于焊缝正上方；所述机械夹具1一端固定于真空室的顶部，另一端固定连接相机防护外壳2，摄像机3固定于相机防护外壳2内部，摄像机3镜头前方设置减光滤光系统4；摄像机3通过数据传输线7及真空转接头与真空室外的计算机8相连；
焊接时开槽铝板5阻挡金属蒸汽与飞溅物，摄像机3通过减光滤光系统4采集电子束深熔焊的熔池图像信号，将采集到的图像信号转换为电信号后通过数据传输线（7）输入真空室外的计算机8，计算机8将电信号还原成图像信号并存储，得到电子束深熔焊的熔池图像并进行动态监测。
结合图2，所述开槽铝板5中心的凹槽宽为10～30mm，该凹槽一端开放一端封闭，处于焊缝正上方，开放端在焊缝结束处。
结合图3，所述减光滤光系统4包括套筒和套筒内部从摄像机3镜头一侧开始依次同轴排列的窄带滤光片、固定密度减光片、光学防护玻璃，其中固定密度减光片的光密度值为1～3。所述减光滤光系统4中套筒内圈粘贴玻纤铝箔胶带。
结合图4，所述机械夹具1通过磁力固定在真空室顶部，摄像机3的拍摄距离调节范围为10～50cm，摄像机3的镜头光轴与水平面的角度调整范围为0°～90°。
所述摄像机3为CMOS高速单色摄像机，摄像机3的镜头为大焦距工业镜头；所述数据传输线7为差分式千兆以太网数据传输线；所述摄像机3即CMOS高速单色摄像机的帧率为15～115帧/s、曝光时间为1/4～1/66667秒，所述大焦距工业镜头的焦距为35mm；所述防护外壳2的外部包裹玻纤布及玻纤铝箔胶带；所述开槽铝板5平行置于焊接工件6的上方，且二者之间的垂直距离为2～10cm。
所述减光滤光系统4与相机防护外壳2通过螺纹方式连为一体，与所述机械夹具1通过螺钉连接固定，所述减光滤光系统4的光轴路线与待焊焊缝相交；所述计算机8的存储软件基于VC语言编制而成，控制CMOS高速单色摄像机的工作，在windows系统下运行，并在windows系统下安装CMOS摄像机驱动。
焊接时，打开计算机8上的图像采集软件开始录制动态视频，电子束打在焊接工件6上，逐渐熔化并穿透材料形成熔池，经由开槽铝板5遮挡部分金属蒸汽，视觉图像进入减光滤光系统4，依次经过同轴排列的光学防护玻璃、固定密度减光片、窄带滤光片去除飞溅、减弱弧光、滤除多余频率弧光，得到单一（一定波长范围）的弧光进入镜头采集被摄像机3完成光电转换成电信号，经数据传输线7即千兆以太网线传输进入计算机8，计算机8完成信号转换，将电信号还原成图像信号并存储在指定的内存单元中，完成整个动态视觉信号的采集过程，得到内容丰富的熔池图像。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
采用本发明基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置对真空电子束焊接高氮钢与装甲钢对焊时的熔池动态进行监测。
试验参数：真空电子束焊机ZD60-500L，高压U=60kV，灯丝电流410mA，聚焦电流717mA，焊接电流75mA，焊接速度4mm/s，同轴光路正对焊接方向且与工件水平面夹角为30°，滤光片中心波长649nm，带宽10nm，减光片光密度值2，CMOS摄像机采集帧率115帧/秒，像素720×480，增益曝光自动。
在上述焊接条件下，打开计算机软件开始采集，同时开启电子束焊接电流，待焊接过程结束之时结束采集，将所获得采集过程熔池视频存入磁盘，经特征提取典型的高氮钢与装甲钢对焊熔池轮廓曲线如图5中（a）～（c）所示，其中每两帧图像时间差为1/115s，（a）图中熔池轮廓曲线分为处于图像下端的近圆形匙孔、处于图像上端的形状复杂的熔池尾部这两个区域，其形态随着焊接过程的进行而变化；（b）图所示熔池轮廓曲线中熔池尾部区域面积明显增大，匙孔区域发生相应变化；（c）图所示匙孔区域弧光增强，导致该两区域发生交联。以上图像每一帧均包含丰富的熔池信息特征，同时为人眼提供视觉上直观的熔池及匙孔动态变化。

Claims (10)

1.一种基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，其特征在于，该装置包括置于真空室的机械夹具（1）、相机防护外壳（2）、摄像机（3）、减光滤光系统（4）和开槽铝板（5），其中开槽铝板（5）的中心开有一条凹槽，且开槽铝板（5）平行置于焊接工件（6）的上方，使凹槽处于焊缝正上方；所述机械夹具（1）一端固定于真空室的顶部，另一端固定连接相机防护外壳（2），摄像机（3）固定于相机防护外壳（2）内部，摄像机（3）镜头前方设置减光滤光系统（4）；摄像机（3）通过数据传输线（7）及真空转接头与真空室外的计算机（8）相连；
焊接时开槽铝板（5）阻挡金属蒸汽与飞溅物，摄像机（3）通过减光滤光系统（4）采集电子束深熔焊的熔池图像信号，将采集到的图像信号转换为电信号后通过数据传输线（7）输入真空室外的计算机（8），计算机（8）将电信号还原成图像信号并存储，得到电子束深熔焊的熔池图像并进行动态监测。
2.根据权利要求1所述基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，其特征在于，所述开槽铝板（5）中心的凹槽宽为10～30mm，该凹槽一端开放一端封闭，处于焊缝正上方，开放端在焊缝结束处。
3.根据权利要求1所述基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，其特征在于，所述减光滤光系统（4）包括套筒和套筒内部从摄像机（3）镜头一侧开始依次同轴排列的窄带滤光片、固定密度减光片、光学防护玻璃，其中固定密度减光片的光密度值为1～3。
4.根据权利要求1、2或3所述基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，其特征在于，所述摄像机（3）为CMOS高速单色摄像机，摄像机（3）的镜头为大焦距工业镜头。
5.根据权利要求4所述基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，其特征在于，所述机械夹具（1）通过磁力固定在真空室顶部，摄像机（3）的拍摄距离调节范围为10～50cm，摄像机（3）的镜头光轴与水平面的角度调整范围为0°～90°。
6.根据权利要求4所述基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，其特征在于，所述数据传输线（7）为差分式千兆以太网数据传输线。
7.根据权利要求4所述基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，其特征在于，所述减光滤光系统（4）中套筒内圈粘贴玻纤铝箔胶带。
8.根据权利要求4所述基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，其特征在于，所述摄像机（3）即CMOS高速单色摄像机的帧率为15～115帧/s、曝光时间为1/4～1/66667秒，所述大焦距工业镜头的焦距为35mm。
9.根据权利要求4所述基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，其特征在于，所述防护外壳（2）的外部包裹玻纤布及玻纤铝箔胶带。
10.根据权利要求4所述基于视觉传感的电子束深熔焊熔池动态监测装置，其特征在于，所述开槽铝板（5）平行置于焊接工件（6）的上方，且二者之间的垂直距离为2～10cm。
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