CN105033408B - Gma增材制造双被动视觉传感检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种GMA增材制造双被动视觉传感检测装置及检测方法，装置包括工作平台、基板、焊枪、喷嘴、宽度视觉传感器、宽度复合滤光系统、高度视觉传感器、高度复合滤光系统，宽度视觉传感器用于监测堆积熔池尾部的宽度信息，高度视觉传感器用于监测喷嘴到堆积熔池尾部的距离，检测方法包含堆积尺寸图像处理和传感系统标定过程；本发明能够同时监测GMA增材制造堆积宽度及喷嘴到熔敷层上表面距离的特征信息，有效地解决了GMA增材制造熔敷宽度和高度的实时检测难题，通过提取堆积尺寸特征信息实现后续堆积尺寸的实时监测和闭环控制，为GMA增材制造堆积质量实时控制提供了可靠的技术支撑。

Description

GMA增材制造双被动视觉传感检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种熔化极气体保护电弧(Gas Metal Arc，GMA)增材制造堆积尺寸被动视觉传感的检测装置及方法，属于电弧增材制造技术领域。

背景技术

随着航空航天、能源动力、国防军工等关键技术领域对致密金属零件的性能、精度、制造成本和周期的要求日趋苛刻，采用增材制造技术直接成形金属零件成为国内外的研究热点。常用的金属零件增材制造热源有激光、电子束、电弧等。其中，熔化极气体保护(Gas Metal Arc，GMA)增材制造技术采用焊接电弧作为热源将金属丝材熔化，按设定成形路径在基板上堆积每一层片，层层堆敷直至成形金属件，具有制造成本低、材料利用率高、生产效率高等优点。成形零件由全焊缝金属组成，致密度高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能好。

在GMA增材制造过程中，每一熔敷层温度场分布、熔池形态、散热条件等不一致；各种干扰因素，如基板初始条件、喷嘴高度、层间温度和保护气流量等，都会影响成形过程的稳定性与尺寸精度。另一方面，多层单道GMA增材制造是单热源反复堆积过程，每堆积一个熔敷层，工作台下降一设定高度，由于成形过程各种干扰的存在，当前堆积的熔敷层高度与工作台下降的高度很难保证相同，经过多次反复堆积，熔敷层上表面到喷嘴的距离始终处于动态变化之中。这一现象会使得成形过程出现不稳定，首先，检测堆积宽度的传感器到熔敷层上表面的距离也是变化的，难以精确测量宽度信息；其次，多次堆积成形后，熔敷层上表面到喷嘴的距离过小，出现“撞枪”现象，如果过大，喷嘴气体保护效果不好，甚至形成气孔等缺陷。因此，亟需开展GMA增材制造堆积尺寸及熔敷层上表面到喷嘴距离的实时监测难题。目前传感检测方法很多，其中视觉传感获得的信息量大，可以提取堆积尺寸特征信息，是实现堆积质量监测与控制的重要方法。由于GMA增材制造堆积尺寸检测参数多且复杂，基于现有视觉传感的检测方法难度大。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决现有GMA增材制造中，成形尺寸宽度不一致及喷嘴到熔敷层上表面距离变化的问题，提供一种GMA增材制造双被动视觉传感测装置及其检测方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种GMA增材制造双被动视觉传感检测装置，包括：工作平台、工作平台上的基板、基板上方位置固定的焊枪、焊枪上的喷嘴、安装在喷嘴的右上方且与焊枪位于ZOY平面内的宽度视觉传感器、宽度视觉传感器前端的宽度复合滤光系统、安装在焊枪的正前方且与焊枪位于XOZ平面内的高度视觉传感器、高度视觉传感器前端的高度复合滤光系统，所述宽度视觉传感器用于监测堆积熔池尾部的宽度信息，高度视觉传感器用于监测喷嘴到堆积熔池尾部的距离即高度信息。

作为优选方式，还包括计算机、分别和所述计算机连接的数据采集卡和图像采集卡、和数据采集卡连接的气保焊机、和数据采集卡连接并驱动工作平台水平移动的步进电机，计算机通过数据采集卡控制气保焊机的堆积电流，计算机控制数据采集卡发出脉冲信号和开关量信号从而控制步进电机驱动工作平台运动，焊枪熔化丝材并与工作平台连接形成回路从而产生电弧，宽度视觉传感器连接图像采集卡，宽度视觉传感器采集的堆积宽度经图像采集卡传输到计算机中；高度视觉传感器连接图像采集卡，高度视觉传感器采集的高度信息经图像采集卡传输到计算机中。

作为优选方式，所述宽度视觉传感器与焊枪的夹角为22°-34°。在这个角度范围内可以利用喷嘴挡住电弧辐射光的作用。

作为优选方式，所述高度视觉传感器正对焊枪，且与焊枪的夹角为90°。这样设置便于焊枪在高度视觉传感器采集的图像标定。

作为优选方式，所述高度视觉传感器的CCD光心在高度方向上比喷嘴低1-2mm。这样能确保喷嘴部分显示在采集的图像中。

作为优选方式，所述宽度复合滤光系统和高度复合滤光系统中的窄带滤光片中心波长为680nm，带宽为7nm。电弧辐射的680nm的谱线光较弱，采用该波长的滤光镜可滤掉大量杂光对图像质量的干扰，宽度复合滤光系统包含宽度减光镜和宽度滤光镜，高度复合滤光系统包括高度减光镜和高度滤光镜。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述GMA增材制造双被动视觉传感检测装置的检测方法，包括如下步骤：

(1)计算机控制气保焊机开启及步进电机的旋转，确定初始堆积工艺参数；

(2)高度视觉传感器监测喷嘴到堆积熔池尾部的距离，采集的图像经图像采集卡传输到计算机中，经过计算机图像处理确定堆积熔池尾部的上边缘，采用二维平面网格模板确定像素比例因子，进一步计算堆积熔池尾部的高度尺寸；

(3)宽度视觉传感器监测堆积熔池尾部的宽度信息，采集的图像经图像采集卡传输到计算机中，经过计算机图像处理确定堆积熔池尾部的宽度的上下边缘，采用二维平面网格模板确定像素比例因子与喷嘴到堆积熔池尾部的距离关系，并结合实时检测的喷嘴到堆积熔池尾部的距离，进一步计算堆积熔池尾部的宽度尺寸。

作为优选方式，堆积电流为100-180A，堆积速度3-8mm/s。这样设置能防止堆积过程热输入过大引起的成形坍塌。

作为优选方式，所述步骤(2)和步骤(3)中的计算机图像处理的算法由Gaussian滤波算法、Robert边缘提取检测算法、Hough变换直线检测算法构成，Gaussian滤波算法对熔池图像进行平滑滤波，Robert边缘提取检测算法提取熔池上下边缘，Hough变换直线检测算法对提取的边缘进行直线拟合。

作为优选方式，焊枪未起弧时，高度视觉传感器的标定是通过二维平面网格模板完成的，将二维平面网格模板放置在喷嘴的正下方，且位于ZOY平面内；焊枪未起弧时，宽度视觉传感器的标定是通过二维平面网格模板完成的，将二维平面网格模板放置在堆积熔池尾部所示的位置，且模板平面与XOY平面平行，改变喷嘴到堆积熔池尾部的距离，获得不同距离下第m列或第n列的像素比例因子：

其中，R_m(x)和R_n(x)分别是第m列和第n列的像素比例因子，x表示喷嘴到熔池尾部的高度，a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂是拟合获得的系数。

本发明的有益效果为：本发明设计的双被动视觉传感检测装置和检测方法，能够同时监测GMA增材制造堆积宽度及喷嘴到熔敷层上表面距离的特征信息，获取监测目标图像，并通过尺寸控制来保证成形质量，有效地解决了GMA增材制造熔敷宽度和高度的实时检测难题，通过提取堆积尺寸特征信息，实现后续堆积尺寸的实时监测和闭环控制，为GMA增材制造堆积质量实时控制提供了可靠的技术支撑。

附图说明

图1是GMA增材制造双被动视觉传感系统结构示意图；

图2是高度视觉传感器采集的喷嘴到堆积熔池尾部上表面图像；

图3是宽度视觉传感器采集堆积熔池尾部宽度图像；

图4是二维平面网格标定模板。

1为工作平台，2为基板，3为焊枪，4为喷嘴，5为电弧，6为堆积熔池尾部，7为宽度视觉传感器，8为宽度复合滤光系统，9为高度视觉传感器，10为高度复合滤光系统，11为气保焊机，12为图像采集卡，13为步进电机，14为数据采集卡，15为计算机。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种GMA增材制造双被动视觉传感检测装置，包括：工作平台1、工作平台上的基板2、基板2上方位置固定的与基板2垂直的焊枪3、焊枪3上的喷嘴4、安装在喷嘴4的右上方且与焊枪1位于ZOY平面内的宽度视觉传感器7、宽度视觉传感器7前端的宽度复合滤光系统8、安装在焊枪3的正前方且与焊枪3位于XOZ平面内的高度视觉传感器9、高度视觉传感器9前端的高度复合滤光系统10、计算机15、分别和所述计算机15连接的数据采集卡14和图像采集卡12、和数据采集卡14连接的气保焊机11、和数据采集卡14连接并驱动工作平台1水平移动的步进电机13，堆积过程中焊枪3位置不动保持静止，计算机15通过数据采集卡14输出D/A信号，实现气保焊机11的堆积电流控制，计算机15控制数据采集卡14发出脉冲信号和开关量信号从而控制步进电机13驱动工作平台运动，步进电机13控制工作平台1水平移动从而实现堆积速度的调节。焊枪3熔化丝材并与工作平台1连接形成回路从而产生电弧5，宽度视觉传感器7连接图像采集卡12，所述宽度视觉传感器7用于监测堆积熔池尾部6的宽度信息，宽度视觉传感器7采集的堆积宽度经图像采集卡12传输到计算机15中；高度视觉传感器9连接图像采集卡12，高度视觉传感器9用于监测喷嘴4到堆积熔池尾部6的距离即高度信息，高度视觉传感器9采集的高度信息经图像采集卡12传输到计算机15中。

所述宽度视觉传感器7与焊枪3的夹角为22°-34°，这样可以利用喷嘴4挡住电弧5辐射光的作用。

所述高度视觉传感器9正对焊枪3，且与焊枪3的夹角为90°，这样便于焊枪1在高度视觉传感器11采集的图像标定。

所述高度视觉传感器9的CCD光心在高度方向上比喷嘴4低1-2mm，这样能确保喷嘴2部分的显示在采集的图像中。

所述宽度复合滤光系统8和高度复合滤光系统10中的窄带滤光片中心波长为680nm，带宽为7nm。电弧辐射的680nm的谱线光较弱，采用该波长的滤光镜可滤掉大量杂光对图像质量的干扰，宽度复合滤光系统8包含宽度减光镜和宽度滤光镜，高度复合滤光系统10包括高度减光镜和高度滤光镜。

本实施例还提供一种利用上述GMA增材制造双被动视觉传感检测装置的检测方法，包含堆积尺寸图像处理和传感系统标定过程。

具体包括如下步骤：

(1)计算机15控制气保焊机11开启及步进电机13的旋转，确定初始堆积工艺参数；

(2)高度视觉传感器9监测喷嘴4到堆积熔池尾部6的距离，采集的图像经图像采集卡12传输到计算机15中，经过计算机图像处理确定堆积熔池尾部6的上边缘，采用4mm X4mm二维平面网格模板确定像素比例因子，进一步计算喷嘴4到堆积熔池尾部6的距离即堆积熔池尾部6的高度尺寸；

(3)宽度视觉传感器7监测堆积熔池尾部6的宽度信息，采集的图像经图像采集卡12传输到计算机15中，经过计算机图像处理确定堆积熔池尾部6的宽度的上下边缘，采用二维平面网格模板确定像素比例因子与喷嘴4到堆积熔池尾部6的距离关系，并结合实时检测的喷嘴4到堆积熔池尾部6的距离，进一步计算堆积熔池尾部6的宽度尺寸。

其中堆积电流为100-180A，堆积速度3-8mm/s，这样能防止堆积过程热输入过大引起的成形坍塌。

所述步骤(2)和步骤(3)中的计算机图像处理的算法由Gaussian滤波算法、Robert边缘提取检测算法、Hough变换直线检测算法构成，Gaussian滤波算法对熔池图像进行平滑滤波，Robert边缘提取检测算法提取熔池上下边缘，Hough变换直线检测算法对提取的边缘进行直线拟合。

焊枪3未起弧时，高度视觉传感器9的标定是通过二维平面网格模板完成的，将二维平面网格模板放置在喷嘴4的正下方，且位于ZOY平面内。

焊枪3未起弧时，宽度视觉传感器7的标定是通过二维平面网格模板完成的，将二维平面网格模板放置在堆积熔池尾部6所示的位置，且模板平面与XOY平面平行，改变喷嘴4到堆积熔池尾部6的距离，获得不同距离下第列或第列的像素比例因子：

其中，R_m(x)和R_n(x)分别是第m列和第n列的像素比例因子，x表示喷嘴到熔池尾部的高度，a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂是拟合获得的系数。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种GMA增材制造双被动视觉传感检测装置，其特征在于，包括：工作平台(1)、工作平台上的基板(2)、基板(2)上方位置固定的焊枪(3)、焊枪上的喷嘴(4)、安装在喷嘴(4)的右上方且与焊枪(1)位于ZOY平面内的宽度视觉传感器(7)、宽度视觉传感器(7)前端的宽度复合滤光系统(8)、安装在焊枪(3)的正前方且与焊枪(3)位于XOZ平面内的高度视觉传感器(9)、高度视觉传感器(9)前端的高度复合滤光系统(10)，所述宽度视觉传感器(7)用于监测堆积熔池尾部(6)的宽度信息，高度视觉传感器(9)用于监测喷嘴(4)到堆积熔池尾部(6)的距离即高度信息，所述检测装置还包括计算机(15)、分别和所述计算机(15)连接的数据采集卡(14)和图像采集卡(12)、和数据采集卡(14)连接的气保焊机(11)、和数据采集卡(14)连接并驱动工作平台(1)水平移动的步进电机(13)，计算机(15)通过数据采集卡(14)控制气保焊机(11)的堆积电流，计算机(15)控制数据采集卡(14)发出脉冲信号和开关量信号从而控制步进电机(13)驱动工作平台运动，焊枪(3)熔化丝材并与工作平台(1)连接形成回路从而产生电弧(5)，宽度视觉传感器(7)连接图像采集卡(12)，宽度视觉传感器(7)采集的堆积宽度经图像采集卡(12)传输到计算机(15)中；高度视觉传感器(9)连接图像采集卡(12)，高度视觉传感器(9)采集的高度信息经图像采集卡(12)传输到计算机(15)中。

2.根据权利要求1所述的GMA增材制造双被动视觉传感检测装置，其特征在于：所述宽度视觉传感器(7)与焊枪(3)的夹角为22°-34°。

3.根据权利要求1所述的GMA增材制造双被动视觉传感检测装置，其特征在于：所述高度视觉传感器(9)正对焊枪(3)，且与焊枪(3)的夹角为90°。

4.根据权利要求1所述的GMA增材制造双被动视觉传感检测装置，其特征在于：所述高度视觉传感器(9)的CCD光心在高度方向上比喷嘴(4)低1-2mm。

5.根据权利要求1所述的GMA增材制造双被动视觉传感检测装置，其特征在于：所述宽度复合滤光系统(8)和高度复合滤光系统(10)中的窄带滤光片中心波长为680nm，带宽为7nm。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的GMA增材制造双被动视觉传感检测装置的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)计算机控制气保焊机开启及步进电机的旋转，确定初始堆积工艺参数；

(2)高度视觉传感器监测喷嘴到堆积熔池尾部的距离，采集的图像经图像采集卡传输到计算机中，经过计算机图像处理确定堆积熔池尾部的上边缘，采用二维平面网格模板确定像素比例因子，进一步计算堆积熔池尾部的高度尺寸；

(3)宽度视觉传感器监测堆积熔池尾部的宽度信息，采集的图像经图像采集卡传输到计算机中，经过计算机图像处理确定堆积熔池尾部的宽度的上下边缘，采用二维平面网格模板确定像素比例因子与喷嘴到堆积熔池尾部的距离关系，并结合实时检测的喷嘴到堆积熔池尾部的距离，进一步计算堆积熔池尾部的宽度尺寸。

7.根据权利要求6所述的GMA增材制造双被动视觉传感检测装置的检测方法，其特征在于：堆积电流为100-180A，堆积速度3-8mm/s。

8.根据权利要求6所述的GMA增材制造双被动视觉传感检测装置的检测方法，其特征在于：所述步骤(2)和步骤(3)中的计算机图像处理的算法由Gaussian滤波算法、Robert边缘提取检测算法、Hough变换直线检测算法构成，Gaussian滤波算法对熔池图像进行平滑滤波，Robert边缘提取检测算法提取熔池上下边缘，Hough变换直线检测算法对提取的边缘进行直线拟合。

9.根据权利要求6所述的GMA增材制造双被动视觉传感检测装置的检测方法，其特征在于：焊枪未起弧时，高度视觉传感器的标定是通过二维平面网格模板完成的，将二维平面网格模板放置在喷嘴的正下方，且位于ZOY平面内；焊枪未起弧时，宽度视觉传感器的标定是通过二维平面网格模板完成的，将二维平面网格模板放置在堆积熔池尾部所示的位置，且模板平面与XOY平面平行，改变喷嘴到堆积熔池尾部的距离，获得不同距离下第m列或第n列的像素比例因子：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_m\left(x\right)=a_1{x}^2+b_{1}x+c_1\\ R_n\left(x\right)=a_2{x}^2+b_{2}x+c_2\end{array}\right.$

其中，R_m(x)和R_n(x)分别是第m列和第n列的像素比例因子，x表示喷嘴到熔池尾部的高度，a₁,b₁,c₁,a₂,b₂,c₂是拟合获得的系数。