CN106599790A - 电流触发相机模块及焊熔池图像跟踪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电流触发相机模块及焊熔池图像跟踪系统，电流触发相机模块包括电流传感单元、波型整形变换单元和可变计数单元；电流传感单元感应电焊机输入电流，生成电流信号；波型整形变换单元对电流信号进行信号整形，输出与电焊机输入电流相同频率的矩形脉冲波形信号；可变计数单元分析矩形脉冲波形信号，检测出电焊机的焊接短路过渡周期，在电焊机的焊接短路时刻产生第一触发信号，通过第一触发信号触发相机对焊熔池进行拍照。相对现有技术，本发明能检测焊接短路过渡周期，能够在焊接的短路阶段触发相机采集熔池图像，采集到的图像亮度接近、干扰较少。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种电流触发相机模块及焊熔池图像跟踪系统。
背景技术
CO2气体保护焊因其低成本、高效率、易于操作的特点，成为了目前应用最为广泛的气体保护焊焊接方法之一。熔池的状态能够直接反映出焊接质量的好坏，熔池图像的获取与分析对提高焊接质量和焊接生产率、实现焊接自动化有着重要意义。然而CO2气体本身具有较强的氧化性，因此在焊接过程中会引起合金元素烧损引起较强的飞溅，使得熔池受到严重的弧光干扰和噪声污染，给熔池图像的传感带来极大的困难。目前大多数的CO2熔池获取方式都是通过高速工业相机采集图像，然后对熔池图像进行滤波、边缘增强、阈值分割、二值形态学或灰度形态学等一系列的处理，以期得到比较完整清晰的熔池图像。这样的处理方式一则运用了复杂繁多的图形图像处理算法，影响了系统响应速度，二则丢失了熔池的相当部分细节，存在着或多或少的失真现象；所以有必要对这些问题进行解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种电流触发相机模块及焊熔池图像跟踪系统，所要解决的技术问题是：不同时刻采集亮度不同导致的图像忽明忽暗、飞溅等干扰严重的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电流触发相机模块，包括电流传感单元、波型整形变换单元和可变计数单元；
所述电流传感单元，其与电焊机的电源线连接，用于感应电焊机输入电流，生成电流信号；
所述波型整形变换单元，其与电流传感单元连接，用于对电流信号进行信号整形，输出与电焊机输入电流相同频率的矩形脉冲波形信号；
所述可变计数单元，其输入端与波型整形变换单元连接，其输出端与相机其输出端与相机连接；用于分析矩形脉冲波形信号，检测出电焊机的焊接短路过渡周期，根据电焊机的焊接短路过渡周期在电焊机的焊接短路时刻产生第一触发信号，通过第一触发信号触发相机对焊熔池进行拍照。
本发明的有益效果是：电流传感单元、波型整形变换单元和可变计数单元协调运作，检测焊接短路过渡周期，能够在焊接的短路阶段触发相机采集熔池图像，采集到的图像亮度接近、干扰较少，解决了不同时刻采集亮度不同导致的图像忽明忽暗、飞溅等干扰较多的问题。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括信号放大单元，所述信号放大单元与电流传感单元连接，用于对电流信号进行信号放大。
采用上述进一步方案的有益效果是：信号放大单元对电流信号进行信号放大，便于后续对信号处理，提升信号整形变换的精度。
进一步，还包括低通滤波单元，所述低通滤波单元与信号放大单元连接，用于对放大后的电流信号进行滤波，输出滤波后的电流信号。
采用上述进一步方案的有益效果是：低通滤波单元对放大后的电流信号进行滤波，降低其他信号干扰，提升信号整形变换的精度。
进一步，还包括控制单元，所述控制单元与所述可变计数单元的控制端连接，用于控制可变计数单元产生第二触发信号，通过第二触发信号触发相机对焊熔池进行拍照。
采用上述进一步方案的有益效果是：控制单元便于手动控制可变计数单元产生触发信号，控制相机对焊熔池进行拍照，实现拍摄周期的人工控制，使照片图像的显示既满足人眼的视觉暂留效应，又不至于太快看不清楚，使得控制更加便利。
进一步，还包括计数显示单元，所述计数显示单元与所述可变计数单元连接，用于对可变计数单元检测出的电焊机焊接短路次数进行计数，并进行显示。
采用上述进一步方案的有益效果是：计数显示单元对电焊机焊接短路次数进行计数，便于作业人员进行了解。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种焊熔池图像跟踪系统，包括电流触发相机模块、相机、图像采集卡和工控机；
所述相机，其固定于电焊机的一侧,用于根据第一触发信号或第二触发信号启动对电焊机下方的焊熔池进行拍照，生成图像信号；
所述图像采集卡，其与所述相机连接，用于采集图像信号，将图像信号进行A/D转换，生成数字图像信号，并进行缓存；
所述工控机，其与所述图像采集卡连接，用于提取数字图像信号，通过图像处理模块对生成时间相近的多个数字图像信号进行处理,实时生成熔池图像进行显示。
本发明的有益效果是：电流触发相机模块、相机、图像采集卡和工控机协调运作，能够在焊接的短路阶段触发相机采集熔池图像，采集到的图像亮度接近、干扰较少，同时本系统处理速度快，能够最大限度的保留熔池特征。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述相机与电焊机同步转动,保持相对静止，且拍照过程中实时调整曝光时间。
采用上述进一步方案的有益效果是：相机与电焊机相对静止，保证了熔池在相机靶面上成像位置相对不变，提升后期图像处理和分析；拍照过程中实时调整曝光时间可以保证获取清晰的图像。
进一步，所述相机的镜头处依次装配有滤光片和防飞溅保护片。
采用上述进一步方案的有益效果是：滤光片有效地消除弧光的干扰，焊接区的部分反射光入射到相机传感器作为成像光源；防飞溅保护片能防止焊接过程中飞溅的火花对相机造成损害。
进一步，所述图像处理模块读取生成时间相近的多个照片,提取多个照片的公共区域图像,从多个公共区域图像选择没有飞溅和烟尘噪声的图像对其他公共区域图像进行覆盖替换,得到处理后的焊熔池图像,使用Otsu最大类间方差法动态确定阈值，根据阈值对熔池图像进行分割提取，得到最终的熔池图像。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用每幅图像中飞溅的位置均不相同，通过将多个图片中没有飞溅和烟尘噪声的图像对其他公共区域图像进行覆盖替换，将飞溅的噪声去除，把有用的熔池图像保留下来，使得图像亮度接近、干扰更少，便于技术人员对于熔池状态的监测；根据阈值对熔池图像进行分割提取，获取清晰的熔池图像信息，避免背景图像干扰。
进一步，所述图像处理模块通过插值算法对最终的熔池图像进行多倍放大，并利用灰度拉伸降低图像边缘的对比度，通过工控机上的监视器屏幕上进行熔池状态显示。
采用上述进一步方案的有益效果是：对最终的熔池图像进行处理保证了细节的真实和完整，便于技术人员对于熔池状态的监测。
附图说明
图1为本发明一种电流触发相机模块的第一模块框图；
图2为本发明一种电流触发相机模块的第二模块框图；
图3为本发明一种电流触发相机模块的第三模块框图；
图4为本发明一种焊熔池图像跟踪系统的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、电流传感单元，2、波型整形变换单元，3、可变计数单元，4、信号放大单元，5、低通滤波单元，6、控制单元，7、计数显示单元，8、电流触发相机模块，9、相机，10、图像采集卡，11、工控机，12、电焊机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种电流触发相机模块，包括电流传感单元1、波型整形变换单元2和可变计数单元3；
所述电流传感单元1，其与电焊机12的电源线连接，用于感应电焊机12输入电流，生成电流信号；
所述波型整形变换单元2，其与电流传感单元1连接，用于对电流信号进行信号整形，输出与电焊机12输入电流相同频率的矩形脉冲波形信号；
所述可变计数单元3，其输入端与波型整形变换单元2连接，其输出端与相机9连接；用于分析矩形脉冲波形信号，检测出电焊机12的焊接短路过渡周期，根据电焊机12的焊接短路过渡周期在电焊机12的焊接短路时刻产生第一触发信号，通过第一触发信号触发相机9对焊熔池进行拍照。
一个焊接短路过渡周期最短不超过4ms，而电流传感单元1响应时间小于10ns，相机9的TTL门电路的平均延时小于10ns，整个电流触发相机模块8延时小于100ns，完全满足对拍照时间控制的要求。
上述实施例中，电流传感单元1、波型整形变换单元2和可变计数单元3协调运作，检测焊接短路过渡周期，能够在焊接的短路阶段触发相机采集熔池图像，采集到的图像亮度接近、干扰较少，解决了不同时刻采集亮度不同导致的图像忽明忽暗、飞溅等干扰较多的问题。
可选地，作为本发明一个实施例，如图2所示,一种电流触发相机模块，包括电流传感单元1、波型整形变换单元2、可变计数单元3、信号放大单元4和低通滤波单元5；
所述电流传感单元1，其与电焊机12的电源线连接，用于感应电焊机12输入电流，生成电流信号；
所述信号放大单元4，其与电流传感单元1连接，用于对电流信号进行信号放大；
所述低通滤波单元5，其与信号放大单元4连接，用于对放大后的电流信号进行滤波，输出滤波后的电流信号；
所述波型整形变换单元2，其与电流传感单元1连接，用于对电流信号进行信号整形，输出与电焊机12输入电流相同频率的矩形脉冲波形信号；
所述可变计数单元3，其输入端与波型整形变换单元2连接，其输出端与相机9连接；用于分析矩形脉冲波形信号，检测出电焊机12的焊接短路过渡周期，根据电焊机12的焊接短路过渡周期在电焊机12的焊接短路时刻产生第一触发信号，通过第一触发信号触发相机9对焊熔池进行拍照。
当电焊机12正常工作时，工作电流一般在0～200A左右，采集电焊机12的电压电流信号，通过配套的电流传感单元1的转换，输出变化规律与工作电流相同的交流电流0～20mA或电压0～5V；首先通过300Hz的低通滤波单元5滤波，然后再通过波形整形变换单元2输出与电焊机12工作电流相同频率的矩形脉冲波形，分析波形特点，检测出焊接短路过渡周期，在熔滴短路时刻产生触发CCD相机9的TTL低电平，从而控制相机9的拍摄动作。
上述实施例中，信号放大单元4对电流信号进行信号放大，便于后续对信号处理，提升信号整形变换的精度；低通滤波单元对放大后的电流信号进行滤波，降低其他信号干扰，提升信号整形变换的精度。
可选地，作为本发明一个实施例，如图3所示,一种电流触发相机模块，包括电流传感单元1、波型整形变换单元2、可变计数单元3、信号放大单元4、低通滤波单元5、控制单元6和计数显示单元7；
所述电流传感单元1，其与电焊机12的电源线连接，用于感应电焊机12输入电流，生成电流信号；
所述信号放大单元4，其与电流传感单元1连接，用于对电流信号进行信号放大；
所述低通滤波单元5，其与信号放大单元4连接，用于对放大后的电流信号进行滤波，输出滤波后的电流信号；
所述波型整形变换单元2，其与电流传感单元1连接，用于对电流信号进行信号整形，输出与电焊机12输入电流相同频率的矩形脉冲波形信号；
所述可变计数单元3，其输入端与波型整形变换单元2连接，其输出端与相机9连接；用于分析矩形脉冲波形信号，检测出电焊机12的焊接短路过渡周期，根据电焊机12的焊接短路过渡周期在电焊机12的焊接短路时刻产生第一触发信号，通过第一触发信号触发相机9对焊熔池进行拍照；
所述控制单元6，其与所述可变计数单元3的控制端连接，用于控制可变计数单元3产生第二触发信号，通过第二触发信号触发相机9对焊熔池进行拍照；
所述计数显示单元7，其与所述可变计数单元3连接，用于对可变计数单元3检测出的电焊机12焊接短路次数进行计数，并进行显示。
上述实施例中，控制单元6便于手动控制可变计数单元3产生触发信号，控制相机9对焊熔池进行拍照，实现拍摄周期的人工控制，使照片图像的显示既满足人眼的视觉暂留效应，又不至于太快看不清楚，使得控制更加便利；计数显示单元7对电焊机12焊接短路次数进行计数，便于作业人员进行了解
如图4所示,一种焊熔池图像跟踪系统，包括电流触发相机模块8、相机9、图像采集卡10和工控机11；
所述相机9，其固定于电焊机12的一侧,用于根据第一触发信号或第二触发信号启动对电焊机12下方的焊熔池进行拍照，生成图像信号；
所述图像采集卡10，其与所述相机9连接，用于采集图像信号，将图像信号进行A/D转换，生成数字图像信号，并进行缓存；
所述工控机11，其与所述图像采集卡10连接，用于提取数字图像信号，通过图像处理模块对生成时间相近的多个数字图像信号进行处理,实时生成熔池图像进行显示。
为了对熔池的状态进行保存，图像采集卡10将采集得到的图像原始数据保存成为一系列的BMP图片和AVI视频，不对图像数据进行压缩处理以便能够在图片中清楚观测熔池各个时刻的状态；同时，将图像采集卡10采集得到的图像数据存为原始文件，便于后续操作。
上述实施例中，电流触发相机模块8、相机9、图像采集卡10和工控机11协调运作，能够在焊接的短路阶段触发相机9采集熔池图像，采集到的图像亮度接近、干扰较少，同时本系统处理速度快，能够最大限度的保留熔池特征。
可选地，作为本发明一个实施例，所述相机9与电焊机12同步转动,保持相对静止，且拍照过程中实时调整曝光时间。
由于熔池实时跟踪的需求，设置相机9采用255pixel×255pixel的图像大小进行熔池状态采集，以减轻实时计算量，便于对熔池的状态做出实时判断；
上述实施例中，相机9与电焊机12相对静止，保证了熔池在相机9靶面上成像位置相对不变，提升后期图像处理和分析；拍照过程中实时调整曝光时间可以保证获取清晰的图像。
可选地，作为本发明一个实施例，所述相机9的镜头处依次装配有滤光片和防飞溅保护片。
上述实施例中，滤光片有效地消除弧光的干扰，焊接区的部分反射光入射到相机9的传感器作为成像光源；防飞溅保护片能防止焊接过程中飞溅的火花对相机9造成损害。
可选地，作为本发明一个实施例，所述图像处理模块读取生成时间相近的多个照片,提取多个照片的公共区域图像,从多个公共区域图像选择没有飞溅和烟尘噪声的图像对其他公共区域图像进行覆盖替换,得到处理后的焊熔池图像,使用Otsu最大类间方差法动态确定阈值，根据阈值对熔池图像进行分割提取，得到最终的熔池图像。
上述实施例中，利用每幅图像中飞溅的位置均不相同，通过将多个图片中没有飞溅和烟尘噪声的图像对其他公共区域图像进行覆盖替换，将飞溅的噪声去除，把有用的熔池图像保留下来，使得图像亮度接近、干扰更少，便于技术人员对于熔池状态的监测；根据阈值对熔池图像进行分割提取，获取清晰的熔池图像信息，避免背景图像干扰。
可选地，作为本发明一个实施例，所述图像处理模块通过插值算法对最终的熔池图像进行多倍放大，并利用灰度拉伸降低图像的对比度，通过工控机11上的监视器屏幕上进行熔池状态显示。
上述实施例中，对最终的熔池图像进行处理保证了细节的真实和完整，便于技术人员对于熔池状态的监测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电流触发相机模块，其特征在于：包括电流传感单元(1)、波型整形变换单元(2)和可变计数单元(3)；
所述电流传感单元(1)，其与电焊机(12)的电源线连接，用于感应电焊机(12)输入电流，生成电流信号；
所述波型整形变换单元(2)，其与电流传感单元(1)连接，用于对电流信号进行信号整形，输出与电焊机(12)输入电流相同频率的矩形脉冲波形信号；
所述可变计数单元(3)，其输入端与波型整形变换单元(2)连接，其输出端与相机(9)连接；用于分析矩形脉冲波形信号，检测出电焊机(12)的焊接短路过渡周期，根据电焊机(12)的焊接短路过渡周期在电焊机(12)的焊接短路时刻产生第一触发信号，通过第一触发信号触发相机(9)对焊熔池进行拍照。
2.根据权利要求1所述的电流触发相机模块，其特征在于：还包括信号放大单元(4)，所述信号放大单元(4)与电流传感单元(1)连接，用于对电流信号进行信号放大。
3.根据权利要求2所述的电流触发相机模块，其特征在于：还包括低通滤波单元(5)，所述低通滤波单元(5)与信号放大单元(4)连接，用于对放大后的电流信号进行滤波，输出滤波后的电流信号。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电流触发相机模块，其特征在于：还包括控制单元(6)，所述控制单元(6)与所述可变计数单元(3)的控制端连接，用于控制可变计数单元(3)产生第二触发信号，通过第二触发信号触发相机(9)对焊熔池进行拍照。
5.根据权利要求4所述的电流触发相机模块，其特征在于：还包括计数显示单元(7)，所述计数显示单元(7)与所述可变计数单元(3)连接，用于对可变计数单元(3)检测出的电焊机(12)焊接短路次数进行计数，并进行显示。
6.一种焊熔池图像跟踪系统，其特征在于：包括权利要求4或5所述的电流触发相机模块(8)、相机(9)、图像采集卡(10)和工控机(11)；
所述相机(9)，其固定于电焊机(12)的一侧,用于根据第一触发信号或第二触发信号启动对电焊机(12)下方的焊熔池进行拍照，生成图像信号；
所述图像采集卡(10)，其与所述相机(9)连接，用于采集图像信号，将图像信号进行A/D转换，生成数字图像信号，并进行缓存；
所述工控机(11)，其与所述图像采集卡(10)连接，用于提取数字图像信号，通过图像处理模块对生成时间相近的多个数字图像信号进行处理,实时生成熔池图像进行显示。
7.根据权利要求6所述的焊熔池图像跟踪系统，其特征在于：所述相机(9)与电焊机(12)同步转动,保持相对静止，且拍照过程中实时调整曝光时间。
8.根据权利要求6所述的焊熔池图像跟踪系统，其特征在于：所述相机(9)的镜头处依次装配有滤光片和防飞溅保护片。
9.根据权利要求6至8任一项所述的焊熔池图像跟踪系统，其特征在于：所述图像处理模块读取生成时间相近的多个照片,提取多个照片的公共区域图像,从多个公共区域图像选择没有飞溅和烟尘噪声的图像对其他公共区域图像进行覆盖替换,得到处理后的焊熔池图像,使用Otsu最大类间方差法动态确定阈值，根据阈值对熔池图像进行分割提取，得到最终的熔池图像。
10.根据权利要求9所述的焊熔池图像跟踪系统，其特征在于：所述图像处理模块通过插值算法对最终的熔池图像进行多倍放大，利用灰度拉伸降低图像的对比度，通过工控机(11)上的监视器屏幕上进行熔池状态显示。
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