CN108620714A

CN108620714A - 基于gmaw熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统及其检测方法

Info

Publication number: CN108620714A
Application number: CN201810739282.5A
Authority: CN
Inventors: 高珊; 朱彦军; 吴志生; 王安红; 尹国利; 李晔
Original assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Current assignee: Taiyuan Chenhang Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2018-10-09
Anticipated expiration: 2038-07-06
Also published as: CN108620714B

Abstract

本发明公开了基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统及其检测方法，所述焊接偏差检测系统包括光学系统、图像处理系统、图像分析系统。光学系统包括相机触发模块、工业相机、滤光装置。图像处理系统包括ROI设置模块、中值滤波模块、轮廓提取模块。图像分析系统包括边界线检测模块、比较器、运算器。本发明通过设置光学系统，对短路过渡时的熔池图像进行采集，通过设置图像处理系统将熔池图像分成一个坡口轮廓图像、一个焊丝轮廓图像，并通过设置图像分析系统，计算得到焊接偏差，从而快速测量出焊接的偏差值，便于实时监测焊接状态，通过设置报警装置，并根据像素偏差量的大小判断焊枪偏左或者偏右并发出相应的报警信号，提高焊接效率及焊接质量。

Description

基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及偏差检测技术领域的一种焊接偏差检测系统，具体为基于 GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统及其检测方法。

背景技术

焊缝跟踪是机器人焊接智能化的关键技术之一，其中焊接偏差检测是焊缝跟踪的基础。传统的机器人利用示教－再现的方法实现自动焊接。但是，自动焊接容易受到工件和装配的不标准、焊接热变形、变间隙、错边等因素的干扰而造成焊接偏差的问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统及其检测方法，具备实时检测、快速、精确测量等优点，解决了I 形坡口焊接出现焊偏的质量监测问题。

(二)技术方案

为实现上述实时检测、快速、精确测量的目的，本发明提供如下技术方案：基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，其包括：

光学系统，其包括相机触发模块、工业相机、滤光装置；所述相机触发模块用于检测、整形焊接时的电弧电压，且按时序组合成相机触发信号并传输至所述工业相机；所述工业相机在所述相机触发信号位于下降沿时触发工业相机拍摄短路过渡时的熔池图像；所述相机触发模块在所述工业相机的输入信号位于下降沿时对所述输入信号进行滤波，并在滤波后触发所述工业相机延迟拍摄；所述滤光装置包括滤光片、减光片、中心开设圆孔的挡板；所述滤光片、所述减光片、所述挡板均同轴设置；所述滤光片的一端安装在所述工业相机的镜头上，所述减光片的一端安装在所述滤光片的另一端上，所述挡板安装在所述减光片的另一端上；

图像处理系统，其包括ROI设置模块、中值滤波模块、轮廓提取模块；所述ROI设置模块用于将所述熔池图像分割成分别显示坡口轮廓和焊丝轮廓的两个ROI，所述中值滤波模块用于对所述两个ROI进行中值滤波，所述轮廓提取模块提取滤波后的所述两个ROI的轮廓并形成一个坡口轮廓图像、一个焊丝轮廓图像；

图像分析系统，其包括边界线检测模块、比较器、运算器；所述边界线检测模块用于检测所述坡口轮廓图像的边界直线并产生对应极坐标系中点a、 b、c、d的四条坡口边界直线，还用于检测所述焊丝轮廓图像的边界直线并产生对应极坐标系中点e、f、g、h的四条焊丝边界直线；所述边界线检测模块将点a、b、c、d、e、f、g、h的极坐标传输至所述比较器；所述比较器根据点a、b、c、d、e、f、g、h的极径和极角，在点a、b、c、d中删除极径相近的三个点中极角较大的两个点a、b，同时在点e、f、g、h中删除极径相近的三个点中极角较大的两个点e、f，并保留剩下的点c、d对应的两条坡口边界直线S、L，以及剩下的点g、h对应的两条焊丝边界直线M、N；所述运算器根据公式ρ_Z＝(ρ_S+ρ_L)÷2，ρ_O＝(ρ_M+ρ_N)÷2，分别计算出ρ_Z和ρ_O的值；其中，ρ_S、ρ_L、ρ_M、ρ_N分别为直线S、L、M、N对应的极径，ρ_Z为坡口边界直线S、L的中心线Z的极径，ρ_O为焊丝边界直线M、N的中心线O的极径；定义中心线Z与中心线O的水平偏差为焊接偏差；其中，Δ为中心线Z与中心线O的像素偏差量，Δ_r为坡口与焊丝的实际偏差量，为一个像素所代表的实际尺寸；所述运算器根据公式Δ＝ρ_Z-ρ_O，分别计算出像素偏差量Δ、实际偏差量Δ_r的值。

作为上述方案的进一步改进，所述相机触发模块包括硬件触发单元；所述硬件触发单元用于检测焊接时的电弧电压，并在所述电弧电压低于一个预设电压值时触发一个触发信号一，在所述电弧电压高于所述预设电压值时触发一个触发信号二，所述触发信号一、所述触发信号二按时序组合成相机触发信号并传输至所述工业相机，使所述工业相机在所述相机触发信号位于下降沿时触发工业相机拍摄短路过渡时的熔池图像。

进一步地，所述硬件触发单元包括霍尔电压传感器、同向电压比较器；所述霍尔电压传感器用于检测焊接时的电弧电压，其输出端连接所述同向电压比较器；所述同向电压比较器接收所述霍尔电压传感器检测的电弧电压，在检测的电弧电压低于一个预设电压值时触发一个触发信号一，在检测的电弧电压高于一个预设电压值时触发一个触发信号二。

再进一步地，所述同向电压比较器采用LM358电压比较器；所述预设电压值为10V，所述触发信号一为0.5V的电压信号，所述触发信号二为5V的电压信号。

再进一步地，所述相机触发模块还包括软件触发单元；所述软件触发单元首先将所述工业相机拍摄的熔池图像的尺寸设置为600×650像素，然后在所述工业相机的输入信号位于下降沿时触发对所述输入信号进行滤波，并在滤波后触发所述工业相机延迟拍摄，最后将所述工业相机的曝光时间降低至一个预设时间并设置一个所述工业相机的拍摄增益。

再进一步地，所述软件触发单元的触发滤波时间设置为1000us；其中，所述软件触发单元在所述触发信号一的持续时间小于1000us时，触发所述工业相机关闭，在所述触发信号一的持续时间大于1000us时，触发所述工业相机延迟800us拍摄；所述软件触发单元将所述工业相机的曝光时间降低至 200us并设置所述工业相机的拍摄增益为10db。

作为上述方案的进一步改进，所述焊接偏差检测系统还包括报警装置；所述图像分析系统还包括控制器；所述控制器控制所述报警装置在像素偏差量Δ小于零时，发出焊枪偏右报警信号，在像素偏差量Δ大于零时，发出焊枪偏左报警信号。

作为上述方案的进一步改进，所述滤光片采用630±10nm窄带滤光片，所述减光片采用衰减率为10％的衰减片；所述工业相机采用水星 MER-301-125U3M数字摄像机，其镜头采用M2518-MPW2镜头，其拍摄帧率设置为125fps，其工作方式设置为电弧电压下降沿外触发，其曝光方式设置为全局曝光。

作为上述方案的进一步改进，所述坡口轮廓图像的尺寸为380×120像素，所述焊丝轮廓图像的尺寸为380×240像素。

本发明还提供一种基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测方法，其应用于上述任意一种基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，所述焊接偏差检测方法包括以下步骤：

检测焊接时的电弧电压，并在所述电弧电压低于一个预设电压值时触发一个触发信号一，在所述电弧电压高于所述预设电压值时触发一个触发信号二，所述触发信号一、所述触发信号二按时序组合成相机触发信号并传输至工业相机，使所述工业相机在所述相机触发信号位于下降沿时触发工业相机拍摄短路过渡时的熔池图像；

将所述熔池图像分割成分别显示坡口轮廓和焊丝轮廓的两个ROI，对所述两个ROI进行中值滤波，提取滤波后的所述两个ROI的轮廓并形成一个坡口轮廓图像、一个焊丝轮廓图像；

检测所述坡口轮廓图像的边界直线并产生对应极坐标系中点a、b、c、d 的四条坡口边界直线，还用于检测所述焊丝轮廓图像的边界直线并产生对应极坐标系中点e、f、g、h的四条焊丝边界直线；根据点a、b、c、d、e、f、g、 h的极径和极角，在点a、b、c、d中删除极径相近的三个点中极角较大的两个点a、b，同时在点e、f、g、h中删除极径相近的三个点中极角较大的两个点e、f，并保留剩下的点c、d对应的两条坡口边界直线S、L，以及剩下的点 g、h对应的两条焊丝边界直线M、N；根据公式ρZ＝(ρS+ρ_L)÷2，ρ_O＝(ρ_M+ρ_N) ÷2，分别计算出ρ_Z和ρ_O的值；其中，ρ_S、ρ_L、ρ_M、ρ_N分别为直线S、L、M、 N对应的极径，ρ_Z为坡口边界直线S、L的中心线Z的极径，ρ_O为焊丝边界直线M、N的中心线O的极径；定义中心线Z与中心线O的水平偏差为焊接偏差；其中，Δ为中心线Z与中心线O的像素偏差量，Δ_r为坡口与焊丝的实际偏差量，为一个像素所代表的实际尺寸；根据公式Δ＝ρ_Z-ρ_O，分别计算出像素偏差量Δ、实际偏差量Δ_r的值。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统及其检测方法，具备以下有益效果：

本发明的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统及其检测方法，通过设置光学系统，对短路过渡时的熔池图像进行采集，利用带孔的挡板保护工业相机且降低熔池图像中次像产生的影响，提高图像采集质量，利用滤光片、减光片进行滤光和减光，并通过设置相机触发模块对焊接时的电弧电压进行整形并触发工业相机进行拍照，使采集的熔池图像信号稳定、清晰。本发明通过图像处理系统对采集到的熔池图像进行处理，将熔池图像分成一个坡口轮廓图像、一个焊丝轮廓图像，便于坡口轮廓和焊丝轮廓进行分析对比。本发明通过设置图像分析系统，产生四条坡口边界直线和四条焊丝边界直线，选取极径相近的三条坡口边界直线中极角最小的一条坡口边界直线以及极径不相近的另外一条坡口边界直线，同时，选取极径相近的三条焊丝边界直线中极角最小的一条焊丝边界直线以及不相近的另外一条焊丝边界直线，并计算选取的两条坡口边界直线的中心线到选取的两条焊丝边界直线的中心线的偏差，得到焊接偏差，从而快速测量出焊接的偏差值，便于实时监测焊接状态，提高焊接的质量。同时，本发明通过设置报警装置，根据像素偏差量Δ的大小判断焊枪偏左或者偏右并发出相应的报警信号，使操作人员及时作出相应的处理，提高焊接效率以及焊接质量。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统的系统流程图；

图2为本发明实施例1的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统的结构框图；

图5为本发明实施例1中的光学系统的安装示意图；

图3为本发明实施例1中的相机触发模块的硬件触发信号示意图；

图4为本发明实施例1中的相机触发模块延迟触发后的触发信号示意图；

图6为本发明实施例1中的熔池的特征信息示意图；

图7为图6中的焊缝的剖面示意图；

图8为本发明实施例1中对熔池图像设置双ROI的实际操作示意图；

图9为图8中的坡口轮廓的示意图；

图10为图8中的焊丝轮廓的示意图；

图11为本发明实施例1中的直角坐标系和极坐标系的示意图；

图12为图8中的坡口轮廓在极坐标系中的示意图；

图13为图8中的焊丝轮廓在极坐标系中的示意图；

图14为本发明实施例1中直线S、L在极坐标系中的示意图；

图15为本发明实施例1中直线M、N在极坐标系中的示意图。

符号说明：

1 工件 8 坡口中心线

2 焊枪 9 焊丝中心线

3 工业相机 201 坡口

4 镜头 202 池顶

5 滤光片 203 熔池

6 减光片 204 焊丝

7 挡板 205 焊缝

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1以及图2，本实施例的基于GMAW(熔化极气体保护焊)熔池轮廓特征的I形坡口焊接偏差检测系统包括光学系统、图像处理系统、图像分析系统。在本实施例中，焊接偏差检测系统应用于弧焊接器人系统，弧焊接器人系统包括MOTOMAN-UP6机器人、焊接电源MOTOWELD-S350。其中，本实施例进行试验，采用GMAW焊接方法，接头形式为对接，并且为I形坡口，母材材料为Q235，板材尺寸为180mmx50mmx5mm，预处理方式为砂纸打磨去锈。焊接工艺参数如表1。

表1焊接工艺参数表

光学系统包括相机触发模块、工业相机3、滤光装置。

请参阅图3，工业相机3用于拍摄短路过渡时的熔池图像，且焊接工件1 是水平放置的，工业相机3与工件1有40度夹角。工业相机3采用水星 MER-301-125U3M数字摄像机，其镜头4采用M2518-MPW2镜头，并将拍摄帧率设置为125fps，将工作方式设置为电弧电压下降沿外触发，为了防止运动物体出现偏移和歪斜，将曝光方式设置为全局曝光，将图像尺寸设置为 600×650像素，将拍摄增益设置为10db。

滤光装置包括滤光片5、减光片6、中心开设圆孔的挡板7。滤光片5、减光片6、挡板7均同轴设置，滤光片5的一端安装在工业相机3的镜头4上，减光片6的一端安装在滤光片5的另一端上，挡板7安装在减光片6的另一端上。其中，带孔的挡板7可以保护工业相机3，并且降低熔池图像中次像产生的影响，提高图像采集质量，同时利用滤光片5、减光片6进行滤光和减光，提高拍摄的熔池图像的清晰度。

相机触发模块包括硬件触发单元和软件触发单元。

硬件触发单元用于检测焊接时的电弧电压，并在电弧电压低于一个预设电压值时触发一个触发信号一，在电弧电压高于预设电压值时触发一个触发信号二，所述触发信号一、所述触发信号二按时序组合成相机触发信号并传输至所述工业相机，使所述工业相机在所述相机触发信号位于下降沿时触发工业相机拍摄短路过渡时的熔池图像。在本实施例中，硬件触发单元包括霍尔电压传感器、同向电压比较器。霍尔电压传感器检测焊接时的电弧电压，其输出端连接所述同向电压比较器。同向电压比较器接收霍尔电压传感器检测的电弧电压，在检测的电弧电压低于一个预设电压值时触发一个触发信号一，在检测的电弧电压高于一个预设电压值时触发一个触发信号二。其中，同向电压比较器采用LM358电压比较器，预设电压值为10V，触发信号一为 0.5V的电压信号，触发信号二为5V的电压信号，如图3所示。这样，硬件触发单元通过对焊接时的电弧电压进行整形，使工业相机3在相机触发信号的触发下进行工作。

请参阅图4，软件触发单元首先将所述工业相机拍摄的熔池图像的尺寸设置为600×650像素，然后在所述相机触发信号位于下降沿时触发对所述输入信号进行滤波，并在滤波后触发所述工业相机延迟拍摄，最后将所述工业相机的曝光时间降低至一个预设时间并设置一个所述工业相机的拍摄增益。所述软件触发单元的触发滤波时间设置为1000us。其中，滤波方式为：所述软件触发单元在所述触发信号一的持续时间小于1000us时，触发所述工业相机关闭，在所述触发信号一的持续时间大于1000us时，触发所述工业相机延迟800us拍摄。所述软件触发单元将所述工业相机的曝光时间降低至200us并设置所述工业相机的拍摄增益为10db。这样使采集的熔池图像信号稳定、清晰，同时还可以减少在焊接不稳定时产生的弧光对熔池图像的干扰，提高拍摄的熔池图像的清晰度。

请参阅图6，从图中可以看出熔池203的池顶202处是两条接近平行的垂直线段，线段间的距离就是坡口间隙。出现这种现象的原因由图7可以看出，焊接处设有焊缝205，在焊接过程中焊丝204熔化，熔液主要在重力和电弧力作用下填充破口。工业相机3在焊枪2前方倾斜拍摄熔池图像时，熔液发出的光从工件1的坡口201进入工业相机3，此时熔液是红色的，破口是黑色的，并出现两条向下的线段，线段间的距离可以反映坡口201的间隙距离。

图像处理系统包括ROI设置模块、中值滤波模块、轮廓提取模块。ROI 设置模块用于将过滤波形后的熔池图像分割成分别显示坡口轮廓和焊丝轮廓的两个ROI，如图8所示。中值滤波模块用于对两个ROI进行中值滤波去噪，这样可以消除噪声造成的影响，最大限度减小伪边缘的干扰。轮廓提取模块采用传统的Canny边缘检测算法提取滤波去噪后的两个ROI的轮廓并形成一个坡口轮廓图像、一个焊丝轮廓图像，便于坡口轮廓和焊丝轮廓进行分析对比。其中，坡口轮廓图像的尺寸为380×120像素，焊丝轮廓图像的尺寸为 380×240像素。

请参阅图9以及图10，可以看出坡口轮廓和焊丝轮廓分别由2条平行的垂直直线构成，但是利用Canny边缘检测后的边缘存在不连续性。因此，对图像进行一次形态学膨胀处理，并进行图像的分析。

请参阅图11，利用霍夫变换检测边界直线的形状，坡口轮廓线和焊丝轮廓线可以看成是直线，且轮廓线在直角坐标系中可以表示为：

y＝k×x+m

在直角坐标系中y＝k×x+m直线映射到极坐标中为点q，如图所示，可表示为：

ρ＝x×cosθ+y×sinθ

其中，k为直线斜率，m为直线截距，ρ为极坐标中原点到直线的距离。直角坐标系中，坡口轮廓线和焊丝轮廓线接近垂直，所以-4<θ<4。则有：

ρ≈x×cosθ

工业相机3在安装时，为了减小实验误差，焊丝204在图像中的位置尽可能垂直于横坐标。因此，ρ相近时θ越小越好。请参阅图12，a、b、c三点的极径均为162，且点c的θ＝-2.3，点c的极角最小，同时c、d两点的极角也最接近，则只保留点成c、d，并形成最终的两条坡口轮廓直线S、L，如图所示图14。请参阅图13，e、f、g三点的极径接近且点g的极角最小，因此选择点g、h，并形成最终的两条焊丝轮廓直线M、N，如图15所示。

在本实施例中，直线S、L的中心线为Z，即坡口中心线8，且直线Z的极径为：

ρ_Z＝(ρ_c+ρ_d)÷2＝(162+200)÷2＝181

则在直角坐标系中，坡口201的中心位置的横坐标为x_Z＝ρ_Z＝181。

同样，直线M、N的中心线为O，即焊丝中心线9，且直线O的极径为：

ρ_O＝(ρ_g+ρ_h)÷2＝(164+211)÷2＝187.5≈188

则在直角坐标系中，焊丝中心位置的横坐标为x_O＝ρ_O＝188。

在本实施例的试验中，焊丝204的直径为1.2mm，且焊丝204占46个像素，则一个像素所占的实际尺寸为：

在本实施例中，工业相机3的镜头4存在轻微的镜头畸变，并且畸变量可以忽略不计。焊接工件1是水平放置的，相机与工件1有40度夹角，所以熔池图像在纵坐标方向上存在线性畸变，但是由于熔池203在整张图片中所占面积较小，且位于图片中心，而且焊接偏差主要考虑x方向偏差，所以，在此不分析镜头畸变。

定义中心线Z与中心线O的水平偏差为焊接偏差，且Δ为中心线Z与中心线O的像素偏差量，Δ_r为坡口201与焊丝204的实际偏差量，则有：

Δ＝x_Z-x_O＝ρ_Z-ρ_O

因此，Δ＝x_Z-x_O＝181-188＝-7，Δ_r＝-7×0.026mm＝-0.183mm，即焊枪偏右7 个像素，实际偏差0.183mm。

因此，本实施例的焊接偏差检测系统中的图像分析系统可以包括边界线检测模块、比较器、运算器。

所述边界线检测模块用于检测所述坡口轮廓图像的边界直线并产生对应极坐标系中点a、b、c、d的四条坡口边界直线，还用于检测所述焊丝轮廓图像的边界直线并产生对应极坐标系中点e、f、g、h的四条焊丝边界直线；所述边界线检测模块将点a、b、c、d、e、f、g、h的极坐标传输至所述比较器；所述比较器根据点a、b、c、d、e、f、g、h的极径和极角，在点a、b、c、d 中删除极径相近的三个点中极角较大的两个点a、b，同时在点e、f、g、h中删除极径相近的三个点中极角较大的两个点e、f，并保留剩下的点c、d对应的两条坡口边界直线S、L，以及剩下的点g、h对应的两条焊丝边界直线M、 N；所述运算器根据公式ρ_Z＝(ρ_S+ρ_L)÷2，ρ_O＝(ρ_M+ρ_N)÷2，分别计算出ρ_Z和ρ_O的值；其中，ρ_S、ρ_L、ρ_M、ρ_N分别为直线S、L、M、N对应的极径，ρ_Z为直线S、L的中心线Z的极径，ρ_O为直线M、N的中心线O的极径；定义中心线Z与中心线O的水平偏差为焊接偏差；其中，Δ为中心线Z与中心线O 的像素偏差量，Δ_r为坡口与焊丝的实际偏差量，为一个像素所代表的实际尺寸；所述运算器根据公式Δ＝ρ_Z-ρ_O，分别计算出像素偏差量Δ、实际偏差量Δ_r的值。根据像素偏差量Δ的大小，可以判断焊枪2的偏离方向，在像素偏差量Δ大于零时，可以判断焊枪2偏左，在在像素偏差量Δ小于零时，可以判断焊枪2偏右，在像素偏差量Δ等于零时，可以判断焊枪2位置正确。

综上所述，本实施例的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，通过设置光学系统，对短路过渡时的熔池图像进行采集，利用带孔的挡板7 保护工业相机3且降低熔池图像中次像产生的影响，提高图像采集质量，利用滤光片5、减光片6进行滤光和减光，并通过设置相机触发模块对焊接时的电弧电压进行整形并触发工业相机进行拍照，对焊接时的电弧电压的波形进行过滤，使采集的熔池图像信号稳定、清晰。本实施例通过图像处理系统对过滤波形后的熔池图像进行处理，将熔池图像分成一个坡口轮廓图像、一个焊丝轮廓图像，便于坡口轮廓和焊丝轮廓进行分析对比。本实施例通过设置图像分析系统，产生四条坡口边界直线和四条焊丝边界直线，选取极径相近的三条坡口边界直线中极角最小的一条坡口边界直线以及极径不相近的另外一条坡口边界直线，同时，选取极径相近的三条焊丝边界直线中极角最小的一条焊丝边界直线以及不相近的另外一条焊丝边界直线，并计算选取的两条坡口边界直线的中心线到选取的两条焊丝边界直线的中心线的偏差，得到焊接偏差，从而快速测量出焊接的偏差值，便于实时监测焊接状态，提高焊接的质量。

实施例2

本实施例公开了一种基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测方法，其应用于实施例1的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统。

所述焊接偏差检测方法包括以下步骤。

(1)检测焊接时的电弧电压，并在所述电弧电压低于一个预设电压值时触发一个触发信号一，在所述电弧电压高于所述预设电压值时触发一个触发信号二，所述触发信号一、所述触发信号二按时序组合成相机触发信号并传输至工业相机，使所述工业相机在所述相机触发信号位于下降沿时触发工业相机拍摄短路过渡时的熔池图像.

(2)将所述熔池图像分割成分别显示坡口轮廓和焊丝轮廓的两个ROI。

对所述两个ROI进行中值滤波。

提取滤波后的所述两个ROI的轮廓并形成一个坡口轮廓图像、一个焊丝轮廓图像。

(3)检测所述坡口轮廓图像的边界直线并产生对应极坐标系中点a、b、 c、d的四条坡口边界直线，还用于检测所述焊丝轮廓图像的边界直线并产生对应极坐标系中点e、f、g、h的四条焊丝边界直线。

根据点a、b、c、d、e、f、g、h的极径和极角，在点a、b、c、d中删除极径相近的三个点中极角较大的两个点a、b、，同时在点e、f、g、h中删除极径相近的三个点中极角较大的两个点e、f，并保留剩下的点c、d对应的两条坡口边界直线S、L，以及剩下的点g、h对应的两条焊丝边界直线M、N。

根据公式ρ_Z＝(ρ_S+ρ_L)÷2，ρ_O＝(ρ_M+ρ_N)÷2，分别计算出ρ_Z和ρ_O的值；其中，ρ_S、ρ_L、ρ_M、ρ_N分别为直线S、L、M、N对应的极径，ρ_Z为直线S、L 的中心线Z的极径，ρ_O为直线M、N的中心线O的极径；定义中心线Z与中心线O的水平偏差为焊接偏差；其中，Δ为中心线Z与中心线O的像素偏差量，Δ_r为坡口与焊丝的实际偏差量，为一个像素所代表的实际尺寸。

根据公式Δ＝ρ_Z-ρ_O，分别计算出像素偏差量Δ、实际偏差量Δ_r的值。

实施例3

本实施例的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统在实施例1的基础上增加了报警装置，且图像分析系统增加了控制器。控制器控制报警装置在像素偏差量Δ小于零时，发出焊枪2偏右报警信号，在像素偏差量Δ大于零时，发出焊枪2偏左报警信号。因此，本实施例通过设置报警装置，根据像素偏差量Δ的大小判断焊枪2偏左或者偏右并发出相应的报警信号，使操作人员及时作出相应的处理，提高焊接效率以及焊接质量。

实施例4

本实施例的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统与实施例3相似，区别在于本实施例中的控制器对报警装置的控制方法不同。在本实施例中，控制器控制报警装置在像素偏差量Δ小于负值u时，发出焊枪2偏右报警信号，在像素偏差量Δ大于正值i时，发出焊枪2偏左报警信号，在像素偏差量Δ位于负值u和正值i之间时，发出焊枪2位置正确信号。本实施例通过设置负值u和正值i，并且根据实际需要，确定负值u和正值i的大小，从而使焊枪2高效地工作，并且还能避免焊枪2的位置过偏，提高焊接质量。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，其特征在于：所述焊接偏差检测系统包括：

光学系统，其包括相机触发模块、工业相机、滤光装置；所述相机触发模块用于检测、整形焊接时的电弧电压，且按时序组合成相机触发信号并传输至所述工业相机；所述工业相机在所述相机触发信号位于下降沿时触发工业相机拍摄短路过渡时的熔池图像；所述相机触发模块在所述相机触发信号位于下降沿时对所述相机触发信号进行滤波，并在滤波后触发所述工业相机延迟拍摄；所述滤光装置包括滤光片、减光片、中心开设圆孔的挡板；所述滤光片、所述减光片、所述挡板均同轴设置；所述滤光片的一端安装在所述工业相机的镜头上，所述减光片的一端安装在所述滤光片的另一端上，所述挡板安装在所述减光片的另一端上；

图像分析系统，其包括边界线检测模块、比较器、运算器；所述边界线检测模块用于检测所述坡口轮廓图像的边界直线并产生对应极坐标系中点a、b、c、d对应的四条坡口边界直线，还用于检测所述焊丝轮廓图像的边界直线并产生对应极坐标系中点e、f、g、h对应的四条焊丝边界直线；所述边界线检测模块将点a、b、c、d、e、f、g、h的极坐标传输至所述比较器；所述比较器根据点a、b、c、d、e、f、g、h的极径和极角，在点a、b、c、d中删除极径相近的三个点中极角较大的两个点a、b，同时在点e、f、g、h中删除极径相近的三个点中极角较大的两个点e、f，并保留剩下的两点c、d对应的两条坡口边界直线S、L，以及剩下的两点g、h对应的两条焊丝边界直线M、N；所述运算器根据公式ρ_Z＝(ρ_S+ρ_L)÷2，ρ_O＝(ρ_M+ρ_N)÷2，分别计算出ρ_Z和ρ_O的值；其中，ρ_S、ρ_L、ρ_M、ρ_N分别为直线S、L、M、N对应的极径，ρ_Z为坡口边界直线S、L的中心线Z的极径，ρ_O为焊丝边界直线M、N的中心线O的极径；定义中心线Z与中心线O的水平偏差为焊接偏差；其中，Δ为中心线Z与中心线O的像素偏差量，Δ_r为坡口与焊丝的实际偏差量，为一个像素所代表的实际尺寸；所述运算器根据公式Δ＝ρ_Z-ρ_O，分别计算出像素偏差量Δ、实际偏差量Δ_r的值。

2.根据权利要求1所述的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，其特征在于：所述相机触发模块包括硬件触发单元；所述硬件触发单元用于检测焊接时的电弧电压，并在所述电弧电压低于一个预设电压值时触发一个触发信号一，在所述电弧电压高于所述预设电压值时触发一个触发信号二，所述触发信号一、所述触发信号二按时序组合成相机触发信号并传输至所述工业相机，使所述工业相机在所述相机触发信号位于下降沿时触发工业相机拍摄短路过渡时的熔池图像。

3.根据权利要求2所述的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，其特征在于：所述硬件触发单元包括霍尔电压传感器、同向电压比较器；所述霍尔电压传感器用于检测焊接时的电弧电压，其输出端连接所述同向电压比较器；所述同向电压比较器接收所述霍尔电压传感器检测的电弧电压，在检测的电弧电压低于一个预设电压值时触发一个触发信号一，在检测的电弧电压高于一个预设电压值时触发一个触发信号二。

4.根据权利要求3所述的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，其特征在于：所述同向电压比较器采用LM358电压比较器；所述预设电压值为10V，所述触发信号一为0.5V的电压信号，所述触发信号二为5V的电压信号。

5.根据权利要求2所述的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，其特征在于：所述相机触发模块还包括软件触发单元；所述软件触发单元首先将所述工业相机拍摄的熔池图像的尺寸设置为600×650像素，然后在所述相机触发信号位于下降沿时触发对所述输入信号进行滤波，并在滤波后触发所述工业相机延迟拍摄，最后将所述工业相机的曝光时间降低至一个预设时间并设置一个所述工业相机的拍摄增益。

6.根据权利要求5所述的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，其特征在于：所述软件触发单元的触发滤波时间设置为1000us；其中，所述软件触发单元在所述触发信号一的持续时间小于1000us时，触发所述工业相机关闭，在所述触发信号一的持续时间大于1000us时，触发所述工业相机延迟800us拍摄；所述软件触发单元将所述工业相机的曝光时间降低至200us并设置所述工业相机的拍摄增益为10db。

7.根据权利要求1所述的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，其特征在于：所述焊接偏差检测系统还包括报警装置；所述图像分析系统还包括控制器；所述控制器控制所述报警装置在像素偏差量Δ小于零时，发出焊枪偏右报警信号，在像素偏差量Δ大于零时，发出焊枪偏左报警信号。

8.根据权利要求1所述的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，其特征在于：所述滤光片采用630±10nm窄带滤光片，所述减光片采用衰减率为10％的衰减片；所述工业相机采用水星MER-301-125U3M数字摄像机，其镜头采用M2518-MPW2镜头，其拍摄帧率设置为125fps，其工作方式设置为电弧电压下降沿外触发，其曝光方式设置为全局曝光。

9.根据权利要求1所述的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，其特征在于：所述坡口轮廓图像的尺寸为380×120像素，所述焊丝轮廓图像的尺寸为380×240像素。

10.一种基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测方法，其应用于根据权利要求1至9中任意一项所述的基于GMAW熔池轮廓特征的焊接偏差检测系统，其特征在于：所述焊接偏差检测方法包括以下步骤：

检测所述坡口轮廓图像的边界直线并产生对应极坐标系中点a、b、c、d的四条坡口边界直线，还用于检测所述焊丝轮廓图像的边界直线并产生对应极坐标系中点e、f、g、h的四条焊丝边界直线；根据点a、b、c、d、e、f、g、h的极径和极角，在点a、b、c、d中删除极径相近的三个点中极角较大的两个点a、b，同时在点e、f、g、h中删除极径相近的三个点中极角较大的两个点e、f，并保留剩下的点c、d对应的两条坡口边界直线S、L，以及剩下的点g、h对应的两条焊丝边界直线M、N；根据公式ρ_Z＝(ρ_S+ρ_L)÷2，ρ_O＝(ρ_M+ρ_N)÷2，分别计算出ρ_Z和ρ_O的值；其中，ρ_S、ρ_L、ρ_M、ρ_N分别为直线S、L、M、N对应的极径，ρ_Z为坡口边界直线S、L的中心线Z的极径，ρ_O为焊丝边界直线M、N的中心线O的极径；定义中心线Z与中心线O的水平偏差为焊接偏差；其中，Δ为中心线Z与中心线O的像素偏差量，Δ_r为坡口与焊丝的实际偏差量，为一个像素所代表的实际尺寸；根据公式Δ＝ρ_Z-ρ_O，分别计算出像素偏差量Δ、实际偏差量Δ_r的值。