CN110708444B - 用于拍摄焊接过程的摄像系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于拍摄焊接过程的摄像系统及其控制方法，所述拍摄焊接过程的摄像系统包括第一单色LED、第二单色LED、高速摄像机、信号选择器和承载平台，其中高速摄像机用于对设置在第一单色LED和第二单色LED所形成的共同照明区内的待焊工件进行拍摄，信号选择器用于对从所述共同照明区进入到所述高速摄像机内的光线进行滤光。本发明摄像系统的信号选择器可以使得高速摄像机在拍摄焊接过程时，避免焊接所产生的紫外线进入高速摄像机内造成损害，消除强烈的电弧光造成的干扰，使得高速摄像机仅接收第一单色LED和第二单色LED对待焊工件照明所反射的单色光，从而获得清晰的待焊工件影像。本发明广泛应用于工业焊接技术领域。

Description

用于拍摄焊接过程的摄像系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及工业焊接技术领域，尤其是用于拍摄焊接过程的摄像系统及其控制方法。

背景技术

工业焊接中广泛应用电弧焊接。为了对电弧焊接的质量进行控制，必须对其焊接过程进行观察和监控，所述观察和监控主要是针对熔融池、熔滴的形态以及熔滴的过渡。但由于电弧焊接过程中所产生的弧光亮度很大，无法用肉眼直视，因此只能考虑使用电子仪器进行观察。但是，即使是使用摄像头对电弧焊接过程中的熔融池以及熔滴进行拍摄，摄像头的视野中也无法避免地拍摄到强烈的弧光，使得熔融池以及熔滴的影像被掩盖，无法进行正常的拍摄和观察。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明的目的在于提供一种用于拍摄焊接过程的摄像系统及其控制方法。

一方面，本发明实施例中包括一种用于拍摄焊接过程的摄像系统，包括：

第一单色LED，用于发射单色光并形成功率和尺寸可调的第一照明区；

第二单色LED，用于发射单色光并形成功率和尺寸可调的第二照明区；

所述第一照明区和第二照明区相交形成共同照明区，所述共同照明区内用于设置待焊工件；

高速摄像机，用于对所述共同照明区和/或设置在共同照明区内的待焊工件进行拍摄；

信号选择器，其安装在高速摄像机上，用于对从所述共同照明区进入到所述高速摄像机内的光线进行滤光；

承载平台，其设置在所述共同照明区下方，用于承载所述待焊工件。

进一步地，所述第一单色LED、第二单色LED和高速摄像机均位于相对于所述承载平台的同一侧，且所述第一单色LED和第二单色LED分别位于所述高速摄像机的两侧，使得所述第一单色LED的发射方向和第二单色LED的发射方向形成一锐角。

另一方面，本发明实施例中还包括一种用于拍摄焊接过程的摄像系统，包括：

第三单色LED，用于发射单色光并形成功率和尺寸可调的第三照明区，所述第三照明区内用于设置待焊工件；

高速摄像机，用于对所述第三照明区和/或设置在第三照明区内的待焊工件进行拍摄，且所述高速摄像机的拍摄方向正对着所述第三单色LED的发射方向；

信号选择器，其安装在高速摄像机上，用于对从所述第三照明区进入到所述高速摄像机内的光线进行滤光；

承载平台，其设置在所述第三照明区下方，用于承载所述待焊工件。

进一步地，所述摄像系统还包括：

多个三维调整架，分别用于支撑各所述单色LED、高速摄像机和承载平台；各所述三维调整架可进行受控的平移或转动，使得各所述单色LED、高速摄像机和承载平台之间的相对位置可调，且使得各所述单色LED的发射方向以及所述高速摄像机的拍摄方向可调。

进一步地，所述信号选择器包括UV长通滤光片、窄带滤光片和转接环；所述转接环的一端连接在所述高速摄像机上，所述窄带滤光片安装在所述转接环的另一端，所述UV长通滤光片叠装在所述窄带滤光片的在外一面上。

另一方面，本发明实施例中还包括一种摄像系统的控制方法，包括以下步骤：

将各所述单色LED开启至半功率状态，调整相应的照明区的尺寸直至完全将所述待焊工件包含在内；

将所述高速摄像机配置为第一拍摄速率，调整所述三维调整架，直至所述高速摄像机拍摄到具有预设清晰度和对比度的待焊工件影像；

将所述高速摄像机配置为高于第一拍摄速率的第二拍摄速率，并调低所述高速摄像机的曝光时间；

将各所述单色LED开启至全功率状态。

另一方面，本发明实施例中还包括一种摄像系统的控制方法，包括以下步骤：

获取所述高速摄像机拍摄的待焊工件影像；

计算所述待焊工件影像的平均灰度值；

按预设的步进值调整所述各所述单色LED的功率，直至所述平均灰度值达到预设的灰度阈值。

进一步地，所述步进值为1W-10W或5％-10％。

进一步地，所述灰度阈值为120-160。

本发明的有益效果是：本发明第一个实施例所提供的摄像系统，其信号选择器可以使得高速摄像机在拍摄共同照明区内进行的焊接过程时，避免电弧焊接所产生的紫外线进入高速摄像机内造成损害，以及消除了强烈的电弧光造成的干扰，使得高速摄像机仅接收第一单色LED和第二单色LED对待焊工件照明所反射的单色光，从而获得清晰的待焊工件影像。

本发明第二个实施例所提供的摄像系统，其在第一个实施例所提供的摄像系统的原理以及技术效果的基础上，进一步使用背光拍摄的方式，增大高速摄像机的进光量，从而更好地抑制电弧光，所拍摄到的画面更突显待焊工件的轮廓，更容易拍摄得到边缘清晰、对比度高的待焊工件影像。

附图说明

图1为实施例1中所述摄像系统的结构示意图；

图2为实施例2中所述摄像系统的结构示意图；

图3为使用实施例2所述摄像系统拍摄所得的待焊工件影像的效果示意图；

附图标记：第一单色LED101，第二单色LED102，第三单色LED103，高速摄像机201，窄带滤光片301，UV长通滤光片302，承载平台401，三维调整架501，第一照明区1，第二照明区2，第三照明区3。

具体实施方式

在以下实施例中，所述“第一单色LED”、“第二单色LED”和“第三单色LED”中的“第一”等只是用来区分各单色LED，并不构成位置关系、工作时序等方面的限制。

在实施例中，一些情况下会使用“各所述单色LED”的形式来统一称呼“第一单色LED”、“第二单色LED”和“第三单色LED”中的一个或多个，而这并不会引起歧义。

各所述单色LED均可按照一定的发射方向和发射功率发射出具有一定尺寸的光斑。对于大多数型号的单色LED而言，其光斑的形状是圆形，因此光斑的尺寸也可以用直径来描述。由于光斑实际上是单色LED发射的光线打在阻挡物形成的，单色LED的发射方向上就存在所述的照明区，如果物体存在于照明区内，则会被单色LED所发射出的光线射中，从而在物体表面形成光斑。单色LED所产生的照明区所占据的空间形状是一个柱体或锥体，相应的光斑相当于其照明区的一个截面。为了区分各所述照明区，将第一单色LED、第二单色LED和第三单色LED发射形成的照明区分别称为第一照明区、第二照明区和第三照明区。

各所述照明区占据一定的空间体积，通过设置各所述单色LED的发射方向，其发射形成的照明区存在相交的可能，也就是两个照明区所占据的空间体积存在重合部分，即以下实施例所述的共同照明区。

实施例1

本实施例中所述的用于拍摄焊接过程的摄像系统，参照图1，其包括：

第一单色LED101，用于发射单色光并形成功率和尺寸可调的第一照明区1；

第二单色LED102，用于发射单色光并形成功率和尺寸可调的第二照明区2；

所述第一照明区1和第二照明区2相交形成共同照明区，所述共同照明区内用于设置待焊工件；

高速摄像机201，用于对所述共同照明区和/或设置在共同照明区内的待焊工件进行拍摄；

信号选择器，其安装在高速摄像机201上，用于对从所述共同照明区进入到所述高速摄像机201内的光线进行滤光；

承载平台401，其设置在所述共同照明区下方，用于承载所述待焊工件。

本实施例中，所述第一单色LED101和第二单色LED102的发光波长均为450nm。使用LED控制器对第一单色LED101和第二单色LED102的工作状态进行控制，使得第一单色LED101和第二单色LED102所产生的光斑直径可以从50mm开始连续地调大至200mm，即所述第一照明区1和第二照明区2的截面直径在50mm到200mm之间连续可调，而第一单色LED101和第二单色LED102的功率可由在0到400W之间连续调整。

所述承载平台401被设置在所述共同照明区下方，对待焊工件进行焊接时，可以将待焊工件放置在承载平台401上，这样，待焊工件整体或者待焊工件的待焊部位位于共同照明区内。

当待焊工件被设置在第一照明区1和第二照明区2的交汇处，即共同照明区处时，待焊工件同时被第一单色LED101和第二单色LED102发射出的光照射，从而在待焊工件上形成光斑。

本实施例中所使用的高速摄像机201的型号为PCO.dimax.HS104，其拍摄速度可以在30帧/秒-15000帧/秒之间调节，曝光时间可以低至1.4μs。高速摄像机201所使用的镜头型号为Nikor 24-85F2.8D，其口径为72nm，焦距在24mm-85mm之间可调。

所述高速摄像机201的镜头上安装有信号选择器，所述信号选择器由UV长通滤光片302、窄带滤光片301和转接环组成。其中，转接环的两端分别设有螺旋口或者卡口，转接环的一端与高速摄像机201的镜头连接，另一端与窄带滤光片301连接，转接环起到窄带滤光片301与镜头之间的机械连接件的作用，使得窄带滤光片301与镜头保持机械连接。窄带滤光片301面向镜头的一面为在内一面，另一面为在外一面，窄带滤光片301的在外一面安装UV长通滤光片302。

本实施例中，所使用的UV长通滤光片302可以起到过滤紫外线的作用；所使用的窄带滤光片301可以起到按波长滤光的作用，其中心频率为450nm，带宽为40nm，透过率为85％。

进一步作为优选的实施方式，所述第一单色LED101、第二单色LED102和高速摄像机201均位于相对于所述承载平台401的同一侧，且所述第一单色LED101和第二单色LED102分别位于所述高速摄像机201的两侧，使得所述第一单色LED101的发射方向和第二单色LED102的发射方向形成一锐角。优选地，第一单色LED101的发射方向和第二单色LED102的发射方向形成的角度为90°。

所述摄像系统还包括多个三维调整架501，即第一单色LED101、第二单色LED102、高速摄像机201和承载平台401各使用一个三维调整架501支撑。各所述三维调整架501可进行受控的平移或转动，使得第一单色LED101、第二单色LED102、高速摄像机201和承载平台401之间的相对位置可调，且使得各所述单色LED的发射方向以及所述高速摄像机201的拍摄方向可调。对各三维调整架501的平移或转动，可以通过手动来进行，也可以使用电动设备来进行。

以下是本实施例中摄像系统的一种使用方法：

S101.将第一单色LED101和第二单色LED102开启至半功率状态，调整相应的照明区的尺寸直至完全将所述待焊工件包含在内；

S102.将所述高速摄像机201配置为第一拍摄速率，调整所述三维调整架501，直至所述高速摄像机201拍摄到具有预设清晰度和对比度的待焊工件影像；

S103.将所述高速摄像机201配置为高于第一拍摄速率的第二拍摄速率，并调低所述高速摄像机201的曝光时间；

S104.将第一单色LED101和第二单色LED102开启至全功率状态。

本实施例中所使用的第一单色LED101和第二单色LED102的最大功率为400W，因此它们工作在半功率状态时，发光功率为200W，工作在全功率状态时，发光功率为400W。

步骤S101中，首先将第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率调至200W，使得它们所形成的共同照明区可以将放置在承载平台401上的待焊工件包含在内，待焊工件上具有被第一单色LED101和第二单色LED102照射所形成的光斑。

步骤S102中，将高速摄像机201配置为数值为30帧/秒的第一拍摄速率，使得高速摄像机201自带的显示屏或者高速摄像机201外接的显示设备上显示出高速摄像机201所拍摄到的待焊工件影像，并且通过调整所述三维调整架501，将高速摄像机201与承载平台401上所安放的待焊工件的距离设置为1m，同时承载平台401上所安放的待焊工件与第一单色LED101和第二单色LED102之间的距离也为1m，然后通过调整高速摄像机201的镜头的变焦环和对焦环，使得所述待焊工件影像具有预设的清晰度和对比度。

在完成步骤S101和S102的配置后，可以开始执行对待焊工件的电弧焊接过程。在焊接过程中，焊接工件上出现熔滴和熔池，使用高速摄像机201拍摄熔滴和熔池，并将所述高速摄像机201配置为数值为15000帧/秒的第二拍摄速率，将高速摄像机201的曝光时间调低至1.4μs。

执行步骤S104，将第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率调整为400W。

执行步骤S101-S104的原理在于：进入信号选择器中的光包括焊接过程中产生的电弧光以及第一单色LED101和第二单色LED102所产生的波长为450nm的单色光。UV长通滤光片302和窄带滤光片301组成而成的信号选择器，可以使得高速摄像机201在拍摄共同照明区内进行的焊接过程时，避免电弧焊接所产生的紫外线进入高速摄像机201内造成损害。经过信号选择器之后的光的波长集中在450nm附近，消除了强烈的电弧光造成的干扰，使得高速摄像机201仅接收第一单色LED101和第二单色LED102对待焊工件照明所反射的单色光。

通过步骤S101-S104使用本实施例中的摄像系统对焊接过程进行拍摄，可以避免电弧焊接所产生的强烈电弧光的干扰，并且在排除电弧光之后，通过大功率单色LED对待焊工件进行照明，从而拍摄到清晰的待焊工件影像，清楚地观察到熔融池、熔滴的形态以及熔滴的过渡，为对焊接过程进行观察和监控提供基础数据支持。

具体地，第一单色LED101和第二单色LED102分设在高速摄像机201两侧，分别从不同的角度对待焊工件进行照明，且照明的方位相对于高速摄像机201来说是对称的，这使得进入高速摄像机201的单色光更加均匀，提高所拍摄到的影像的质量。

以下是在步骤S101-S104的基础上进一步执行的步骤：

S105.获取所述高速摄像机拍摄的待焊工件影像；

S106.计算所述待焊工件影像的平均灰度值；

S107.按预设的步进值调整所述各所述单色LED的功率，直至所述平均灰度值达到预设的灰度阈值。

步骤S107中，所按照的步进值可以是绝对数值，其范围为1W-10W，优选地可以选用5W或10W作为步进值，此时对第一单色LED、第二单色LED和/或第三单色LED每一次的功率调整，都使得它们的功率增大或减少1W-10W，直至高速摄像机拍摄所得的待焊工件影像的平均灰度值达到预设的灰度阈值。

步骤S107中，所按照的步进值可以是相对比例，其范围为5％-10％，优选地可以选用5％或10％作为步进值，此时对第一单色LED、第二单色LED和/或第三单色LED每一次的功率调整，都使得它们的功率与调整前相比增大或减少5％-10％，直至高速摄像机拍摄所得的待焊工件影像的平均灰度值达到预设的灰度阈值。

灰度阈值可设置在120-160，在这个范围内，肉眼对高速摄像机拍摄所得的待焊工件影像进行观察可以取得较为舒适的观察效果，优选地，可以将灰度阈值设置为155。

进一步作为优选的实施方式，所述承载平台401设有重量传感器，所述重量传感器用于通过测量所述承载平台401所承载的重量，并根据测量结果触发各所述单色LED的工作状态。

所述重量传感器与LED控制器连接，并将测得的承载平台401所承载的待焊工件的重量实时上传到LED控制器中，使得LED控制器可以根据测得的重量，实时调整第一单色LED101和第二单色LED102的工作状态。上述控制过程可以通过以下步骤来实现：

S201.将所述高速摄像机201配置为第一拍摄速率，调整所述三维调整架501，直至所述高速摄像机201拍摄到具有预设清晰度和对比度的待焊工件影像；

S202.将所述高速摄像机201配置为高于第一拍摄速率的第二拍摄速率，并调低所述高速摄像机201的曝光时间；

S203.读取预存的待焊工件的初始重量和成品重量；

S204.读取所述重量传感器测得的所述承载平台401所承载的重量；

S205.计算所测得的重量在所述初始重量和成品重量形成的区间中的占比；

S206.根据计算所得的占比与各所述单色LED的全功率，计算各所述单色LED的目标功率；

S207.将各所述单色LED的功率调整至所述目标功率。

步骤S201和S202的执行过程分别与步骤S102和S103完全相同，其目的在于对高速摄像机201进行配置，使得高速摄像机201能够拍摄到待焊工件，使得待焊工件影像出现在高速摄像机201自带的或外接的显示设备中。

执行步骤S203的基础是，对待焊工件执行焊接过程会使得待焊工件发生增重或减重，其中初始重量是指执行焊接过程之前待焊工件的重量，成品重量是指焊接过程完成之后待焊工件的重量。待焊工件的初始重量和成品重量等数据可以通过焊接工艺参数或者工作计划处获得，并预先输入至控制器中。本实施例中，所述初始重量为500g，成品重量为600g。

步骤S204中，在焊接过程中使用重量传感器对所述承载平台401所承载的待焊工件的重量进行采样，并将测得的重量数据实时上传到控制器中。本实施例中，在焊接过程中的某个时刻，重量传感器测得的待焊工件的重量为550g。

控制器进一步执行步骤S205，计算所测得的重量在所述初始重量和成品重量形成的区间中的占比，即占比＝(测得重量-初始重量)/(成品重量-初始重量)。根据上述具体数据所计算出的占比为(550g-500g)/(600g-500g)＝0.5。在步骤S206中，将通过步骤S205计算所得的占比0.5乘以单色LED的全功率400W，得到目标功率200W。

步骤S207中，将第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率调整至目标功率200W。

步骤S204-S207构成一个循环体，由控制器通过读取重量传感器所测得的重量数据，控制第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率，循环不断地执行步骤S204-S207，从而实现对第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率的实时控制，使得第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率由待焊工件的重量控制。这可以使得所述摄像系统能够适应一些焊接过程的特性，即一些焊接过程需要向待焊接工件添加附件或者焊料，从而使焊接工件增重，在此过程中需要越来越高的焊接功率，使得焊接过程所产生的电弧光越来越强烈，相应地为了抑制越来越强烈的电弧光，所需的第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率也需要越来越高；或者从待焊接工件中移除原先的组成部分，从而使得焊接工件减重，在此过程中需要越来越低的焊接功率，使得焊接过程所产生的电弧光强度越来越轻，相应地为了抑制强度越来越轻的电弧光，所需的第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率也需要越来越低。通过在承载平台401设置重量传感器，并执行步骤S201-S207，可以使得第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率自动适应焊接工艺的要求，避免在无需高功率时驱动第一单色LED101和第二单色LED102进行高功率发光，从而起到节省能源、延长第一单色LED101和第二单色LED102的使用寿命，以及保持高速摄像机201所接收到的光通量的稳定性，从而保持高速摄像机201拍摄所得的待焊工件影像的质量稳定性等效果。

进一步作为优选的实施方式，所述承载平台401设有温度传感器，所述温度传感器用于通过测量所述承载平台401所承载的待焊工件的温度，从而判断焊接过程的进度，并根据判断结果触发各所述单色LED的工作状态。

所述温度传感器可以通过红外测温等方式测量待焊工件的温度。所述温度传感器与LED控制器连接，并将测得的承载平台401所承载的待焊工件的温度实时上传到LED控制器中，使得LED控制器可以根据测得的温度，实时调整第一单色LED101和第二单色LED102的工作状态。上述控制过程可以通过以下步骤来实现：

S301.将所述高速摄像机201配置为第一拍摄速率，调整所述三维调整架501，直至所述高速摄像机201拍摄到具有预设清晰度和对比度的待焊工件影像；

S302.将所述高速摄像机201配置为高于第一拍摄速率的第二拍摄速率，并调低所述高速摄像机201的曝光时间；

S303.读取预存的焊接工艺的最低工作温度和最高工作温度；

S304.读取所述温度传感器测得的待焊工件的温度；

S305.计算所测得的温度在所述最低工作温度和最高工作温度形成的区间中的占比；

S306.根据计算所得的占比与各所述单色LED的全功率，计算各所述单色LED的目标功率；

S307.将各所述单色LED的功率调整至所述目标功率。

步骤S301和S302的执行过程分别与步骤S102和S103完全相同，其目的在于对高速摄像机201进行配置，使得高速摄像机201能够拍摄到待焊工件，使得待焊工件影像出现在高速摄像机201自带的或外接的显示设备中。

执行步骤S303的基础是，一些焊接工艺会在焊接过程中的不同时刻分别使用不同的焊接功率，从而使得待焊接工件处于不同的温度。这可以使用焊接工艺的温度变化曲线或温度变化表等数据来表示，并将这些数据预先输入至控制器中。所述最低工作温度为在整个焊接过程中待焊工件所处的最低温度，所述最高工作温度为在整个焊接过程中待焊工件所处的最高温度。本实施例中，所述最低工作温度为1700℃，最高工作温度为1800℃。

步骤S304中，在焊接过程中使用温度传感器对所述承载平台401所承载的待焊工件的熔滴以及熔池的温度进行采样，并将测得的温度数据实时上传到控制器中。本实施例中，在焊接过程中的某个时刻，温度传感器测得的熔滴及熔池的温度为1800℃。

控制器进一步执行步骤S305，计算所测得的温度在所述最低工作温度和最高工作温度形成的区间中的占比，即占比＝(测得温度-最低工作温度)/(最高工作温度-最低工作温度)。根据上述具体数据所计算出的占比为(1800℃-1700℃)/(2000℃-1700℃)＝0.33。在步骤S306中，将通过步骤S305计算所得的占比0.33乘以单色LED的全功率400W，得到目标功率133W。

步骤S307中，将第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率调整至目标功率133W。步骤S304-S307构成一个循环体，由控制器通过读取温度传感器所测得的温度数据，控制第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率，循环不断地执行步骤S204-S207，从而实现对第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率的实时控制，使得第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率由待焊工件的温度控制。这可以使得所述摄像系统能够适应一些焊接过程的特性，即一些焊接过程需要对待焊工件进行快速加热，在此过程中需要越来越高的焊接功率，使得焊接过程所产生的电弧光越来越强烈，相应地为了抑制越来越强烈的电弧光，所需的第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率也需要越来越高；或者需要对待焊工件进行冷却，在此过程中需要越来越低的焊接功率，使得焊接过程所产生的电弧光强度越来越轻，相应地为了抑制强度越来越轻的电弧光，所需的第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率也需要越来越低。通过在承载平台401设置重量传感器，并执行步骤S301-S307，可以使得第一单色LED101和第二单色LED102的发光功率自动适应焊接工艺的要求，避免在无需高功率时驱动第一单色LED101和第二单色LED102进行高功率发光，从而起到节省能源、延长第一单色LED101和第二单色LED102的使用寿命，以及保持高速摄像机201所接收到的光通量的稳定性，从而保持高速摄像机201拍摄所得的待焊工件影像的质量稳定性等效果。

实施例2

本实施例中所述的用于拍摄焊接过程的摄像系统，参照图2，其包括：

第三单色LED103，用于发射单色光并形成功率和尺寸可调的第三照明区3，所述第三照明区3内用于设置待焊工件；

高速摄像机201，用于对所述第三照明区3和/或设置在第三照明区3内的待焊工件进行拍摄，且所述高速摄像机201的拍摄方向正对着所述第三单色LED103的发射方向；

信号选择器，其安装在高速摄像机201上，用于对从所述第三照明区3进入到所述高速摄像机201内的光线进行滤光；

承载平台401，其设置在所述第三照明区3下方，用于承载所述待焊工件。

本实施例中，所述第三单色LED103的发光波长均为450nm。使用LED控制器对第三单色LED103的工作状态进行控制，使得第三单色LED103所产生的光斑直径可以从50mm开始连续地调大至200mm，即所述第三照明区3的截面直径在50mm到200mm之间连续可调，而第三单色LED103的功率可由在0到400W之间连续调整。

所述承载平台401被设置在所述第三照明区3下方，对待焊工件进行焊接时，可以将待焊工件放置在承载平台401上，这样，待焊工件整体或者待焊工件的待焊部位位于第三照明区3内。

当待焊工件被设置在第三照明区3处时，待焊工件被第三单色LED103发射出的光照射，从而在待焊工件上形成光斑。

本实施例中所使用的高速摄像机201的型号为PCO.dimax.HS104，其拍摄速度可以在30帧/秒-15000帧/秒之间调节，曝光时间可以低至1.4μs。高速摄像机201所使用的镜头型号为Nikor 24-85F2.8D，其口径为72nm，焦距在24mm-85mm之间可调。

所述高速摄像机201的镜头上安装有信号选择器，所述信号选择器由UV长通滤光片302、窄带滤光片301和转接环组成。其中，转接环的两端分别设有螺旋口或者卡口，转接环的一端与高速摄像机201的镜头连接，另一端与窄带滤光片301连接，转接环起到窄带滤光片301与镜头之间的机械连接件的作用，使得窄带滤光片301与镜头保持机械连接。窄带滤光片301面向镜头的一面为在内一面，另一面为在外一面，窄带滤光片301的在外一面安装UV长通滤光片302。

本实施例中，所使用的UV长通滤光片302可以起到过滤紫外线的作用；所使用的窄带滤光片301可以起到按波长滤光的作用，其中心频率为450nm，带宽为40nm，透过率为85％。

所述摄像系统还包括多个三维调整架501，即第三单色LED103、高速摄像机201和承载平台401各使用一个三维调整架501支撑。各所述三维调整架501可进行受控的平移或转动，使得第三单色LED103、高速摄像机201和承载平台401之间的相对位置可调，且使得第三单色LED103的发射方向以及所述高速摄像机201的拍摄方向可调。对各三维调整架501的平移或转动，可以通过手动来进行，也可以使用电动设备来进行。

以下是本实施例中摄像系统的一种使用方法：

S101.将第三单色LED103开启至半功率状态，调整相应的照明区的尺寸直至完全将所述待焊工件包含在内；

S102.将所述高速摄像机201配置为第一拍摄速率，调整所述三维调整架501，直至所述高速摄像机201拍摄到具有预设清晰度和对比度的待焊工件影像；

S103.将所述高速摄像机201配置为高于第一拍摄速率的第二拍摄速率，并调低所述高速摄像机201的曝光时间；

S104.将第三单色LED103开启至全功率状态。

本实施例中所使用的第三单色LED103的最大功率为400W，因此它们工作在半功率状态时，发光功率为200W，工作在全功率状态时，发光功率为400W。

步骤S101中，首先将第三单色LED103的发光功率调至200W，使得它所形成的第三照明区3可以将放置在承载平台401上的待焊工件包含在内，待焊工件上具有被第三单色LED103照射所形成的光斑。

步骤S102中，将高速摄像机201配置为数值为30帧/秒的第一拍摄速率，使得高速摄像机201自带的显示屏或者高速摄像机201外接的显示设备上显示出高速摄像机201所拍摄到的待焊工件影像，并且通过调整所述三维调整架501，将高速摄像机201与承载平台401上所安放的待焊工件的距离设置为1m，同时承载平台401上所安放的待焊工件与第三单色LED103之间的距离也为1m，然后通过调整高速摄像机201的镜头的变焦环和对焦环，使得所述待焊工件影像具有预设的清晰度和对比度。

在完成步骤S101和S102的配置后，可以开始执行对待焊工件的电弧焊接过程。在焊接过程中，焊接工件上出现熔滴和熔池，使用高速摄像机201拍摄熔滴和熔池，并将所述高速摄像机201配置为数值为15000帧/秒的第二拍摄速率，将高速摄像机201的曝光时间调低至1.4μs。

执行步骤S104，将第三单色LED103的发光功率调整为400W。

执行步骤S101-S104的原理在于：进入信号选择器中的光包括焊接过程中产生的电弧光以及第三单色LED103所产生的波长为450nm的单色光。UV长通滤光片302和窄带滤光片301组成而成的信号选择器，可以使得高速摄像机201在拍摄共同照明区内进行的焊接过程时，避免电弧焊接所产生的紫外线进入高速摄像机201内造成损害。经过信号选择器之后的光的波长集中在450nm附近，消除了强烈的电弧光造成的干扰，使得高速摄像机201仅接收第三单色LED103对待焊工件照明所反射的单色光。

通过步骤S101-S104使用本实施例中的摄像系统对焊接过程进行拍摄，可以避免电弧焊接所产生的强烈电弧光的干扰，并且在排除电弧光之后，通过大功率单色LED对待焊工件进行照明，从而拍摄到清晰的待焊工件影像，清楚地观察到熔融池、熔滴的形态以及熔滴的过渡，为对焊接过程进行观察和监控提供基础数据支持。

本实施例中，第三单色LED103发射出的光，除了在待焊工件上形成光斑的部分外，其余大部分直接进入到高速摄像机201中，相比起实施例1中第一单色LED和第二单色LED发射出的光经过待焊工件反射后进入到高速摄像机201中，本实施例中的摄像系统可以让高速摄像机201取得更大的进光量，即相当于摄影中的背光拍摄效果，使得高速摄像机201所拍摄到的画面更突显待焊工件的轮廓。使用本实施例中的摄像系统拍摄所得的待焊工件的熔滴以及熔池的影像如图3所示，对于相同的焊接过程，本实施例中的摄像系统，第三单色LED103所发出的光可以更有效地抑制焊接过程中产生的电弧光，更容易拍摄得到边缘清晰、对比度高的待焊工件影像。

以下是在步骤S101-S104的基础上进一步执行的步骤：

S105.获取所述高速摄像机拍摄的待焊工件影像；

S106.计算所述待焊工件影像的平均灰度值；

S107.按预设的步进值调整所述各所述单色LED的功率，直至所述平均灰度值达到预设的灰度阈值。

步骤S107中，所按照的步进值可以是绝对数值，其范围为1W-10W，优选地可以选用5W或10W作为步进值，此时对第一单色LED、第二单色LED和/或第三单色LED每一次的功率调整，都使得它们的功率增大或减少1W-10W，直至高速摄像机拍摄所得的待焊工件影像的平均灰度值达到预设的灰度阈值。

步骤S107中，所按照的步进值可以是相对比例，其范围为5％-10％，优选地可以选用5％或10％作为步进值，此时对第一单色LED、第二单色LED和/或第三单色LED每一次的功率调整，都使得它们的功率与调整前相比增大或减少5％-10％，直至高速摄像机拍摄所得的待焊工件影像的平均灰度值达到预设的灰度阈值。

灰度阈值可设置在120-160，在这个范围内，肉眼对高速摄像机拍摄所得的待焊工件影像进行观察可以取得较为舒适的观察效果，优选地，可以将灰度阈值设置为155。

进一步作为优选的实施方式，所述承载平台401设有重量传感器，所述重量传感器用于通过测量所述承载平台401所承载的重量，并根据测量结果触发所述第三单色LED103的工作状态。

所述重量传感器与LED控制器连接，并将测得的承载平台401所承载的待焊工件的重量实时上传到LED控制器中，使得LED控制器可以根据测得的重量，实时调整第三单色LED103的工作状态。上述控制过程可以通过以下步骤来实现：

S201.将所述高速摄像机201配置为第一拍摄速率，调整所述三维调整架501，直至所述高速摄像机201拍摄到具有预设清晰度和对比度的待焊工件影像；

S202.将所述高速摄像机201配置为高于第一拍摄速率的第二拍摄速率，并调低所述高速摄像机201的曝光时间；

S203.读取预存的待焊工件的初始重量和成品重量；

S204.读取所述重量传感器测得的所述承载平台401所承载的重量；

S205.计算所测得的重量在所述初始重量和成品重量形成的区间中的占比；

S206.根据计算所得的占比与所述第三单色LED103的全功率，计算所述第三单色LED103的目标功率；

S207.将所述第三单色LED103的功率调整至所述目标功率。

步骤S201和S202的执行过程分别与步骤S102和S103完全相同，其目的在于对高速摄像机201进行配置，使得高速摄像机201能够拍摄到待焊工件，使得待焊工件影像出现在高速摄像机201自带的或外接的显示设备中。

执行步骤S203的基础是，对待焊工件执行焊接过程会使得待焊工件发生增重或减重，其中初始重量是指执行焊接过程之前待焊工件的重量，成品重量是指焊接过程完成之后待焊工件的重量。待焊工件的初始重量和成品重量等数据可以通过焊接工艺参数或者工作计划处获得，并预先输入至控制器中。本实施例中，所述初始重量为500g，成品重量为600g。

步骤S204中，在焊接过程中使用重量传感器对所述承载平台401所承载的待焊工件的重量进行采样，并将测得的重量数据实时上传到控制器中。本实施例中，在焊接过程中的某个时刻，重量传感器测得的待焊工件的重量为550g。

控制器进一步执行步骤S205，计算所测得的重量在所述初始重量和成品重量形成的区间中的占比，即占比＝(测得重量-初始重量)/(成品重量-初始重量)。根据上述具体数据所计算出的占比为(550g-500g)/(600g-500g)＝0.5。在步骤S206中，将通过步骤S205计算所得的占比0.5乘以单色LED的全功率400W，得到目标功率200W。

步骤S207中，将第三单色LED103的发光功率调整至目标功率200W。

步骤S204-S207构成一个循环体，由控制器通过读取重量传感器所测得的重量数据，控制第三单色LED103的发光功率，循环不断地执行步骤S204-S207，从而实现对第三单色LED103的发光功率的实时控制，使得第三单色LED103的发光功率由待焊工件的重量控制。这可以使得所述摄像系统能够适应一些焊接过程的特性，即一些焊接过程需要向待焊接工件添加附件或者焊料，从而使焊接工件增重，在此过程中需要越来越高的焊接功率，使得焊接过程所产生的电弧光越来越强烈，相应地为了抑制越来越强烈的电弧光，所需的第三单色LED103的发光功率也需要越来越高；或者从待焊接工件中移除原先的组成部分，从而使得焊接工件减重，在此过程中需要越来越低的焊接功率，使得焊接过程所产生的电弧光强度越来越轻，相应地为了抑制强度越来越轻的电弧光，所需的第三单色LED103的发光功率也需要越来越低。通过在承载平台401设置重量传感器，并执行步骤S201-S207，可以使得第三单色LED103的发光功率自动适应焊接工艺的要求，避免在无需高功率时驱动第三单色LED103进行高功率发光，从而起到节省能源、延长第三单色LED103的使用寿命，以及保持高速摄像机201所接收到的光通量的稳定性，从而保持高速摄像机201拍摄所得的待焊工件影像的质量稳定性等效果。

进一步作为优选的实施方式，所述承载平台401设有温度传感器，所述温度传感器用于通过测量所述承载平台401所承载的待焊工件的温度，从而判断焊接过程的进度，并根据判断结果触发所述第三单色LED103的工作状态。

所述温度传感器可以通过红外测温等方式测量待焊工件的温度。所述温度传感器与LED控制器连接，并将测得的承载平台401所承载的待焊工件的温度实时上传到LED控制器中，使得LED控制器可以根据测得的温度，实时调整第三单色LED103的工作状态。上述控制过程可以通过以下步骤来实现：

S301.将所述高速摄像机201配置为第一拍摄速率，调整所述三维调整架501，直至所述高速摄像机201拍摄到具有预设清晰度和对比度的待焊工件影像；

S302.将所述高速摄像机201配置为高于第一拍摄速率的第二拍摄速率，并调低所述高速摄像机201的曝光时间；

S303.读取预存的焊接工艺的最低工作温度和最高工作温度；

S304.读取所述温度传感器测得的待焊工件的温度；

S305.计算所测得的温度在所述最低工作温度和最高工作温度形成的区间中的占比；

S306.根据计算所得的占比与所述第三单色LED103的全功率，计算所述第三单色LED103的目标功率；

S307.将所述第三单色LED103的功率调整至所述目标功率。

步骤S301和S302的执行过程分别与步骤S102和S103完全相同，其目的在于对高速摄像机201进行配置，使得高速摄像机201能够拍摄到待焊工件，使得待焊工件影像出现在高速摄像机201自带的或外接的显示设备中。

执行步骤S303的基础是，一些焊接工艺会在焊接过程中的不同时刻分别使用不同的焊接功率，从而使得待焊接工件处于不同的温度。这可以使用焊接工艺的温度变化曲线或温度变化表等数据来表示，并将这些数据预先输入至控制器中。所述最低工作温度为在整个焊接过程中待焊工件所处的最低温度，所述最高工作温度为在整个焊接过程中待焊工件所处的最高温度。本实施例中，所述最低工作温度为1700℃，最高工作温度为1800℃。

步骤S304中，在焊接过程中使用温度传感器对所述承载平台401所承载的待焊工件的熔滴以及熔池的温度进行采样，并将测得的温度数据实时上传到控制器中。本实施例中，在焊接过程中的某个时刻，温度传感器测得的熔滴及熔池的温度为1800℃。

控制器进一步执行步骤S305，计算所测得的温度在所述最低工作温度和最高工作温度形成的区间中的占比，即占比＝(测得温度-最低工作温度)/(最高工作温度-最低工作温度)。根据上述具体数据所计算出的占比为(1800℃-1700℃)/(2000℃-1700℃)＝0.33。在步骤S306中，将通过步骤S305计算所得的占比0.33乘以单色LED的全功率400W，得到目标功率133W。

步骤S307中，将第三单色LED103的发光功率调整至目标功率133W。

步骤S304-S307构成一个循环体，由控制器通过读取温度传感器所测得的温度数据，控制第三单色LED103的发光功率，循环不断地执行步骤S204-S207，从而实现对第三单色LED103的发光功率的实时控制，使得第三单色LED103的发光功率由待焊工件的温度控制。这可以使得所述摄像系统能够适应一些焊接过程的特性，即一些焊接过程需要对待焊工件进行快速加热，在此过程中需要越来越高的焊接功率，使得焊接过程所产生的电弧光越来越强烈，相应地为了抑制越来越强烈的电弧光，所需的第三单色LED103的发光功率也需要越来越高；或者需要对待焊工件进行冷却，在此过程中需要越来越低的焊接功率，使得焊接过程所产生的电弧光强度越来越轻，相应地为了抑制强度越来越轻的电弧光，所需的第三单色LED103的发光功率也需要越来越低。通过在承载平台401设置重量传感器，并执行步骤S301-S307，可以使得第三单色LED103的发光功率自动适应焊接工艺的要求，避免在无需高功率时驱动第三单色LED103进行高功率发光，从而起到节省能源、延长第三单色LED103的使用寿命，以及保持高速摄像机201所接收到的光通量的稳定性，从而保持高速摄像机201拍摄所得的待焊工件影像的质量稳定性等效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读介质在计算机程序中实现，其中如此配置的介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (8)

1.用于拍摄焊接过程的摄像系统，其特征在于，包括：

第一单色LED，用于发射单色光并形成功率和尺寸可调的第一照明区；

第二单色LED，用于发射单色光并形成功率和尺寸可调的第二照明区；

所述第一照明区和第二照明区相交形成共同照明区，所述共同照明区内用于设置待焊工件；

高速摄像机，用于对所述共同照明区和/或设置在共同照明区内的待焊工件进行拍摄；

信号选择器，其安装在高速摄像机上，用于对从所述共同照明区进入到所述高速摄像机内的光线进行滤光；

承载平台，其设置在所述共同照明区下方，用于承载所述待焊工件；

LED控制器，用于对所述第一单色LED和所述第二单色LED的工作状态进行控制，使得所述第一单色LED和所述第二单色LED所产生的光斑直径从第一阈值开始连续调节至第二阈值；

多个三维调整架，分别用于支撑所述第一单色LED、所述第二单色LED、所述高速摄像机和所述承载平台；各所述三维调整架可进行受控的平移或转动，使得所述第一单色LED、所述第二单色LED、所述高速摄像机和所述承载平台之间的相对位置可调，且使得所述第一单色LED和所述第二单色LED的发射方向以及所述高速摄像机的拍摄方向可调；

所述摄像系统通过以下步骤进行控制：

将所述第一单色LED和第二单色LED开启至半功率状态，调整相应的照明区的尺寸直至完全将所述待焊工件包含在内；

将所述高速摄像机配置为第一拍摄速率，调整所述三维调整架，直至所述高速摄像机拍摄到具有预设清晰度和对比度的待焊工件影像；

将所述高速摄像机配置为高于第一拍摄速率的第二拍摄速率，并调低所述高速摄像机的曝光时间；

将所述第一单色LED和第二单色LED开启至全功率状态。

2.根据权利要求1所述的摄像系统，其特征在于，所述第一单色LED、第二单色LED和高速摄像机均位于相对于所述承载平台的同一侧，且所述第一单色LED和第二单色LED分别位于所述高速摄像机的两侧，使得所述第一单色LED的发射方向和第二单色LED的发射方向形成一锐角。

3.用于拍摄焊接过程的摄像系统，其特征在于，包括：

第三单色LED，用于发射单色光并形成功率和尺寸可调的第三照明区，所述第三照明区内用于设置待焊工件；

高速摄像机，用于对所述第三照明区和/或设置在第三照明区内的待焊工件进行拍摄，且所述高速摄像机的拍摄方向正对着所述第三单色LED的发射方向；

信号选择器，其安装在高速摄像机上，用于对从所述第三照明区进入到所述高速摄像机内的光线进行滤光；

承载平台，其设置在所述第三照明区下方，用于承载所述待焊工件；

LED控制器，用于对所述第三单色LED的工作状态进行控制，使得所述第三单色LED所产生的光斑直径从第一阈值开始连续地调节至第二阈值；

多个三维调整架，分别用于支撑所述第三单色LED、所述高速摄像机和所述承载平台；各所述三维调整架可进行受控的平移或转动，使得所述第三单色LED、所述高速摄像机和所述承载平台之间的相对位置可调，且使得所述第三单色LED的发射方向以及所述高速摄像机的拍摄方向可调；

所述摄像系统通过以下步骤进行控制：

将所述第三单色LED开启至半功率状态，调整相应的照明区的尺寸直至完全将所述待焊工件包含在内；

将所述高速摄像机配置为第一拍摄速率，调整所述三维调整架，直至所述高速摄像机拍摄到具有预设清晰度和对比度的待焊工件影像；

将所述高速摄像机配置为高于第一拍摄速率的第二拍摄速率，并调低所述高速摄像机的曝光时间；

将所述第三单色LED开启至全功率状态。

4.根据权利要求1-3任一项所述的摄像系统，其特征在于，所述信号选择器包括UV长通滤光片、窄带滤光片和转接环；所述转接环的一端连接在所述高速摄像机上，所述窄带滤光片安装在所述转接环的另一端，所述UV长通滤光片叠装在所述窄带滤光片的在外一面上。

5.权利要求4所述摄像系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取所述高速摄像机拍摄的待焊工件影像；

计算所述待焊工件影像的平均灰度值；

按预设的步进值调整所述各所述单色LED的功率，直至所述平均灰度值达到预设的灰度阈值。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步进值为1W-10W。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步进值为5％-10％。

8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述灰度阈值为120-160。

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