CN110763727A - 一种焊接缺陷的无损检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种焊接缺陷的无损检测系统，包括：脉冲涡流热成像检测装置、激光结构光视觉传感装置、微型工业控制机；脉冲涡流热成像检测装置用来产生涡流激励，将激励发送至待检测焊件上，使待检测焊件上由焦耳热产生的温度场分布，脉冲涡流热成像检测装置再检测待检测焊件上的温度场分布的红外图像，并发送给微型工业控制机；激光结构光视觉传感装置用来发出激光并将线结构光投射于待检测焊件表面，焊件表面形成激光条纹图像，激光结构光视觉传感装置再采集待检测焊件上的激光条纹图像，发送给微型工业控制机。本发明可提升缺陷检测的便捷性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，更具体地，涉及一种焊接缺陷的无损检测系统。
背景技术
无损检测技术是利用被检物质因存在缺陷或组织结构上的差异而使其某些物理性质的物理量发生变化的现象，在不损伤被检物使用性能、形状及内部结构和形态的前提下，应用相应的物理方法检测这些变化，从而达到了解和评价被检物的材料、产品和设备结构的性质、状态、几何尺寸、质量或内部结构等的目的，它属于高新科技领域的一种特殊检测技术。
脉冲涡流检测是涡流检测技术应用中的一种。向一个线圈通入交变电流时，基于电磁感应原理，该线圈将产生垂直于电流方向的交变磁场，此即涡流检测中应用的激励线圈，将这个线圈靠近导电体时，线圈产生的交变磁场会在导电体中感应出涡电流，被测件表面和近表面缺陷的存在都将引起涡流的变化。此即现有的涡流检测系统，虽能判断出是否存在缺陷，但却难以得到清晰的缺陷轮廓，检测结构不直观，无法得出缺陷种类和大小，且只能检测表面和近表面的缺陷，检测具有一定的局限性。
结构光视觉检测技术采用三角检测原理，激光发射器将一定模式的结构光投射到被测件表面，在表面形成由被测物表面形状所构成的光条三维图像。该三维图像由处于另一位置的CCD相机拍摄，从而获得激光条纹的二维畸变图像。二维激光条纹图像包含被测件表面信息特征。当激光发射器与CCD相机之间的相对位置一定时，由二维激光条纹图像便可重现被测件表面三维形状。结构光视觉检测技术只能检测被测件表面缺陷，无法识别内部缺陷。
因此，如何得到清晰的缺陷轮廓以使检测结果更为直观，如何全面得到被测件内表面缺陷信息，从而进一步提升缺陷检测的便捷性和准确性是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的焊接缺陷的无损检测不够便捷、不够准确的缺陷，提供一种焊接缺陷的无损检测系统。
所述系统包括：脉冲涡流热成像检测装置、激光结构光视觉传感装置、微型工业控制机；
脉冲涡流热成像检测装置用来产生涡流激励，将激励发送至待检测焊件上，使待检测焊件上由焦耳热产生的温度场分布，脉冲涡流热成像检测装置再检测待检测焊件上的温度场分布的红外图像，并发送给微型工业控制机；
激光结构光视觉传感装置用来发出激光并将激光投射于待检测焊件表面，焊件表面形成单线激光条纹图像，激光结构光视觉传感装置再采集待检测焊件上的激光条纹图像，发送给微型工业控制机；
微型工业控制机对热分布图像和激光条纹图像进行分析，并依据分析结果确定焊件的缺陷情况
优选地，所述系统还包括检测箱；
脉冲涡流热成像检测装置穿过检测箱的下面板，且固定于检测箱内；
激光结构光视觉传感装置固定于检测箱的上面板的底面，激光结构光视觉传感装置的下端对应的检测箱的下面板设有检测窗口。
优选地，所述脉冲涡流热成像检测装置包括脉冲发生器、激励线圈、铁心、热成像摄像机、
脉冲发生器穿过检测箱的下面板，且固定于检测箱内；脉冲发生器的下端与套有激励线圈的铁心连接；
脉冲发生器与激励线圈电连接，激励线圈套设于铁心上；
热成像摄像机、脉冲发生器分别与微型工业控制机通信连接；
脉冲发生器输出脉冲波为套设在铁心上的激励线圈供电，周围产生与脉冲波频率大小对应的交变磁场，基于涡流效应，使得处于铁心下方的待检测焊件产生热量；
热成像摄像机用来获取待检测焊件上的温度场分布，并生成热分布图像，发送给微型工业控制机。
优选地，激光结构光视觉传感装置包括：CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)相机、激光发射器；
激光发射器固定于检测箱的上面板的底部；用来投射激光于待检测焊件表面；
CCD相机、激光发射器分别与微型工业控制机通信连接；
CCD相机固定于检测箱的上面板的底部；且向激光发射器倾斜；用来采集待检测焊件表面经激光投射后形成的单线激光条纹图像，并将单线激光条纹图像发送给微型工业控制机。
优选地，所述系统还包括手提式把手，所述手提式把手设于检测箱上。
优选地，所述系统还包括位置调整装置；检测箱固定于位置调整装置上，待检测焊件放置于位置调整装置下端；位置调整装置用来调整检测箱和待检测焊件之间的相对位置。
优选地，所述的位置调整装置为三轴伺服驱动焊缝跟踪系统。
本发明涡流热成像激励装置通过脉冲发生器输出的脉冲波为套设在铁心上的激励线圈供电，激励线圈周围会产生与脉冲波频率大小对应的交变磁场，基于涡流效应，铁心下方的焊件会感应出涡流而产生热量；如果存在缺陷，涡流分布将发生变化，并因焦耳热在工件上产生热量，焊件的缺陷处和无缺陷处对热量的传导能力不同，因此，焊件热量分布也不同，热成像摄像机采集焊件热量分布的变化过程，微型工业控制机分析热分布图像，直观揭示缺陷的存在，利用热效应检测更深层缺陷信息。
激光结构光视觉传感装置的CCD相机垂直拍摄工件表面，激光发射器与CCD相机以一定角度固定，线结构光投射于被测件，CCD相机采集表面激光条纹图像，微型工业控制机经过一系列图像处理，图像降噪，特征提取，获取表征工件表面缺陷信息。并可通过三维重建技术直观体现工件三维形态。
采用脉冲涡流热成像与结构光双目视觉检测工件缺陷，融合体现深层缺陷的热分布图像和体现表面缺陷的激光条纹图像的优势，通过信息融合技术，将热分布图像中检测出的内部缺陷重现于结构光三维重建模型中，将焊缝缺陷检测结果可视化，全面检测缺陷信息。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明提供的焊缝缺陷无损检测系统，将脉冲涡流热成像技术与激光结构光视觉检测技术相结合，采用双目视觉检测，获得热成像摄像机采集的热分布图像和CCD相机采集的激光条纹图像，融合两种图像所表征的内表面缺陷，完成对缺陷分类、位置和大小的准确检测。将双目视觉采集到的热分布图像和二维激光条纹图像，利用微型工业控制机储存，图像处理，分析提取缺陷信息。同时，利用三维重建技术与信息融合技术，在焊件三维模型中直观地，精准地检测内表面缺陷的位置、大小和形态。本发明技术方案在检测工件缺陷时，具有检测精度高，检测结果可视化以及无污染等优点。
附图说明
图1为实施例1所述焊接缺陷的无损检测系统示意图。
图2为检测箱内部结构图示意图。
图3为脉冲涡流热成像检测原理示意图
图4为激光结构光视觉传感装置示意图。
图5为焊件缺陷的无损检测系统进行缺陷检测的工作原理示意图。
图6为焊接缺陷的无损检测流程示意图。
图中，1-Z轴伺服电机、2-Z轴固定架、3-安装板、4-热成像摄像机、5-激光发射器、6-待检测焊件、7-焊接工作台、8-X轴固定架、9-X轴伺服电机、10-CCD相机、11-Y轴固定架、12-Y轴伺服电机、13-激励线圈、14-微型工业控制机、15-脉冲发生器、16-铁心、17-手提式把手、18-检测箱、19-热成像摄像机数据线、20-激光视觉传感器数据线。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1：
本实施例提供一种焊接缺陷的无损检测系统。如图1所示，所述系统包括脉冲涡流热成像检测装置、激光结构光视觉传感装置、微型工业控制机14。
本实施例所述微型工业控制机为用于分析处理热分布图像和激光条纹图像的计算机。所述位置调整装置为三轴伺服驱动焊缝跟踪系统
所述系统还包括检测箱18；
脉冲涡流热成像检测装置穿过检测箱18的下面板，且固定于检测箱18内；
激光结构光视觉传感装置固定于检测箱18的上面板的底面，激光结构光视觉传感装置的下端对应的检测箱18的下面板设有检测窗口。
脉冲涡流热成像检测装置包括脉冲发生器15、铁心16、激励线圈13、热成像摄像机4；激光结构光视觉传感装置包括激光发射器5、CCD相机10；
脉冲发生器15与激励线圈13电连接，激励线圈13套设于铁心16上；
热成像摄像机4、脉冲发生器15分别与微型工业控制机14通信连接；
脉冲发生器15输出脉冲波为套设在铁心16上的激励线圈13供电，周围产生与脉冲波频率大小对应的交变磁场，基于涡流效应，使得处于铁心14下方的待检测焊件6产生热量；
套设在铁心16上的激励线圈13与脉冲发生器15相连，将套设在铁心16上的激励线圈13置于待检测焊件6正上方，基于电磁学中的涡流现象和焦耳热现象，运用热成像摄像机4，获得待检测焊件6在涡流激励下由焦耳热产生的温度场分布，微型工业控制机14接收、处理、储存红外热图像，热量分布情况与缺陷轮廓之间的联系较为直观，从而，当其他条件一定时，待检测焊件6产生的热量随脉冲波频率增大而变高时，根据热量分布情况能够确定出更清晰的缺陷轮廓。
脉冲发生器15产生的涡流激励为脉冲波，且为方波，为了热成像摄像机4能够采集到待检测焊件6的最佳热量分布图像，脉冲波可以选择频率大于或等于30赫兹的方波。
检测箱18后壁设置有安装板(未示出)，可通过安装板将检测箱安装于三轴伺服驱动焊缝跟踪系统上；检测箱18上方设置手提式把手17，方便检测不规则焊缝(环形焊缝、S形焊缝等)，扩大了检测范围，实现了检测系统的可操作性，便携性。
CCD相机10安装在脉冲涡流热成像检测装置右端，热成像摄像机4安装在激光发射器5左端，激光发射器5与CCD相机10成40°角安装于CCD相机10与热成像摄像机4中间。
热成像摄像机数据线19实现热成像摄像机4与微型工业控制机14的连接。
激光视觉传感器数据线20实现CCD相机10、激光发射器5与微型工业控制机14的连接。
脉冲发生器15与套有激励线圈13的铁心16连接，固定安装于检测箱18的左下侧。
参照图3所示，激励线圈13与脉冲发生器15相连，采集待检测焊件6的热分布图像的热成像摄像机4与用于分析热分布图像的微型工业控制机14连接。
脉冲发生器15与激励线圈13相连，将激励线圈13置于待检测焊件6的正上方，且两者之间保持一定的距离以防止在激励线圈13通电励磁时，激励线圈吸附在待检测焊件6上损坏检测系统的情况发生。以不遮挡激光线结构光、热成像摄像机4与CCD相机10为准。热成像摄像机4应设置在待检测焊件6上方一定的高度，要保证热成像摄像机4采集到的热分布图像中尽可能的包含有全面的待检测焊件6的热量分布信息，避免热成像摄像机4与待检测焊件6的距离太近，采集到的热分布图像中缺少待检测焊件6的热量分布信息，和热成像摄像机4与待检测焊件6的距离太远，在采集过程中由于热量散失而导致采集的热分布图像的待检测焊件6的热量信息不足，从而导致计算机无法判断待检测焊件6的缺陷情况。待检测焊件6内产生感应电涡流，涡流受到缺陷的扰动分布发生变化，并通过焦耳热在待检测焊件6中产生热量，热量在待检测焊件6由高到低传递，其传递过程受到缺陷的影响。待检测焊件6中分布的热量不同，微型工业控制机14可以根据热成像摄像机4采集到的待检测焊件6的热分布图像得到待检测焊件6的缺陷轮廓，从而使检测结果可视化，便于对焊缝缺陷种类及大小等的分析。
参照图4所示，激光发射器5将线结构光投射于待检测焊件6表面，激光发射器5产生的激光光源(即线结构光)的功率小于或等于500瓦，在焊件表面形成可表征待检测焊件6表面特征信息的激光条纹，CCD相机10垂直于待检测焊件6采集激光条纹图像，CCD相机10与微型工业控制机14相连，激光发射器5与CCD相机10成40°角固定安装于检测箱18上面板的底部。
进行缺陷检测时，将采集的热分布图像和激光条纹图像传递给微型工业控制机14，微型工业控制机应用图像处理技术、信号处理技术、去噪算法、热量分析及信息融合等技术，对热分布图像进行热量分析，依据分析结果确定待检测焊件6的缺陷情况，可精确地测出缺陷，并显示出内部缺陷的位置与尺寸；并对激光条纹图像进行降噪处理，特征提取，利用相匹配的算法对缺陷的条纹图像建立相应的识别模型，实现缺陷识别与分类，对激光条纹采用三维重建技术，重现焊缝三维轮廓，并利用信息融合技术，在三维轮廓上显现焊件内表面缺陷。本发明实例通过脉冲涡流热成像与结构光双目视觉检测焊件缺陷，从而实现对焊接缺陷分类、位置和尺寸的准确检测。
参照图5所示，以水平方向垂直的轴向分别为X轴和Y轴，以垂直于水面方向为Z轴；所述的三轴伺服驱动焊缝跟踪系统包括X轴固定架8、Y轴固定架11、Z轴固定架2、焊接工作台7、X轴伺服电机9、Z轴伺服电机1、Y轴伺服电机12；
检测箱18背面的板为安装板3；
X轴固定架8上表面安装有焊接工作台7，待检测焊件6摆放在焊接工作台7上，X轴伺服电机9安装在X轴固定架8的右端，Z轴固定架2的下端与X轴固定架8的后端连接，Z轴伺服电机1安装在Z轴固定架2的顶端，Y轴固定架11连接于Z轴固定架2的右侧，Y轴伺服电机12安装在Y轴固定架11的后端，检测箱安装板3安装在Y轴固定架11的前端。
在上述方案中，Z轴固定架2右侧表面开有长孔，Z轴伺服电机1驱动Y轴固定架11在长孔中上下运动，通过控制Y轴固定架11的上下位置能够调节激励线圈13以及激光发射器5距离待检测焊件6的高度，激光发射器5距离待检测焊件6的高度以10-40mm为宜。
在上述方案中，Y轴固定架11左侧表面开有长孔，Y轴伺服电机12驱动Y轴固定架11在长孔中前后运动，通过控制Y轴固定架11的前后位置使热成像摄像机4、激光发射器5、CCD相机10都能对准焊缝。
本实施例中，X轴伺服电机9驱动摆放在焊接工作台7的待检测焊件6左右运动，实现激光结构光扫描待检测焊件6。
该焊接缺陷检测系统进行缺陷检测时，工作流程图如图6所示。包括：
a.图像采集：微型工业控制机发出指令使激光发射器投射线结构光与焊缝表面，同时发出指令启动热成像摄像机、CCD相机和脉冲发生器工作，同步协调热成像摄像机与CCD相机通过图像采集卡分别采集红外图像与激光条纹图像，并将获得的图像传输到微型工业控制机；
b.数据处理：微型工业控制机应用多信息融合算法对热分布图像与激光条纹图像进行处理，实现焊件缺陷类型识别和焊件缺陷位置计算。
c.显示：通过微型工业控制机上的显示器实时检测的热分布图像，激光条纹图像。
本实施例以焊接缺陷(裂纹、气孔、夹渣、未熔合)为缺陷类型，通过热成像摄像机和CCD相机采集焊件热分布图像与激光条纹图像，采用图像增强、模式识别、多信息融合以及图像降噪等技术，利用高速微型工业控制机，可实现焊件缺陷识别与分类，微型工业控制机具有接口，用于和人机设备进行数据交互，以便于通过人机设备进行数据查询以及自动控制。
在对待检测焊件6进行缺陷检测时，将激励线圈13与脉冲发生器15连接，当脉冲发生器15输出脉冲波，激励线圈13接入脉冲波，相当于接入了交变电流，铁心16在自身圆周方向上等效为闭合电路，且闭合电路中的磁通量在不断发生变化，因此，铁心16的圆周方向上会产出感应电动势和感应电流，形成交变磁场。当待检测焊件6在交变磁场中运动时，待检测焊件6产生感应电流，并在焊件形成闭合回路，即产生涡流。因集肤效应，且待检测焊件6具有一定阻值，待检测焊件6会因涡流而产生热量。待检测焊件6缺陷处和无缺陷处对热量的传导能力不同，因此，焊件分布的热量也不相同。微型工业控制机14可以根据热成像摄像机4采集的焊件热分布图像得到焊件缺陷位信息。
通过激光发射器5将激光条纹投射于焊件表面，获得焊缝激光条纹图像，利用微型工业控制机14对激光条纹图像进行滤波去噪、感兴趣区域(ROI)提取、中心线提取等图像处理步骤，并通过三维重建技术，构建焊件三维轮廓。
在对待检焊件6进行检测时，首先通过脉冲发生器15给激励线圈13供电，焊件产生热量，通过热成像摄像机拍摄热分布图像，判断待检测焊接6内部缺陷；同时通过激光发射器15投射激光条纹于焊件表面，微型工业控制机14对激光条纹图像进行降噪处理、ROI提取、中心线提取，就可以根据中心线的条纹信息，判断待测焊件6表面是否存在缺陷，如果存在缺陷，可以确定缺陷的位置和尺寸。
本实施例将脉冲涡流热成像与结构光视觉传感相结合，使得脉冲涡流热成像对焊件内部缺陷准确提取的优势和结构光视觉传感在检测焊件表面缺陷机三维重建的优势相结合，充分融合两种无损检测方法的优点，完成对焊接缺陷类型和位置、大小的准确检测。同时可结合无损检测平台，利用计算机储存，处理，分析和提取缺陷信息，实现缺陷的精准检测。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种焊接缺陷的无损检测系统，其特征在于，所述系统包括：脉冲涡流热成像检测装置、激光结构光视觉传感装置、微型工业控制机(14)；
脉冲涡流热成像检测装置用来产生涡流激励，将激励发送至待检测焊件上，使待检测焊件上由焦耳热产生的温度场分布，脉冲涡流热成像检测装置再检测待检测焊件(6)上的温度场分布的红外图像，并发送给微型工业控制机(14)；
激光结构光视觉传感装置用来发出激光并将线结构光投射于待检测焊件表面，焊件表面形成激光条纹图像，激光结构光视觉传感装置再采集待检测焊件(6)上的激光条纹图像，发送给微型工业控制机(14)；
微型工业控制机(14)对热分布图像和激光条纹图像进行分析，并依据分析结果确定待检测焊件(6)的缺陷情况。
2.根据权利要求1所述的焊接缺陷的无损检测系统，其特征在于，所述系统还包括检测箱(18)；
脉冲涡流热成像检测装置穿过检测箱(18)的下面板，且固定于检测箱(18)内；
激光结构光视觉传感装置固定于检测箱(18)的上面板的底面，激光结构光视觉传感装置的下端对应的检测箱(18)的下面板设有检测窗口。
3.根据权利要求2所述的焊接缺陷的无损检测系统，其特征在于，所述脉冲涡流热成像检测装置包括脉冲发生器(15)、激励线圈(13)、铁心(16)、热成像摄像机(4)、
脉冲发生器(15)穿过检测箱(18)的下面板，且固定于检测箱(18)内；脉冲发生器(15)的下端与套有激励线圈(13)的铁心(16)连接；脉冲发生器(15)与激励线圈(13)电连接，激励线圈(13)套设于铁心(16)上；
热成像摄像机(4)、脉冲发生器(15)分别与微型工业控制机(14)通信连接；
脉冲发生器(15)输出脉冲波为套设在铁心(16)上的激励线圈(13)供电，周围产生与脉冲波频率大小对应的交变磁场，基于涡流效应，使得处于铁心(14)下方的待检测焊件(6)产生热量；
热成像摄像机(4)用来获取待检测焊件上的温度场分布，并生成热分布图像，发送给微型工业控制机(14)。
4.根据权利要求3所述的焊接缺陷的无损检测系统，其特征在于，激光结构光视觉传感装置包括：CCD相机(10)、激光发射器(5)；
激光发射器(5)固定于检测箱(18)的上面板的底部；用来投射激光于待检测焊件(6)表面；
CCD相机(10)、激光发射器(5)分别与微型工业控制机(14)通信连接；
CCD相机(10)固定于检测箱(18)的上面板的底部；且向激光发射器(5)倾斜；用来采集待检测焊件表面经激光投射后形成的单线激光条纹图像，并将单线激光条纹图像发送给微型工业控制机(14)。
5.根据权利要求3或4所述的焊接缺陷的无损检测系统，其特征在于，所述系统还包括手提式把手(17)，所述手提式把手(17)设于检测箱(18)上。
6.根据权利要求5所述的焊接缺陷的无损检测系统，其特征在于，所述系统还包括位置调整装置；检测箱(18)固定于位置调整装置上，待检测焊件(6)放置于位置调整装置的下端；位置调整装置用来调整检测箱(18)和待检测焊件(6)之间的相对位置。
7.根据权利要求6所述的焊接缺陷的无损检测系统，其特征在于，所述的位置调整装置为三轴伺服驱动焊缝跟踪系统。
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- 2019-10-23 CN CN201911012567.XA patent/CN110763727A/zh active Pending
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