CN111203655A - 一种激光焊接过程三维空间飞溅识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接过程三维空间飞溅识别装置，涉及激光焊接领域，包括焊接激光器、行走平台、高速摄影系统、同步触发装置、计算机、标版。高速摄影系统包括两套高速相机，分别固定在垂直于行走平台的Y轴和X轴的平面，进行同步触发采集。通过带通滤波，图像增强技术抑制金属蒸气羽烟的辐射光，增强飞溅的热辐射光，提高了对飞溅识别与提取的成功率。将同时获得的图像中提取的飞溅进行关联，进而获得飞溅的三维空间位置和分布特征。

Description

一种激光焊接过程三维空间飞溅识别装置

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及一种激光焊接过程三维空间飞溅识别装置。

背景技术

在激光焊接中，熔池内的熔融金属受高速金属蒸气流的冲击，脱离熔池形成的液滴，即飞溅。飞溅的产生一方面是激光焊接过程中熔池不稳定的表现，另一方面也会对激光焊接焊缝的表面质量造成不利的影响。因此，从高速摄影图像中对激光焊接过程中产生的飞溅进行识别和运动特征进行提取，对激光焊接过程在线监控，焊接稳定性研究以及焊缝表面质量改善均有着重要的应用。

现有的技术方案中，已有对激光焊接过程中飞溅形状和位置进行提取的报道。如：德累斯顿理工大学的L.Nicolosi等人选择直接对图像进行二值化处理，这种方法所获得的图像会同时将匙孔和羽烟所产生的自发辐射光与飞溅所产生的热辐射光二值化，无法进行区分。广州工业大学的孙燕等人在对图像直接进行二值化后，通过先腐蚀后膨胀的开运算，获得了金属羽烟的图像，再在二值化的图像中去除金属羽烟的图像，获得了金属羽烟外飞溅的图像。这种图像处理方法可以有效获取金属羽烟外的飞溅形态特征。但是，对于存在于金属羽烟内部的飞溅，通过这种方法会将其与金属羽烟一并去除。而存在于金属羽烟内部的飞溅往往是从熔池表面脱离产生，所具有的特征能够更真实地反映熔池的运动状态。

此外，现有的对于焊接过程中高速图像的处理仅能够从中提取出飞溅的形态特征，针对飞溅从熔池脱离的运动状态特征的技术方案一直很少有报道。北京工业大学的蔡华等人通过人工测量的方法对高速摄影图像中飞溅的运动轨迹逐帧进行手动追踪和测量，这一种方法在实际的应用中存在很大的局限性。广州工业大学的高向东等人是通过图像处理识别的飞溅与激光作用点之间距离来表征飞溅的运动特性，这一种方法并不能直接地反映出飞溅的运动轨迹，运动速度以及运动方向。

而激光焊接过程中所产生的飞溅是从熔池向四周辐射运动，现有的关于飞溅形态和运动特征的研究均是在平行于焊接方向的二维平面内进行的，仍未有关于对飞溅三维空间内的分布特征和运动轨迹进行识别与追踪的技术方案的报道。

现有技术存在以下缺陷：

(1)由于金属蒸气羽烟的辐射光的干扰，不能对羽烟内的飞溅进行识别与提取。

(2)不能够对焊接过程中飞溅的运动轨迹进行自动地跟踪，因此无法方便地获得焊接过程中飞溅的运动特征。

(3)没有针对焊接过程飞溅三维空间分布特征提取和运动轨迹跟踪的方案。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种激光焊接过程三维空间飞溅识别装置，克服金属蒸气羽烟干扰，自动跟踪飞溅轨迹，进行焊接过程飞溅三维空间分布特征提取和运动轨迹跟踪。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是通过图像增强技术，提高激光焊接过程中飞溅识别与提取的成功率，对飞溅进行三维定位，获得飞溅的三维分布特征。

为实现上述目的，本发明提供了一种激光焊接过程三维空间飞溅识别装置，包括焊接激光器、行走平台、高速摄影系统、同步触发装置、计算机、标版，其中，行走平台用于固定试样，被配置为朝焊接方向反向运动，高速摄影系统包括两套高速相机，XZ平面高速相机和YZ平面高速相机，分别固定在垂直于行走平台的Y轴和X轴的平面，通过标版进行空间标定，高速相机包括长焦微距镜头、带通滤光镜与保护镜，带通滤光镜与保护镜安装在长焦微距镜头前，高速相机通过同步触发装置进行触发和采集，高速相机和同步触发装置通过计算机进行设置与数据保存。

进一步地，带通滤光镜允许通过的光波波长为650～950nm。

进一步地，保护镜为紫外石英玻璃，允许通过的光波波长为185nm～2500nm。

进一步地，标版为氧化铝标定板，网格数为10×10，精度为0.001mm，平行于Z轴，与X轴和Y轴呈45°角，放置在试板上焊接激光器光斑焦点为中心的位置。

进一步地，同步触发装置基于Silicon Laboratories生产的C8051F340为核心开发，能满足高速摄影100kfps以内的触发要求，同步触发装置的结构包括整流降噪电路，模/数转换器，单片机中央处理器和定时器，当焊接激光器启动时，同步触发装置启动行走平台运动，并输出脉冲频率为12500Hz的脉冲信号，对两套高速相机同时进行触发。

进一步地，通过图像增强技术对高速相机捕获的图像进行处理，去除羽烟的干扰，再依据两套高速相机同一时刻获取的飞溅尺寸特征和位置特征对飞溅进行一一关联，获取飞溅的三维空间位置特征。

进一步地，对图像进行处理的具体步骤包括：

步骤11：设置一个局域处理区域；

步骤12：对局域处理区域进行自适应滤波处理；

步骤13：将局域处理区域移动m像素点；

步骤14：重复步骤12和步骤13直至整个图像区域，将每个局域处理区域内处理的图像进行加权平均，获得增强后的图像；

步骤15：对增强后的图像进行二值化处理和图像分割，获得图像内飞溅的形态和位置特征。

进一步地，步骤12所采用的滤波器根据局域处理区域亮度的最高值T₁和T₂进行自适应滤波，其滤波函数的表达式为：

其中，I₀为局域处理区域内图像的亮度值，I₁为处理后局域处理区域的亮度值，ΔS₁是设置的飞溅亮度与羽烟亮度差的阈值，S₂是设置的羽烟亮度的阈值。

进一步地，对两套高速相机同一时刻获得的图像中得到的飞溅位置和面积特征进行一一关联，其判定条件为：

其中，A_xoz,i是XOZ平面获取的飞溅i的面积特征，A_yoz,j是YOZ平面获得的飞溅j的面积特征，z_xoz,i和z_yoz,j分别是飞溅i和飞溅j在XOZ平面和YOZ平面的Z方向的高度，当A_xoz,i和A_yoz,j误差小于一定阈值，且飞溅在Z方向高度z_xoz,i和z_yoz,j相近时，判定飞溅i和飞溅j是被不同位置的高速相机在同一时间捕捉的同一飞溅，此飞溅的面积大小特征和三维空间位置特征可分别计算为(A_xoz,i+A_yoz,j)/2和[x_xoz,i,y_yoz,j,(z_xoz,i+z_yoz,j)/2]。

不同于现有技术仅能从单侧对激光焊接过程中金属羽烟外的飞溅进行识别与提取。本发明通过XOZ和YOZ平面内采用两台高速相机进行同步触发对飞溅的图像进行采集并对XOZ和YOZ平面内高速相机同时获得的图像中所提取的飞溅进行关联，获得飞溅的三维空间位置。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的三维图像采集示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的同步触发装置示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的相机三维空间坐标轴标定示意图；

图4是本发明的对图像中的飞溅进行图像增强的流程图。

其中，1-焊接激光器，2-行走平台，3-高速摄影系统，4-同步触发装置，5-计算机，31-XZ平面高速相机，32-YZ平面高速相机，33-长焦微距镜头，34-带通滤光镜，35-保护镜，41-整流降噪电路，42-模/数转换器，43-单片机中央处理器，44-定时器。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明的获取飞溅三维图像装置的结构如图1所示：

包括焊接激光器1、行走平台2、高速摄影系统3、同步触发装置4、计算机5。

上述各部件的关系为：试样固定在行走平台2上，在焊接过程中，焊接激光器1保持不动，行走平台2朝焊接方向反向运动，从而保证在采集画面中焊接激光光斑作用于试样的位置固定不变。

高速摄影系统3包括XZ平面高速相机31和YZ平面高速相机32两套高速相机系统。每套高速相机系统包括：长焦微距镜头33，带通滤光镜34与石英保护镜片35。其中，XZ平面高速相机31和YZ平面相机32水平安装在三脚架上，分别固定在垂直于行走平台的Y轴和X轴的平面，通过长焦微距镜头33聚焦于试样上方激光作用位置所在平面。在长焦微距镜头33前安装有带通滤光镜34和保护镜35。其中带通滤光镜34允许通过的波长为650～950nm，能够保证飞溅近红外谱段的热辐射通过滤光片被高速摄影的图像传感器获取同时，减弱羽烟在可见光段的辐射光，并且可以保护高速相机31和32不受到焊接激光器1的干扰，本实施例中焊接激光器波长为1070nm。本实施例中保护镜35采用的是紫外石英玻璃，在185nm～2500nm范围内的光均具有良好的通过性，其作用是为了防止焊接过程中产生的飞溅损伤长焦微距镜头33和带通滤光镜34。

XZ平面高速相机31和YZ平面高速相机32均通过同步触发装置4进行触发和采集，XZ平面高速相机31，YZ平面高速相机32和触发装置4通过计算机5进行设置与数据保存。本方法采用的同步触发装置4基于Silicon Laboratories生产的C8051F340为核心开发，能满足高速摄影100kfps以内的触发要求。同步触发装置4的结构包括整流降噪电路41，模/数转换器42，单片机中央处理器43和定时器44，结构如图2所示。当焊接激光器1的控制柜通电开始焊接时，启动信号通过整流降噪电路41和模/数转换器42进入中央处理器43输入端开始触发程序。中央处理器43输出端向行走平台2发送启动信号启动行走平台2运动，同时通过定时器44向XZ平面高速相机31和YZ平面高速相机32发送脉冲触发信号启动相机同步进行图像采集。

本发明获取飞溅三维图像的步骤如下：

激光焊接过程中，熔融金属从匙孔周围的熔池中脱离，在工件上方形成飞溅。飞溅在工件上方空间的运动是三维的，因此需要分别从两个方向对飞溅的位置进行捕捉，获得飞溅位置的三维坐标。具体为：

1)通过标版对XZ平面高速相机31和YZ平面高速相机32进行空间标定：如图3所示，本实施例中采用的标定板为尺寸10mm×10mm的氧化铝标定板，网格数为10×10，精度为0.001mm，标定板平行于Z轴，与X轴和Y轴呈45°角，放置在试板上焊接激光器光源焦点为中心的位置。

2)设定同步触发装置，本实施例中采用的同步触发装置4是基于SiliconLaboratories生产的C8051F340为核心开发的触发装置，内核速度为48M IPS，可完全满足高速摄影100kfps以内的触发要求。本实施例中，同步触发装置4输出脉冲频率为12500Hz的脉冲信号，同时对高速相机31和YZ向高速相机32进行触发。

3)启动焊接激光1，开始焊接。同时焊接激光器1启动触发装置，同步启动行走平台2运动，和触发高速相机31和32分别对XOZ和YOZ平面的飞溅进行采集。

4)保存有效的图像数据。

对于获取的激光焊接飞溅图像，本发明利用图像中羽烟的辐射强度较飞溅低，分布形态分散的特征，对获取图像进行处理。图像增强的处理过程如图4所示：

1)设置一个局域处理区域。

2)对局域处理区域进行自适应滤波处理，其滤波器的参数由区域内亮度最高值T₁和平均值T₂决定，滤波器的具体函数为：

其中，I₀为局域处理区域内图像的亮度值，I₁为处理后局域区域的亮度值；a是设置的飞溅亮度与羽烟亮度差的阈值；b是设置的羽烟亮度的阈值。当T₁-T₂>a且T₂>b时，说明局域处理区域内同时存在飞溅和羽烟，需要对羽烟亮度进行减弱，对飞溅的亮度进行增强。当T₁-T₂<a，且T₂>b时，说明局域处理区域内仅存在羽烟，需要对局域处理区域图像整体亮度进行减弱；当T₂<b时，说明局域处理区域图像不存在羽烟，不需要对区域图像亮度进行处理。

3)完成对局域处理区域内图像的亮度调节后，将局域处理区域移动m像素点，对新的局域处理区域内图像的亮度进行调节。

4)直至完成整个图像区域内的图像的增强后，将每个局域处理区域内处理的图像进行加权平均，获得增强后的图像。

5)对增强后的图像进行二值化处理，对提取的飞溅进行编号，获得图像内每个飞溅的形态和位置特征。

6)对XZ向高速相机31和YZ向高速相机32同一时刻获得的图像中得到的飞溅位置和面积特征进行一一关联。其判定条件为：

当XOZ平面获取的飞溅i和YOZ平面获得的飞溅j满足：其面积特征A_xoz,i和A_yoz,j误差小于一定阈值，且飞溅在Z方向高度z_xoz,i和z_yoz,j相近时，可认为飞溅i和飞溅j是被不同位置的高速相机在同一时间捕捉的同一飞溅。因此，其面积大小特征和三维空间位置特征可分别计算为

和

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪装置，其特征在于，包括焊接激光器、行走平台、高速摄影系统、同步触发装置、计算机、标版，其中，所述行走平台用于固定试样，被配置为朝焊接方向反向运动，所述高速摄影系统包括两套高速相机，XZ平面高速相机和YZ平面高速相机，分别固定在垂直于行走平台的Y轴和X轴的平面，通过所述标版进行空间标定，所述高速相机包括长焦微距镜头、带通滤光镜与保护镜，所述带通滤光镜与所述保护镜安装在所述长焦微距镜头前，所述高速相机通过所述同步触发装置进行触发和采集，所述高速相机和所述同步触发装置通过所述计算机进行设置与数据保存。

2.如权利要求1所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪装置，其特征在于，所述带通滤光镜允许通过的光波波长为650～950nm。

3.如权利要求1所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪装置，其特征在于，所述保护镜为紫外石英玻璃，允许通过的光波波长为185nm～2500nm。

4.如权利要求1所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪装置，其特征在于，所述标版为氧化铝标定板，网格数为10×10，精度为0.001mm，平行于Z轴，与X轴和Y轴呈45°角，放置在试板上所述焊接激光器焦点为中心的位置。

5.如权利要求1所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪装置，其特征在于，所述同步触发装置基于Silicon Laboratories生产的C8051F340为核心开发，能满足高速摄影100kfps以内的触发要求，所述同步触发装置的结构包括整流降噪电路，模/数转换器，单片机中央处理器和定时器，当所述焊接激光器启动时，所述同步触发装置启动所述行走平台运动，并输出脉冲频率为12500Hz的脉冲信号，对所述两套高速相机同时进行触发。

6.如权力要求1所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪装置，其特征在于，通过图像增强技术对所述高速相机捕获的图像进行处理，去除羽烟的干扰，再依据所述两套高速相机同一时刻获取的飞溅尺寸特征和位置特征对飞溅进行一一关联，获取飞溅的三维空间位置特征。

7.如权力要求6所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪装置，所述对图像进行处理的具体步骤包括：

步骤11：设置一个局域处理区域；

步骤12：对所述局域处理区域进行自适应滤波处理；

步骤13：将所述局域处理区域移动m像素点；

步骤14：重复所述步骤12和所述步骤13直至整个图像区域，将每个所述局域处理区域内处理的图像进行加权平均，获得增强后的图像；

步骤15：对所述增强后的图像进行二值化处理和图像分割，获得图像内飞溅的形态和位置特征。

8.如权力要求7所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪装置，其特征在于，所述步骤12所采用的滤波器根据所述局域处理区域亮度的最高值T₁和T₂进行自适应滤波，其滤波函数的表达式为：

其中，I₀为所述局域处理区域内图像的亮度值，I₁为处理后所述局域处理区域的亮度值，ΔS₁是设置的飞溅亮度与羽烟亮度差的阈值，S₂是设置的羽烟亮度的阈值。

9.如权力要求6所述的激光焊接过程三维空间飞溅识别与追踪装置，其特征在于，对所述两套高速相机同一时刻获得的图像中得到的飞溅位置和面积特征进行一一关联，其判定条件为：

其中，A_xoz,i是XOZ平面获取的飞溅i的面积特征，A_yoz,j是YOZ平面获得的飞溅j的面积特征，z_xoz,i和z_yoz,j分别是飞溅i和飞溅j在XOZ平面和YOZ平面的Z方向的高度，当A_xoz,i和A_yoz,j误差小于一定阈值，且飞溅在Z方向高度z_xoz,i和z_yoz,j相近时，判定飞溅i和飞溅j是被不同位置的所述高速相机在同一时间捕捉的同一飞溅，此飞溅的面积大小特征和三维空间位置特征可分别计算为(A_xoz,i+A_yoz,j)/2和[x_xoz,i,y_yoz,j,(z_xoz,i+z_yoz,j)/2]。

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