CN113245687B - 一种转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统。使用高光谱图像结合摩擦搅拌焊接技术，实现了对摩擦搅拌焊接的实时监控；高光谱图像的介入实现了对于图像采集干扰的降低，使得焊接的图像质量更加清晰，从而可以更加准确地实现AOI检测；并可以根据AOI检测的结果对转速和移动速度进行实时的调整；将高光谱图像的拼接、光谱分析、波段筛选、图像AOI分析都设置单独模块进行工作，并且分别进行相应的连接，保证了实时检测时的数据计算量不会过大，节省系统资源，保证检测效果。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统。
背景技术
搅拌摩擦焊是指利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。搅拌摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小,接头部位不存在金属的熔化,是一种固态焊接过程,在合金中保持母材的冶金性能, 可以焊接金属基复合材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应的材料。
如公告号CN103567626B公开的带有温度控制的摩擦搅拌焊接。提供了一种摩擦搅拌焊接的方法。可以包括确定正在被焊接的一个或两个部件的温度。可以将这些部件加热至所需温度并随后摩擦搅拌焊接在一起。通过预热这些部件，在焊接期间塑化部件所需的摩擦减少。摩擦搅拌焊接工具的旋转速度降低，工具寿命延长，而形成焊缝的速率并没有降低。用热控制装置调节焊缝的冷却速率。
现有的摩擦搅拌焊一般都是先固定焊接的参数，然后进行焊接，焊接过后再进行质量的分析；但是由于每种焊接成分的不同，焊接参数预先设置是不可能保证焊接质量一次就达到较好的程度的；此外由于焊接中产生了很高的热量，导致金属发热发光，如果采用视频实时分析，由于发光较强会导致检测的位置亮度过爆，而附近位置亮度过低，图像清晰度过低无法实现AOI检测。
发明内容
针对上述内容，为解决上述问题，提供一种转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统，包括摩擦搅拌焊接头、焊接控制器、高光谱相机、图像采集控制器、光谱分析模块、图像分析模块和上位机；
用于单一成分金属工件的焊接或者两种金属成分组成的合金工件的焊接；
焊接控制器连接摩擦搅拌焊接头，用于控制摩擦搅拌焊接头的转速和移动速度；
高光谱相机安装在摩擦搅拌焊接头的四周，用于对焊接位置的四周进行实时拍摄高光谱图像；图像采集控制器连接高光谱相机，用于控制高光谱相机进行拍摄，并将采集的高光谱图像发送给上位机；光谱分析模块连接图像采集控制器，用于直接将采集的高光谱图像中抽离出光谱数据进行光谱分析，并将光谱分析结果发送给上位机；
图像分析模块连接上位机，用于从上位机获取高光谱图像，并进行焊接质量分析，并将焊接质量分析结果发送给上位机；
上位机收集光谱分析模块的光谱分析结果，分析结果包括焊接区域的金属成分以及实时温度，然后上位机根据焊接区域的金属成分计算出金属成分对应的特征波段；上位机将高光谱图像进行特征波段的抽离，提取出特征波段的高光谱图像，并将其发送给图像分析模块，图像分析模块根据上位机发送的图像以及上位机发送的实时温度输入焊接质量分析模型，然后获得转速调整参数和移动速度调整参数并发送给上位机；
上位机将转速调整参数和移动速度调整参数发送给焊接控制器，焊接控制器控制摩擦搅拌焊接头按照转速调整参数和移动速度调整参数调节焊接参数进行焊接。
摩擦搅拌焊接头包括刀柄、轴芯和轴肩；轴芯和轴肩固定连接且转动连接至刀柄上，轴芯和轴肩高速转动从而对工件接触位置形成高温进行焊接；高光谱相机设置在刀柄上；高光谱相机的个数为三个或三个以上，均匀布置在摩擦搅拌焊接头的四周，对摩擦搅拌焊接头的焊接位置形成环绕布置；
高光谱相机的拍摄范围覆盖摩擦搅拌焊接头焊接位置的360°视角，从而使得高光谱相机的拍摄图像可以相互拼接形成一个完整的环形图像；多个高光谱相机的拍摄图像在图像采集控制器内进行拼接形成环形图像。
图像采集控制器内预先设置有每个高光谱相机的截取范围，当各个高光谱相机采集的图像发送到图像采集控制器内后，图像采集控制器将高光谱相机的图像进行截取，之后将截取的图像进行拼接，形成一个完整的高光谱图像，并发送给上位机和光谱分析模块。
光谱分析模块将图像采集控制器发送的高光谱图像进行光谱维的堆积，即将高光谱图像的全部像素位置的光谱数据进行叠加，得到叠加的光谱数据，然后将光谱数据输入温度判别模型和成分判别模型；
由于高速转动的摩擦搅拌焊接头和工件接触位置的金属实现了融化，不同金属融化后发出的光不同，从而可以通过光谱分析的方式将金属的成分进行区分；将光谱数据输入成分判别模型就可以得到金属的成分；
将光谱数据中红外光的部分输入温度判别模型，就可以获得金属的实时温度。
上位机内预先存储有每种金属成分对应的特征波段数据，上位机从光谱分析模块获得了工件的成分和实时温度；从而根据工件的成分对应出特征波段，然后将图像采集控制器发送来的高光谱图像进行特征波段的提取，即仅保留特征波段的高光谱图像，从而实现数据的压缩；
上位机将特征波段的高光谱图像发送给图像分析模块，去除的其他波段的干扰，特征波段的高光谱图像更加清晰；图像分析模块将特征波段的高光谱图像进行二值化分析，然后分析是否存在沟槽、毛刺或起皮的缺陷；同时图像分析模块从上位机获取焊接区域的实时温度；
图像分析模块根据沟槽、毛刺或起皮的缺陷检测结果以及实时温度输出转速调整参数和移动速度调整参数。
图像分析模块的输出包括△r和△s；其中△r为转速调整参数，正值为增加，负值为降低；△s为移动速度调整参数，正值为增加，负值为降低；
如果存在沟槽则增加转速，降低移动速度；如果存在毛刺则降低移动速度；如果存在起皮则降低转速，提高移动速度；
实时温度如果低于阈值温度则提高转速，实时温度如果高于阈值温度则降低转速；
具体的转速调整参数和移动速度调整参数的值由沟槽、毛刺或起皮缺陷的严重程度和实时温度与阈值的差值确定。
本发明的有益效果为：
本发明使用高光谱图像结合摩擦搅拌焊接技术，实现了对摩擦搅拌焊接的实时监控；高光谱图像的介入实现了对于图像采集干扰的降低，使得焊接的图像质量更加清晰，从而可以更加准确地实现AOI检测；并可以根据AOI检测的结果对转速和移动速度进行实时的调整；
使用高光谱图像实时获得焊接位置的温度，结合高光谱图像的成分分析结果对特征波段进行筛选，特征波段为焊接时影响成像质量较低的波段，从而使得焊接时产生的大量发热发光现象导致的图像称度过低无法进行视觉检测的问题得以解决；
将高光谱图像的拼接、光谱分析、波段筛选、图像AOI分析都设置单独模块进行工作，并且分别进行相应的连接，保证了实时检测时的数据计算量不会过大，节省系统资源，保证检测效果。
附图说明
被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。
图1为本发明的整体架构示意图；
图2为本发明的摩擦搅拌焊接头的结构示意图；
图3为本发明的焊接示意图；
图4为本发明的高光谱拼接图像。
具体实施方式
本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。
一种转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统，包括摩擦搅拌焊接头、焊接控制器、高光谱相机5、图像采集控制器、光谱分析模块、图像分析模块和上位机；
用于单一成分金属的工件4的焊接或者两种金属成分组成的合金的工件4的焊接；
焊接控制器连接摩擦搅拌焊接头，用于控制摩擦搅拌焊接头的转速和移动速度；
高光谱相机5安装在摩擦搅拌焊接头的四周，用于对焊接位置的四周进行实时拍摄高光谱图像；图像采集控制器连接高光谱相机5，用于控制高光谱相机5进行拍摄，并将采集的高光谱图像发送给上位机；光谱分析模块连接图像采集控制器，用于直接将采集的高光谱图像中抽离出光谱数据进行光谱分析，并将光谱分析结果发送给上位机；
图像分析模块连接上位机，用于从上位机获取高光谱图像，并进行焊接质量分析，并将焊接质量分析结果发送给上位机；
上位机收集光谱分析模块的光谱分析结果，分析结果包括焊接区域的金属成分以及实时温度，然后上位机根据焊接区域的金属成分计算出金属成分对应的特征波段；上位机将高光谱图像进行特征波段的抽离，提取出特征波段的高光谱图像，并将其发送给图像分析模块，图像分析模块根据上位机发送的图像以及上位机发送的实时温度输入焊接质量分析模型，然后获得转速调整参数和移动速度调整参数并发送给上位机；
上位机将转速调整参数和移动速度调整参数发送给焊接控制器，焊接控制器控制摩擦搅拌焊接头按照转速调整参数和移动速度调整参数调节焊接参数进行焊接。
使用高光谱图像实时获得焊接位置的温度，结合高光谱图像的成分分析结果对特征波段进行筛选，特征波段为焊接时影响成像质量较低的波段，从而使得焊接时产生的大量发热发光现象导致的图像称度过低无法进行视觉检测的问题得以解决。
摩擦搅拌焊接头包括刀柄1、轴芯2和轴肩3；轴芯2和轴肩3固定连接且转动连接至刀柄1上，轴芯2和轴肩3高速转动从而对工件4接触位置形成高温进行焊接；高光谱相机5设置在刀柄1上；高光谱相机5的个数为三个或三个以上，均匀布置在摩擦搅拌焊接头的四周，对摩擦搅拌焊接头的焊接位置形成环绕布置；
高光谱相机5的拍摄范围覆盖摩擦搅拌焊接头焊接位置的360°视角，从而使得高光谱相机5的拍摄图像可以相互拼接形成一个完整的环形图像；多个高光谱相机5的拍摄图像在图像采集控制器内进行拼接形成环形图像。
图像采集控制器内预先设置有每个高光谱相机5的截取范围，当各个高光谱相机5采集的图像发送到图像采集控制器内后，图像采集控制器将高光谱相机5的图像进行截取，之后将截取的图像进行拼接，形成一个完整的高光谱图像，并发送给上位机和光谱分析模块。
光谱分析模块将图像采集控制器发送的高光谱图像进行光谱维的堆积，即将高光谱图像的全部像素位置的光谱数据进行叠加，得到叠加的光谱数据，然后将光谱数据输入温度判别模型和成分判别模型；
上述温度判别模型是基于概率的光谱数据和温度的建模，通过已知的光谱数据以及温度判别模型来预测温度；上述成分判别模型是基于概率的光谱数据和成分的建模，通过已知的光谱数据以及成分判别模型来预测成分。
由于高速转动的摩擦搅拌焊接头和工件4接触位置的金属实现了融化，不同金属融化后发出的光不同，从而可以通过光谱分析的方式将金属的成分进行区分；将光谱数据输入成分判别模型就可以得到金属的成分；
将光谱数据中红外光的部分输入温度判别模型，就可以获得金属的实时温度。
上位机内预先存储有每种金属成分对应的特征波段数据，上位机从光谱分析模块获得了工件4的成分和实时温度；从而根据工件4的成分对应出特征波段，然后将图像采集控制器发送来的高光谱图像进行特征波段的提取，即仅保留特征波段的高光谱图像，从而实现数据的压缩；
上位机将特征波段的高光谱图像发送给图像分析模块，去除的其他波段的干扰，特征波段的高光谱图像更加清晰；图像分析模块将特征波段的高光谱图像进行二值化分析，然后分析是否存在沟槽、毛刺或起皮的缺陷；同时图像分析模块从上位机获取焊接区域的实时温度；
图像分析模块根据沟槽、毛刺或起皮的缺陷检测结果以及实时温度输出转速调整参数和移动速度调整参数。
图像分析模块的输出包括△r和△s；其中△r为转速调整参数，正值为增加，负值为降低；△s为移动速度调整参数，正值为增加，负值为降低；
如果存在沟槽则增加转速，降低移动速度；如果存在毛刺则降低移动速度；如果存在起皮则降低转速，提高移动速度；
实时温度如果低于阈值温度则提高转速，实时温度如果高于阈值温度则降低转速；
具体的转速调整参数和移动速度调整参数的值由沟槽、毛刺或起皮缺陷的严重程度和实时温度与阈值的差值确定。
其中，上位机内存储的特征波段为高光谱采集波段范围内对应成分金属在焊接时发出量受温度影响最低的波段；如此设置可以保证在焊接时由于温度影响导致的光过强，影响图像分析。
或者在高光谱相机的位置设置有补光光源，补光光源发出宽波段复色光，复色光的波段覆盖高光谱的采集范围；同时上位机内存储有每种金属成分在摩擦融化时发出光强度最低的波段，将其作为特征波段；此时由于融化时发出的光在特征波段内较低，同时补光光源发出的特征波段的光被工件表面反射，就可以在高光谱相机内提取出清晰的表面图像用于AOI检测；
具体图像分析模块进行AOI分析的方法在目前的现有技术进行AOI表面缺陷分析已经有很多方式，选择一种可以判断出缺陷严重程度的方式即可，在此不再赘述。
焊接前先针对焊接的工件在上位机内输入一个预先设置的温度阈值和起始转速和起始移动速度；开始焊接后高光谱模块获取高光谱图像，系统进行实时分析，图像分析模块将缺陷的严重程度和温度都输入对应的模型，从而可以获得焊接参数的调整量，进而可以对焊接参数进行实时的调整，保证焊接的效果。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统，包括摩擦搅拌焊接头、焊接控制器、高光谱相机（5）、图像采集控制器、光谱分析模块、图像分析模块和上位机，其特征在于：
用于单一成分金属的工件（4）的焊接或者两种金属成分组成的合金的工件（4）的焊接；
焊接控制器连接摩擦搅拌焊接头，用于控制摩擦搅拌焊接头的转速和移动速度；
高光谱相机（5）安装在摩擦搅拌焊接头的四周，用于对焊接位置的四周进行实时拍摄高光谱图像；图像采集控制器连接高光谱相机（5），用于控制高光谱相机（5）进行拍摄，并将采集的高光谱图像发送给上位机；光谱分析模块连接图像采集控制器，用于直接从采集的高光谱图像中抽离出光谱数据进行光谱分析，并将光谱分析结果发送给上位机；
图像分析模块连接上位机，用于从上位机获取高光谱图像，并进行焊接质量分析，并将焊接质量分析结果发送给上位机；
上位机收集光谱分析模块的光谱分析结果，分析结果包括焊接区域的金属成分以及实时温度，然后上位机根据焊接区域的金属成分计算出金属成分对应的特征波段；上位机将高光谱图像进行特征波段的抽离，提取出特征波段的高光谱图像，并将其发送给图像分析模块，图像分析模块根据上位机发送的图像以及上位机发送的实时温度输入焊接质量分析模型，然后获得转速调整参数和移动速度调整参数并发送给上位机；
上位机将转速调整参数和移动速度调整参数发送给焊接控制器，焊接控制器控制摩擦搅拌焊接头按照转速调整参数和移动速度调整参数调节焊接参数进行焊接。
2.根据权利要求1所述的转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统，其特征在于：
摩擦搅拌焊接头包括刀柄（1）、轴芯（2）和轴肩（3）；轴芯（2）和轴肩（3）固定连接且转动连接至刀柄（1）上，轴芯（2）和轴肩（3）高速转动从而对工件（4）接触位置形成高温进行焊接；高光谱相机（5）设置在刀柄（1）上；高光谱相机（5）的个数为三个或三个以上，均匀布置在摩擦搅拌焊接头的四周，对摩擦搅拌焊接头的焊接位置形成环绕布置；
高光谱相机（5）的拍摄范围覆盖摩擦搅拌焊接头焊接位置的360°视角，从而使得高光谱相机（5）的拍摄图像可以相互拼接形成一个完整的环形图像；多个高光谱相机（5）的拍摄图像在图像采集控制器内进行拼接形成环形图像。
3.根据权利要求2所述的转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统，其特征在于：
图像采集控制器内预先设置有每个高光谱相机（5）的截取范围，当各个高光谱相机（5）采集的图像发送到图像采集控制器内后，图像采集控制器将高光谱相机（5）的图像进行截取，之后将截取的图像进行拼接，形成一个完整的高光谱图像，并发送给上位机和光谱分析模块。
4.根据权利要求2所述的转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统，其特征在于：
光谱分析模块将图像采集控制器发送的高光谱图像进行光谱维的堆积，即将高光谱图像的全部像素位置的光谱数据进行叠加，得到叠加的光谱数据，然后将光谱数据输入温度判别模型和成分判别模型；
由于高速转动的摩擦搅拌焊接头和工件（4）接触位置的金属实现了融化，不同金属融化后发出的光不同，从而可以通过光谱分析的方式将金属的成分进行区分；将光谱数据输入成分判别模型就可以得到金属的成分；
将光谱数据中红外光的部分输入温度判别模型，就可以获得金属的实时温度。
5.根据权利要求1所述的转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统，其特征在于：
上位机内预先存储有每种金属成分对应的特征波段数据，上位机从光谱分析模块获得了工件（4）的成分和实时温度；从而根据工件（4）的成分对应出特征波段，然后将图像采集控制器发送来的高光谱图像进行特征波段的提取，即仅保留特征波段的高光谱图像，从而实现数据的压缩；
上位机将特征波段的高光谱图像发送给图像分析模块，去除的其他波段的干扰，特征波段的高光谱图像更加清晰；图像分析模块将特征波段的高光谱图像进行二值化分析，然后分析是否存在沟槽、毛刺或起皮的缺陷；同时图像分析模块从上位机获取焊接区域的实时温度；
图像分析模块根据沟槽、毛刺或起皮的缺陷检测结果以及实时温度输出转速调整参数和移动速度调整参数。
6.根据权利要求5所述的转速智能控制的摩擦搅拌焊接系统，其特征在于：
图像分析模块的输出包括△r和△s；其中△r为转速调整参数，正值为增加，负值为降低；△s为移动速度调整参数，正值为增加，负值为降低；
如果存在沟槽则增加转速，降低移动速度；如果存在毛刺则降低移动速度；如果存在起皮则降低转速，提高移动速度；
实时温度如果低于阈值温度则提高转速，实时温度如果高于阈值温度则降低转速；
具体的转速调整参数和移动速度调整参数的值由沟槽、毛刺或起皮缺陷的严重程度和实时温度与阈值的差值确定。
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