CN1241709C - 弧焊熔池动态特征视觉传感方法 - Google Patents
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Abstract
一种弧焊熔池动态信息视觉传感方法属于焊接切割领域。本发明以焊接电弧光照明焊接熔池，采用滤光片截取反射电弧光中的特定波长范围的光线作为成像光源，并用减光片调节光强，通过平面镜反射作用改变光线传播方向，采用CCD摄像机和普通光学镜头将同时刻的焊接熔池正面和反面信息成像在同一个CCD摄像机靶面。本发明取的焊接熔池信息含量丰富，且所用装置结构简单可靠，成本低，集成度高，可以获得清晰的焊接过程中焊接熔池正面和背面的图像本，实现对焊接过程的有效监测和控制。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种视觉信息传感方法，特别是一种弧焊熔池动态信息视觉传感方法，属于焊接切割领域。
背景技术
现代工业生产中对焊接装配的质量提出了更高的要求，为适应工件形式和环境的变化，必须对焊接过程进行闭环控制，而如何传感准确的焊接过程质量信息已成为焊接质量控制的关键技术。焊接熔池视觉图像中含有丰富的焊接质量信息，利用视觉传感器获取熔池图像，可以得到如焊缝方向、间隙大小、熔池宽度和焊缝余高等信息，进而可以进行焊缝熔透和焊缝成形等控制。如“real-time imageprocessing for monitoring of free weld pool surface”(journal of manufacturingscience and engineering 1997(119))(“用于自由焊接熔池表面监测的实时图像处理。”R.库瓦西维克，制造科学与工程杂志，1997年5月，161～169，第5期。美国机械工程协会出版。)文中指出通过利用激光作为辅助光源，可以获得焊接熔池正面熔宽和焊缝高度等信息，从而为焊接过程闭环控制打下基础。但是上述研究和应用存在很大的局限性。首先，采用从焊缝正面单侧观察方式只能获取焊接熔池正面图像，而焊接过程中，只根据焊缝正面熔池图像无法全部了解焊缝的熔透和背面的成形状况，因而无法全面监控焊接质量。其次，采用激光作为辅助成像光源，需要附加多种硬件，比如，电源、激光器等，这些硬件固定在焊枪端部，极大地影响了焊接过程中，焊枪运转的空间和灵活性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种弧焊熔池动态特征视觉传感方法，该方法通过采用新型的光源代替成本高、结构法杂的激光光源，并针对上述方法图像有用信息含量少的缺点，提高所获取的图像信息含量，所获取的图像不仅含有熔池正面信息，同时还含有熔池背面信息。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明以焊接电弧光照明焊接熔池，采用滤光片截取反射电弧光中的特定波长范围的光线作为成像光源，并用减光片调节光强，通过平面镜反射作用改变光线传播方向，采用CCD摄像机和普通光学镜头将同时刻的焊接熔池正面和反面信息成像在同一个CCD摄像机靶面(即焊接熔池同时同幅图像)，不需要其他任何辅助光源成像。
以下对本发明方法作进一步的说明，具体步骤如下：
(1)焊接过程中，电弧发光产生焊接电弧光，以焊接电弧光照明焊接熔池。
(2)电弧光被焊接正面熔池反射改变传播方向，在CCD摄像机镜头与熔池之间设置滤光片，部分光线进入滤光片，滤光片具有滤光作用，其中只有波长在520nm～630nm区间的光线可以通过滤光片，其余波长光线被滤除。
(3)在滤光片后部设置减光片，减光片与滤光片平行，光线通过滤光片后进入减光片，减光片可以均匀降低不同波长的入射光的强度，防止由于光强过高导致的图像细节模糊。
利用具有降低光强的减光片，这种减光片可以将进入的具有可见光波长范围的光线的强度同等地减弱相同的比例，避免因入射光线强度过高，使图像各个部分的对比清晰，保证成像效果。
(4)在减光片后面设置平面镜，光线经过减光片后到达平面镜，平面镜的角度可以调整，保证光线能够最终进入摄像机镜头，光线被平面镜反射后改变传播方向，进入CCD摄像机镜头，在CCD摄像机靶面成像，得到焊接熔池正面图像。
(5)同时，焊接熔池背面发出的部分光线，也进入另外设置在CCD摄像机镜头与熔池之间的减光片，调整光强后到达平面镜，被平面镜反射后改变传播方向进入同一个CCD摄像机镜头，在CCD摄像机靶面成像，得到焊接熔池反面图像。这样，同一时刻的焊接熔池正反面信息在同一幅图像上得到体现，获得焊接熔池正反面同时同幅图像，实现焊接熔池动态信息视觉传感，而且利用本发明方法可以单独获取所需的单侧熔池正面或反面图像信息，使用灵活。
采用CCD摄像机和普通光学镜头将同时刻的焊接熔池正面和反面信息成像在同一个CCD摄像机靶面，即焊接熔池同时同幅图像，是利用平面镜对光线的反射作用，改变入射光线的方向，使来自不同空间位置的焊接熔池正面和反面位置的光线能够进入同一个CCD摄像机的视野，并将熔池正反面信息同时成像于同一幅图像之中。具体实现步骤如下：
a.引燃焊接电弧，电弧光照明焊接熔池正面；
b.电弧光被熔池反射，到达平面镜；
c.到达平面镜的光线发生发射，改变方向，经滤光片和减光片进入CCD摄像机镜头；
d.同时，被焊接熔池背面反射的光线，到达平面镜发生反射改变方向，经过减光片进入同一个CCD摄像机镜头；
e.进入CCD摄像机镜头的两路光线将焊接熔池正反面信息同时成像于同一幅图像之中。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明取的焊接熔池信息含量丰富，且所用装置结构简单可靠，成本低，集成度高，可以获得清晰的焊接过程中焊接熔池正面和背面的图像本，实现对焊接过程的有效监测和控制。本发明在工作过程中以焊接电弧光作为成像光源，使焊接过程所产生的能量的到了充分的利用，不仅达到了节能的目的，而且极大地降低了设备成本，同时，设备结构简单，操作灵活。而以激光作为光源的传感器由于需要附加激光发生器和辅助电援，不仅提高了设备成本，而且使焊接设备的结构复杂，严重影响焊接设备运转的灵活性。传统的激光单侧熔池图像传感方法，只能获得焊接熔池正面图像，无法得知焊缝背面情况，而焊缝的熔透是保证产品质量的关键，只有获得焊缝背面信息，才能了解焊缝的熔透情况。采用本发明可以获取完整的焊缝正反面图像，实时了解焊缝熔透情况，完全可用于对焊接过程的监视和控制，对保证产品的质量具有重要意义。
具体实施方式
结合本发明的内容提供以下实施例，对本发明作进一步的理解：
采用上述传感方法进行实际铝合金TIG焊熔池同时同幅图像获取试验，试验条件如下：焊接方法：铝合金TIG焊；试验材料：铝合金LD12；材料规格：250×50×3.5mm3；焊接电源：INVERTER ELECON 500P；电源频率：2Hz：电流形式：交流脉冲；送丝机构：CM-271；计算机：PACK-610 industrial computer：CCD摄像机—MTV-1881EX；图像采集卡：VIEDEO-PCI-XR；滤光片参数：520-630nm；减光片参数：减光度70％和10％的减光片各一片：取像时刻：脉冲基值期间；焊接规范：取像基值电流90A，焊接速度可调节，送丝速度可调节。
具体实施过程如下：
采用牌号为LD12规格为250×50×3.5mm3的铝合金焊件进行焊接试验，开启焊接电源(INVERTER ELECON 500P)，产生频率为2Hz，基值电流为90A的交流焊接电流，送丝机CM-271的送丝速度为10mm/s，焊接过程中产生电弧光，电弧光被熔池表面反射后，进入滤光片，滤光片的透光波长为520-630nm，因此只有波长位于520-630nm内的光线通过滤光片进入位于后面的减光片，减光片的透光率为10％，因此，通过减光片后光强为原来的10％，光强得到调整。然后上述光线到达平面镜，被平面镜反射改变传播方向，进入CCD摄像机—MTV-1881EX的镜头，在摄像机靶面上成像。同时，焊接熔池背面光线进入另外的减光片，减光片的透光率为70％，因此通过减光片后，光强降为原来的70％，然后，光线进入位于CCD减光片后方的平面镜，被平面镜反射后进入CCD摄像机—MTV-1881EX的镜头，在摄像机靶面上成像，这样在同一个CCD摄像机的靶面上得到同时刻的熔池的正反面图像。利用型号为VIEDEO-PCI-XR的图像采集卡和型号为PACK-610 industrial computer计算机采集上述图像得到焊接熔池的同时同幅图像。
采用上述设备及试验条件，可以获取铝合金TIG焊条件下清晰的焊接熔池正反面熔池同时同幅图像。从图像中可以观察到正面熔池边缘、反面焊缝边缘、正面熔池金属堆积情况、母材金属、反面焊缝突起、焊缝方向、喷嘴位置、焊丝位置等情况。
Claims (1)
1.一种弧焊熔池动态特征视觉传感方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)焊接过程中，电弧发光产生焊接电弧光，以焊接电弧光照明焊接熔池；
(2)电弧光被焊接正面熔池反射改变传播方向，在计算机控制显示的摄像机镜头与熔池之间设置滤光片，部分光线进入滤光片，滤光片具有滤光作用，其中只有波长在520nm～630nm区间的光线通过滤光片，其余波长光线被滤除；
(3)在滤光片后部设置减光片，减光片与滤光片平行，光线通过滤光片后进入减光片，减光片均匀降低各波长入射光的强度，防止光强过高导致图像细节模糊；
(4)在减光片后面设置平面镜，光线经过减光片后到达平面镜，通过调整平面镜的角度保证光线最终进入摄像机镜头，光线被平面镜反射后改变传播方向，进入计算机控制显示的摄像机镜头，在计算机控制显示的摄像机靶面成像，得到焊接熔池正面图像；
(5)同时，焊接熔池背面发出的部分光线，也进入另外设置在计算机控制显示的摄像机镜头与熔池之间的减光片，调整光强后到达平面镜，被平面镜反射后改变传播方向进入同一个计算机控制显示的摄像机镜头，在计算机控制显示的摄像机靶面成像，得到焊接熔池反面图像；
由此，进入同一个计算机控制显示的摄像机镜头的同时刻的两路光线将焊接熔池的正面和反面信息同时成像于所述同一个计算机控制显示的摄像机靶面，即焊接熔池同时同幅图像。
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