CN204989047U - 一种基于红外视觉的焊接质量分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于红外视觉的焊接质量分析装置，包括与焊接设备可调节固定的红外视觉采集系统，嵌入焊接缺陷智能识别算法的视觉处理系统，可对焊接质量评估警报、对焊接设备做出参数调节的反馈控制系统。按照本分析装置实现的分析方法过程为：1)通过红外传感实时采集熔池或者熔池附近区域的红外视觉信息；3)使用缺陷智能识别算法对红外视觉信息进行处理，获取焊缝位置以及焊接缺陷特征；4)对焊接质量进行实时评估，针对不同焊接缺陷进行焊接设备的反馈调控和预警。按照本实用新型实现的智能分析装置，能够实时监测焊接过程、识别焊接缺陷、追踪焊缝位置以及评估焊接质量、降低焊接损失、提高成品良率。

Description

一种基于红外视觉的焊接质量分析装置

技术领域

本实用新型属于红外视觉监测焊接装置领域，更具体地，涉及一种基于红外视觉的焊接质量分析装置。

背景技术

随着传统工业水平要求的提升，在焊接领域(如TIG焊、MIG焊、CO2气保焊、手工电弧焊、高频电阻焊、激光焊等)，为了保证焊接件的力学性能、使用性能和安全性能达标，焊接质量要求也不断严格。而受环境、材料、设备等因素影响，焊接缺陷在所难免，这使得重要的焊接件都要经过质量检测确保合格。据调查，在焊管领域，我国焊接钢管年产量已达5000万吨，但其中因焊接缺陷导致的报废品约占5.4％，在汽车领域，每年约有8000万块汽车板需要拼焊，此外在其他船舶、航天、建筑、特征材料等特殊焊接领域，其对焊接的高质量保证要求更高。

而目前在焊接质量分析领域，常见非破坏性检测方法有超声波探伤，电磁探伤以及射线探伤等，这些探伤方法费用都比较昂贵、工作量大且均在焊接件成形后检测。此时焊接缺陷已形成，产品如不合格只能报废，这极易造成损失浪费；因此，工业上亟须一种可以进行智能识别焊接缺陷实时监测焊接质量的装置，即可以在焊接过程中实时把关，一旦识别出了缺陷，立即警报并反馈采取措施的装置。

在焊接过程传感中，视觉传感尤其是红外传感(将视觉传感与温度传感集合)具有可靠性强、信息量丰富等特点。以此作为实时评判焊接质量的依据较为可行。目前，现有技术中关于实时监测的焊接质量相关装置可分为4种：1)焊缝熔池特性相关法；2)焊接电流电压相关法；3)只针对激光焊接等工艺；4)焊缝位置追踪法。如专利申请号为201010105629的一项专利：“一种视觉检测传感装置”，其使用机器人激光焊接过程中视觉传感获取焊后表面形貌质量，跟踪焊前焊缝路线和实时监测激光焊接熔池变化，起到了一定的作用，但只局限于焊接中的熔池变化，在焊接质量方面主要是普通视觉处理，没有用到富含温度信息的红外视觉。焊接质量监测方式也只针对激光焊接。又如专利申请号为201310133509的一项专利申请：“机器人焊接质量视觉检测装置及其检测方法”，其将视觉枪连接在焊接臂上跟随焊枪头运动，将其扫描的图片与数据库里数据进行对比，并反馈控制，有一定的效果，但该专利中视觉枪采用普通视觉枪，固定方式只提到与焊接臂相连，对于手工焊接或其他无焊接臂的情况较难满足，在图像处理方面更偏向于与原数据库的比对，并不是实时的智能识别对原数据库里没有的缺陷缺少判断，另外其反馈控制系统较为模糊。另外再如专利文献“基于红外视觉传感的窄间隙焊接监控及焊缝偏差检测方法”使用了红外视觉，但其应用只局限于窄间隙焊接，对焊接过程的监控也只是针对于焊缝偏差监测，没有考虑其它焊接缺陷的监测。另一方面还有使用电流电压法相关性分析焊接质量的装置，由于焊接过程中的材料、环境、人为因素的影响，该数据不能完全反映焊接质量的变化，因而分析的结果具有准确度低、可靠性差、随机性大等缺点。

实用新型内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本实用新型提供了一种基于红外视觉的焊接质量分析装置，可应用于TIG焊、MIG焊、CO₂气保焊、激光焊、电阻焊等主流焊接生产领域，其目的在于通过对以往焊接质量检测装置的重大改进即使用基于红外视觉的实时智能化识别手段代替低效、单一、可靠性低的检测手段，由此解决焊接全过程的实时完整监测的技术问题，并且提供精度高且准确的焊接质量分析与反馈措施。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种基于红外视觉的焊接质量分析装置，其特征在于，该装置包括红外视觉采集部、视觉信息转换与传输部、视觉信息处理部以及反馈控制部，其特点是所述红外视觉采集部用于采集焊接过程中的视觉信息，经所述视觉信息转换与传输部转换后传输至所述视觉信息处理部，所述视觉信息处理部处理上述视觉信息并将处理信息结果传送于所述反馈控制部，所述反馈控制部根据上述处理信息结果进行警报和/或对现场焊接设备(5)进行调整控制。

进一步地，所述红外视觉采集部可单独固定或与所述现场焊接设备可调节固定。

进一步的，所述红外视觉采集部设置于机箱内，所述机箱内部固定有可调节承载所述红外视觉采集部的基板，所述机箱底部靠近所述现场焊接设备的一侧设置有防溅保护装置，所述机箱底面设置有可开关的箱盖。

进一步地，所述红外视觉采集部与所述现场焊接设备之间的所述可调节单元为多柄铰接支架，其一端固定所述机箱，一端可调节固定于所述现场焊接设备，一端作为支撑端。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

能够在焊接过程中对焊接件质量进行全过程实时把关，智能识别出较全面的焊接缺陷和焊缝位置并及时警报和反馈给焊接装置进行相应的调整，最大程度降低缺陷的再生，减少损失：A)用实时的全过程监测代替焊后检测；B)动态追踪焊缝，智能识别缺陷，并及时警报、反馈焊接设备减少无用功；C)追溯焊接全过程，评估并间接提高焊接质量；D)代替人工节约劳动力，可应用于TIG焊、MIG焊、CO2气保焊、激光焊、电阻焊等主流焊接生产领域，提高工业自动化水平；

附图说明

图1是按照本实用新型实现的基于红外视觉的焊接质量分析装置的整体结构示意图；

图2是按照本实用新型实现的基于红外视觉的焊接质量分析装置的具体实施方式结构示意图；

图3是按照本实用新型实现的基于红外视觉的焊接质量分析装置中的可调节支架的细节结构示意图；

图4按照本实用新型实现的基于红外视觉的焊接质量分析方法的工作流程示意图；

图5是按照本实用新型实现的红外视觉采集部的图像处理流程图；

图6是按照本实用新型实现的缺陷检测流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-红外视觉采集部2-视觉信息转换与传输部3-视觉信息处理部4-反馈控制部5-现场焊接设备6-辅助保护7-焊缝8-被焊物体9-螺钉10-基板11-导轨12-齿条13-调节齿轮14-红外采集器15-辅助滤镜16-计算机17-机箱18-辅助电源19-软导线20-图像采集卡21-固定板22-防溅保护板23-冷却装置24-箱盖25-警报装置26-数据线27-套环28-多脚架29-夹钳30-旋钮

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

由图1所示，本实用新型提供的一种基于红外视觉的焊接质量监测装置，主要由红外视觉采集部、视觉信息处理部以及反馈控制部等几个部分组成。

其中红外视觉采集部1主要包括红外CCD或红外热像仪或红外相机或红外测温仪或红外图像传感器。红外视觉采集部1用来采集被焊物体8表面焊缝7的红外视觉信息。辅助保护6可以是滤镜或冷却装置或防飞溅装置。滤镜能够在环境恶劣情况下，保护镜头必要时过滤弧光减少干扰。冷却装置23可以是水冷装置或气冷装置防止红外视觉采集部温度过高。防飞溅装置可以防止高温金属飞溅对镜头造成损伤。

其中视觉信息转换与传输部2主要包括图像采集卡20、数据通讯模块、数据接口以及数据总线。数据接口可以是RS232型或RS485型或USB型。视觉信息转换与传输2主要是将红外视觉采样部1采集的信息进行压缩或转换或编码并将其通过接口与通讯模块传输至视觉信息处理部3进行后续处理。

其中视觉信息处理部3接收来自于视觉信息转换与传输部2的红外视觉图像信息，对其进行处理，视觉信息处理部3可以是计算机16，也可为工控机或工作站等，其包括图像处理系统、存储站。图像处理系统由：图像处理软件、专家数据库、缺陷智能识别算法、焊接质量智能评估系统组成。存储站可以存储焊接全过程的信息。

其中反馈控制部4主要接收来视觉信息处理部3的信息进行反馈调整或者是警报，反馈调整的方式主要是通过对焊接设备实现相应的焊接参数调整来实现，上述部件之间的通讯采用现有技术中的数据线或者是无线通信方式来进行通信，在此不再赘述。

如图2、3所示，本实用新型基于红外视觉焊接质量智能分析装置的一种具体安装设置方式如下：

其中上述红外视觉采集部1与视觉信息转换与传输部2安装于机箱17内，机箱17内部具有基板10。机箱17其右侧面开有槽，机箱17顶部开有内部数据线接口。机箱17底部有箱盖24，当装置不使用时，可关闭箱盖以保持内部干净清洁。机箱17左侧壁安有防溅保护板22，在焊接过程中高温飞溅物比较严重时，起到保护机箱内部零件的作用。此外当焊接弧光对焊接采集干扰较为严重时，也可以通过挡板遮蔽弧光，减少图像噪点干扰。

基板10与机箱17通过螺钉或螺栓固定。红外采集器14固定在导轨11上，红外采集器14可通过上下调节位置来聚焦。导轨11与基板10通过螺钉9固定。红外采集器14的机身右侧壁上安有齿条12，齿条12与调节齿轮13啮合。调节齿轮13的中心轴固定在机箱右侧上，因此可以通过滑动调节齿轮13来实现红外采集器14的上下微调。红外采集器14与辅助电源18、图像采集卡20之间通过可屈伸的软导线19连接，保证红外采集器14在上下移动时，导线不会被拉断。基板10上在红外采集器14下部还有装插有辅助滤镜15用以过滤弧光，在环境恶劣情况下，也可保护镜头。辅助滤镜15可以拔出，用于更换不用的滤波规格。红外采集器14机身周围安置有循环冷却装置23，避免长时间焊接导致设备温度过高。

而该机箱17主要是通过可调节单元固定支架21来固定于焊接装置上进行焊接试验监测，固定支架21为三柄铰接支架，固定支架21的一端与机箱17通过螺栓螺钉或套环27固定，固定支架21另一端为夹钳29，固定支架21的支撑端为多脚架28，铰接处为旋钮30，具体由螺栓、套环、垫片、螺母组成。装置在工作时要求红外采集器14固定不动以提高画质稳定性。若焊接空间场地允许，可将三脚支架28置于水平地面，用以支撑机箱17。三脚支架28的长度可以收缩，另一端的夹钳29将机箱17可调节固定在现场焊接设备5上。

如图4所示，本实用新型中基于红外视觉的焊接质量智能分析装置的工作方式如下：

1.根据现场生产线情况来固定本装置，本装置可以综合考虑空间、安全、方便等因素将机箱17可调节固定在相应的现场焊接设备上或将机箱17单独固定。工作时机箱17固定不动。若焊接机器人生产线空间较大，则可以将机箱17通过多脚架28支撑地面固定；若焊接机器生产线空间紧凑不便以三脚架的形式固定本装置，则可以将机箱17通过夹钳29可调节固定在现场焊接设备5上。

2.根据焊接实际情况调节装置高度获得最佳采拍距离，红外视觉采集部可以手动或自动调节焦距使采集的信息更准确可靠，根据焊接实际情况调节装置高度获得最佳采拍距离，可通过多脚架28的收缩或调节铰接旋钮30实现大幅度调节，利用装置右侧的调节齿轮13对红外采集器14高度进行微调，红外采集器14的镜头所对方向可小幅度旋转。

3.接通各种数据电源线，在视觉信息处理部3打开红外CCD或红外热像仪或红外相机或红外图像传感器开关，并根据实际拍摄效果调节参数至视野清晰。工作时，对于被焊接物8表面的焊缝7可以用图片间隔采集模式，也可以全过程录制模式。

4.保证装置安全固定后，即可开始生产线焊接，同时在视觉信息处理部3中的计算机16处可以实时查看拍摄区域焊缝的红外图(或动态影像)并进行焊缝缺陷的智能识别及焊缝位置跟踪。

其中红外视觉采样部1采集被焊物体表面熔池或熔池附近的焊缝红外信息，并将其红外温度信息转化为电信号。图像采集卡是将红外视觉采样部1采集到的信息进一步处理转化为可视的图像信息，信息经转换后传输到视觉信息处理部3处进行图像处理。

反馈控制部4由警报装置及反馈调控机制组成，工作之前在视觉信息处理部预设焊接质量标准，若检测出焊接缺陷，超过所预设的标准，反馈控制部4会发出警报，提醒采取相关补救措施，并根据缺陷等级对现场焊接设备系统进行参数调控。

如图5、6所示，按照本实用新型的基于红外视觉的焊接质量分析方法包括如下的过程：

(1)固定机箱17，经过调试牢固稳定后，打开并调试红外视觉采集部1，并且调试至视觉信息处理部3处视野清晰；

(2)视觉信息处理部3设置焊接缺陷检测类型和流程，在接收视觉信息转换与传输部2的数据之后，按照上述设置好的检测类型和流程来进行缺陷判断；

(3)若缺陷判断未超标，则控制部发送继续监测的命令于红外视觉采集部，若缺陷判断超标，则控制部根据超标量反馈控制现场焊接设备进行焊接调整。

其中，视觉信息处理部3包含的图像处理的主要算法和评价规则为：1)多种焊接缺陷的特征专家数据库；2)焊缝图形学处理方法；3)基于模式识别、遗传算法、BP神经网络算法、深度分析的焊缝缺陷智能识别算子；4)焊缝质量评估算法；5)警报及反馈评判机制，但并不限于上述，本实用新型中由于综合了多种缺陷特征的综合的实时监测，本实用新型涉及但并不限于上述算法。

图像智能识别过程特征在于：图像分析检测为多线程逐次分析。第一个流程先分析焊缝图像的边缘特征，形状特征，宽度特征，根据定义判断并与优良焊缝特征(专家库)比对，若缺陷等级在准许范围内，则焊缝形状合理，偏差正常；若缺陷等级超标，则直接警报。第二个流程在第一个流程的基础上，将焊缝图像的彩色、灰度、像素根据标定提取出温度信息并建立温度场，将提取的温度场与优良焊缝温度场(专家库)比对。若在温度场分布合理，则焊接质量正常；否则进行第三流程。第三流程在第二流程的基础上对温度场反常部位进行温度提取，形状特征识别，并与专家库标准值比对，进行焊穿、未焊透、热输入不稳定、气孔等缺陷的检测。流程四在流程三的基础对缺陷等级进行定义。若缺陷等级超标，则记录并警报。

焊接智能反馈过程特征在于：对于检测的焊缝图像边缘、宽度，若检测出焊缝位置出现偏差，则通过数据传输对焊枪位置进行反馈调节，调节大小根据偏差量而定。对于其它的更多方面的缺陷主要如下：

焊穿缺陷若超标，则发出警报停止焊接。缺陷在正常范围内，则分析焊接速度、焊接电流、电压；并对焊接系统进行调控，增大焊接速度或减小焊接电流，具体调节量根据缺陷等级而定。

未焊透缺陷超标，则发出警报，停止或重新补焊，缺陷在正常范围内，则分析焊接速度、焊接电压电流；并对焊接系统进行调控，减小焊接速度增大焊接电流，具体调节量根据缺陷等级而定。

热输入不稳定，分析焊接电流电压的波动情况、送丝速度，进行稳压、稳流措施以及更换焊丝或调整焊丝给进速度。

气孔缺陷若超标，则发出警报，停止焊接。气孔不明显则分析保护气体流量大小是否正常，对保护气体流量进行调节，具体调节量根据缺陷等级而定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于红外视觉的焊接质量分析装置，其特征在于，该装置包括红外视觉采集部(1)、视觉信息转换与传输部(2)、视觉信息处理部(3)以及反馈控制部(4)，其特点是所述红外视觉采集部(1)用于采集焊接过程中的视觉信息，视觉信息经所述视觉信息转换与传输部(2)转换后传输至所述视觉信息处理部(3)，所述视觉信息处理部(2)处理上述视觉信息并将处理信息结果传送于所述反馈控制部(4)，所述反馈控制部(4)根据上述处理信息结果进行警报和/或对现场焊接设备(5)进行调整控制。

2.如权利要求1所述的基于红外视觉的焊接质量分析装置，其特征在于，所述红外视觉采集部(1)可单独固定或与所述现场焊接设备(5)可调节固定。

3.如权利要求1或2所述的基于红外视觉的焊接质量分析装置，其特征在于，所述红外视觉采集部(1)设置于机箱(17)内，所述机箱(17)内部固定有可调节承载所述红外视觉采集部的基板(10)，所述机箱(17)底部靠近所述现场焊接设备(5)的一侧设置有防溅保护装置(22)，所述机箱(17)底面设置有可开关的箱盖(24)。

4.如权利要求3所述的基于红外视觉的焊接质量分析装置，其特征在于，所述红外视觉采集部(1)与所述现场焊接设备(5)之间的所述可调节单元为多柄铰接支架，其一端固定所述机箱，一端可调节固定于所述现场焊接设备(5)，一端作为支撑端。