基于熔池圖像視覺傳感的激光搭接焊間隙檢測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于熔池圖像視覺傳感的激光焊T型搭接接頭間隙的檢測系統(tǒng)及方法，該檢測系統(tǒng)為視覺傳感系統(tǒng)，包括具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機、濾光系統(tǒng)、輔助光源、圖像采集卡、計算機和顯示器等，該檢測方法以輔助光源和熔池自身輻射光作為光源，利用濾光系統(tǒng)濾除等離子體并調(diào)節(jié)光強，計算機實時采集并顯示CMOS攝像機獲取的熔池圖像，利用Labview圖像處理平臺提取和計算熔池和孔口圖像邊緣和面積，獲取熔池尺寸與孔口面積與間隙的定量關(guān)系。本發(fā)明的檢測系統(tǒng)構(gòu)成簡單、監(jiān)控圖像清晰、檢測光信號精度高、抗干擾能力強、工程實用性好，可實時監(jiān)測激光焊接T型搭接接頭間隙。
【專利說明】基于熔池圖像視覺傳感的激光搭接焊間隙檢測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及焊接【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于熔池圖像視覺傳感的激光搭接焊間隙檢測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光焊接具有深寬比大、熱影響區(qū)和熱變形小以及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，近年隨著激光器件的發(fā)展，激光束品質(zhì)和功率都有很大提高，因此激光焊接已經(jīng)被越來越多地被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。在激光焊接過程中伴隨著多種光、聲、熱、電輻射現(xiàn)象，這些信號包含著與焊接過程和焊接質(zhì)量相關(guān)的許多信息。其中，激光焊熔池的動態(tài)變化與焊接過程穩(wěn)定性和缺陷的產(chǎn)生有相當大的關(guān)系，同時，熔池和小孔動態(tài)變化緊密聯(lián)系，彼此影響，共同決定了焊接過程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量。實時觀測熔池在焊接過程的動態(tài)變化和物理過程特征，能夠揭示焊接過程的物理機制，指導(dǎo)焊接生產(chǎn)并改善焊接質(zhì)量。
[0003]激光焊T型搭接接頭是一種新型的搭接結(jié)構(gòu)型式，此類結(jié)構(gòu)焊接需要穿透上面板與下部板相連接，采用激光焊接具有獨特的優(yōu)勢，目前對其相關(guān)的研究較少。在深熔搭接焊中受工件加工精度、夾具和焊接變形的影響，上下板間隙是很難避免。而間隙的存在必將影響焊接過程的穩(wěn)定性，引起焊接缺陷的產(chǎn)生。因此，如果能對間隙進行實時監(jiān)控，就能控制激光搭接焊接過程的穩(wěn)定性。而焊接過程中熔池的穩(wěn)定性和間隙直接相關(guān)，其動態(tài)變化特征與間隙變化密切聯(lián)系。因此，開發(fā)基于熔池圖像視覺傳感的激光搭接焊間隙的檢測技術(shù)，已成為保證激光焊T型搭接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵。
[0004]視覺傳感監(jiān)測系統(tǒng)在不同的工業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)廣泛應(yīng)用了很長一段時間。焊接過程穩(wěn)定性監(jiān)測和跟蹤傳感方法一般有接觸式、電弧式、電磁式、光電式、視覺式等多種。其中，視覺傳感器因其具有與工件不接觸、信息量大(可兼作監(jiān)控)、抗電磁干擾能力強、靈敏度高、適用坡口形式多等優(yōu)點，被認為是一種最有發(fā)展前景的傳感方法。目前，常用的視覺傳感器分為電荷耦合器件(CCD)式和互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)式兩種，可將不同強度的光線信號轉(zhuǎn)換為不同幅度的圖像信息。與CCD式相比，CMOS傳感器具有芯片集成度高、功耗低、響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍廣等優(yōu)點，可采用“線性+對數(shù)”的圖像信號放大模式，能對低亮度信號線性放大而對高亮度信號則進行對數(shù)放大，在保證低亮度區(qū)域圖像對比度的同時盡可能地擴展動態(tài)范圍，因此特別適合在像焊接這種明暗對比程度高的環(huán)境中工作。LinLog技術(shù)是一種特殊的感光技術(shù)，常用于拍攝高對比度的圖像，該技術(shù)的基本原理就是利用對數(shù)壓縮技術(shù)壓縮圖像中的超高亮區(qū)域，減小圖像對比度。LinLog技術(shù)使傳感器僅在接近飽和及飽和區(qū)域為對數(shù)壓縮響應(yīng)，而保留其在低照度區(qū)域的線性響應(yīng)和靈敏度，所以既擴展了整個傳感器的動態(tài)范圍，又保證了低照度區(qū)域成像的質(zhì)量。因而，利用機器視覺直接觀察激光與工件的相互作用區(qū)域，通過圖像處理獲取熔池和小孔的特征信息，建立焊接過程實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)焊接質(zhì)量的閉環(huán)控制，已成為重要的研究方向。
[0005]目前，關(guān)于激光焊接的視覺傳感技術(shù)研究較多，而采用視覺傳感技術(shù)監(jiān)測和跟蹤激光搭接焊間隙相關(guān)研究還沒有發(fā)現(xiàn)。經(jīng)文獻檢索，在名為“激光搭接焊過程間隙的檢測”(宮本勇等，激光工程，1996年，第24卷，第9期，67-69頁)一文中，Isamu MIYAMOTO等人利用光電二極管監(jiān)測了激光搭接焊汽車板過程中孔內(nèi)等離子體和孔外等離子體信號強度與間隙量的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)等離子體光發(fā)射交流信號的頻率大約達到了 10kHz，而當間隙大于0.3_，頻率為4-6kHz時交流的均方值發(fā)生突變。該方法通過信號強度的計算和傅里葉變換發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)等離子體的信號強度和峰值頻率與間隙量都有很好的對應(yīng)關(guān)系。此文中采用光電二極管采集的等離子體信號不能實時反饋間隙的變化，且作者也沒有對等離子體和熔池圖像特征與間隙的關(guān)系做進一步的研究。
[0006]專利申請?zhí)枮?3116161.8，發(fā)明名稱為“弧焊熔池動態(tài)特征視覺傳感方法”的專利公開了一種弧焊熔池動態(tài)特征視覺傳感方法，該方法以焊接電弧光照明焊接熔池，采用濾光片截取反射電弧光中的特定波長范圍的光線作為成像光源，并用減光片調(diào)節(jié)光強，通過平面鏡反射作用改變光線傳播方向，采用CCD攝像機和普通光學(xué)鏡頭將同時刻的焊接熔池正面和反面信息成像在同一個CCD攝像機靶面，該方法可以獲得清晰的焊接過程中焊接熔池正面和背面的圖像本，實現(xiàn)對焊接過程的有效監(jiān)測和控制，此專利方法在弧焊熔池動態(tài)特征監(jiān)控中取得了較好的效果，但沒有用于激光焊接。
[0007]專利申請?zhí)枮?01210325926.9、發(fā)明名稱為“基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法”公開了一種基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監(jiān)控及焊縫偏差檢測方法，該方法使用的紅外視覺傳感系統(tǒng)包括紅外CMOS攝像機、濾光系統(tǒng)、圖像采集卡、計算機和顯示器等，該方法以窄間隙焊接電弧光和熔池自身輻射光作為光源，利用紅外窄帶濾光系統(tǒng)濾除干擾信號并調(diào)節(jié)光強，計算機實時采集并顯示紅外CMOS攝像機獲取的焊接圖像。通過圖像截取窗口截取遠離電弧側(cè)的圖像進行處理，并通過提取坡口單側(cè)邊緣來獲取焊縫偏差信息，可在有效避免運動電弧干擾的同時，提高焊縫偏差檢測的實時性，該專利申請針對的是窄間隙電弧焊熔池的檢測，但沒有考慮激光焊接情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對以上簡析的檢測系統(tǒng)及方法沒有考慮激光焊接情況的缺陷，本發(fā)明提出一種基于具有LinLog感光技術(shù)CMOS視覺傳感的激光焊接T型搭接接頭間隙的檢測系統(tǒng)及方法，能實時監(jiān)視焊接過程中不同間隙量下的熔池和孔口的動態(tài)行為，并能提取出熔池和孔口邊緣和面積及周期性變化的信息，通過此方法能夠達到焊接過程間隙的監(jiān)測及跟蹤的目的。
[0009]本發(fā)明提供一種基于熔池圖像視覺傳感的激光焊T型搭接接頭間隙的檢測方法，包括如下步驟:
[0010](I)將工件(3)放置在工作臺上，隨工作臺一起移動，激光頭(I)固定不動；采用包含具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5 )、濾光系統(tǒng)(11)、輔助光源(9 )、圖像采集卡(6 )、計算機(7)、顯示器(8)的視覺傳感系統(tǒng)，焊接圖像信號經(jīng)圖像采集卡(6)送入計算機(7)，經(jīng)顯示器(8)顯示；將攝像機(5)放置在工作臺側(cè)面500-1000mm并與工件(3)表面呈75-85°的夾角，調(diào)整輔助光源(9)位于激光頭(I)的前方300-500mm并與試樣(3)表面呈25-35° ；調(diào)整LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5)圖像大小及焦距；
[0011](2)調(diào)整具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5)使其能夠采集工件(3)表面整個熔池的圖像，如熔池的圖像不居中或無法采集完整熔池圖像則調(diào)整具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5)的位置；依據(jù)焊接速度和焊縫長度，適當調(diào)整曝光度并控制采集時間和幀數(shù)，并記錄采集頻率；
[0012](3)激光焊接過程中觀察熔池體動態(tài)變化，實時分析熔池和孔口大小、形狀、亮度及下塌缺陷的變化；
[0013](4)將采集到的熔池圖像導(dǎo)入另一臺裝有Labview圖像處理平臺的計算機，對孔口進行邊緣提出和面積計算，分析等孔口面積與間隙量的對應(yīng)關(guān)系；利用Photoshop軟件對熔池的寬度和長度進行測定，分析其與間隙量的對應(yīng)關(guān)系；
[0014](5)根據(jù)上述孔口面積與間隙量的對應(yīng)關(guān)系和熔池的寬度和長度與間隙量的對應(yīng)關(guān)系，通過對焊接過程中熔池圖像的實時觀察和孔口面積和熔池寬度、長度和面積的計算實時檢測焊接過程中的間隙量。
[0015]本發(fā)明同時提供一種基于熔池圖像視覺傳感的激光焊T型搭接接頭間隙的視覺傳感系統(tǒng)，包含具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機、濾光系統(tǒng)、輔助光源、圖像采集卡、計算機、顯示器，所述濾光系統(tǒng)與所述攝像機同軸相連；圖像采集卡置于計算機的卡槽內(nèi)并通過視頻線與LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機相連，LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機采集的焊接圖像信號經(jīng)圖像采集卡送入計算機；顯示器與計算機相接，實時顯示采集到的焊接區(qū)域圖像。
[0016]利用此視覺傳感系統(tǒng)進行焊接過程間隙監(jiān)控可具有三種工作模式:工作模式一是實現(xiàn)激光焊T型搭接接頭熔池圖像監(jiān)控功能，工作模式二是實現(xiàn)孔口和熔池邊緣和面積提取功能，工作模式三是實現(xiàn)熔池和孔口圖像監(jiān)測與邊緣和面積提取的雙重功能；對于工作模式一，計算機為一臺計算機；對于工作模式二，計算機為一臺計算機及Labview圖像處理平臺；對于工作模式三，計算機是由主計算機圖像采集和從計算機圖像處理構(gòu)成的雙機系統(tǒng)，主計算機采集焊接區(qū)域圖像信息并送顯示器實時顯示，從計算機進行圖像處理和計算，及時反饋給主計算機進行圖像對比分析，找出熔池和孔口圖像變化與間隙量的對應(yīng)關(guān)系。本發(fā)明上述的基于熔池圖像視覺傳感的激光焊T型搭接接頭間隙的檢測方法主要用到了該視覺傳感系統(tǒng)的工作模式三。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0018]第一.本發(fā)明建立了檢測激光搭接焊間隙的監(jiān)控和檢測方法，提出了熔池動態(tài)變化與間隙量對應(yīng)的量化性表征方法，并進行了多次試驗驗證，檢測精度完全能夠達到焊縫跟蹤的要求；
[0019]第二.本發(fā)明采用具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機實時監(jiān)測激光搭接焊T型接頭過程熔池和孔口的動態(tài)變化，獲取不同間隙量下熔池和孔口的大小、形狀和波動信息；采用Labview的圖像處理平臺和Photoshop軟件對熔池圖像進行后續(xù)處理,定量分析間隙與熔池大小和孔口面積的對應(yīng)關(guān)系，為實時監(jiān)測提供依據(jù)；經(jīng)采用本發(fā)明的檢測系統(tǒng)和方法進行現(xiàn)場焊接和監(jiān)測，間隙量跟蹤效果達到了預(yù)期的目標，能夠準確判別間隙的存在，并能定量分析間隙的大小，精度能達到0.1mm，提高了激光焊T型搭接接頭的焊接質(zhì)量和焊接效率；
[0020]第三.本檢測系統(tǒng)和方法采用的CMOS攝像機體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍廣，并配用濾光系統(tǒng)，采集到的焊接區(qū)域熔池圖像質(zhì)量高且邊緣易于提取，實時監(jiān)控效果好，工程實用性強。
[0021]當然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例1和實施例2的T型搭接接頭激光焊接視覺傳感系統(tǒng)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實施例1和實施例2的光學(xué)成像結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明實施例1不同間隙量下激光焊接T型搭接接頭熔池和孔口圖像實時監(jiān)控效果實例圖；
[0025]圖4為本發(fā)明實施例1不同間隙量下激光焊接T型搭接接頭熔池完整圖像實時監(jiān)控效果實例圖；
[0026]圖5為本發(fā)明實施例1熔池長度和寬度測量方法示意圖；
[0027]圖6為本發(fā)明實施例1無間隙和存在間隙情況下的T型搭接接頭照片；
[0028]圖7為本發(fā)明實施例1提取熔池和孔口特征參數(shù)流程圖；
[0029]圖8為本發(fā)明實施例1熔池和孔口圖像處理示例；
[0030]圖9為本發(fā)明實施例1熔池和孔口圖像輪廓提取前和提取后示意圖；
[0031]圖10為本發(fā)明實施例1熔池的長度和寬度隨間隙量的變化；
[0032]圖11為本發(fā)明實施例1不同間隙量下的熔池面積的變化曲線；
[0033]圖12為本發(fā)明實施例1孔口平均面積與間隙量的對應(yīng)關(guān)系；
[0034]圖13為本發(fā)明實施例2間隙量實際檢測過程的熔池圖像。
【具體實施方式】
[0035]本發(fā)明適用于激光搭接非穿透焊間隙的檢測。在實際生產(chǎn)中進行間隙量檢測之前，需要先測試一組或幾組有確切間隙量數(shù)值的樣品確定間隙與熔池參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)這些對應(yīng)關(guān)系圖，再對間隙量未知的樣品進行焊接間隙的實時監(jiān)測。下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實施方式和實施過程做詳細說明。
[0036]實施例1間隙量與熔池參數(shù)之間關(guān)系的檢測
[0037]本實施例和實施例2的基于熔池圖像視覺傳感的激光焊T型搭接接頭間隙的檢測方法采用如圖1和圖2所示的視覺傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5)、濾光系統(tǒng)(11)、圖像采集卡(6)、計算機(7)、顯示器(8)，其中，計算機(7)是由主計算機圖像采集和裝有Labview圖像處理平臺的從計算機圖像處理構(gòu)成的雙機系統(tǒng),主計算機采集焊接區(qū)域圖像信息并送顯示器(8)實時顯示，從計算機進行圖像處理和計算，并及時反饋給主計算機進行圖像對比分析，找出熔池和孔口圖像變化與間隙量的對應(yīng)關(guān)系。
[0038]上述視覺傳感系統(tǒng)使用時，工件(3)放置在工作臺上，隨工作臺一起移動，激光頭(O固定不動，攝像機(5)固定后放置在工作臺側(cè)面并與工件(7)底面呈75°的夾角，調(diào)整輔助光源(9)位于激光頭(I)的前方300mm并與試樣(3)表面呈30° ;調(diào)整攝像頭位置、圖像大小和焦距，以采集焊接過程熔池和孔口動態(tài)圖像，焊前，設(shè)置CMOS攝像機(5)，調(diào)整鏡頭焦距和角度，使試樣上部激光焦點位置圖像清晰地顯示在顯示器(8)上，采集的焊接圖像信號經(jīng)圖像采集卡(6)送入計算機(7)，經(jīng)顯示器(8)顯示；依據(jù)焊接速度和焊縫長度，適當調(diào)整曝光度并控制采集時間和幀數(shù)，并記錄采集頻率；其中，CMOS攝像機(5)變焦范圍為18-45mm、光圈值為5.6-32、曝光度為1-1Oms ;如圖2所示，濾光系統(tǒng)(11)與攝像機(5)同軸相連，該濾光系統(tǒng)(11)包括窄帶濾光片(13)、中性減光片(12)、防護玻璃(14)(即UV鏡)，窄帶濾光片(13)的中心波長為808nm，中性減光片(12)的透過率為25%，防護玻璃用于防飛濺，利用輔助光源(9)和熔池(10)自身輻射光作為光源，通過濾光系統(tǒng)(11)能有效地消除弧光、煙塵、飛濺等干擾，并用中性減光片調(diào)節(jié)光強，以便能采集到清晰的焊接區(qū)域圖像，包括光圈(15)、變焦鏡頭(16)、中性減光片(12)、窄帶濾光片(13)和UV片(14)(即防護玻璃)的光學(xué)成像系統(tǒng)與攝像機(5)同軸相連；圖像采集卡(6)置于計算機(7)的卡槽內(nèi)并通過視頻線與攝像機(5)相連，將攝像機(5)采集的焊接圖像信號經(jīng)圖像采集卡(6)送入計算機(7);顯示器(8)與計算機(7)相接，實時顯示采集到的焊接區(qū)域圖像。
[0039]采用上述視覺圖像傳感系統(tǒng)和方法進行激光焊T型搭接接頭熔池圖像采集，試驗條件如下:
[0040]焊接方法:高功率CO2激光焊；
[0041]試驗材料:低合金高強鋼；
[0042]激光焊接設(shè)備型號為德國TRUMPF公司生產(chǎn)的TLF15000turbo CO2快速軸流型激光器，最大輸出功率為15kW，焦距357mm，光斑半徑為0.43mm，連續(xù)輸出；
[0043]高速攝像機米用瑞士 Photonfocus公司的MV-D1024_TrackCam,最高米樣頻率IOOOOfps ；
[0044]圖像采集卡:VIEDE0-PCI_XR ;減光片參數(shù):減光度25% ；
[0045]通過調(diào)整高速攝像機及其輔助元器件的相關(guān)參數(shù)拍攝等離子體圖像，優(yōu)化拍攝效果O
[0046]采用4mm厚低合金高強鋼進行焊接試驗，選取的焊接工藝參數(shù)為:激光功率P=8kW，掃描速度V=l.5m/min，離焦量-2，焊接過程中保護氣體采用純He，流量為30L/min。
[0047]激光焊接過程中觀察熔池體動態(tài)變化，實時分析熔池和孔口大小、形狀、亮度及下塌缺陷的變化；將采集到的熔池圖像導(dǎo)入另一臺裝有Labview圖像處理平臺的計算機，對孔口進行邊緣提出和面積計算，邊緣提出具體為:先采用中值法平滑濾波，再進行灰度分析和閾值分割，最后利用將高斯濾波和拉普拉斯邊緣檢測算法結(jié)合在一起的Log邊緣算子對閾值化后的圖像進行平滑和積分處理濾除干擾信息，提取邊緣線；分析孔口面積與間隙量的對應(yīng)關(guān)系；用Photoshop軟件對熔池的寬度和長度進行測定，分析其與間隙量的對應(yīng)關(guān)系。計算熔池和孔口的面積的方法為:通過高速攝影獲取到原始熔池圖像后，對該熔池圖像進行預(yù)處理，提高該熔池圖像的信噪比；然后對圖像進行二值化處理，得到光路方向上和整個熔池和孔口的像素點的個數(shù)，獲得熔池和孔口面積。
[0048]圖3為基于上述視覺傳感系統(tǒng)監(jiān)測到的激光搭接焊T型接頭不同間隙量下熔池的動態(tài)圖像，圖4為不同間隙量下激光焊接T型搭接接頭熔池完整圖像實時監(jiān)控效果實例圖，圖5熔池長度和寬度測量方法示意圖。從圖3、圖4和圖5可看到不同時刻的熔池和孔口(熔池前端白色區(qū)域)具有波動性和一定的周期性。當無間隙(間隙為Omm)時，熔池表面熔化金屬呈波浪形態(tài)，孔口隨其波動，無下塌現(xiàn)象；當存在間隙時，且隨著間隙量的增加，熔池逐漸變小，下塌越來越嚴重，孔口明暗交替變換，逐漸發(fā)生傾斜。
[0049]圖6為無間隙和存在間隙情況下的T型搭接接頭照片，從圖6中T型搭接接頭形貌可見間隙對焊縫成型影響較大，間隙較大時下塌嚴重。
[0050]采用基于Labview的圖像處理平臺技術(shù)進行圖像處理，熔池和孔口處理流程示意圖如圖7所示，處理示例如圖8所示。采用基于Labview的圖像處理平臺從拍攝的熔池圖像中提取熔池和孔口的邊緣和面積，具體包括:通過高速攝影獲取原始圖像后，對圖像進行預(yù)處理，提高信噪比，然后對圖片進行二值化處理，得到光路方向上和整個熔池或孔口的像素點的個數(shù)，計算得到面積。圖9為熔池和孔口圖像提取前和提取后對比，可知，通過圖像處理能較好的提取孔口和熔池邊緣，外界干擾因素基本濾除，所得圖像能夠最大程度的反應(yīng)熔池和孔口的可視面積。
[0051]圖10示出熔池的長度和寬度隨間隙量的變化。可見，隨間隙量的增加，熔池的長度逐漸減小，而寬度變化不大。當間隙為0mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm時,對應(yīng)的熔池長度分別為 12.4mm、9.8mm、9.6mm、8.5mm、8mm、7.5mmη
[0052]圖11為不同間隙量下的熔池面積變化曲線。可見，隨間隙量的增加，熔池面積逐漸減小，當間隙大于0.2mm時,熔池面積突然減小。當間隙為0mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm、
0.8mm 時，對應(yīng)的熔池面積分別為 50525、43439、29928、25872、23465、22642 (Pixel)。
[0053]圖12示出孔口平均面積與間隙量的對應(yīng)關(guān)系?？梢婋S間隙量增加，孔口的平均面積逐漸減小，基本呈線性變化。當間隙為0mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm時,對應(yīng)的孔口的平均面積大小分別為2859、2521、2053、1962、1824、1334 (單位pixel)。
[0054]實施例2激光焊T型搭接接頭間隙量的實際檢測
[0055]采用實施例1的檢測系統(tǒng)和方法，并利用其得到的激光焊T型搭接接頭間隙與熔池參數(shù)之間的關(guān)系，通過對焊接過程中熔池圖像的實時觀察和孔口面積和熔池寬度、長度和面積的計算，對以下兩組激光焊T型搭接接頭間隙量進行間隙檢測，檢測結(jié)果如圖13所
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[0056]第一組a的監(jiān)測結(jié)果如下:熔池長度為9.6mm，熔池面積為44323Pixel，孔口面積為2665。則通過以上數(shù)據(jù)和熔池和孔口動態(tài)特征綜合分析可知此次焊接過程間隙量約為
0.2mm。從圖13所對應(yīng)的焊接接頭的橫截面可知，間隙量為0.21mm,與所測的間隙量相差
0.0lmnin
[0057]第二組b的監(jiān)測結(jié)果如下:熔池長度為7.8mm，熔池面積為22053Pixel，孔口面積為2063。則通過以上數(shù)據(jù)和熔池和孔口動態(tài)特征綜合分析可知此次焊接過程間隙量約為
0.26_。從圖13所對應(yīng)的焊接接頭的橫截面可知，間隙量為0.23mm,與所測的間隙量相差
0.03mm。
[0058]可見，采用上述檢測方法及檢測系統(tǒng)，可以獲得焊接過程中清晰的熔池和孔口動態(tài)圖像，通過觀察和計算熔池和孔口面積及其波動情況，可以快速準確的判斷焊接過程間隙的產(chǎn)生及其大小，為后續(xù)焊接質(zhì)量的分析和檢測提供判據(jù)。
[0059]以上公開的本發(fā)明優(yōu)選實施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實施例并沒有詳盡敘述所有的細節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的【具體實施方式】。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，從而使所屬【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種基于熔池圖像視覺傳感的激光焊T型搭接接頭間隙的檢測方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將工件(3)放置在工作臺上，隨工作臺一起移動，激光頭(I)固定不動；采用包含具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5 )、濾光系統(tǒng)(11)、輔助光源(9 )、圖像采集卡(6 )、計算機(7)、顯示器(8)的視覺傳感系統(tǒng)，焊接圖像信號經(jīng)圖像采集卡(6)送入計算機(7)，經(jīng)顯示器(8)顯示；將攝像機(5)放置在工作臺側(cè)面500-1000mm并與工件(3)表面呈75-85°的夾角，調(diào)整輔助光源(9)位于激光頭(I)的前方300-500mm并與試樣(3)表面呈25-35° ；調(diào)整LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5)圖像大小及焦距； (2)調(diào)整具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5)使其能夠采集工件(3)表面整個熔池的圖像，如熔池的圖像不居中或無法采集完整熔池圖像則調(diào)整具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5)的位置；依據(jù)焊接速度和焊縫長度，適當調(diào)整曝光度并控制采集時間和幀數(shù)，并記錄米集頻率； (3)激光焊接過程中觀察熔池體動態(tài)變化，實時分析熔池和孔口大小、形狀、亮度及下塌缺陷的變化； (4)將采集到的熔池圖像導(dǎo)入另一臺裝有Labview圖像處理平臺的計算機，對孔口進行邊緣提出和面積計算，分析孔口面積與間隙量的對應(yīng)關(guān)系；利用Photoshop軟件對熔池的寬度和長度進行測定，分析其與間隙量的對應(yīng)關(guān)系； (5)根據(jù)上述孔口面積與間隙量的對應(yīng)關(guān)系和熔池的寬度和長度與間隙量的對應(yīng)關(guān)系，通過對焊接過程中熔池圖像的實時觀察和孔口面積和熔池寬度、長度和面積的計算實時監(jiān)測焊接過程中的間隙量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的`基于熔池圖像視覺傳感的激光焊T型搭接接頭間隙的檢測方法，其特征在于，所述步驟(4)中，對所述獲取的熔池圖像進行處理時，先采用中值法平滑濾波，再進行灰度分析和閾值分割，最后利用將高斯濾波和拉普拉斯邊緣檢測算法結(jié)合在一起的Log邊緣算子對閾值化后的圖像進行平滑和積分處理濾除干擾信息，提取邊緣線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熔池圖像視覺傳感的激光焊T型搭接接頭間隙的檢測方法，其特征在于，所述步驟(4)中，計算熔池和孔口的面積的方法為:通過高速攝影獲取到原始熔池圖像后，對該熔池圖像進行預(yù)處理，提高該熔池圖像的信噪比；然后對圖像進行二值化處理，得到光路方向上和整個熔池和孔口的像素點的個數(shù)，獲得熔池和孔口面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熔池圖像視覺傳感的激光焊T型搭接接頭間隙的檢測方法，其特征在于，所述具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5)的變焦范圍為18_45mm、光圈值為5.6-32，曝光值為4-10ms，幀頻為800fps ;所述濾光系統(tǒng)(11)與所述攝像機(5)同軸相連；所述濾光系統(tǒng)(11)包括一塊波長為808nm的濾光片(13)，兩塊透過率為25%的中性減光片(12)和一防護玻璃(14);所用的輔助光源(9)為功率為2W，波長為808nm的半導(dǎo)體激光器。
5.一種基于熔池圖像視覺傳感的激光焊T型搭接接頭間隙的視覺傳感系統(tǒng)，其特征在于，包含具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5)、濾光系統(tǒng)(11 )、輔助光源(9)、圖像采集卡(6)、計算機(7)、顯示器(8)，所述濾光系統(tǒng)(11)與所述攝像機(5)同軸相連；圖像采集卡(6)置于計算機(7)的卡槽內(nèi)并通過視頻線與LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5)相連，LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5)采集的焊接圖像信號經(jīng)圖像采集卡(6)送入計算機(7)；顯示器(8)與計算機(7)相接，實時顯示采集到的焊接區(qū)域圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于熔池圖像視覺傳感的激光焊T型搭接接頭間隙的視覺傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述視覺傳感系統(tǒng)具有三種工作模式:工作模式一是實現(xiàn)激光焊T型搭接接頭熔池動態(tài)行為監(jiān)控功能，工作模式二是實現(xiàn)熔池和孔口邊緣和面積提取功能，工作模式三是實現(xiàn)熔池動態(tài)變化監(jiān)控及邊緣和面積提取的雙重功能；對于工作模式一，計算機(7)為一臺計算機；對于工作模式二，計算機(7)為一臺計算機及Labview圖像處理平臺；對于工作模式三，計算機(7)是由主計算機圖像采集和裝有Labview圖像處理平臺的從計算機圖像處理構(gòu)成的雙機系統(tǒng)，主計算機采集焊接區(qū)域圖像信息并送顯示器(8)實時顯示，從計算機進行圖像處理和計算，并及時反饋給主計算機進行圖像對比分析，找出熔池和孔口圖像變化與間隙量的對應(yīng)關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于熔池圖像視覺傳感的激光焊T型搭接接頭間隙的視覺傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述具有LinLog感光技術(shù)CMOS攝像機(5)的變焦范圍為18_45mm、光圈值為5.6-32，曝光值為4-10ms，幀頻為800fps ;所述濾光系統(tǒng)(11)包括一塊波長為808nm的濾光片(13)，兩塊透過率為25%的中性減光片(12)和一防護玻璃(14);所用的輔助光源(9)為功率為2W，波長為808nm的半導(dǎo)體激光器。
【文檔編號】B23K26/70GK103506756SQ201310413452
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】李鑄國, 孟威, 吳毅雄 申請人:上海交通大學(xué)