第3 6卷 第1 2期 金 属 学 垃 V 0 1 . 3 6 No . 1 2
TI G焊 接熔池形状参数的视觉检 测
高进 强 武传松
(山东工业大学连接技 术 。 ‘菥 南 250061)
T . 7
摘 要 在分析 TIG 焊接 电弧光谱的基础上.设计出复合滤光镜头,与普通 CCD 摄像机组成视觉传感器.从试件正面观测熔 池图像 焊接过 程中根据电流大小通过软件调整采集图像亮度,得到了比较清晰的 TIG 焊接焙 池图像 利用自行开发的图像处理 算法 检测 出了熔池正面的形状参数 该算法处理一幅图像用时不超过 70 ms,满足实时检测的需要 ^
TG444 74 TP3 17 献张 婶 0412-1961(2000)12-128
, 『
4- 05
7 中 圈 法 分 类 号
, 4 文献标识码 A ‘ l文章编号l
V IS10 N _] BA SED M EA SU R I N G 0 F W ELD P0 0L G E0 M ETR Y IN TIG W ELD IN G
GA 0 Jinqm ng, U C "0册 0n口
I ̄ titute of Joining Technology,Shandong University of Technology ̄Jinan 25006L
Correspondent:GA0 Jinqmng,lecturer, l:(o53i)295508i 2924.Fax:(0531)2955999 E .m aih wctc ̄@ dms.sdut.edu c
M anuscript received 2000 ̄ 5-23,in  ̄ vised form 200 ̄ 08 30
ABsTRACT Based on the analysis of tungsten—inert-gas (TIG)welding oxc spectrum .a composite f
ilter len has been designed This len and a norm al CCD camera form a vision sensor w hich can observe the TIG weld pool frOli1 the ont side of workpieces. D uring welding process the captured
image brightness is adjusted acoordlng to the magnitude of welding current by inealis of software,and
com paratively clear im ages of TIG weld pool are obtained. T he weld pool geom etry was m easured through the im age processing algorithm developed by the authors,which takes less than 70 m s to process a fram e of im age and m eets ̄the requirem ent of rea1-tim e m easuring.
K I 、v 0 R D S weld pool geom etry,visio ̄ based m eas uring.im age processing
近年 来 ,国 内外科 技人 员在焊 接熔池流 场与热 场数值 模拟 方面开 展 了大 量的 研 究工 作 【 .但 是,数值 模拟 技术 的发 展有 赖于验 证计算 结果 的检测 方法 由于 焊接过 程 的复杂 性 ,实验测试 十分 困难 ,实验 验证 数值模 拟结果 方面 的研 究工 作开 展得 很 少 k4].从试 件正 面检 测熔 池形 状参数,可 以在宏 观质 量条件 下验 证焊接过 程的数 值模拟 结果,具 有重要 的学 术意义 和 实用价 值.
检 测试 件 正 面熔 池形 状 参 数遇 到 的最 大 问题 是 电弧 光的强烈 干扰 利 用激 光频 闪视 觉 检测仪可 以拍摄到 清晰 的熔池 图像 isJ,但 该设 备 造价 昂贵,难 以在 实 际 中推广 应用.脉 冲焊 时 在基值 电流作 用期 间可 以检 测出脉 冲 电流
TI G( t u ng s t e n -i n e r t - g a s)焊接熔池的形状参数 一 但
是 ,恒 流 TIG 焊接 工 艺在 生产 中应用更 为广 泛 本项研
国 家 自然 科 学 基 金 资助 项 目 59875053
收 到 初 稿 日期 :2000 0 23,收 到 修 改稿 日期 : 2000-08-30 作 者 简 介 : 高琏 强 , 男, 1971年 生, 讲师 ,博 士 生
究通过 在普 通 CCD 摄像 机上 附 加复合 滤 光镜头 并 在软 件设 计方 面采取 一定措 施 -可 以检测 出恒 流 TIG 焊接 熔 池 的正面 形状参 数 .
1 系 统 的总体结构
TIG 焊 接熔 池形状 参数 计算 机视 觉检 测 系统的总 体 框 图见图 1.该 系统 由 PC 计算 机 、焊 接控 制单 元、图像 采集卡 ,CCD 摄 像机及窄带 复合 滤光镜头 、TIG 焊机 、 行走机 构及 橱速器 、监 视器等 部分组 成 在 该 系统 中 PC 主控微 机 的主频 为 100 MHz.焊 接控 制 单元根 据主控 徽 机的信 息控制焊 接速度 和焊 接电流 图像 采集 卡根据主 控 微机 的指 令进行 图像采集 . CCD 摄像 机 具有较 高的 分
辨率 ( 600L)、8种 电子快 门,最 可达 1 0 s .本系统所
用的 CA-MPE-1000黑 白 图像 采集卡 .其 图像采集及 转换速度为每秒 30帧、转换图像的灰度精度为 1 /256,该
卡能够 通过微 机 实时调整 采集 时的亮 度和 对 比度 熔 池 区图像经 过窄带 复合滤 光镜 头及 CCD 摄 像机
12期 高进 强等: TIG 焊接 熔 池形状 参数 的视觉检 测 1285
围 1 熔池视觉检测系统结构框图
Fig.1 Scheme of weld pool vision measuring system
图像采 集卡进入 计算机 ,经过图像 处理,得 到熔池 的熔 宽、
熔池半 长 、熔 池后 部面 积,熔池后 拖 角等形状 参数 基于 检测 出的这些熔 池形 状参数 ,系统 也 可 以通过焊 接控 制单 元控制 焊机 和行走 机构 .从而对 焊接过 程 实旌控制
2 窄带复合滤光镜头的设计
电弧 光谱 主要 是 由连 续 光谱 和特 征 光谱 组 成 .对 于 TIG 气体保 护焊 , 由于 工件 上液 态 金属 的蒸发 ,弧柱 区 与近熔 池表面分 布 的原 子和离子 的种 类和数 量不 同,产 生 的特征 光谱也不 同 .电弧 特征 光谱 的空间分布 不仅与保 护 气体,焊接 材料有关 ,还 与焊接 电流 ,电弧 弧长有关 J.因 此 难 以选取带有 一定特 征谱 线的窗 口,使之在不 同 电流 , 不同 电弧长度 下,均 能获得 较清 晰 的焊接 熔 池区 图像 .
图 2是 GTAW( 钨极气体保护焊)焊接低碳钢电弧
光谱分 布 可见在 6o0— 660 nin波段 上基本 无特征 谱线 .主要是 连续光 谱 因为温 度越高 .连续 光谱辐 射密度 越高 .所 以弧 光核 心的辐射 强度最 强,而周 围辐射 强度较 弱 若 将采集 窗 口开 在 6o0—660 nm 这 一波段 ,可蹦通 过采 取一定 的减光措 施 ,滤 除周 围弧光,只保 留钨极 核心 明亮 的辐射 .利 用弧 光核心 对熔池 的照 明来获取 图像 .同 时该 波段属于 可见 光波段 . CCD 摄 像机对这 一波段 的响 应灵 敏度较 高.
根据 以上 分析,本 系统所 用的窄带 复合滤 光镜头 主要 包括 1片 中心波 长为 610 Flirt,带宽 为 20 nm 的窄带 滤 光 片以及 2片透过 率为 l0% 的 中性 减光片 图 3是 窄带 滤光 片 的频 谱响应 曲线 .
3 实验 方法
实验采 用恒 流 TIG 焊接 ,不填 充焊 丝. 实验 条件 如 下:材料选用 Q235钢 ,尺 寸为 200 mm ̄80 InlTl×3 mm,
进 行打 磨去锈 选 用钍钨极 .直 径 3.2 mm,角度 90。,通
Ar气保护,流量 15 L/r ai n.焊接工艺参数为:弧长 4 mm.
焊接电流 8 5 一l 0 5 A, 焊接速度 7 0 mm/ mi n,
在本系 统 中将摄 像机 与 焊炬 的距 离 固定 为 300 mm 左 右 ,摄像 机与 水平 面的 角度 约为 24。 焊接 过程 中焊接 电流 由小到大 、再 由大到 小呈 阶跃变化 ,其 它参数 保持 不 变 .
焊接 电流越 大,电弧 温度越 高,连续光 谱 的辐 射密度 越 高,基于 此,在 焊接过 程 中根 据焊接 电流的大 小适 当调节 采 集时的亮度 ,以避 免 电弧光 和熔池反 光完全遮 盖熔 池
在其 它参数 不变 的条 件下 ,通过 调节采 集时 的亮度,
在 不 同的焊 接 电流 下,即在 不 固定 采集 图像 时 的电流 的情 况 下,拍摄 到清 晰的图像 .图 4为 该系统拍 摄的熔 池 区图 像 从 图 中可 以看 出图像 比较 清晰.
W avel0n g【h,nm
围 2 (]TAW 低 碳 锕 阳 极 弧光 光谱 [。]
Fig.2 A rc spectrum of m ild steel anode during G TAW 【。】
128 6 金 属 学 报 36卷
田 3 窄 带 滤 光 片 的 频 谱响 应 曲 线 Fig.3 Spectra2 response of n band filter
田 4 熔 池 区 图 像 F ig.4 W e pool image
4 图像 特征 分析
图 5为 熔池 形状参数 示意 图 其 中 W 为熔池宽度 , 为熔 池半长 , n 为后拖 角.图 6与 7分别是 图 4中沿 方 向和 方 向的原 始 的及经 本工 作开 发 的图像增 强方 法增 强后 的灰度分 布 曲线.在本 系统拍摄 的 图像 中,由于 电弧 光在熔 池表 面是镜 面反射 ,而在母材 上是漫 反射 ,所 在 熔池 中出现烁亮 区域 叉 由于邻 域亮度 的相互 影响.
所 以熔池 边缘 位于 图 6与 7中的各底 和顶 峰之 问 对于 顶峰 与谷底 之 间灰度 变化 剧烈 的图像 来说 .采用谷底 或顶 峰作 为熔池 边缘误 差均 不大.在 本文 中,将 熔池边 缘定义 为顶 峰与谷 底 之 间灰度 变化最 剧烈的地 方
5 图像 处理
图像 处理 算法主要 包括 以下 几步 :
(11图像 疆处理 在普 通 的梯度增 强算 法上做 了一些 改进 ,将 图像增 强与去 噪结合 起来 . 使其 能够 降低 噪声
0
田 5 熔 池 形 状 参 数示 意 图
Fig.5 Scheme of weld pool shape param eters
囝 6 轴 方 向 灰度 分 布 Fig.6 Gray level along direction
圈 7 轴 方 向 灰度 分 布 Fig.7 Gray level a【Dng direction
l2期 高进 强等 : TIG 焊接熔 池形状 参数 的视觉 检测 1287
干 扰 ,突 出原 始 曲线 的 顶峰 和 谷底 之 间变 化最 剧 烈的 地 方 具体 算法 如下
m( i )=150+5 0 +2)+ ( +1)
g o ( i )~e o ( i一1 ) ] / 4 ( 1 ) 其中, gl ( ).ao( i )分别是处理后的和原始的图像某一行
或 某一列上 的 点 i处 的灰度值 .从 图 6和 7中可 以 看 出,增 强后 的曲线 左侧 的谷底 与右侧 的顶 峰 比较 明显,起 到 了增 强 的 目的,下~步 只需
检测出这些顶峰和谷底即可得出熔池边缘
(2)图像边缘 提取 .图像边缘 提取 算法 中充分 利用了 熔池边缘 的连续 性特点,共分 四步进行.首先寻找 起始点,
即 以磺嶂 和 备底 特 征都 比较 明显 的行 的 顶峰 和各底 怍为 起始 点 其次 沿该行 向上搜 索直 至特征不 明显 位置;接 着 从起 始点 向下搜 索 至特 征不 明显位 置;最 后,以最 后一行 的边缘 点为 起始 点,沿 Y轴方 向搜索 尾部边 缘点 .
图 8为 不同焊 接 电流下 的原始 图像 (左 侧 )和 经该算 法处理 后 的图像 (右 侧).
(3)熔 池形 状参数 的提 取.在前面 的检测 中将 图像中
行边缘点的横坐标存人数组 e d g e | [ /]和e dg e r [ /] 之中,
因此 计算熔 池形 状参 数仅对 该数组 进行 . 熔 池最 大宽 度
W =ma x( e dg e r [ /] 一e c t g e l [ /] +1 ) ( 2 2 ]
熔 池半 长
其 中 Jm 为 熔 池 最 大宽 度 处 的 j.j… 为熔 池 尾 部
e
dg a[ /] =e dg e r [ / ]时的 .
熔 池面积
其 中
Jm —
S= / ( e d g e r  ̄] 一e dg e l  ̄]一 一1 ) ( 4)
J…
熔 池后拖 角
=a  ̄ o s ( ( a +b 一c 2 ) / 2 ab ) ( 5 )
0=( ( e d g e l [ j ] ~e d g e l [ ( j +J ml +1 ) / 2 ] +
圉 8 不 同 电流 下焙 池 区 原 始 图像 及 处 理 后的 图 像 Fig.8 R aw im ages captured at varies weld currents
(]eft side)and processed images by the pro- gram presented by authers(rjght side)
(a】,(b) 91 A (c).(d)1=97 A
(e),(f)I ̄i03 A (g) (h)I=Ii2 A
6:( ( e d g e r [ / +J … +1 ) / 2 J—e dg e r i j m  ̄ J 十 1 ) +( ( j n a 一J … +z ) / 2 ) ) / 。
c=e dg e r [ ( j +J ml +1 ) / 2 ] 一e dg e l
[ ( J … +j +1 ) /2 ]+1
表 1是通 过该 系统检 测计算 的熔 池形状 参数.
该 程序在 主频为 100 MHz的 Pe 主控 微机上 处理一 幅 图像 的时 间不超 过 70 ms,
金 属 学 报
衰 1 不 同 焊接 工 艺 参 数下 熔 池 的 正面 形 状 参 数
Table 1 The detected data of weld pool shape different welding param eters
6 结论
(1)利 用普通 CCD 摄 像机,附加窄带 复合滤光镜 头,
并根据焊 接 电流调节 图像采集 亮度 ,能 够检测 到清晰 的恒 流 TIG 焊 接熔 池 区图像 .
f 2)所设计的图像处理程序能够检测到熔池的最大宽
度、熔 池半长 后部 面积 以及 后拖 角等 主要 的 TIG 焊 接 熔 池形状 参数 .( 3)所设计的图像处理程序在该系统主控微机中处理
一 幅 图像 用 时小于 70 in¥,完全 满足 实时检 测的需要 ,为 实现恒 流焊 闭环 自动控制打 下 了 良好 的基础
参考文 献
『11 KumBx S Bhaad ̄ri S C M etalf n 1994;25B:435
『21 W u C S,ZhengW Int J Mate ̄,1997i 9:l66 r3i C S,DoFn L Aeta Metalf 8in.1997;33:7T4
(砖传松, Dora L 金属学报. 1997;33:774)
1 Pan J L News Lettev G Es1 2000;l:8
(潘际 銮 中国 机械 工 程 学 会 会讯 , 2000;l:s)
『5_Kovacevlc R.Zhang Y M ,Li L W efd J.1996;75:317s
『61 W u C,Gao J,Li J J Joining Mater.1999i11:18 f Gao JQ.LiK H.w u C S.肌 Techno1.1999;4 3
(高进强,李克海,武传松 焊接技术. 1999;4:3)
阻1 Song Y L D esis,Tianjin University.1990
(来永伦 无津太学博士学位论文, 1990)
阳1 Lj P J.Ph D Thesis.Harbin Institute ofTechnolog ̄ 1997
[李朋九 喑尔滨工业大学博士学位论文, 1997)