熔池视觉传感的应用与研究现状

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1、熔池视觉传感的应用与研究现状摘要：焊接熔池形状和尺寸对焊缝成形具有非常重要的作用，对焊接接头的性能也有重要影响。利用视觉传感方法采集熔池信息，从而达到对焊接质量的自动化控制，是现在焊接界的一个重要的研究方向。关键词：视觉传感方式熔池视觉传感采集系统熔池视觉传感研究现状0序言焊接质量控制的研究是焊接过程自动化的重要组成部分。由于对焊接过程自动化和智能化水平的要求日益提高，对焊接质量的控制变得尤为重要。近年来，随着计算机视觉技术的发展，利用机器视觉直接观察焊接熔池，通过图像处理获取熔池的几何形状信息，对焊接质量进行闭环控制，

2、已成为重要的研究方向[1-3]。焊接熔池是影响焊接质量的重要因素,熔池的尺寸(正面熔宽,熔深或背面熔宽，余高)直接关系到焊接接头的力学性能,焊接过程中熔池尺寸的稳定对于焊接质量的保证是非常重要的;另外,熔池中包含着丰富的信息,在焊接实践中,熟练的焊工主要是通过观察熔池的变化等因素来调整焊接参数获得满意的焊缝成形。因此,焊接熔池的视觉传感成为近年来国内外研究的热点之一[4]。1视觉传感方式目前，国内外研究人员对焊接过程熔池信息传感及时已经进行了大量的研究[5-6]。声、力、电、热传感器在熔池信息过程中受到多种干扰的影响，特

3、别是伴随电弧、工作环境等复杂的物理过程和随机过程产生的干扰以及传感器自身的一些缺点，较难在焊接过程质量控制中准确全面地采集传感熔池信息。与其他传感方法相比，视觉传感器不与焊接回路相接触，信号检测不影响正常焊接过程。它能提供丰富的信息，如熔池特征、接头形状、电弧形态、焊丝位置及已凝固的喊道形状等，并能直接反应焊接过程熔化金属的动态行为，更适合于焊接质量控制过程中熔池信息的采集传感。近些年来，光学器件成本下降，计算机视觉技术的发展，各种图象处理算法的产生和完善，为视觉传感器在焊缝成形检测与控制中的应用提供了条件[7]。根据视

4、觉传感系统中成像光源是辅助光源还是焊接区自身光源，视觉传感系统可分为主动式和被动式两大类[8]。主动式视觉检测方法采用激光等辅助光源对焊接区进行人工照明，以提高图像的质量。由于激光具有单波长，方向性、相干性好等特点，所以采用激光作为辅助光源可以获得较清晰的图像[9]。但由于在主动式视觉传感中，所采用的高能量密度的脉冲光源和特殊电子快门的摄像机，价格昂贵，且设备复杂，限制了这种方法在实际中的应用[10]。被动式视觉传感不另加辅助光源，而是利用弧光本身照明和熔池自身辐射成像。这一方法需要焊接作为材料加工的一种重要手段在工业生

5、产中得到广泛应用。2熔池信息传感采集系统熔池信息传感采集的系统基本上由复合滤光片组、6CCD摄像机、图像采集卡、计算机及图像处理软件等构成。导光通路传输加热区区热辐射光线，经复合滤光片组消除弧光干扰，近红外CCD摄像机将采集到的加热区图像信息以视频信号形式输入至图像采集卡，最终由计算机上的图像处理软件处理后，提取出加热区信息特征、比较满意的图像。其系统组成图（图1）和熔池信息采集系统流程图（图2）如下所示。图1熔池信息采集系统组成图加热区复合滤光片组近红外CCD图像采集卡工业控制计算机计算机图像处理软件图2熔池信息采集流

6、程图3熔池视觉传感的应用（1）通过图像处理提取熔池的特征参数来控制焊接过程目前焊接自动化、智能化已成为焊接技术的主要发展方向。焊接智能化技术的核心是实现焊接过程和质量的实时检测与自动调整控制[11]6。随着焊接自动化，智能化技术的发展，基于熔池视觉传感的焊接质量控制已成为当今焊接界的一个研究热点[12-14]。熔池的形状和大小对于熔池的冶金反应、晶体结构、焊接缺陷等等具有极其重要的影响，它直接决定着焊缝的成形和内在质量。描述熔池的特征参数包括熔池的正面宽度、正面长度、正面高度、后拖角、背面宽度、背面长度和背面高度。焊接过

7、程中熔池背面的形状无法直接观测，但是可以通过观测熔池正面的形状参数来预测背面的形状参数。熟练的焊接工人通过观测正面熔池特征参数、工件的接头形式、电弧的形状和熔滴过渡形式等来预测背面的形状和尺寸参数，通过调节焊接参数实现熔透的控制，保证焊接质量的稳定。因此熔池正面形状信息的提取对于焊接过程控制具有非常重要的作用。目前熔池形状参数的提取主要集中在熔池的二维信息，但是熔池的表面高度更能反映焊缝熔透与背面成形情况，与焊缝余高有一定的对应关系，对于熔池形状的控制具有非常重要的作用。但是由于焊接过程中存在着声、光、电、磁、高温、飞溅

8、和烟尘的干扰，同时焊接熔池具有体积小、重量轻、温度高且分布不均匀、高温存在时间短、冷却速度快、熔池受到各种力的作用处于动态运动过程中、填充金属的熔化和凝固过程同时存在等特点，因此熔池表面高度的测量和计算非常困难。目前，国内外针对TIG焊、脉冲MIG焊及MAG焊等熔池图像信息检测和处理进行了大量研究，并在熔池形貌检测与