脉冲gtaw熔池表面反射图建模与高度计算的研究

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1、上海交通大学博士学往论文脉冲GTAW熔池表面反射图建模与高度计算的研究摘要传统的示教再现型焊接机器人正向着智能化方向发展，而机器人焊接熔池视觉传感技术是机器人模拟焊工智能的关键技术之一，是实现机器人高水平焊接的关键。机器人焊接智能化技术是通过传感器使机器人具有模拟焊工的行为。机器人的视觉传感系统模拟焊工眼睛，通过观测熔池正面形状预测和控制焊缝背面成形。熔池形状和大小直接决定着焊缝的成形和内在质量，因此熔池形状和大小对于实现机器人智能焊接技术至关重要。目前焊缝成形控制主要是熔透控制，但是在精密焊接过程中要求保证正面余高，而焊缝余高难以实现实时测量。在实际焊接过程中，焊缝熔透(或者背面熔宽)难

2、以直接测量，因此熔池正面形状的测量对于熔透控制具有非常重要的作用。目前，熔池形状参数提取的信息是二维的，但是熔池表面高度更能反映焊缝熔透与背面成形情况，因此熔池正面高度的计算对于熔池形状控制、对于实现机器人焊接智能化具有非常重要的作用。由于焊接过程中存在着声、光、电、磁、高温、飞溅和烟尘的干扰，同时焊接熔池具有体积小、温度高且分布不均匀、高温存在时间短、冷却速度快、熔池处于运动状态、填充金属的熔化和凝固过程同时存在等摘要特点，因此熔池表面高度的测量非常困难。焊接过程的电磁干扰和熔池的高温使熔池表面高度不能采用机械和电磁的方法测量。X射线可以用来测量焊缝熔透信息，但无法测量熔池的正面信息、无

3、法实现实时性。红外传感技术通过测量金属的温度场判断熔透状况，但无法确定熔池表面的形状信息。结构光方法通过结构光的变形量来计算焊缝表面的高度，但是控制参数作用在电弧的正下方，因此信息滞后。熔池的流动性和取像间隔决定了不同时刻的熔池图像对应的熔池形状可能发生改变，因此不能用光流法计算熔池表面高度。焊接过程中不能精确控制电弧来获取不同光照位置、同一熔池的三幅图像，使得熔池表面高度的测量不能采用光度立体法。熔池图像中的遮挡和不完整性、熔池图像匹配困难限制了立体视觉的应用。熔池表面的轮廓和纹理信息量比较少，不足以提取熔池表面的形状。从阴影恢复形状只需要一幅图像，在熔池的视觉传感中容易满足，所以是计算

4、熔池表面高度的一种有发展前途的方法。基于焊接过程和熔池的特点、熔池表面高度计算的重要性和从阴影恢复形状计算熔池表面高度的可行性，本文进行了如下内容的研究工作。被动式视觉传感的成像光源不能看作点光源，小电流时电弧为球状光源。电弧光源的形状、大小、发光强度、波长与焊接电流、电弧长度和焊接材料有关。GTAW过程的特点使熔池表面成像属于近距离球状光源成像。文中提出了电弧球状光源函数描述焊接电流、电弧波长、电弧大小和电弧长度的影响。熔池表面是漫反射和镜面反射的共同作用，同时上海交通大擘博士学位论文熔池表面存在互反射现象。研究发现熔池表面反射特性与材料的粗糙度、微观组织、光源的波长有关。综上所述，建立

5、了脉冲GTAW熔池表面的通用反射图模型。从脉冲GTAW熔池表面通用反射图模型出发，根据低碳钢、不锈钢在熔化前后有明显的色泽变化，而铝合金没有明显的色泽变化、铝合金熔点低的现象，分别采用窄带滤光和宽带滤光的方法获取了低碳钢、不锈钢、铝合金清晰的熔池图像。焊接过程中存在电磁干扰、保护气体扰动、熔池的振动、摄像机与熔池的相对运动等造成熔池图像模糊。在从阴影恢复形状算法中，原始图像的噪声和图像的边缘都影响计算结果。针对现有的图像增强方法导致图像边缘模糊和边缘检测方法可能重新引入噪声的问题，提出了基于小波理论的图像处理算法。包括基于小波理论的图像增强和边缘检测，双向垂直投影细化方法、三次B样条拟合熔

6、池边缘、熔池类型鉴别。针对不同材料的电弧光谱、焊接工艺参数、熔池表面的形状和反射特性、摄像机参数不同，熔池图像的特征不同，在脉冲GTAW熔池通用反射图模型中的参数不同的问题，分别建立了低碳钢、不锈钢、铝合金的反射图模型。针对反射图方程的病态特性，引入了可控光滑性约束条件构成泛函。由于熔池表面和熔池边缘的光滑性不同，用薄板能量函数和薄板型能量函数的线性组合描述熔池的光滑特性。反射图方程的求解采用与大型稀摘要疏方程组相同的求解方法。由于大型稀疏矩阵中大部分都是零元、系数矩阵是对称的，为了减少存储内存采用了线性表存储上三角和对角线元素。设计了预处理共轭梯度法保证稀疏方程组的收敛性和收敛速度。基于

7、低碳钢、不锈钢、铝合金的反射图模型，采用预处理共轭梯度法分别计算了低碳钢、不锈钢、铝合金典型熔池图像的表面高度，计算结果反映了下塌型和凸起型熔池表面高度的特点。焊接熔池表面高度难以用传统的方法实时测量，但是熔池表面高度随着焊接参数的变化而变化，因此通过观察熔池表面高度随着焊接参数的变化而变化的趋势来验证从阴影恢复形状计算熔池表面高度的可行性、实时洼。另外熔池截面高度与凝固焊缝截面高度之间存在对应关系，通过比较熔池表面高度