基于视觉传感的GMAW熔透状态预测

熔透信息的实时获取是实现打底焊接自动化的关键环节之一,通过熔池形状特征预测熔透状态可为熔透信息的有效提取提供参考。鉴于焊工通过视觉观察熔池正面形状特征来对熔透状态进行实时判断,建立基于GMAW的双目视觉传感焊接试验系统。在不同焊接电流及焊接速度下开展打底焊接试验,在焊接过程中实时同步采集熔池正面与背面图像。基于熔池图像特点结合成熟的图像处理算法,提取熔池正面二维与三维形状特征参数以及背面熔宽信息,作为训练样本,以熔池正面形状特征参数作为输入量,以背面熔宽作为输出量。通过BP算法对神经网络进行训练,建立熔透状态预测模型,分析熔池正面形状特征参数与背面熔宽之间的映射关系。采用Garson算法计算出每个形状特征参数对于背面熔宽的权重系数。通过GMAW打底焊试验对熔透状态预测模型进行了验证,试验结果表明,建立的BP神经网络模型可以有效地预测焊缝的熔透状态。     

铜熔池信息视觉检测和图像处理研究

建立了一个近红外CCD熔池动态信息的图像检测系统,用于钢表面铜熔池视觉信息的检测.应用窄带滤光技术成功地解决了强弧光干扰,在获取清晰的焊接熔池区图像的基础上,研究了焊缝熔池几何尺寸的边缘检出方法,获得了满意的熔池边缘特征图像.     

一种基于SFS方法的含高光表面三维重构系统

针对含高光表面三维形状重构的需求,设计了一种基于从明暗恢复形状(SFS)方法的三维重构系统。在正交投影条件下由CCD相机获取点光源照射下的物体表面图像,使用Ward反射模型描述含高光表面的反射特性,建立物体表面图像辐照度方程。系统软件将该方程转化为包含物体高度信息的H-J偏微分方程,并计算此偏微分方程的解,得到物体的高度函数,进而恢复出物体的表面形状。实验表明,该系统可以有效地重构含高光表面的三维形状。     

铝合金双丝脉冲MIG焊双向熔池同步视觉传感及图像处理

铝合金双丝脉冲焊接时,强烈的双弧光强和铝合金的强反射作用造成熔池视觉传感比较困难。建立一套双丝脉冲焊熔池双向同步视觉传感软硬件系统,通过近红外滤光技术和控制电荷耦合器(Charge-coupled device,CCD)快门曝光时间,获得清晰的尾部和侧面同步铝合金熔池图像。针对铝合金双丝脉冲焊熔池图像存在的高频横纹干扰,提出利用巴特沃斯低通加强滤波的方法进行去除,并通过灰度拉伸、阈值分割和边缘提取等图像处理方法,获得双向熔池轮廓。通过熔池几何形态分析,得到双丝脉冲焊前中部熔池形状为椭圆形,尾部形状为抛物线。在获得抛物线和椭圆曲线方程的基础上定义并计算熔池宽度、全长、面积、周长、尾部系数等熔池几何特征参数。     

基于三维形貌重建的镗加工表面粗糙度检测

以计算机显微视觉为检测手段,采用明暗恢复形状方法重建加工表面微观形貌,进而检测加工表面粗糙度.根据微观金属表面反射特性,采用基于Torrance-Sparrow光照模型的明暗恢复形状算法,完成了镗加工表面图像三维形貌重构与表面粗糙度参数检测.     

钨极氩弧焊熔池动态行为和焊工调控特征信息检测与分析

深入理解熟练焊工经验和操作技能对实现复杂环境下的机器人智能化及高精度焊接具有重要理论意义和工程应用价值。然而,如何检测传感焊工与熔池交互过程中熔池动态变化特征信息是一个难题。针对该问题基于激光视觉传感原理建立动态熔池和焊工实时调控特征信息同步采集试验系统,研究熔透连续变化时焊工对熔池形态及流态的调控行为,并获得了相应的调控参数(焊接速度、焊接电流、焊接弧长)和焊枪姿态与熔池特征参数之间的关系。通过对比分析焊接规范参数与焊枪姿态调整时的熔池形态和流态变化发现:焊接速度、焊接电流和焊接弧长的调整主要是基于熔池输入能量的调控,表现出熔池形态变化剧烈,易出现焊塌缺陷,焊工调控过程呈现出单一、盲目性。焊枪姿态的调整表现出焊工对熔池形态和液态金属流动状态的多元化和指向性调控,可避免焊接缺陷的产生。     

一种基于NL-SFS方法的三维人脸快速重建系统

针对快速重建三维人脸的需求,设计了一种基于非Lambert从明暗恢复形状(NL-SFS)方法的三维人脸快速重建系统。首先人脸表面采用非Lambert反射模型描述其反射特性,这更接近于人脸表面实际的反射特性;接着由遵循正交投影的摄像机获取光源作用下的人脸表面图像,同时假定摄像机方向与光源方向保持一致,建立人脸表面的图像辐照度方程;然后将该方程转化为包含人脸表面深度信息的Eikonal方程;最后根据上述方程的特点,利用fast marching方法设计了系统软件,能够快速求得Eikonal方程的解,进而重建出人脸的三维形状。实验结果表明,该系统可以在较短的时间内获得较高的重建精度,即0.9s内可达到0.43%的高度平均相对误差。     

非熔化极气体保护焊接熔池表面形貌三维传感及其装置设计

熔池表面形貌的传感及其三维恢复在焊接机理研究和成形控制中均有着深远的意义,然而焊接过程中强弧光的干扰和熔池表面的镜面特性使得熔池表面的三维传感非常困难。利用小功率结构光条纹激光器投射激光条纹于非熔化极气体保护焊(Gas tungsten arc welding, GTAW)熔池表面,由成像屏接收熔池表面镜面反射过来的激光条纹,利用镜头前附加了与激光器波长匹配的窄带滤光片的电荷耦合器件(Charge-coupled device, CCD)摄像机观察成像屏上的条纹变化,从而获得熔池表面的高度等三维信息。为了便于研究传感规律及确定传感器结构参数间的最佳组合,设计了一套传感装置,并利用该传感装置在强弧光下获得了清晰的能够反映GTAW熔池表面形貌的激光反射条纹图像。     

基于计算机视觉的端铣表面粗糙度检测

明暗恢复形状（Shape From Shading,简称SFS）是计算机视觉中一个重要的研究课题,该算法应用于工件表面微观形貌重建,为快速检测表面质量奠定了基础。以计算机显微视觉为检测手段,采用明暗恢复形状方法,重建端铣加工表面微观形貌,进而检测表面粗糙度。根据微观金属表面反射特性,采用基于Cook-Torrance光照模型的明暗恢复形状算法,完成了端铣加工表面图像三维形貌重构与表面粗糙度参数检测。试验结果表明,该方法可以快速实现加工表面粗糙度参数的准确检测,为加工过程中粗糙度的在线检测提供了新的思路和方法。     

用于焊缝位置识别的视觉模型设计与试验

理论与试验研究用于焊缝位置识别的视觉模型,该模型主要由弹性梯度下降训练法BP神经网络组成.在焊接工艺条件下,使用视觉传感器获取焊接区熔池图像,并选取特定区域进行中值滤波与图像灰度变换处理以增强被测对象的特征.在此基础上,计算和处理熔池特性参量(熔池图像质心差值、质心位移、质心移动速度)以及相对应的焊缝与电弧之间的偏差值,将其输入所设计的神经网络进行网络权值参数训练和推理学习,从而建立基于BP神经网络、具有一定认知和环境适应能力的焊缝位置识别视觉模型.对该模型进行通用性检验,试验结果表明该模型通过熔池特性参量可以较精确地识别焊缝位置.     

Light intensity analysis of a passive visual sensing system in GTAW

In manual welding, an experienced welder acquires 80% of the welding process information by vision. Visual sensing has the advantage of supplying abundant information without contact with the workpiece or welding circuit. Visual sensors have been widely used in the field of welding. According to optical imaging principles, the object imaging process depends on the shape, size, position, and angle of the light source; the shape of the object; the reflectance characteristic of the object’s surface; and the position, angle, and inner parameters of the camera. In order better to utilize the image information of a visual sensor and to ascertain the weld shape and size, arc light intensity is calculated from the arc length and the welding current. The visual sensing system is analyzed from the point of the view of light intensity. The function of adjusting the system to the light intensity is formulated in this paper. A relationship between the gray image, arc length, and welding current can be obtained. Welding experiments were implemented. Thus, we can recover the shape and height of the weld pool by SFS (shape from shading) algorithms from the weld pool image.     

基于焊枪与熔池耦合模型的焊工调控行为研究

模拟解析有经验高级焊工焊接行为并实现抽象焊接行为的程序化无疑是快速发展机器人智能化焊接的优选路径之一。而同步传感测量焊工焊枪姿态和熔池状态是实现焊接行为程序化的关键。针对现有焊枪姿态和熔池特征测量系统的独立性及焊工与熔池交互过程的同步耦合分析需求,建立了传感器-万向节-焊枪钨极尖端三坐标系间的数学转换模型和熔池与焊枪钨极尖端运动坐标的双向耦合模型。通过预设机器人焊枪姿态摆动试验验证了双向耦合模型的有效性和准确性。在时空同一坐标下对比分析了不同焊接水平焊工对熔池状态的调控行为和焊缝成形质量的控制能力。结果表明,利用熔池-焊枪双向耦合模型可以获得能够表征焊工操控焊枪空间运动的较准确姿态样本数据;经模型转换的焊工操控焊枪α、β角与机器人摆动预定值的误差均小于1.2°,γ角误差约为1.5°;未经实操培训焊工操控焊枪规范性差,调控熔池动态平衡表现出调节时刻和规律的高随机性,对熔池状态动态评估能力极其匮乏,无法保证焊接过程稳定和高的焊接质量;经长期实训焊工运枪动作规范、规律性强,对熔池状态动态评估能力丰富和强的交互意识,全焊接过程能够保持熔池形态的稳定和焊缝的全熔透。     

富氩气保焊熔池信息视觉检测方法试验研究

分析研究了弧焊熔池信息视觉传感方法以及取像机理。针对短路过渡和射流过渡熔池视觉信息,提出了综合利用熔池自身辐射光,在近红外波段取像的思路。试验中采用了基于三种不同机理的四种窄带复合滤光系统,比较得出了近红外区为最佳的取像窗口,该窗口应尽量接近CCD最大检测波长。在该窗口内,取得了清晰的熔池区图像。同时探索了熔池信息视觉传感信噪比及其影响因素,并对富氩气保焊熔池的特征进行了分析研究。     

DETECTION AND ANALYSIS OF WELD POOL SHAPE FOR CO2 SHORT CIRCUITING ARC WELDING

0 INTRODUCTIONIt is well known that skilled welding operatorscan estimate and control beam quality by mainlyobServing the weld POOl. This means the POOl im8gecontains abundant inforTnation during weldprocess. So that, sensing information from POOl imeqedirectly is becoming a new method to control the weldquality.Following the advances in computer vision andM camera tecbnoogy, more and more researchesusing weld opl image for sensing welding processeshave been carried out, usually in T…     

铝合金TIG焊熔池图像的获取与处理

研究建立了适用于铝合金TIG焊接过程中焊接熔池图像传感系统,探索了获取铝合金熔池图像的条件,详细论述了图像传感系统与焊接电源特性之间的匹配关系。给出了图像传感系统中各个部分之间的空间位置关系。在多种不同的焊接规范下进行了大量的图像获取试验,获得了不同规范下清晰的铝合金熔池正反两面图像。分析了铝合金焊接熔池图像的特征,设计了相关中值滤波和基于统计理论的双期望值阈值方法以及小波变换等方法对焊接熔池图像进行处理,获得了铝合金焊接熔池图像的准确边缘,为焊接过程的智能控制打下基础。     

数学形态学在MAG焊熔池图像处理中的应用

用灰值和二值数学形态学操作对MAG焊熔池图像进行了处理,并对比分析了二者在.Net和MFC两种软件开发平台上的图像处理编程效率和运行速度。MAG焊接过程熔池图像处理结果表明,采用数学形态学和.Net编程可满足强实时性的熔透控制要求。     

激光-MAG复合焊接过程金属蒸气和背部熔池图像分析

在激光-MAG复合焊中,金属蒸气和背部熔池包含着大量的焊接状态信息。以316不锈钢和400低碳钢为试验对象,作异种材料复合焊接,并应用高速摄像机获取焊接过程中正面金属蒸气和背部熔池的实时图像。提取金属蒸气面积形态特征,结合背部熔池图像同步分析金属蒸气周期性变化规律并研究金属蒸气和焊接状态、焊缝成形之间的关系。以灰度共生矩阵(GLCM)方法分析图像纹理特征,并用能量、对比度和熵三个特征分析背部熔池与焊缝成形之间的关系。结果表明,所分析方法能有效反映金属蒸气的变化机理,金属蒸气和背部熔池与焊接状态之间的关联,为在线检测复合焊接质量提供依据。     

Obtaining weld pool vision information during aluminium alloy TIG welding

An image sensing system for the TIG (tungsten inert-gas arc) welding process of aluminium alloy was established. The relationships between the image sensing system and the characteristic of welding current were discussed in detail. Front and back images of the weld pool were obtained with different welding parameters. In order to process the image, the characteristics of an aluminium alloy were analysed. Image processing and pattern recognition were first used to obtain information from the TIG welding process for aluminium alloy. The image of the weld pool was pre-processed using a series of methods: a weighted median filter, a statistical threshold by expectation and the projection method. A neural network method was used to extract the edge of the images of the weld pool. The result of detecting the edge with a BP neural network were excellent. The symmetry of the weld pool for aluminium alloy was studied when the welding current is large. The edge of the image of the whole weld pool is obtained in a single side image and an accurate method for measuring the weld pool geometry parameter is provided. Experiments show that using the image sensing to control the TIG weld width for aluminium alloy is an effective method.     

全位置MAG焊缝成形控制技术及研究进展

全位置焊在石油化工、管道等行业中的应用日益广泛,提高其焊接效率具有重要的现实意义。针对目前全位置焊存在的问题以及所采取的应对措施,对全位置高效化焊接控制策略——熔池快速凝固控制策略和熔池稳定成形控制策略进行了归纳总结,分别回顾了其研究应用发展史,并对各自的优缺点进行了分析。对磁控技术在全位置焊中的应用进行了阐述,提出在全位置焊中利用外加高频交变磁场产生电涡流力,可用于抵消熔池重力作用,抑制金属流淌,对于实现全位置高效化焊接具有积极意义。     

深熔激光焊接熔池温度场的数值模拟

利用旋转Gauss曲面体新型热源模型,忽略深熔激光焊时小孔对传热的影响,建立了移动激光热源作用下的三维数学模型.利用PHOENICS3.4软件,模拟了SUS304不锈钢深熔激光焊接热过程的温度场和熔池熔合线形状,得到了不同焊接速度下的温度场分布云图和"钉头"状的熔池形状.数值模拟结果与试验结果基本吻合.