[發明專利]基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監控及焊縫偏差檢測方法

有效

• 申請號: 201210325926.9
• 申請日: 2012-09-06
• 公開（公告）號: CN102814574A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 王加友;朱杰;葉利利;楊茂盛
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: B23K9/095
• 分類號: B23K9/095;B23K9/16
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及焊接技術領域，特指一種基于紅外視覺傳感的窄間隙焊接監控及焊縫偏差檢測方法。

背景技術

窄間隙電弧焊可分為窄間隙熔化極氣體保護電弧焊、窄間隙埋弧焊、窄間隙非熔化極氣體保護電弧焊等多種工藝，其中以窄間隙熔化極氣體保護電弧焊（簡稱窄間隙MIG/MAG焊）的利用率為最高。窄間隙MIG/MAG焊是一種在窄坡口條件下進行的多層焊接方法，一般以每層單道或每層雙道的自動方式施焊，具有坡口形狀簡單、焊縫截面積小、焊接效率高、能耗少、焊接熱輸入低、焊接熱影響區小、接頭韌性好等優點，在大厚度鋼板焊接中優勢明顯，但也存在著坡口側壁熔合和焊縫跟蹤兩大技術難題。另外，窄間隙焊接坡口窄、電弧弧光強、煙塵集中，難以人工方式監控焊接過程。

為了解決窄間隙坡口側壁熔合問題，國內外先后開發出多種工藝技術，典型的有：搖動電弧窄間隙焊（專利號為ZL?200810236274.5、名稱為“搖動電弧窄間隙熔化極氣體保護焊接方法及焊炬”）、旋轉電弧窄間隙焊（專利號為ZL?200510038527.4、名稱為“空心軸電機驅動的旋轉電弧窄間隙焊接方法及裝置”）、超窄間隙焊、雙絲窄間隙焊等。但是在焊接過程中，往往受到坡口加工誤差、工件裝配誤差、接縫固定曲率、焊接熱變形等因素的影響，導致焊炬中心偏離接縫中心（即出現所謂的焊縫偏差），如果對焊縫偏差不及時地進行調整，將會影響焊接質量。也就是說，即使采用了合適的熔透控制技術，如果不能保證焊炬中心線與工件坡口中心的嚴格對中，坡口兩側壁的均勻熔透實際上也無法保證。因此，開發適用于窄間隙焊接應用的過程監控和焊縫跟蹤技術，已成為能否保證其焊接質量的關鍵。?

傳感技術又是實現焊縫跟蹤的關鍵。焊縫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（可兼作監控）、抗電磁干擾能力強、靈敏度高、適用坡口形式多等優點，被認為是一種最有發展前景的傳感方法。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體（CMOS）式兩種，可將不同強度的光線信號轉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、響應速度快、動態范圍廣（可達120dB）等優點，可采用“線性+對數”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放大，在保證低亮度區域圖像對比度的同時盡可能地擴展動態范圍，因此特別適合在像焊接這種明暗對比程度高的環境中工作。?

關于窄間隙焊接的視覺傳感技術研究不多。經文獻檢索，在名為“基于面陣CCD圖像處理的窄間隙焊自動跟蹤系統”（張富巨等，焊接技術，2000年，第29卷，第6期，36~37頁）一文中，提出了一種基于面陣CCD圖像處理的窄間隙焊自動跟蹤系統，其構成包括工業控制計算機、CCD攝像機、圖像采集卡、鏡頭、減光和濾光系統等。該系統利用弧光的作用，使坡口內部近坡口棱邊處（無焊槍遮擋部分）呈現出幾乎一致的白色，而坡口外的工件表面和棱邊處呈現出一致的黑色，通過計算白色條紋到窗口邊緣的距離與標定的距離差，實現窄間隙焊縫跟蹤。該方法存在的缺點是：（1）CCD攝像機動態范圍小，圖像質量欠佳；（2）采集的圖像不是直接的電弧區域圖像，即傳感檢測位置與電弧實際位置不同步，降低了傳感檢測精度；（3）功能單一，不能同時監測熔池和電弧信息。?

在名為“一種窄間隙焊接被動光視覺傳感器的研究”（許平非等，電焊機，2010年，第40卷，第3期，37~39頁）一文中，提出了一種窄間隙紅外CCD視覺傳感系統，其構成包括計算機、CCD攝像機、圖像采集卡和濾光系統等。該系統利用紅外CCD攝像機，配用中心波長為920nm的窄帶濾光片，采集焊接區域圖像，來觀測窄間隙焊接過程。該方法存在的缺點是：（1）采用的CCD攝像機，動態范圍小、響應速度較慢，影響焊接實時監控和動態分析效果；（2）僅進行窄間隙焊接過程的實時監測，未見實現焊縫的同步跟蹤控制。

在專利申請號為200910076527.1、名稱為“基于視覺檢測的窄間隙電弧焊接在線決策方法”中，公開了一種焊槍偏移調整（即為焊縫跟蹤控制）方法，通過CCD視覺傳感器檢測電弧擺動幅度中心（即電弧擺動中心）和焊縫寬度中心（即焊縫中心），當檢測到電弧擺動中心與焊縫中心不重合時，即對焊槍位置進行調整。該方法存在的缺點是：（1）只針對擺動電弧應用場合，工藝適用范圍窄；（2）需要通過多次邊緣和位置檢測才能獲取焊縫偏差信息，圖像處理工作量大，決策繁瑣費時，影響焊縫跟蹤控制的實時性；（3）采用CCD視覺傳感方式，圖像質量欠佳，影響檢測精度。

發明內容