熔池视觉与焊缝三维信息获取技术
发布时间：2022-02-09 23:48
增材制造的闭环智能监控是增材领域的重要研究方向。熔池视觉反映了成形前的形状、流动性等信息,可以监测焊接过程是否异常;焊缝的三维测量反映了成形后的弯曲度、塌陷量等形状信息,可以监测增材的每一层焊缝和设计模型的偏差。清晰的熔池图像和高精度的焊缝三维信息是增材制造闭环控制系统的关键,本文就如何获取这两部分信息进行了深入研究,主要研究内容如下:（1）基于光谱分析的熔池最佳成像波段选择方法。针对目前熔池成像波段选择不统一,缺乏理论指导,提出了基于光谱分析的熔池最佳成像波段选择方法。该方法基于熔池自身辐射光谱和相机量子效率曲线,推导了相机对熔池自身辐射的响应强度变化规律,进一步结合电弧光谱特性,计算出熔池最佳成像波段。同时基于焊接电流和光强的变化关系,设计了熔池图像采集的FPGA触发方案。通过不锈钢GMAW平板焊的试验结果表明,依据本理论选择出的850nm高通和660nm带通拍摄到的熔池图像清晰、信噪比高、细节丰富。（2）基于条纹编码的双目立体视觉。针对目前条纹投影轮廓术中投影仪标定困难和双目立体相机中图像匹配困难的问题,构建了基于条纹编码的双目立体视觉三维重建系统。该系统利用相位信息和双目极线约...
【文章来源】：南京理工大学江苏省211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
频闪视觉熔池图像传感：（a）原理图；（b）GTAW焊接过程的熔池图像
1绪论硕士学位论文2根据焊接成像过程中光源是外加辅助光源还是焊接辐射光源，熔池视觉采集系统分为主动视觉成像法和被动视觉成像法。1.2.1主动视觉成像法主动视觉成像法一般采用激光作为辅助光源，由于激光能量密度高、光谱带宽窄，可抑制电弧光的干扰，已广泛应用于在焊接质量控制和焊缝跟踪系统中。1991年Agapakis等人提出了一种在高亮条件下检测目标的视觉方法，叫做“频闪视觉”[10]。该方法的原理图如图1.1（a）所示，由电子快门摄像机和高能量密度的激光组成，激光能量通过单根光纤电缆送到焊接现场，从熔池表面反射回来的激光比电弧的直射和反射光更亮。高速摄像头和频闪激光器同步运行，并通过和激光波段相同的窄带滤波片进一步抑制电弧光。该方法可以在等离子、脉冲非熔化极气体保护焊（GasTungstenArcWelding,GTAW）等焊机过程中获得了清晰的熔池图像。图1（b）为GTAW焊接过程采集到的熔池图像，可以看出熔池图像清晰，可以从中提取熔池宽度、熔池边缘和熔池后拖角等信息。（a）（b）图1.1频闪视觉熔池图像传感：（a）原理图；（b）GTAW焊接过程的熔池图像。1996年美国肯塔基大学Kovacevic等搭建了如图1.2所示的主动熔池视觉成像系统，研究用极坐标模型表征熔池几何信息[11,12]。试验中采用337nm脉冲激光，激光的平均功率为7mW，单个脉冲持续时间为3ns，脉冲激光的功率可达50kW。控制相机与脉冲激光同步，在脉冲持续期间，激光功率远大于电弧光强。在GTAW焊接不锈钢时，熔池表面发生镜面反射，未融化的母材部分发生漫反射，利用图像处理算法对采集到的不同形状的熔池图像提取熔池的轮廓，并用极坐标方程来拟合熔池边界，如图1.3所示：图1.2主动激光熔池成像系统示意图
硕士学位论文熔池视觉与焊缝三维信息获取技术3图1.3熔池图像和对应的边界图2007年山东大学高进强等人搭建了与Kovacevic类似的系统，使用脉冲激光作为主动照明光源，拍摄低碳钢熔化极活性气体保护电弧焊（MetalActiveGas,MAG）焊接过程中的熔池图像，并提取熔池图像的轮廓信息，如图1.4所示：图1.4熔池图像2008年南昌大学汪岩锋等搭建了如图1.5所示的实验系统[14]。该系统用小功率激光器作为辅助光源，激光经光栅调制在熔池表面形成变形激光条纹，选择合适的激光入射角角度和CCD拍摄角度，成功地采集到熔池区域的变形条纹，熔池表面的变形条纹反映了熔池的下榻或上凸，并可以以此为基础计算熔池的几何参数。不同电流和不同焊速采集到的熔池图像如图1.6所示：图1.5熔池主动成像系统（a）（b）（c）（d）图1.6拍摄到的熔池图像：（a）电流40A、焊速120mm/min；（b）电流40A、焊速110mm/min；（c）电流50A、焊速120mm/min；（d）电流50A、焊速110mm/min。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属增材制造技术[J]. 赵剑峰,马智勇,谢德巧,韩雪谦,肖猛. 南京航空航天大学学报. 2014(05)
[2]基于红外透过滤光片的P-GMAW熔池图像传感[J]. 梁志敏,赵双双,张梅梅,高洪明. 焊接学报. 2014(02)
[3]图像对比度增强研究的进展[J]. 王俊平,李锦. 电子科技. 2013(05)
[4]基于激光视觉的脉冲GTAW熔池振荡检测与分析[J]. 石玗,张刚,马晓骥,樊丁. 机械工程学报. 2012(24)
[5]MAG焊熔池图像各区域定义及近似熵分析[J]. 高飞,王克鸿,梁永顺,詹兰兰,张燕. 焊接学报. 2012(10)
[6]基于极线约束的机器人双目视觉水下焊缝特征匹配研究[J]. 肖心远,蒋波,倪江忠,严朝勇. 制造业自动化. 2012(10)
[7]TIG焊接过程中熔池对流形式的示踪分析[J]. 李冬杰,陆善平,李殿中,李依依. 焊接学报. 2011(08)
[8]面向无参考图像的清晰度评价方法研究[J]. 李祚林,李晓辉,马灵玲,胡玥,唐伶俐. 遥感技术与应用. 2011(02)
[9]基于有限差分法的焊接熔池中耦合场的数值模拟[J]. 王金铭,霍丹,常云龙,包常利. 沈阳工程学院学报(自然科学版). 2011(01)
[10]黑体辐射定律研究及验证[J]. 康永强,杨成全,姜晓云,刘炎松. 大学物理实验. 2010(04)
博士论文
[1]基于双目视觉的弧焊机器人焊缝三维信息获取研究[D]. 陈希章.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]基于双目结构光的三维测量技术研究[D]. 阳鹏程.浙江大学 2014
[2]基于激光视觉的GTAW熔池三维自由表面动态行为的可视化[D]. 张刚.兰州理工大学 2013
[3]铝合金双丝脉冲熔池视觉三维重建研究[D]. 孙科.南京理工大学 2010
[4]激光全熔透焊接304不锈钢的熔池及温度场特征研究[D]. 陈俊杰.武汉理工大学 2010
[5]基于结构光反射的GTAW熔池表面三维形貌检测[D]. 刘鸣宇.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3617861
【文章来源】：南京理工大学江苏省211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
频闪视觉熔池图像传感：（a）原理图；（b）GTAW焊接过程的熔池图像
1绪论硕士学位论文2根据焊接成像过程中光源是外加辅助光源还是焊接辐射光源，熔池视觉采集系统分为主动视觉成像法和被动视觉成像法。1.2.1主动视觉成像法主动视觉成像法一般采用激光作为辅助光源，由于激光能量密度高、光谱带宽窄，可抑制电弧光的干扰，已广泛应用于在焊接质量控制和焊缝跟踪系统中。1991年Agapakis等人提出了一种在高亮条件下检测目标的视觉方法，叫做“频闪视觉”[10]。该方法的原理图如图1.1（a）所示，由电子快门摄像机和高能量密度的激光组成，激光能量通过单根光纤电缆送到焊接现场，从熔池表面反射回来的激光比电弧的直射和反射光更亮。高速摄像头和频闪激光器同步运行，并通过和激光波段相同的窄带滤波片进一步抑制电弧光。该方法可以在等离子、脉冲非熔化极气体保护焊（GasTungstenArcWelding,GTAW）等焊机过程中获得了清晰的熔池图像。图1（b）为GTAW焊接过程采集到的熔池图像，可以看出熔池图像清晰，可以从中提取熔池宽度、熔池边缘和熔池后拖角等信息。（a）（b）图1.1频闪视觉熔池图像传感：（a）原理图；（b）GTAW焊接过程的熔池图像。1996年美国肯塔基大学Kovacevic等搭建了如图1.2所示的主动熔池视觉成像系统，研究用极坐标模型表征熔池几何信息[11,12]。试验中采用337nm脉冲激光，激光的平均功率为7mW，单个脉冲持续时间为3ns，脉冲激光的功率可达50kW。控制相机与脉冲激光同步，在脉冲持续期间，激光功率远大于电弧光强。在GTAW焊接不锈钢时，熔池表面发生镜面反射，未融化的母材部分发生漫反射，利用图像处理算法对采集到的不同形状的熔池图像提取熔池的轮廓，并用极坐标方程来拟合熔池边界，如图1.3所示：图1.2主动激光熔池成像系统示意图
硕士学位论文熔池视觉与焊缝三维信息获取技术3图1.3熔池图像和对应的边界图2007年山东大学高进强等人搭建了与Kovacevic类似的系统，使用脉冲激光作为主动照明光源，拍摄低碳钢熔化极活性气体保护电弧焊（MetalActiveGas,MAG）焊接过程中的熔池图像，并提取熔池图像的轮廓信息，如图1.4所示：图1.4熔池图像2008年南昌大学汪岩锋等搭建了如图1.5所示的实验系统[14]。该系统用小功率激光器作为辅助光源，激光经光栅调制在熔池表面形成变形激光条纹，选择合适的激光入射角角度和CCD拍摄角度，成功地采集到熔池区域的变形条纹，熔池表面的变形条纹反映了熔池的下榻或上凸，并可以以此为基础计算熔池的几何参数。不同电流和不同焊速采集到的熔池图像如图1.6所示：图1.5熔池主动成像系统（a）（b）（c）（d）图1.6拍摄到的熔池图像：（a）电流40A、焊速120mm/min；（b）电流40A、焊速110mm/min；（c）电流50A、焊速120mm/min；（d）电流50A、焊速110mm/min。
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属增材制造技术[J]. 赵剑峰,马智勇,谢德巧,韩雪谦,肖猛. 南京航空航天大学学报. 2014(05)
[2]基于红外透过滤光片的P-GMAW熔池图像传感[J]. 梁志敏,赵双双,张梅梅,高洪明. 焊接学报. 2014(02)
[3]图像对比度增强研究的进展[J]. 王俊平,李锦. 电子科技. 2013(05)
[4]基于激光视觉的脉冲GTAW熔池振荡检测与分析[J]. 石玗,张刚,马晓骥,樊丁. 机械工程学报. 2012(24)
[5]MAG焊熔池图像各区域定义及近似熵分析[J]. 高飞,王克鸿,梁永顺,詹兰兰,张燕. 焊接学报. 2012(10)
[6]基于极线约束的机器人双目视觉水下焊缝特征匹配研究[J]. 肖心远,蒋波,倪江忠,严朝勇. 制造业自动化. 2012(10)
[7]TIG焊接过程中熔池对流形式的示踪分析[J]. 李冬杰,陆善平,李殿中,李依依. 焊接学报. 2011(08)
[8]面向无参考图像的清晰度评价方法研究[J]. 李祚林,李晓辉,马灵玲,胡玥,唐伶俐. 遥感技术与应用. 2011(02)
[9]基于有限差分法的焊接熔池中耦合场的数值模拟[J]. 王金铭,霍丹,常云龙,包常利. 沈阳工程学院学报(自然科学版). 2011(01)
[10]黑体辐射定律研究及验证[J]. 康永强,杨成全,姜晓云,刘炎松. 大学物理实验. 2010(04)
博士论文
[1]基于双目视觉的弧焊机器人焊缝三维信息获取研究[D]. 陈希章.上海交通大学 2007
硕士论文
[1]基于双目结构光的三维测量技术研究[D]. 阳鹏程.浙江大学 2014
[2]基于激光视觉的GTAW熔池三维自由表面动态行为的可视化[D]. 张刚.兰州理工大学 2013
[3]铝合金双丝脉冲熔池视觉三维重建研究[D]. 孙科.南京理工大学 2010
[4]激光全熔透焊接304不锈钢的熔池及温度场特征研究[D]. 陈俊杰.武汉理工大学 2010
[5]基于结构光反射的GTAW熔池表面三维形貌检测[D]. 刘鸣宇.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3617861
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