视觉传感与图像处理技术在焊接中应用实践.doc

视觉传感及图像处理技术在焊接中的应用 ApplicationofVisionSensingandImageProcessingTechnologyinWeldingEngineering 华南理工大学(广州?510641) 石永华 钟继光 刘 桑 王国荣 SouthChinaUniversityofTechnology SHIYong2huaetal 〔摘要〕 简述了视觉传感及计算机图像处理技术的基本原理,并对其在焊接工程中的应用现状和发展前景 进行了论述。 关键词:视觉传感器;图像处理;焊缝成形;焊缝跟踪;焊接机器人中图分类号:TP751 文献标识码:A [Abstract]Thebasicprinciplesofvisionsensingandimageprocessingaresummarized,andthentheirapplicationandfuturedevelopmentinweldingengineerngarediscussedinthispaper. Keywords:visionsensor;imageprocessing;beamforming;beamtracking;weldrobot 焊接传感器是一种对影响焊接过程的内部和外部条件进行检测,从而监测和控制焊接操作的探测器件或装置[1,2]。现代焊接技术向自动化、智能化方向的发展离不开传感系统对焊接过程参数和焊接质量参数的实时检测,传感技术因而已成为实现焊接自动化、智能化的关键技术。 据统计,焊工在焊接时判断过程是否正常和作必要的调整,所依据的信息来源,80%以上来自于直接观察(即视觉) [3] ,而视觉传感及计算机图像处理技术的 引入,赋予焊接系统“看”的功能,大大促进了焊接系统的智能化,是近二十年来焊接研究领域最重大的进展之一。 同其它焊接传感器相比,视觉传感器与焊接回路无关,具有提供的信息丰富,灵敏度和测量精度高,动态响应特性好,抗强电场和强磁场的干扰能力强,与工件无接触等优点,它适用于各种坡口形状,可以同时进行焊缝的跟踪和对焊接条件的实时控制,因此是最有发展前途的焊接传感技术。目前,视觉传感器及图像处理技术已经在焊缝跟踪、焊接熔透、熔宽、保护效果、熔池行为、弧长、焊速、焊丝的干伸长及熔滴的过渡形态、频率的控制,温度场监控、电弧诊断等领域得到应用。 1 视觉传感器及计算机图像处理 视觉传感器的功能是把光学图像转换为电信号,即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息 (可见光、激光、X射线、红外线、紫外线或电子轰击等), 转换为按时序串行输出的电信号———视频信号,而该视频信号能再现入射的光辐射图像。固体视觉传感器主要有三大类型[4],一种是电荷耦合器件(CCD),第二种是MOS图像传感器,又称自扫描光电二极管列阵 (SSPA),第三种是电荷注入器件(CID)。目前在焊接工 程中应用较广的是CCD摄像机,它又可分为线阵和面阵两种,线阵CCD摄取的是一维图像,而面阵CCD可摄取二维平面图像。 视觉传感器摄取的图像经空间采样和模数转换后变成一个灰度矩阵,送入计算机存储器中,称为数字图像。为了从图像中获得期望的信息,需要利用计算机图像处理系统对数字图像进行各种处理,将得到的控制信号送给各执行机构,从而再现焊接过程的控制。 由视觉传感器摄取的原始图像由于摄像过程中各种条件的限制和随机因素的干扰,往往要对其先进行图像变换、增强或恢复等预处理,从而过滤噪声、校正灰度和畸变等[15]。经过预处理的数字图像,可借助快速傅立叶变换(FFT)、小波变换、概率统计等数学工具进行图像的分析及理解、特征提取和模式识别。 2 视觉传感及图像处理技术在焊缝成形控制 中的应用 211 熔宽和熔深的实时检测与控制 为防止烧穿或未熔透,对单面焊双面成形或薄板焊接的焊缝成形进行实时检测是焊接研究的重要领域之一。随着视觉传感和计算机图像处理技术的不断发展,直接从焊接熔池图像中提取熔池宽度和深度信息已经成为可能。根据视觉传感器位置的不同,可分为背面和正面检测法、直接同轴检测法、滞后或超前检测法等[6,7,8]。 本领域的一个应用实例是在GTAW焊的条件下用CCD摄像机在焊缝正面对熔池的形状进行监测[7]。图1为熔池CCD监测及控制系统图,通过周期性地减少焊接电流,排除弧光干扰,可摄取清晰的熔池图像(图2)。通过计算机进行图象处理,采用人工神经网络 和模糊 图1 熔池CCD监测及控制系统[7] 图2 熔池表面图像 (a未处理,b处理后)[7] 控制理论模拟焊工对实际焊接时一旦情况发生变化所作的反应,计算并给出所需的焊接电流,实时地控制焊道的宽度,从而控制焊接熔深。该系统具有良好的控制特性和很高的控制精度,可用于实现GTAW焊的实时控制。 国内清华大学和哈工大等单位也在这方面