CN101214574A

CN101214574A - 一种弧焊熔池图像自适应视觉传感***

Info

Publication number: CN101214574A
Application number: CNA2007100602078A
Authority: CN
Inventors: 李亮玉; 岳建锋; 隋修武; 王天琪
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2027-12-27
Also published as: CN100500354C

Abstract

本发明涉及一种弧焊熔池图像自适应视觉传感***，该***包括滤光单元、熔池图像采集单元和图像处理单元；滤光单元包括镜筒和其内按照入射光路依次放置的防护玻璃片、减光片和窄带滤光片；熔池图像采集单元包括相机及其电连接的触发电路，相机为CMOS相机，触发电路包括依次电连接的电流传感器、电压跟随器、电压比较器和电压跟随器；滤光单元的镜筒与熔池图像采集单元的CMOS相机之间机械连接；图像处理单元包括接口转换卡和计算机及软件，接口转换卡为独立的接口转换卡时，将其放置于计算机的主板插槽内，CMOS相机通过接口电缆与接口转换卡相连；接口转换卡集成为CMOS相机的USB接口时，CMOS相机通过USB电缆直接与计算机相连。

Description

一种弧焊熔池图像自适应视觉传感***

技术领域

本发明涉及焊接切割和传感器技术，具体为一种基于CMOS相机的弧焊熔池图像自适应视觉传感***，国际专利主分类号拟为Int.Cl.G01N 1/00(2006.01)。

背景技术

焊接的质量是焊接过程自动化的关键。焊缝尺寸，如熔宽、熔深等参数是影响焊接质量的重要因素，而熔池特征是对焊缝尺寸参数影响最为直接的因素。因而研究焊接过程中熔池特征的变化以及实现熔池某些参数的控制对焊接质量的保证有着重要的意义，同时根据熔池特征变化来控制焊接质量也是实现焊接智能化的一个重要组成部分。近年来，随着计算机视觉技术的发展，利用机器视觉直接观察焊接熔池，通过图像处理获取熔池特征的几何信息，对焊接质量进行闭环控制，已成为焊接切割技术重要的研究方向。

由于焊接熔池视觉图像包含了丰富的信息，因而在国内外，已有众多焊接研究人员提出了多种检测手段以及各自的传感机理，例如，“TIG焊接熔池形状参数的视觉检测”(高进强等，金属学报，2000年，1284～1288，第36卷12期)；“填丝脉冲GTAW熔池形状定义和图像处理”(赵冬斌等，焊接学报，2001年，5～9，第22卷02期)；“铝合金钨极氩弧焊熔池图像处理”(杜全营等，上海交通大学学报，2005年，1055～1057，第39卷07期)。在这些传感***中，对焊接熔池特征图像的提取一般都要借助CCD传感器来进行，并且研究工作主要集中于TIG焊接上。但是采用CCD传感器采集焊接熔池图像，一方面存在着动态范围小、熔池特征图像有“光晕(blooming)”等问题，导致CCD图像清晰度下降，影响成像的质量；特别是对于MIG焊接而言，其工作电流较大，工作频率较高，采用CCD传感器对MIG焊接熔池图像进行传感时，图像采集效果就更差；另一方面高速CCD图像传感器的曝光时间不能通过软件控制，难以实现焊接熔池图像处理的智能化和焊接质量控制的自动化。在申请人检索的范围内，尚未见到有关适用于MIG焊接的熔池图像几何特征提取、并采用CMOS相机取得较好技术效果的解决方案。

发明内容

针对现有技术的情况，本发明要解决的技术问题是，设计一种弧焊熔池图像自适应视觉传感***，该***基于CMOS相机，适应于MIG焊接工作电流大，存在强烈弧光干扰，工作频率高的特点，具有结构简单、可以通过软件设置CMOS相机的曝光时刻、曝光时间以及灰度压缩比，从而能够根据焊接参数的变化自动调整CMOS相机设定参数，获得清晰的弧焊熔池视觉图像。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种弧焊熔池图像自适应视觉传感***，该***包括滤光单元、熔池图像采集单元和图像处理单元；所述的滤光单元包括镜筒和其内按照入射光路依次放置的防护玻璃片、减光片和窄带滤光片；所述的熔池图像采集单元包括相机及其电连接的触发电路，所述相机为CMOS相机，所述的触发电路包括依次电连接的电流传感器、电压跟随器、电压比较器和电压跟随器；所述滤光单元的镜筒与熔池图像采集单元的CMOS相机之间机械连接；所述的图像处理单元包括接口转换卡和计算机及软件，所述接口转换卡为独立的接口转换卡时，将其放置于计算机的主板插槽内，所述的CMOS相机通过接口电缆与所述的接口转换卡相连；所述接口转换卡集成为CMOS相机的USB接口时，所述的CMOS相机通过USB电缆直接与计算机相连。

与现有技术相比，本发明弧焊熔池图像自适应视觉传感***因为采用新型的CMOS相机(CMOS图像传感器)及其触发电路设计，因而不仅能够适应TIG焊接，而且能够适应于工作电流大，存在强烈弧光干扰，工作频率高的MIG焊接，并且能够根据焊接规范的改变，通过软件技术自动调整CMOS相机的曝光时刻、曝光时间以及传感熔池图像的灰度压缩比，自动保持传感熔池图像的清晰，具有适用范围广、适应性强、结构简单、图像清晰、成本较低等特点。

附图说明

图1是本发明弧焊熔池图像自适应视觉传感***一种实施例的整体结构原理示意图。

图2是本发明弧焊熔池图像自适应视觉传感***一种实施例的CMOS相机与焊接熔池平面安装和工作角度示意图。

图3是本发明弧焊熔池图像自适应视觉传感***一种实施例的CMOS相机触发电路原理示意图。

图4是本发明弧焊熔池图像自适应视觉传感***一种实施例的CMOS相机触发电路具体结构示意图。

图5是本发明弧焊熔池图像自适应视觉传感***一种实施例的软件原理框图。

图6是本发明弧焊熔池图像自适应视觉传感***一种实施例所得到的熔池图像照片图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：

本发明设计的弧焊熔池图像自适应视觉传感***(以下简称传感***，参见图1-6)基于CMOS相机，包括滤光单元、熔池图像采集单元和图像处理单元。所述的滤光单元包括镜筒5和其内按照入射光路依次放置的防护玻璃片1、减光片2和窄带滤光片3；所述的熔池图像采集单元包括CMOS相机4及其触发电路6，所述滤光单元的镜筒5与熔池图像采集单元的CMOS相机4之间通过机械方式连接为一体，所述CMOS相机4按照入射光路设计排放在所述窄带滤光片3的后面；所述CMOS相机4还与触发电路6电连接；所述的触发电路包括依次电连接的电流传感器、电压跟随器、电压比较器和电压跟随器；所述的图像处理单元包括接口转换卡7和计算机8及软件；所述接口转换卡7为独立的接口转换卡(将其他接口如1394、cameralink等转换为PCI接口)时，将其放置于计算机8的主板插槽内，所述的CMOS相机4通过接口电缆与所述的接口转换卡7相连；所述接口转换卡7集成为CMOS相机4中的USB接口时，所述的CMOS相机4通过USB电缆直接与计算机8相连。

本发明传感***基于CMOS相机。所述的CMOS相机和传统CCD相机比较起来，在成像过程、集成度、电源、功耗和体积方面差异明显。这些差异性使CMOS相机比传统的CCD相机可以在焊接过程中能够获得更好、更清晰的熔池图像。特别是CMOS相机与CCD相机内部采用的核心传感器存在本质不同。CMOS相机内部采用了CMOS图像传感器。该传感器由于采用了不同的工艺，从而使其具有通过软件对曝光时刻、曝光时间(即通过设置相机曝光时间从而控制相机的曝光量)以及灰度压缩比进行设定的能力。具体看，CMOS相机和CCD相机的差异主要体现在以下方面：

(1)成像过程

CCD相机(CCD图像传感器)和CMOS相机(CMOS图像传感器)使用的光敏材料相同，因而受光后产生电子信号的基本原理相同，但是两者的读取过程不同：CCD图像传感器是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，整个电路非常复杂，信号读出速率慢；而CMOS图像传感器则以类似DRAM的方式读出信号，电路简单，信号读出速率高。

(2)集成度

CCD图像传感器读出电路比较复杂，因而很难将A/D转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能模块集成到一块芯片上，一般需要3～8个芯片组合实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压。而借助大规模集成制造工艺，CMOS图像传感器能够非常容易地把时序和控制电路、A/D转换、信号处理等功能模块集成到单一芯片上，大大减小了***复杂性，降低了成本。

(3)电源、功耗和体积

CCD图像传感器需多种电源供电，功耗较大，体积也比较大。而CMOS图像传感器只需一个单电源(3～5V)供电，结构简单，其功耗仅相当于CCD图像传感器的1/10；CMOS图像传感器功能模块高度集成，因而可以做的相当小，且一般都具备直接输出数字信号的能力。实施例的CMOS图像传感器体积仅有CCD图像传感器体积的1/2，并具有低功耗、单电源、低工作电压、可对局部像元随机访问等突出优点。

本发明传感***所述的触发电路6为采用CMOS相机而专门设计，它由依次电连接的电流传感器、电压跟随器、电压比较器以及电压跟随器构成(参见图3-4)。其中电流传感器用于传感焊接过程中较大的焊接电流，转变为较小的电压信号，之后电压信号经过电压跟随器实现阻抗匹配，匹配后的电压信号进入电压比较器与设定的阈值电压比较产生触发信号，产生的触发信号再次经过电压跟随器进行阻抗匹配实现小阻抗输出的触发信号给CMOS相机。所述的触发电路6可以实现CMOS相机的特定时刻熔池图像的预采集，预采集在此是指相机处于准备曝光阶段，具体曝光时刻还要由软件设置的相机延时时间决定。所述的触发电路6设计原理是：在焊接过程中，焊接电流大小不同，熔池图像受到的干扰也是不一样的，通过电流传感器12采集焊接电流11，得到与焊接电流11对应的模拟电压信号，通过电压比较器与给定的阈值电压进行比较，产生脉冲触发信号，从而在电流产生干扰较小时刻实现CMOS相机的熔池图像预采集，在此阈值电压大小由R5电位器调整来定，通过触发电路6实现CMOS相机在特定大小的电流时预采集熔池图像。在此基础上，再配合软件设定CMOS相机的延时，即可以实现最清晰时刻熔池图像的采集。

本发明传感***所述触发电路6的具体结构和工作原理过程为(参见图4)：电流传感器12有三个端子，其中两个为电源端子，另一个为信号输出端，电流传感器对焊接过程中的焊接电流11实时传感得到相对应的电压信号，通过电阻R1进入运算放大器1的同相输入端；与运算放大器1的反相端和输出端相连有一个电阻R2，构成电压跟随器，实现对电流传感器12输出电压信号的跟随，达到阻抗匹配的作用，实现大输入阻抗转换为小输出阻抗的目的。运算放大器1的输出端电压经过下拉电阻R3与地连接，实现抗干扰的目的，同时又通过电阻R4与运算放大器2的反相输入端相连；运算放大器2的同相输入端通过电阻R7与输出端相接，同时同相输出端又与电阻R6串连，R6的另一端与滑动电阻R5的输出端相连，滑动电阻R5的两端与电源和地相连，运算放大器2的输出端与电阻R8串联接地，此部分电路通过同相输入端提供阈值电压，此电压受控于可调电阻R5的输出端电压，阈值电压与电流传感器12采集的电压信号进行比较。该电压信号如果高于阈值电压，则输出电压为低，反之为高。运算放大器2输出端通过电阻R9与运算放大器3的同相端相连，运算放大器3反相端通过电阻R10与运算放大器3的输出端相连。该部分电路为电压跟随电路，与前一部分的电压跟随电路作用原理相同，不再赘述。运算放大器3的输出端并联稳压管D与电容C，稳压管D与电容C的另一端与地连接，起到对运算放大器3输出电压信号稳压和滤波的作用。

本发明传感***所述的软件可采用VB或VC高级语言编制而成，软件运行在Windows操作***下，并且在Windows环境中应安装CMOS相机的驱动程序和动态链接库，从而通过软件可实现对CMOS相机的操作和控制。

本发明传感***所述的软件原理框图如图5所示，在VB或VC编制的程序中首先对CMOS相机进行初始化设置，初始化设置要借助提供的相机动态链接库来完成，对相机的其他设置和操作也要通过动态链接库来完成。在焊接过程中，如果脉冲焊的焊接电流11频率发生变化，可以通过触发电路6产生触发脉冲信号给CMOS相机4，使相机处于预采集，同时根据焊接电流11的频率大小通过软件设定CMOS相机4曝光的延时时间，从而实现对最佳时刻最清晰的熔池图像进行采集；与此同时，焊接电流11频率发生变化对应的基值电流一般也相应改变，在此情况下基值电流产生的弧光强度发生变化，为了适应弧光照射下熔池图像反射强度发生的变化，对CMOS相机4的曝光时间和灰度压缩比进行设定。通过对相机曝光时间的设定可以实现对相机曝光量的控制，使拍摄的整幅熔池图像光照强度在合理的范围之内；通过对相机的灰度压缩比进行设定使图像的灰度值与实际光照强度不再保持为原来的线性模式，变为对数模式，此时CMOS相机4对光照强度动态响应范围将得到显著调整，从而保证CMOS相机4能够拍到光照强度相差很大的熔池图像，经过图像处理工作得到熔池尽可能全面的几何特征信息，为进一步的控制提供传感信息。本领域技术人员根据所述的原理和要求不难给出具体的软件程序。

本发明传感***所述的CMOS相机4与焊接工件10平面构成α角(即CMOS相机4中心线与焊接工件10水平面所成的夹角，具体参见图3。图中的9为焊枪，其与焊接工件10水平面垂直)，α角范围是10～60°。通过常规的机械装置可使CMOS相机4在10～60°的范围内进行熔池图像采集。根据需要，本发明传感***所述的CMOS相机4不限于实施例图示的位置，它可在焊接熔池前方、后方、左方或右方中的一个方向(前方、后方、左方或右方仅具有方向上的相对意义)上放置，以获取更好的熔池图像信息。

本发明传感***的工作过程如下：脉冲焊接时，在电弧光的照射下，焊接熔池反射光依次通过滤光单元中的防护玻璃片1、减光片2和窄带滤光片3后，在602-697nm的特定波段内的反射光被选取，而其他波段的干扰光线被大大减小，经过熔池图像采集单元成像在CMOS相机4上。所述触发电路6中电流传感器12传感焊接过程中的焊接电流11，转换成对应的电压信号，再通过电压比较器与设定阈值电压进行比较，产生触发信号给CMOS相机4，CMOS相机4在触发电路6的脉冲信号作用下，配合计算机8内部控制软件设定的触发延时时间，在基值电流特定时刻完成熔池图像采集。根据焊接电流11的基值变化通过计算机8内部的软件设置CMOS相机4相应的曝光时间和图像灰度压缩比(参见图5)，从而在脉冲焊一个周期中完成清晰焊接熔池图像的采集。熔池图像采集单元中CMOS相机4采集到的清晰熔池图像并转化为数字图像信号，通过接口转换卡7输送给计算机8。所述的接口转换卡7为独立的接口转换卡时，放于计算机8的主板插槽内，通过接口电缆与计算机8相连，将数字图像信号传输到计算机8；如果所述的接口转换卡7已集成在CMOS相机4内，并设有相应的USB接口时，所述的CMOS相机4可通过USB电缆直接与计算机8相连，将数字图像信号传输到计算机8。计算机8及软件可对接收到的数字图像信号进行相应的图像处理工作，完成焊接熔池图像几何特征信息的提取，为焊接质量的自动控制提供精确的焊接熔池传感特征信息。

本发明弧焊熔池图像自适应视觉传感***基于CMOS相机，其自适应体现在：1.能够根据焊接基值电流的大小变化，通过软件相应调整曝光时间，从而控制整幅熔池图像的曝光量。2.能够根据焊接电流频率的变化，配合触发信号，通过软件自动改变CMOS传感器曝光时刻，以采集到最清晰时刻的熔池图像。3.能够根据焊接电流频率的变化，通过软件设置熔池图像的灰度压缩比，有效降低熔池图像的局部灰度饱和问题。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面给出本发明传感***应用的具体实施例。但实施例不限制本发明的权利要求。

实施例1

采用本发明传感***对A3钢焊接熔池图像的提取处理。

试验条件如下：焊接方法：GMA脉冲焊；试验材料：A3钢；材料规格：40×200×3mm³；焊接电源：Lincoln F355i；电流频率：100Hz；电流形式：脉冲；计算机：Dell 170L；电流传感器：宇波模块CHBS00S；CMOS相机为photon focus的HURRICANE/THUNDER-40，本身集成有USB接口；CMOS相机与焊接工件夹角α为30°；滤光片参数：662±2nm；减光片参数：减光度70％；取像时刻：脉冲基值期间；焊接规范：取像基值电流为60A，焊接为协同焊，每种送丝速度对应特定的电流波形。通过软件根据焊接规范自动调节曝光时间、曝光时刻以及整幅图像的灰度压缩比。

具体实施过程如下：

焊丝采用H08Mn2SiA，对A3低碳钢悍件进行焊接试验，开启焊接电源(Lincoln F355i)，送丝机送丝速度选择为200in/min，其工作的基值电流为60A，频率为100Hz，焊接过程中产生电弧光，电弧光被熔池表面金属反射后，进入减光片，减光片的透光率为30％，然后经过滤光片(参数为662±2nm)，进入CMOS相机内并成像。在自动焊接之前，试验CMOS相机曝光时间、曝光时刻、灰度压缩比与焊接送丝速度的关系，离线编程，在自动焊接时运行程序。

在焊接过程中，运用以上技术对熔池图像进行自适应传感，并在CMOS相机内部转化为数字图像信号，通过USB电缆将图数字像信号传输到计算机内进行图像处理。

采用上述设备及试验条件，可以获取A3钢GMA脉冲焊接条件下清晰的焊接熔池图像(参见图6)。从图像中可以清楚地观察到正面熔池的边缘、熔池的金属堆积情况、焊丝的位置等焊接熔池图像特征信息。

Claims

1.一种弧焊熔池图像自适应视觉传感***，该***包括滤光单元、熔池图像采集单元和图像处理单元；所述的滤光单元包括镜筒和其内按照入射光路依次放置的防护玻璃片、减光片和窄带滤光片；所述的熔池图像采集单元包括相机及其电连接的触发电路，所述相机为CMOS相机，所述的触发电路包括依次电连接的电流传感器、电压跟随器、电压比较器和电压跟随器；所述滤光单元的镜筒与熔池图像采集单元的CMOS相机之间机械连接；所述的图像处理单元包括接口转换卡和计算机及软件，所述接口转换卡为独立的接口转换卡时，将其放置于计算机的主板插槽内，所述的CMOS相机通过接口电缆与所述的接口转换卡相连；所述接口转换卡集成为CMOS相机的USB接口时，所述的CMOS相机通过USB电缆直接与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的弧焊熔池图像自适应视觉传感***，其特征在于所述CMOS相机与焊接工件平面构成α角，α角范围是10～60°。

3.根据权利要求1或2所述的弧焊熔池图像自适应视觉传感***，其特征在于所述的CMOS相机可放置在焊接熔池前方、后方、左方或右方中的任一个方向上。