CN103264216B - 基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接***与工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接***，包括焊机***、电参数采集***、视觉传感器***、调节和控制***四个部分。本发明还公开了一种基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接工艺，步骤如下：（1）开始：根据待穿孔材料的材质、板厚选取合适的电流波形参数；（2）选取并设定好参数后，开始焊接，实时采集电流波形和背面小孔图像，然后将信息传输至计算机，计算小孔尺寸，并计算与设定值的偏差，至焊接结束。本发明将“一脉一孔”的焊接模式从4mm以下的不锈钢薄板焊接扩展到了8mm的中厚度板焊接；既能保证工件穿孔，又可以使小孔尺寸维持在预定值附近，有效防止熔池塌陷和烧穿的发生。

Description

基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接***与工艺

技术领域

本发明涉及一种基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接***与工艺，属于等离子弧焊接质量控制技术领域。

背景技术

与激光焊和电子束焊相比，穿孔等离子弧焊设备成本低，操作简单，接缝装配间隙适应性强，因而在各种合金材料结构的加工制造中有广阔应用前景。穿孔等离子弧焊接是一种高能量密度焊接工艺方法，但由于等离子弧独特的物理特性，常规的穿孔等离子弧焊接存在一些问题，如熔池小孔的稳定性差，对焊接工艺条件的变化比较敏感，获得良好接头质量的合理规范参数范围窄、可调裕度小。为解决这些问题，有研究者研发出“一脉一孔”的脉冲等离子弧焊接技术，但其采用的普通方波脉冲电流波形有一定局限性，一般只适用于薄板焊接。

为了将穿孔等离子弧焊接工艺应用于中厚度金属件的加工制造，本实验室自主研发出一套低成本、高效率焊接的受控脉冲穿孔等离子弧焊接***。该***对普通的方波脉冲做出进一步的改进，设计出脉冲后沿带两个缓降坡度的脉冲焊接电流波形，通过调节这两个下降斜率的大小，可以更加灵活地控制热输入和等离子流力。为实现对脉冲电流波形的实时调整，在工件背面放置一块金属测量板用于检测尾焰电压信号，其大小可以表征工件的穿孔状态（是否穿孔；穿孔的程度）。但是采用这样的尾焰电压检测方法只能得到间接的小孔开闭状态，能提供的小孔信息非常有限，无法给出小孔形状和尺寸的具体数据。

视觉传感器能提供更直接的信息。同其它传感器相比，视觉传感器因与焊接回路无电气联接且能够直接摄取背面小孔的图像,具有不接触、非惯性、信息量丰富、抗强电场和强磁场的干扰能力强、可靠性强、灵敏度和测量精度高、动态响应特性好等优点，而且避免了尾焰电压传感器的不利影响。如果能研制出合适的视觉传感器，测量出小孔形状与尺寸的直接信息，实现穿孔等离子弧焊接过程的闭环控制，无疑具有重要的工程应用价值。

发明内容

针对上述现有技术，针对穿孔等离子弧焊接工艺，本发明研发滤除等离子弧尾焰的视觉传感器，从工件背面拍摄小孔的图像；经图像处理和标定，获得小孔形状和尺寸的数据；根据实测的小孔形状和尺寸，在线调整脉冲电流的数值和下降斜率，主动地控制等离子弧的热-力作用和穿孔状态；实现穿孔等离子弧焊接质量的自动控制，拓展其适用的焊接工艺参数区间。这就是——基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接***与工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接***，包括焊机***、电参数采集***、视觉传感器***、调节和控制***四个部分，其中，焊机***包括等离子发生器和焊接电源，等离子发生器与焊接电源连接，焊接电源上连接有水冷箱；电参数采集***包括图像采集卡和数据采集卡，数据采集卡通过霍尔元件与焊接电源和工件相连，同时还通过ROB接口模块与焊接电源连接；视觉传感器***包括CCD摄像机，CCD摄像机与图像采集卡连接，CCD摄像机上装配有复合滤光装置，复合滤光装置由滤光片和中性减光片组成，滤光片中心波长638nm，带宽36nm，中性减光片透过率65%；调节和控制***为计算机，图像采集卡和数据采集卡分别与计算机连接，计算机内装有信息处理软件、控制软件等。

本发明的基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接***，能实现在采集焊接电流和背面小孔图像的同时，在线调节脉冲焊接电流波形参数，形成闭环控制。图1是该***的总体结构示意图。视觉传感器***实时拍摄工件背面小孔的图像，经计算机图像处理和标定，给出小孔形状和尺寸的测量数据。调节和控制***根据小孔形状和尺寸的测量值，对脉冲电流波形和数值进行调整，实现“一个脉冲一个小孔”的模式，既保证了焊件完全熔透，又避免了熔池塌陷和产生烧穿。

采用图像视觉传感器拍摄小孔图像的难点在于如何消除穿孔后在工件背面透出的等离子弧尾焰弧光的干扰。本发明自主研发出了复合滤光装置（由特定参数的减光片和滤光片组成），能有效滤除等离子弧尾焰弧光的干扰。将复合滤光装置于普通CCD摄像机装配于一体，得到了清晰的背面小孔图像。

一种基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接工艺，步骤如下：

（1）开始：根据待穿孔材料的材质、板厚选取合适的电流波形参数，包括基值电流I_B及其作用时间T_B，峰值电流I_P及其作用时间T_P，脉冲后沿的下降斜率K₁、K₂及其过渡时间T_K1、T_K2；

(2)选取并设定好参数后，开始焊接，CCD摄像机、复合滤光装置和霍尔元件实时采集电流波形和背面小孔图像，然后将信息传输至计算机，计算小孔尺寸，并计算与设定值的偏差：①若偏差小于给定值(给定值是背面小孔尺寸的期望值，根据具体母材和板厚预先设置)，则判断焊接时间是否达到预定值，若焊接时间达到预定值，则焊接结束，若焊接时间未达到预定值，则回到“实时采集电流波形和背面小孔图像”，进行下一个焊接循环；②若偏差大于给定值，则采用模糊神经元控制器做出决策，调整峰值电流IP、脉冲后沿的下降斜率K₁、K₂及I_K1、I_K2，调整后，回到“开始焊接”，进行下一个焊接循环；I_k1是在脉冲后沿第一个缓降阶段焊接电流从峰值下降之后的数值；I_k2是在脉冲后沿第二个缓降阶段焊接电流从_Ik1下降之后的数值。

优选的，本发明采用的受控脉冲电流波形如图2所示，涉及到的电流波形参数有：基值电流I_B及其作用时间T_B，峰值电流I_P及其作用时间T_P，脉冲后沿的下降斜率K₁、K₂及其过渡时间T_K1、T_K2。这些脉冲参数之间合理的匹配是保证受控脉冲穿孔控制策略成功的关键。

如图2所示，在焊接电流波形变化的一个完整的脉冲周期内，当焊接电流在峰值持续一段时间后，在t_o时刻，工件恰好形成穿孔，则在该时刻将焊接电流以一定的斜率K₁缓慢降低。由于K₁绝对值较小以及热惯性的影响，小孔尺寸仍会继续缓慢增大。当小孔尺寸满足设定值时，加大焊接电流的降低速度（下降斜率为K₂）；随着焊接电流的继续减小，热输入也相应减小，小孔慢慢变小，在时刻t_C闭合。经过基值电流作用时间（T_B）后，又是下一个周期的开始。重复上述过程和周期。采用这样的焊接电流波形，既可以保证熔池穿孔、工件熔透，实现“单面焊接、双面成形”，同时也可以保证相邻2个脉冲所形成的熔池相互搭接，实现良好的焊接成形。

不同材质、不同板厚焊接时，脉冲电流波形参数是不同的。本研究针对的6-8mm厚度不锈钢板，T_P和I_P是在保证焊透、穿孔的前提下选定的；***首先根据板厚选取足够高的I_P,以保证熔透和穿孔选取T_P，；接着依据相邻脉冲产生的熔透熔池能适当搭接的条件，确定T_B和I_B；而I_K1、I_K2的值取决于峰值电流I_P，如下式所示：

I_K1＝I_B+a%×(I_P-I_B)

IK2＝IB+(1-a)％×(IP-IB)

a为确定I_k1和I_k2值的中间参数，其大小介于0到1之间，即0<a<1。

焊接电流下降斜率K₁和K₂是在焊接过程中，根据控制算法实时调整的，是动态变化的，每个脉冲周期也都是不同的。但是，每个脉冲周期内，一旦知道了焊接电流下降斜率K₁和K₂，根据图2、上式、K₁和K₂，由以下公式计算：

T_K1＝K₁×[-(I_P-I_K1)]

T_K2＝K₂×[-(I_K1-I_K2)]

单位说明：时间：秒S，电流：安培A，小孔尺寸：面积（平方毫米）mm²。

本发明采用受控脉冲穿孔控制策略，设计出特殊的脉冲电流波形；将基于视觉检测的小孔形状与尺寸作为反馈信号来实时调节脉冲焊接电流波形参数，形成闭环控制，保证受控脉冲电流波形参数的合理匹配，从而控制小孔周期性的形成和闭合，既保证了焊件完全熔透，又避免了熔池塌陷和产生烧穿。提高穿孔等离子弧焊接过程的稳定性和鲁棒性，保证焊接质量。

所述调节和控制***的输入量（控制量）是小孔的面积；输出量（被控制量）是脉冲电流峰值及其作用时间以及两个后沿下降斜率。

本发明自主研发出模糊神经元控制器，通过大量的焊接试验得到优化的控制器参数。根据实际测试的小孔面积与其设定值之间的偏差值进行相应调整，来保证小孔尺寸处于期望范围，从而保证熔透和焊缝成形质量。图3是控制***原理框图，图4是***控制软件流程图。

本发明的模糊神经元控制器：

选用脉冲焊接电流峰值I_P作为控制量，背面小孔尺寸（面积）S_K作为被控制量。控制器采用双输入、单输出结构，如图5所示。控制器的输入变量为背面小孔面积的误差和误差变化率；控制器的输出变量为脉冲焊接电流峰值的变化。

误差的精确值用e表示，误差变化率的精确值用ce表示。则

e＝S_K(t)-S_G

ce＝S_K(t)-S_K(t-1)

式中S_K(t)为t时刻测出的背面小孔面积值；

S_K(t-1)为t－1时刻测出的背面小孔面积值；

S_G为背面小孔面积的给定值。

误差的模糊集合用E表示，误差变化率的模糊集合用CE表示。在该控制器中均采用7个语言变量值描述背面小孔面积的误差和误差变化率，即负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（O）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）。设误差语言变量、误差变化率语言变量的论域均为[－6，+6]。其隶属函数均取为等腰三角形的形式，见图6。

前提变量以模糊变量形式表示，而结论变量以常量表示。所有控制规则如表1所示。

模糊规则以如下形式表示：

模糊规则：IFEisNBandCEisNBthenuisu1

模糊控制规则中的u₁、u₂、…u₄₉均为精确值，该精确值可以通过单层神经网络的离线及在线自学习得到。

表1神经网络模糊控制器的控制规则

若此时经过采样得到的背面小孔面积误差和误差变化率的精确值经过论域转换得到e_i、ce_i，则此时得到的脉冲焊接电流变化量u由如下的方法求得：

第k规则的激活度：

式中E_k1,CE_k2分别为该规则所对应的误差模糊集合和误差变化率模糊集合。

第k规则的平均激活度为：

$a_k^{\&prime;}=\frac{a_k}{\underset{m=1}{\overset{49}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_m}$

式中是所有49条规则的激活度之和。

则可以推得结论：

$u=\underset{m=1}{\overset{49}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_k^{\&prime;}\&CenterDot;w_m$

本发明研发出适用的小孔图像处理算法和标定方法：

视觉检测***所能拍摄到典型的小孔图像如图7所示，从左到右依次是小孔前壁、小孔孔道、小孔后壁、尾焰，小孔周围有背景杂波。任选一条扫描线，画出沿该线的灰度值分布，如图8所示，可以看到，背景杂波频率较高，但峰值低于50；小孔区域左边缘和右边缘分别有灰度陡升和陡降，小孔内部有灰度突变区域但变化幅度没有边缘区域那么剧烈，因此可以通过比较灰度值的变化剧烈程度(阶跃)区分边缘点。

具体处理方法是，先将背景杂波去掉，并加强对比度；使用差分来反映灰度的变化，在x方向上一维差分的数学表达式：

▽f(x_i,y)＝f(x_i+1,y)-f(x_i,y)

式中，f(x_i,y)，f(x_i+1,y)分别表示点(x_i,y)，(x_i+1,y)处的灰度值，▽f(x_i,y)表示(x_i,y)处的灰度差分值。

对图8中的灰度曲线做差分得到灰度变化曲线，如图9所示，可以看到左边缘点对应的灰度变化峰值是最大的正值，右边缘点对应的灰度变化峰值为最小的负值。为了消除可能有的像素突变点，可对灰度梯度曲线做一次平滑滤波将突变点去掉，滤波算法如下式：

▽f(x_i,y)=▽f(x_i2,y)/3+▽f(x_i1,y)/3+▽f(x_i,y)/3

式中，各参数的含义同上，表示相对应坐标点处的灰度差分值。

平滑效果如图10所示。根据该曲线，可以提取到的小孔图像边界边缘点。在采集图像上逐行扫描，获得左、右两个边缘点；一系列边缘点的坐标对，描述出小孔图像的边界。

标定方法：如图11(a)所示，在摄像机前放置一个已知形状和尺寸的物体（同心矩形，相邻线段之间间距1.0mm），称为标定物。由摄像机获取该物体的图像，如图11(b)所示。然后，根据同心矩形实际尺寸和图像上的像素尺寸，确定出图像上沿X，Y方向上各自一个像素所代表的实际尺寸。

据此，可以计算出背面小孔的面积。

本发明根据拍摄的小孔图像序列，准确地提取了不同时刻小孔尺寸参数和位置参数。

本发明通过研发和设计“基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接工艺与***”，进行焊接工艺试验，分析试验结果，得到了以下几点结论：

（1）基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接工艺与***，将“一脉一孔”的焊接模式从4mm以下的不锈钢薄板焊接扩展到了8mm的中厚度板焊接；既能保证工件穿孔，又可以使小孔尺寸维持在预定值附近，有效防止熔池塌陷和烧穿的发生。

（2）本***能更加灵活地控制热输入和等离子流力，灵敏度和测量精度高、动态响应特性好，可以更有效地对穿孔状态做出响应，小孔的“开—闭—开”状态转换更加平稳，焊接过程稳定性得到改善，焊缝成形良好，正、反面熔宽均匀一致。

（3）当工件厚度发生50%的变化，导致散热条件发生巨大变化时，***调节过程迅速和有效，保证了焊接过程的平稳进行，焊缝成形质量良好。

附图说明

图1：本发明的基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接***的结构示意图。

图2：本发明的受控脉冲电流波形示意图。

图3：控制***原理框图。

图4：***控制软件流程图。

图5：神经网络模糊控制器框图。

图6：输入变量的模糊集定义。

图7：拍摄的原始小孔图像。

图8：典型的灰度值曲线（Y=237）。

图9：灰度差分曲线（Y=237）。

图10：将灰度差分曲线均值滤波后的曲线及搜索到的边缘点（Y=237）。

图11：视觉传感器的定标，其中，（a）：标定参照物；（b）：摄像头的标定。

图12：8mm厚度不锈钢板的焊接效果，其中，（a）：背面的焊缝成形；（b）：8mm厚度不锈钢板的焊接效果。

图13：本发明的基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接***的结构简图，其中，1、等离子发生器；2、焊接电源；3、水冷箱；4、图像采集卡；5、数据采集卡；6、霍尔元件；7、ROB接口模块；8、CCD摄像机；9、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接***，包括焊机***、电参数采集***、视觉传感器***、调节和控制***四个部分，如图1、图13所示，其中，焊机***包括等离子发生器1和焊接电源2，等离子发生器1焊接电源2连接，焊接电源2上连接有水冷箱3；电参数采集***包括图像采集卡4和数据采集卡5，数据采集卡5通过霍尔元件6与焊接电源2和工件相连，同时还通过ROB接口模块7与焊接电源2连接；视觉传感器***包括CCD摄像机8，CCD摄像机8与图像采集卡4连接，CCD摄像机8上装配有复合滤光装置，复合滤光装置由滤光片和中性减光片组成，滤光片中心波长638nm，带宽36nm，中性减光片透过率65%；调节和控制***为计算机9，图像采集卡4和数据采集卡5分别与计算机9连接，计算机9内装有信息处理软件、控制软件等。

上述基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接***，能实现在采集焊接电流和背面小孔图像的同时，在线调节脉冲焊接电流波形参数，形成闭环控制。图1是该***的总体结构示意图。视觉传感器***实时拍摄工件背面小孔的图像，经计算机图像处理和标定，给出小孔形状和尺寸的测量数据。调节和控制***根据小孔形状和尺寸的测量值，对脉冲电流波形和数值进行调整，实现“一个脉冲一个小孔”的模式，既保证了焊件完全熔透，又避免了熔池塌陷和产生烧穿。

实施例一种基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接工艺

步骤如下：

（1）开始：根据待穿孔材料的材质、板厚选取合适的电流波形参数，包括基值电流I_B及其作用时间T_B，峰值电流I_P及其作用时间T_P，脉冲后沿的下降斜率K₁、K₂及其过渡时间T_K1、T_K2；

（2）选取并设定好参数后，开始焊接，CCD摄像机、复合滤光装置和霍尔元件实时采集电流波形和背面小孔图像，然后将信息传输至计算机，计算小孔尺寸，并计算与设定值的偏差：①若偏差小于给定值（给定值是背面小孔尺寸的期望值，根据具体母材和板厚预先设置），则判断焊接时间是否达到预定值，若焊接时间达到预定值，则焊接结束，若焊接时间未达到预定值，则回到“实时采集电流波形和背面小孔图像”，进行下一个焊接循环；②若偏差大于给定值，则采用模糊神经元控制器做出决策，调整峰值电流I_P、脉冲后沿的下降斜率K₁、K₂及I_K1、I_K2，调整后，回到“开始焊接”，进行下一个焊接循环。

本发明采用的受控脉冲电流波形如图2所示，涉及到的电流波形参数有：基值电流I_B及其作用时间T_B，峰值电流I_P及其作用时间T_P，脉冲后沿的下降斜率K₁、K₂及其过渡时间T_K1、T_K2。这些脉冲参数之间合理的匹配是保证受控脉冲穿孔控制策略成功的关键。

如图2所示，在焊接电流波形变化的一个完整的脉冲周期内，当焊接电流在峰值持续一段时间后，在t_o时刻，工件恰好形成穿孔，则在该时刻将焊接电流以一定的斜率K₁缓慢降低。由于K₁绝对值较小以及热惯性的影响，小孔尺寸仍会继续缓慢增大。当小孔尺寸满足设定值时，加大焊接电流的降低速度（下降斜率为K₂）；随着焊接电流的继续减小，热输入也相应减小，小孔慢慢变小，在时刻t_C闭合。经过基值电流作用时间（T_B）后，又是下一个周期的开始。重复上述过程和周期。采用这样的焊接电流波形，既可以保证熔池穿孔、工件熔透，实现“单面焊接、双面成形”，同时也可以保证相邻2个脉冲所形成的熔池相互搭接，实现良好的焊接成形。

不同材质、不同板厚焊接时，脉冲电流波形参数是不同的。本研究针对的6-8mm厚度不锈钢板，T_P和I_P是在保证焊透、穿孔的前提下选定的；***首先根据板厚选取足够高的I_P,以保证熔透和穿孔选取T_P，；接着依据相邻脉冲产生的熔透熔池能适当搭接的条件，确定T_B和I_B；而I_K1、I_K2的值取决于峰值电流I_P，如下式所示：

I_K1＝I_B+a%×(I_P-I_B)

I_K2＝I_B+(1-a)%×(I_P-I_B)

焊接电流下降斜率K₁和K₂是在焊接过程中，根据控制算法实时调整的，是动态变化的，每个脉冲周期也都是不同的。但是，每个脉冲周期内，一旦知道了焊接电流下降斜率K₁和K₂，根据图2、上式、K₁和K₂，由以下公式计算：

T_K1＝K₁×[-(I_P-I_K1)]

T_K2＝K₂×[-(I_K1-I_K2)]

单位说明：时间：秒S，电流：安培A，小孔尺寸：面积（平方毫米）mm²。

所述调节和控制***的输入量（控制量）是小孔的面积；输出量（被控制量）是脉冲电流峰值及其作用时间以及两个后沿下降斜率。

本发明的模糊神经元控制器：图3是控制***原理框图，图4是***控制软件流程图。

选用脉冲焊接电流峰值I_P作为控制量，背面小孔尺寸（面积）S_K作为被控制量。控制器采用双输入、单输出结构，如图5所示。控制器的输入变量为背面小孔面积的误差和误差变化率；控制器的输出变量为脉冲焊接电流峰值的变化。

误差的精确值用e表示，误差变化率的精确值用ce表示。则

e＝S_K(t)-S_G

ce＝S_K(t)-S_K(t-1)

式中S_K(t)为t时刻测出的背面小孔面积值；

S_K(t-1)为t－1时刻测出的背面小孔面积值；

S_G为背面小孔面积的给定值。

误差的模糊集合用E表示，误差变化率的模糊集合用CE表示。在该控制器中均采用7个语言变量值描述背面小孔面积的误差和误差变化率，即负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（O）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）。设误差语言变量、误差变化率语言变量的论域均为[－6，+6]。其隶属函数均取为等腰三角形的形式，见图6。

前提变量以模糊变量形式表示，而结论变量以常量表示。所有控制规则如表1所示。

模糊规则以如下形式表示：

模糊规则：IFEisNBandCEisNBthenuisu1

模糊控制规则中的u₁、u₂、…u₄₉均为精确值，该精确值可以通过单层神经网络的离线及在线自学习得到。

若此时经过采样得到的背面小孔面积误差和误差变化率的精确值经过论域转换得到e_i、ce_i，则此时得到的脉冲焊接电流变化量u由如下的方法求得：

第k规则的激活度：

式中E_k1,CE_k2分别为该规则所对应的误差模糊集合和误差变化率模糊集合。

第k规则的平均激活度为：

$a_k^{\&prime;}=\frac{a_k}{\underset{m=1}{\overset{49}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_m}$

式中是所有49条规则的激活度之和。

则可以推得结论：

$u=\underset{m=1}{\overset{49}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_k^{\&prime;}\&CenterDot;w_m$

所述计算小孔尺寸适用的小孔图像处理算法和标定方法如下：

视觉检测***所能拍摄到典型的小孔图像如图7所示，从左到右依次是小孔前壁、小孔孔道、小孔后壁、尾焰，小孔周围有背景杂波。

具体处理方法是，先将背景杂波去掉，并加强对比度；使用差分来反映灰度的变化，在x方向上一维差分的数学表达式：

▽f(x_i,y)＝f(x_i+1,y)-f(x_i,y)

式中，f(x_i,y)，f(x_i+1,y)分别表示点(x_i,y)，(x_i+1,y)处的灰度值，▽f(x_i,y)表示(x_i,y)处的灰度差分值。

对图8中的灰度曲线做差分得到灰度变化曲线，如图9所示，可以看到左边缘点对应的灰度变化峰值是最大的正值，右边缘点对应的灰度变化峰值为最小的负值。为了消除可能有的像素突变点，可对灰度梯度曲线做一次平滑滤波将突变点去掉，滤波算法如下式：

▽f(x_i,y)=▽f(x_i2,y)/3+▽f(x_i1,y)/3+▽f(x_i,y)/3

式中，各参数的含义同上，表示相对应坐标点处的灰度差分值。

平滑效果如图10所示。根据该曲线，可以提取到的小孔图像边界边缘点。在采集图像上逐行扫描，获得左、右两个边缘点；一系列边缘点的坐标对，描述出小孔图像的边界。

标定方法：如图11(a)所示，在摄像机前放置一个已知形状和尺寸的物体（同心矩形，相邻线段之间间距1.0mm），称为标定物。由摄像机获取该物体的图像，如图11(b)所示。然后，根据同心矩形实际尺寸和图像上的像素尺寸，确定出图像上沿X，Y方向上各自一个像素所代表的实际尺寸。

据此，可以计算出背面小孔的面积。

实验采用8mm厚度的304不锈钢板开展穿孔等离子弧焊接工艺的控制实验

等离子弧焊枪喷嘴直径和孔道长度分别2.8mm和3mm，钨极内缩量2mm，喷嘴到工件距离5mm。离子气和保护气体为纯氩，流量分别为3.2L/min和20L/min。焊接速度为120mm/min。I_p=200A,I_B=130A，T_P和T_B在实验过程中由程序确定。实施受控脉冲控制策略的背面小孔面积给定值是1.5mm²。采用本发明，穿孔等离子弧焊接的焊缝成形良好、穿孔状态均匀、完全熔透、背面熔宽一致，典型焊缝如图12所示。说明本发明的技术方案是可以实现的，能够适用于8mm的中厚度板。

Claims (4)

1.一种基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接***，其特征在于：包括焊机***、电参数采集***、视觉传感器***、调节和控制***四个部分，其中，焊机***包括等离子发生器和焊接电源，等离子发生器与焊接电源连接，焊接电源上连接有水冷箱；电参数采集***包括图像采集卡和数据采集卡，数据采集卡通过霍尔元件与焊接电源相连，同时还通过ROB接口模块与焊接电源连接；视觉传感器***包括CCD摄像机，CCD摄像机与图像采集卡连接，CCD摄像机上装配有复合滤光装置，复合滤光装置由滤光片和中性减光片组成，滤光片中心波长638nm，带宽36nm，中性减光片透过率65％；调节和控制***为计算机，图像采集卡和数据采集卡分别与计算机连接。

2.一种基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接工艺，其特征在于：步骤如下：

(1)开始：根据待穿孔材料的材质、板厚选取合适的电流波形参数，包括基值电流I_B及其作用时间T_B，峰值电流I_P及其作用时间T_P，脉冲后沿的下降斜率K₁、K₂及其过渡时间T_K1、T_K2；

(2)选取并设定好参数后，开始焊接，CCD摄像机、复合滤光装置和霍尔元件实时采集电流波形和背面小孔图像，然后将信息传输至计算机，计算小孔尺寸，并计算与设定值的偏差：①若偏差小于给定值，则判断焊接时间是否达到预定值，若焊接时间达到预定值，则焊接结束，若焊接时间未达到预定值，则回到“实时采集电流波形和背面小孔图像”，进行下一个焊接循环；②若偏差大于给定值，则采用模糊神经元控制器做出决策，调整峰值电流I_P、脉冲后沿的下降斜率K₁、K₂及I_K1、I_K2，调整后，回到“开始焊接”，进行下一个焊接循环；

I_k1是在脉冲后沿第一个缓降阶段焊接电流从峰值下降之后的数值；I_k2是在脉冲后沿第二个缓降阶段焊接电流从I_k1下降之后的数值。

3.根据权利要求2所述的基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接工艺，其特征在于：所述电流波形参数满足以下条件：

首先根据板厚选取足够高的I_P，以保证熔透和穿孔选取T_P；接着依据相邻脉冲产生的熔透熔池能适当搭接的条件，确定T_B和I_B；而I_K1、I_K2的值取决于峰值电流I_P，如下式所示：

I_K1＝I_B+a×(I_P-I_B)

I_K2＝I_B+(1-a)×(I_P-I_B)

每个脉冲周期内，一旦知道了焊接电流下降斜率K₁和K₂，由以下公式计算：

T_K1＝K₁×[-(I_P-I_K1)]

T_K2＝K₂×[-(I_K1-I_K2)]

单位说明：时间：秒S，电流：安培A；

其中，a为确定I_k1和I_k2值的中间参数，其大小介于0到1之间，即0<a<1。

4.根据权利要求2所述的基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接工艺，其特征在于：所述计算小孔尺寸适用的小孔图像处理算法和标定方法如下：

视觉检测***拍摄到小孔图像，小孔周围有背景杂波；

先将背景杂波去掉，并加强对比度；使用差分来反映灰度的变化，在x方向上一维差分的数学表达式：

$\&dtri;f(x_i,y)=f(x_{i+1},y)-f(x_i,y)$

式中，f(x_i,y)，f(x_i+1,y)分别表示点(x_i,y)，(x_i+1,y)处的灰度值，表示(x_i,y)处的差分值；

对灰度曲线做差分得到灰度变化曲线，对灰度变化曲线做一次平滑滤波将突变点去掉，滤波算法如下式：

$\&dtri;f(x_i,y)=\&dtri;f(x_{i-2},y)/3+\&dtri;f(x_{i-1},y)/3+\&dtri;f(x_i,y)/3$

式中，各参数的含义同上，表示相对应坐标点处的灰度差分值；

在采集图像上逐行扫描，获得左、右两个边缘点；一系列边缘点的坐标对，描述出小孔图像的边界；

标定方法：在摄像机前放置一个已知形状和尺寸的物体，称为标定物，由摄像机获取该物体的图像，然后，根据同心矩形实际尺寸和图像上的像素尺寸，确定出图像上沿X，Y方向上各自一个像素所代表的实际尺寸，据此，计算出背面小孔的面积。