CN107635715A - 自动焊接平移平台 - Google Patents

Abstract

一种自动焊接装置包括照相机(104)、处理电路(102；122)、焊炬(114)和机电子***(124)。照相机可操作以利用可见光和/或红外波长光捕获一个或多个工件的高动态范围图像。处理电路(102；122)可操作以处理所述图像，用于确定所述一个或多个工件的物理特性。处理电路(102；122)还可操作以在通过所述焊炬焊接所述一个或多个工件期间产生基于所确定的一个或多个工件的物理特性的电信号，所述电信号用于在所述一个或多个工件的焊接期间控制自动焊接装置的一个或多个焊接参数。机电子***(124)可操作以将所述电信号转换为所述自动焊接装置的一个或多个焊接参数。

Description

自动焊接平移平台

优先权要求

本申请要求下述申请的优先权，其通过引用并入本文：2015年1月7日提交的题为“缝跟踪焊接平移平台”的美国临时专利申请62/100,531。

背景技术

通过将常规焊接方法与本公开的其余部分中提出的方法和***的一些方面进行比较，并参考附图，对于本领域技术人员来说，常规焊接方法的局限性和缺点将变得显而易见。

发明内容

基本上如结合至少一个附图所示出和/或描述的，亦如权利要求中更全面地阐述的，提供了用于自动焊接平移平台的方法和***。

附图说明

图1A-1C示出了根据本公开的示例性实施方式的示例性焊接平移平台。

图2是示出了根据本公开的示例实施方式的焊接接头边缘检测的示例性过程的流程图。

图3描绘了捕获的要被焊接的接头的示例图像。

图4A和4B示出了图1的焊接平移平台的接头配合的确定。

图5示出了在焊接平移平台之间传送焊接接头信息的***。

图6A-6E描绘了由图1的焊接平移平台的照相机捕获的示例图像。

图7示出了帧捕获与GMAW焊接应用中的短路周期同步的示例性实施方式。

图8示出了帧捕获与焊接电流同步的示例性实施方式。

具体实施方式

本公开的各方面提供了基于动态反馈和/或前馈的自动焊接装置的控制。本公开的各方面提供了使用基于光学照相机的***与相关电路的焊接接头的一个或多个边缘的识别和动态跟踪。可以使用本公开的各方面来自动化用于将管道焊接在一起的自动焊接平移平台(“电焊头”)的动态衡向跟踪。在一个示例性实施方式中，该***包括：用于捕获图像(例如，对应于图3中的视场300的图像302)的照相机(光学和图像传感器)；电路(例如，图像处理器102)，所述电路用于对所述图像执行实时处理，以执行用于提取特征并确定焊炬接触尖端和焊接接头之间的相对位置的算法；以及下述电路，其用于命令、控制或以其他方式影响焊炬相对于焊接接头的横向定位(通过电气控制的马达、伺服机构等，或通过焊接操作员的指导)。

参考图1A-1C，其示出了通过焊接平移平台(或“电焊头”)100在公共焊接接头120处连接在一起的两个管道118a和118b，所述焊接平移平台经由轨道116连接到管道118a和118b中之一或两者。图1C还示出了为焊接供电的电源126。

例如，轨道116包括(例如，通过磁体等夹持、支持)临时连接到管道的金属带(或链)和/或框架。轨道116引导并且可能有助于推进管道周围的电焊头100。轨道116和/或管道118a和118b可以包括作为参考点(“基准”)的标记、传感器、发射器、磁体和/或其它特征。图5中示出了示例性标记520a和520b。然后，可以将电焊头100收集的数据引用到沿轨道116其被收集的位置，使得随后安装到轨道116的电焊头可以确定来自电焊头100的哪个数据应用于沿着轨道的哪个点。可以一起存储(例如，存储在照相机104的存储器中、电焊头100的存储器中和/或与照相机104和/或电焊头100通信耦合的服务器的存储器中)照相机104沿着接头120捕获的特定位置的数据以及在该位置捕获的基准。可以在焊接期间或在不发生焊接的焊道操作期间执行上述操作。然后，在随后的焊道操作期间，电焊头100(通过照相机104)只在基准处观察而不观察接头、从存储的数据中查找接头的几何形状(例如，接头的一个或多个边缘的位置)、以及发送对应的控制信号给电焊头100的各种组件。该方法的有益效果是：可以使用相同的照相机104用于在随后的焊道操作中调用数据，而不需要额外的定位***(例如，GPS)的成本。另一个有益效果是：照相机可以物理上远离具有电弧和火花的恶劣环境。可以不必专门设计照相机104用于焊接。照相机104可以支持高动态范围(HDR，有时也称为中动态范围、超高动态范围和宽动态范围)技术。在所述技术中，可以捕获变化范围为60dB或更高范围的光强度。HDR技术可以使用以下中的一个或多个：成像设备的非线性或对数响应、局部适应(也称为人造视网膜)、阱容调整、空间变化的曝光时间、到饱和的积分时间的逐像素控制、具有不同的积分时间的多个捕获的融合。

照相机104可以支持同步方式，使得只有当电极和工件之间的电压低于确定的阈值(例如，在不存在电弧的短路周期期间)和/或当所述电极和工件之间流动的电流低于确定的阈值时，才可以获取图像。照相机可以同时采用(1)HDR和(2)电压电流、功率和/或控制信号的同步状态。相比激光扫描仪，灰度成像的成本效益更高。通常，灰度成像的效益比激光扫描仪的效益增加了10倍。但是，灰度成像会受到电弧的干扰。在较低电弧亮度期间，HDR和“选择性”图像捕获可以克服其对灰度机的视觉限制，而且成本低。可以预先记录接头的一个或多个边缘的位置、包括高低分布和间隙的接头的几何形状、以及同一电焊头上的作为根部焊道焊接的基准参考。或者，分别预先记录所述数据，就像在端面加工机床中操作的那样。然后，可以仅通过查看基准参考和调用接头/接头数据，将所述数据用于根部焊道操作、热焊道操作、填充焊道操作和盖面焊道操作。

在示例性实施方式中，基准(例如，520a)可以是用于光学识别的图案条，其沿着管道接头改变，并且可以被标记到沿着接头和接头的几何形状的位置。所述图案条可以以与轨道116类似的方式绕过所述管道。可以将所述图案条激光蚀刻到邻近接头的管道中，作为端面车削/切割操作的一部分。可选地或另外地，所述图案条可以通过粘合剂连接到管道118a和/或118b。在示例性实施方式中，所述图案条可以是用于定位的高对比度的QR码状的图案。在另一示例性实施方式中，所述图案条可以是随机/不规则的斑点图案。由于斑点图案的随机性质，其在每个管道位置上将是独一无二的。因此，所述斑点图案可用于唯一标记管道上的特定点，其中，在所述特定点捕获了该接头的数据。可以使用低成本、低功率的激光器来标示所述管道的表面，以产生斑点效应。

电焊头100包括图像处理器102、具有透镜106的照相机104、光学罩108、外壳110、照明子***112、焊炬114、控制器122、电动机/伺服器/致动器子***124、传感器128和收发器130。

照相机104包括一个或多个成像设备(例如，CCD、CMOS、MCT检测器阵列、InGaAs检测器阵列、GaAs检测器阵列、AlGaAs检测器阵列、HdCdTe检测器阵列、以及LnSb检测器阵列)以及用于获取图像并且将图像发送给图像处理器102的相关驱动器电路。照相机104可以包括具有全局快门的成像设备。照相机104可以包括单色成像设备。所述单色成像设备可以在减少(相对于彩色成像设备)将要发送和处理的图像数据的带宽的同时，提供足够的图像特征。为了透镜106，通过将安装的照相机104(例如，通过如图所示的支架150安装)与焊接接头120之间间隔适当的距离，成像设备的像素的密度和数量可以使图像中心附近的横向分辨率为约每个像素0.05mm。需要以额外的图像处理计算能力为代价，来获得更高的分辨率。照相机104与待成像的接头120和/或管道118的表面之间较短的距离更有益于检测图像中的特征，但是所述距离必须适度，以将照相机104放置在一个保护更多、机械操作方便的位置。

照相机104的成像设备可以是高动态范围(HDR)成像设备，其用于在当其被暴露于高对比度视场时，产生可用的图像。其中，所述高对比度视场包括相同图像帧内范围非常宽的入射光。可以通过从照相机视场中排除非常接近电弧的焊接电弧和/或焊接区域来减少成像设备所需的动态范围。可以使用照明子***112照亮视场来减少成像设备所需的动态范围，照明子***112输出的亮光可以降低在照相机104的视场内的管道118的区域中产生的明亮的、闪烁的焊接电弧光而造成的对比度。

可以使用透镜106上的光学带通滤波器来减少明亮的焊接电弧光的影响，从而降低成像设备的必需的对比度。可以在透镜106上使用滤光器，使得来自焊接电弧/焊接熔池和附近区域的光在到达成像设备之前被衰减，而来自远离焊接电弧的区域(的光的衰减很弱，甚至没有衰减。这种滤波器可以是具有两个光衰减级别区域或光衰减梯度的固定滤波器，或者也可以是电子控制滤波器，其类似于在焊接头盔透镜罩上使用的那些滤波器。

然而，当照相机104包括HDR成像设备时，与照相机包括非HDR成像设备相比，曝光时间可能更短，帧速率可能更快。如下所述，这可能会增加焊接飞溅的抗干扰性。

参考图7，在示例性实施方式中，解决电弧亮度导致图像不可用(例如，全白图像)的问题需要避免在电弧存在时捕获图像，并且，仅在GMAW焊接过程的短路阶段捕获图像。短路是指实心焊丝上悬着的液态金属接触到焊池，并且电弧瞬间熄灭的现象。例如，在短路过程中可能会不经意地发生米勒熔敷金属控制工艺(注册商标；Miller’s Regulated MetalDeposition)，其中，在所述熔敷金属控制工艺期间，还未规划短路开始。在这种情况下，传感器可以检测短路，并且在检测到短路时，传感器触发照相机104来捕获帧。在所示的示例中，在时间T1和T3处存在电弧；在时间T2和T4处发生短路。这会触发在时间T2处捕获帧F1，并且在时间T4处捕获帧F2。因此，在没有电弧，也没有挑战性的电弧焊接机器视觉问题的情况下捕获了这些帧，使得可以对所述帧执行机器视觉。如本文所述，可以组合在一系列短路{(F1，T2)，(F2，T4)，...}期间按时间顺序拍摄的帧，用于诸如接头跟踪和穿透度控制的过程控制。在示例性实施方式中，可以使用电压传感器来检测短路。在另一在示例性实施方式中，可以使用快速作用的光电二极管来检测短路。

在示例性实施方式中，脉冲喷射过渡而不是短路过渡可用于管道焊接。利用这种技术，可以保持较低的焊接电压，以在每个脉冲的下降斜坡处引起短路。利用这种技术，与焊接设备的编程相比，短时的短路可能与流体动力学更加相关；但是在短路持续时间足够长/图像曝光足够快的情况下，可以采用类似的基于反馈的同步方式在短路期间捕获图像的时间序列。

另一种技术是米勒可控短路(CSC)工艺，也称为往复送丝(RWF-GMAW)工艺。利用这种技术，相比于传统的CV短路过渡(也称为短弧浸渍过渡)，短路发生和持续时间更有预见性。在这种情况下，软件控制短路发生时间、短路持续时间(以便适应拍摄曝光时间)以及短路结束时间。在CSC/RWF的电弧阶段期间，所述工艺可以具有恒定的电流、恒定的电压、AC/DC、脉冲或其组合。有意的短路可能在1Hz到120Hz之间变化，但是通常地，每移动0.5毫米到2毫米的距离便发生一次。用于RWF的控制器可以与照相机图像捕获操作同步，使得可以在短路期间拍摄图像，并且可以在确定的时间以确定的帧速率拍摄图像。

参考图8，替代地或另外，可以将图像捕获与焊接电流波形同步化。例如，当在电极和工件之间流动的电流低于阈值(例如，阈值可能处于或刚好高于背景电流水平)时，可以触发图像捕获。例如，所述背景电流可以是10至50安培，并且该电流的电弧亮度可以比电流波形的峰处的电弧亮度低1至2个数量级。

在低电压、高速脉冲焊接中发生短暂的“晶须短路”期间，电弧强度也可以相对较低，并且适于图像捕获。这些晶须短路可能发生在脉冲波形的各个点处，包括峰电流结束时、电流斜降期间和/或背景电流开始存在时。因此，在示例性实施方式中，使用本文所述的方法和***，可以通过这种晶须短路触发图像捕获。

在示例性实施方式中，图像捕获可以与用于确定电弧强度的控制信号同步。举例来说，所述控制信号可以是波形发生器、状态机或逻辑序列固件的输出(例如，这种信号可以控制焊接电流的斜升和斜降)。例如，所述控制信号可以是控制电极织造图案(weavingpattern)的信号。该控制信号的状态可以对应于接头的壁和电极之间的距离，使得当电极接近(可能短暂地缩短距离)所述接头的壁时，触发所述图像捕获。在另一示例中，这种控制信号是控制送丝速度的信号(例如，为控制上述CSC/RWF工艺中的焊丝的往复动作的控制信号)。该控制信号的状态可以对应于焊丝延伸或缩回的状态，并且，例如，当信号的状态从延伸转换到缩回时，可以触发所述图像捕获。在又一示例中，这种控制信号是控制自动焊接装置的焊炬或自动焊接装置本身的运动的信号。在这种情况下，当出现下述信号时，可以触发所述图像捕获，例如，所述信号可以是：控制焊炬的织造的信号、控制自动焊接装置本身的织造的信号、控制焊丝/电极的旋转的信号，等等。

参考图1A-1C，使用HDR成像设备和/或短路同步图像捕获和/或其它技术(例如上述那些技术)以减弱明亮的电弧造成的影响，使得焊接电弧和/或焊接熔池可以在照相机的视场内。在这种情况下，图像处理器102可以执行图像处理算法以测量电弧和/或熔池的特性(例如，发射光的强弱、波长等)，来确定关于焊接穿透度的信息和/或执行预先焊接缺陷检测。图像处理器102可以基于焊接熔池的尺寸(例如，表面积、体积、宽度和/或深度)

执行用于估计焊接熔池的温度(例如，温度曲线或轮廓图)、发射光的波长和/或亮度的算法。在照相机用于捕获一定范围的波长的情况下，可以基于从部分熔池发射的光的波长来计算熔池的那部分的温度。

在示例性实施方式中，由于成本较低(仅一个透镜、一个成像设备和一个相关联的电子设备)而且相对于立体图像数据处理单目图像数据的计算要求较低，所以，照相机104是单目的。在这种实施方式中，图像处理器102可执行用于根据2D像素数据(可以与属于视场中的对象的已知维度的数据存储组合)推断3D信息的算法和/或使用结构化照明(例如，保护到管道118a和/或管道118b的表面上)，来解释被观察对象的3D形状。

在示例性实施方式中，照相机104是立体的，其使得图像处理器102在不需要其它技术(例如，将结构化照明投射到可观察对象上)的情况下，能够实现用于对照相机所看到的特征的几何形状的明确的3D解释的算法。

透镜106包括一个或多个用于将期望的视场聚焦到照相机104的成像设备上的光学元件。可以通过光学涂层和滤光器增强透镜106。透镜106可以是焦点固定(主透镜)和孔径固定的透镜。这种镜片具有成本效益，并且通常当照相机104与接头120或管道118的表面之间的距离相对固定时，实施效果良好。可选地，透镜106可以具有机械和/或电子控制的焦点和/或孔径。在示例性实施方式中，透镜106的特征在于具有约为f8的中等孔径，用于在下列之间提供平衡：(1)宽焦距景深；以及(2)能够实现短曝光时间的光捕获。透镜106可以具有下述焦距：当所述透镜106与照相机104配对并且与焊接接头120之间的距离为预期距离时，所述焦距产生每像素0.05mm或更小的横向分辨率。

外壳110包括为照相机104和透镜106提供环境保护(例如，使其免受焊接飞溅、液体、灰尘、机械冲击、电磁干扰等因素的影响)的机械壳体和/或其它结构。例如，外壳110可以包括光学罩108，其采用透明或半透明的(在照相机104的成像设备敏感的波长处)结构；所述结构保护照相机104免于环境危害，同时允许照相机104在焊接期间捕获焊接接头120的图像。可以轻易地清洗和/或更换光学罩108。在另一示例性实施方式中，所述光学罩可以不采用物理结构，而是包括用以产生气帘/气刀的高速气体源；所述气帘/气刀可以在碎片在到达透镜106之前，将其偏转，以保护照相机104。

照明子***112包括灯元件(例如，LED灯、荧光灯、白炽灯、卤素灯、激光器和/或任何其它合适的灯)以及用于控制所述灯元件产生的照明的特性(例如，强度、波长等)的相关电路。照明子***112用于从确定的一个角度或多个角度照射焊接接头120，以增强由照相机104捕获的图像，使得可以更轻松、一致地使用图像处理算法对接头120的边缘和/或管道118a和118b的其它特征进行识别。所述灯用于提供任何合适类型的照明(例如，暗场照明、明场照明或两者的组合)。由照明子***112发射的波长可以是狭窄范围内的波长；例如，所述波长由下列组合确定：照相机104的成像设备灵敏处的波长、安装到透镜106的光学滤波器的通带和/或在光学罩108的通带内的波长。相反，焊接电弧发射的波长可能落在安装到透镜106的光学滤光器的阻带(也称为“拒绝”带)内、和/或光学罩108的阻带内。可以通过控制器122和子***124控制照明开/关的状态、位置和/或方向。例如，照明子***112的特征为：位置/方向，开/关状态、波长和/或光强度，可以在焊接过程中实时控制所述特征。例如，照明子***112的特性的控制可以基于当前的焊接参数(例如，行进角度、作业角度、行进速度、目标和接触尖端到作业处的距离)。比如，可以通过图像处理器102对捕获的图像进行分析来确定上述参数。例如，照明子***112的特性的控制可以基于焊接设备的设置和/或输出(例如，电流设置、测量的电流输出、电压设置、测量的电压输出、焊丝速度设置、测量的焊丝速度等)。比如，所述设置和/或输出可以从焊接电源126传送到控制器122。例如，照明子***112的特性的控制可以基于管道118a和118b和/或接头120的特性(例如，两个管道118a和118b的对准、接头120的宽度和深度、管道118的半径、管道118的金属类型等)来进行。比如，可以通过图像处理器102对捕获的图像进行分析来确定上述特征。例如，照明子***112的特性的控制可以基于环境照明的光量和/或方向、和/或焊接过程中电弧的亮度来进行。

图像处理器102包括用于处理由照相机104捕获的图像的电路。图像处理器102可以实现图像处理算法来提取有用信息。例如，所述有用信息包括：管道118a和118b的类型和/或尺寸、焊接接头120(包括“接头配合”)的尺寸和位置、焊接参数(例如，工件角度、行进角度、行进速度、目标和接触尖端到作业处的距离)、环境照明、电弧亮度和/或其它信息。图像处理器102可以安装到电焊头100上或者可以物理上与所述电焊头100分开，并且可以经由有线链路、无线链路和/或光通信链路与电焊头100进行通信。

控制器122包括用于控制电焊头100的其它组件的电路。例如，所述电路可以包括操作***/状态机等的执行指令。所述指令控制输出到照相机104、透镜106、焊炬114、图像处理器102、照明子***112和电动机/伺服器124的控制信号的产生。控制器122和图像处理器102可以由单独的多功能处理器实现。控制器122可以安装到电焊头100上或者可以物理上与所述电焊头100分开，并且可以经由有线链路、无线链路和/或光通信链路与电焊头100进行通信。控制器122还可以包括用于与电源126通信来控制电源(例如，通过调节输出到焊炬114的电压和/或电流)和/或接收来自电源126的信息(例如，测量的电压和/或电流输出)的电路。控制器122可以包括用于存储由控制器122执行的指令的存储器、用于临时存储运行时间数据的存储器、以及用于长期存储数据的存储器。写入长期存储的数据可以包括沿着接头120的进行焊道操作期间收集的数据。例如，这种数据可以包括：沿着接头120进行焊道操作期间捕获的图像；沿着接头120进行焊道操作期间确定的接头120的边缘的位置；沿着接头120进行焊道操作期间的照明子***112、照相机104、电源126和/或子***124的设置；沿着接头120进行焊道操作期间传感器128和/或电源126的读数；沿着接头120进行焊道操作期间根据图像处理确定的焊接参数；等等。

焊炬114是包括电极并将焊丝引导到焊接接头120的机电子***，其用于通过电极从其接触尖端将电力传导到焊接电弧，并且可以承载和引导保护气体以覆盖焊接熔池。例如，焊炬114可以被配置为执行保护金属拱焊、TIG焊、MIG焊或任何其它类型的焊接。

电动机/伺服器/致动器子***124用于相对于电焊头100和/或相对于彼此来控制电焊头100和/或电焊头100的各种组件的移动、位置和方向。子***124可以沿着轨道116推进电焊头100。子***124用于相对于平移轨道116横向移动焊炬114。例如，整个电焊头100可以横向移动；焊炬114可以相对于其余的电焊头100移动；或者焊炬114、照相机104和照明子***112可以一起移动。在使用后一种方法的示例实施方式中，照明子***112、照相机104、透镜106和焊炬114可以安装到同一板上；所述板可以在焊接过程期间相对于电焊头100的其他部件移动。子***124用于沿着多个轴线方向来定位焊炬114、照明子***112、照相机104和/或电焊头100的其它部件。子***124用于调整焊炬114的横向位置(以改变目标，其可用于在接头上定中心和/或在实时地控制振荡的频率、宽度和/或停留时间期间实现织造图案)、焊炬114的垂直位置(以改变接触尖端到作业处的距离)、照相机104的横向位置(以调整视场)、照相机104的垂直位置(以改变视场或焦点)、焊炬114的角位置(以改变行进角度和/或工件角度)、照明子***112的垂直位置、照明子***112的横向位置和/或照明子***112的角位置。

例如，传感器128可以包括MEMS方向传感器、加速计、温度计(例如，红外温度计、高温计)、光电二极管、测距仪(例如，基于超声波、激光等)、有源RFID、声波传感器、电压传感器(例如，电弧电压传感器)、电流传感器(例如，输送到焊接电极的电流)和/或其他部件。例如，传感器128可用于稳定电子图像。在此，传感器128的输出可以被输入到图像处理器102，使图像处理器102能够确认或应用与照相机104的短时(较高频率)运动相关联的图像分析校正。传感器128的输出可用于检测电焊头100的可能的损坏、和/或电焊头100是否正确地连接到管道118。例如，通常传感器128检测到的运动之外的运动(例如，振动)可以触发警报，促使操作员检查电焊头100和轨道116。类似地，通常传感器128检测到的运动之外的运动(例如，振动)可用于预测平移平台的机械或动态部件需要维修的时间(即，通过动态振动/运动分析来检测即将发生的故障或性能下降的操作)。

传感器128可以包括全球定位***(GPS)接收器，其可以提供与沿着管道的当前焊接的位置有关的自动信息。如下文参考图5所述，这样的信息可以与诸如图像和/或其它数据(例如，管道测量值、“接头配合”测量值等)一起存储在数据库中，用于实现质量控制目的和/或将这些数据加载到随后在相同的接头上工作的电焊头。可以使用传感器128为电焊头100围绕接头120行进时收集的数据提供参考点(“基准”)。例如，当电焊头100围绕着接头128行进时，可以用来自传感器128的时间一致的读数标记电焊头100收集的图像和/或其它数据。然后，可以将电焊头100收集的数据引用到沿着接头120其被收集的位置，使得随后沿着接头120的电焊头可以确定来自电焊头100的哪个数据应用于沿着接头120的哪个点。例如，电焊头100的方向可以随着电焊头100沿着接头120的移动而改变，并且沿着接头120的每个位置可以对应于来自诸如传感器128的MEMS方向装置的特定输出。作为另一示例，当电焊头100沿着接头120移动时，电焊头100与地面和/或其它固定参考点之间的距离可以变化，并且，沿着接头120的每个位置可以对应距离测量值的一个特定的组合或序列。可以将传感器128的测量值与沿着接头120的电焊头100经过的时间长短和/或速度结合使用，以确定电焊头100的位置。因此，可以将所述测量值与沿着接头120所收集的位置处的数据关联起来。

收发器130包括电路。所述电路用于根据诸如蓝牙、Wi-Fi、Zigbee的任何合适的协议或任何其它合适的通信协议来发送和接收信号。

在操作中，当焊炬114焊接接头120时，电焊头100沿着轨道116行进。当电焊头100沿轨道116前进时，照相机104捕获的图像由图像处理器102处理，以检测与焊接过程有关的各种特性。另外或可选地，这些特征可以基于传感器128的输出和/或基于先验知识(例如，焊接头可以通过网络访问的存储数据库和/或存储在电焊头100的存储器中的数据)来确定。因此，焊接过程的特性基于多模态学习。例如，这些特征可以包括：接头120的特征(例如，边缘的位置、中心线的位置、深度和/或宽度)、管道118的特性(例如，尺寸、形状、直径等)、焊接熔池的特性(例如，尺寸)、焊接电弧的特性(例如，尺寸、亮度)和/或焊接参数(例如，行进速度、行进角度、作业角度、目标和接触尖端到作业处的距离)和/或接头120的温度(例如(在行进方向上)位于焊接熔池之后、焊接熔池处、和/或焊接熔池之前的温度)。例如，基于所述特征的控制可以包括：在焊接过程期间调整以下中的一个或多个：焊接电压、焊接电流、焊丝速度、焊炬114的角度、焊炬114的横向位置、焊炬114的垂直位置、焊炬114的振荡宽度、电焊头100沿着轨道16行进的速度、照相机104的曝光时间、透镜106的焦距、透镜106上的滤光器的暗度、照相机104的横向位置、照相机104的垂直位置、照明子***112的横向位置、照明子***112的一个或多个角度、照明子***112的垂直位置、照明子***112的强度、照明子***112的波长、和/或焊道、熔池和/或位于使用图像数据的熔池的前面的接头的温度(可选地，在任何实施例中，成像设备可通过捕获红外波长来确定温度)。

在示例性实施方式中，管道118a和/或118b可以被标示在固定的位置，使得捕获的图像内的标示的外观可以用作将图像和其它收集的数据关联到沿着接头120的点的基准，其中，在所述点处，收集所述图像和数据。这可以使后续的电焊头使用电焊头捕获的数据，其中，所述电焊头以前沿着同一接头行进。

边缘检测

图2示出了由图像处理器102执行的用于跟踪接头120的位置的示例过程。在方框202中，捕获图像(例如，视频帧)。在方框204中，为了进行分析，将所述图像分成左半部分和右半部分。在方框206中，确定图像的导数(或其近似值)。在示例性实施方式中，可以使用梯度增强的Sobel滤波器来执行上述导数确定，其中，所述滤波器用于垂直边缘。在方框208中，将阈值应用于图像导数，以获得图像的梯度最大处的二进制图像。在方框210中，如果图像中有太多的高于阈值的像素，那么，由于视场中的明显的焊接飞溅造成的可能的污染，会跳过该图像上的线检测。在这种情况下，该过程返回到方框202以捕获新的图像。否则，所述过程进入方框212。

在方框212中，图像中任何不应该出现接头120的边缘的区域(例如，太靠近图像中心的区域和/或距离图像302的中心的左侧或右侧太远的区域)被遮掉(例如，设置为预定值；对于8位单色图像，可以设置为0或255)。在方框214中，对二进制图像执行霍夫变换，以将二进制图像转换成距离-角度空间。可以将被认为是接头120的边缘的候选线的角度限制在图像的每一半所预期的角度之中。例如，从交叉焊接方向按顺时针计算，当在图像的左半边中检测到的线的角度在76°到89.5°之间时(所述交叉焊接方向与焊炬114正在焊接的接头处垂直)，所述线可以被认为是接头的左边的一个或多个边缘的候选。而且，从交叉焊接方向按顺时针计算，当在图像的右半边中检测到的线的角度在90.5°到104°之间时，所述线可以被认为是接头120的右边的一个或多个边缘的候选(其中，如图3的坐标系304所示，垂直线为90°)。在方框216中，检测霍夫变换结果中的峰。在方框218中，提取与霍夫变换中的峰相关联的线作为接头120的一个或多个边缘的候选。在方框220中，为每个候选计算度量。在示例性实施方式中，每个候选线的度量是线的标准化长度、霍夫峰的归一化值和沿着垂直于线的向量的从图像原点到线的距离的归一化值的反数的乘积。在图像的左半部分中具有较大度量值的候选线更有可能是接头120的左边缘，并且在图像的右半部分中具有较大度量值的候选线更有可能是焊缝120的右边缘。

在方框222中，选择来自图像的每一半的候选线的子集。例如，可以选择具有左半部分度量的前50％的左半部分的候选子集和具有右半部分度量的前50％的右半部分候选子集。在方框224中，针对所述候选子集的所有可能的对排列，确定了线之间的横向距离。也就是说，在所选子集中，每个左半部分候选与每个右半部分候选配对，并且测量两者之间的距离。在方框226中，基于在方框224中确定的横向距离与接头120(其可以是，例如，由操作者编程到***中、或者从作业顺序相关的接头120中自动提取的，其中所述接头120由控制器122从数据库检索)的边缘之间的预期距离的比较，减少了左半部分候选和右半部分候选之间的可能的配对。在示例性实施方式中，根据线对各自的横向间隔与接头120的边缘的预期的间隔之间的偏差，将罚函数应用于线对的度量值。在方框228中，基于在方框226中确定的最佳候选对来确定接头120的边缘和/或中心的位置。在示例性实施方式中，可以对该图像的选择的最佳对的x轴截距和先前图像的最佳对的x轴截距进行平均(通过均匀加权或非均匀加权)，以实现接头120的边缘和/或中心的x轴截距的最终确定。在示例性实施方式中，可以对该图像的所选择的最佳对的斜率和先前图像的最佳对的斜率进行平均(通过均匀加权或非均匀加权)，以实现接头120的边缘和/或中心的斜率的最终确定。在示例性实施方式中，可以将动态约束应用于当前图像的最佳对的斜率和/或x截距，使得接头120的边缘和/或中心的最终确定的斜率和/或x截距不会逐图像变化太大。例如，可以使用连续视频帧之间的斜率和/或x截距之间的较大的变化作为错误指示(例如，接头边缘的错误识别)。

在另一示例实现中，可以只将组合度量值最大的对选择为接头120的边缘的最佳候选。

穿过照相机视场的热的、快速移动的焊接飞溅通常表现为主要从焊接电弧径向散出的明亮的线性条纹或线。由于快速移动的热焊接飞溅所产生的方向、相对线性和亮度对比，所以，在存在任何给定的图像帧期间，所述焊接飞溅可能看起来类似于光线充足的焊接接头的边缘。所述焊接飞溅也可以混淆焊接接头边缘。为了减少或消除焊接飞溅的影响，电焊头100可能会：(1)减少照相机曝光时间；(2)保护焊接接头区域使其免受飞溅；和/或(3)使照相机远离焊接电弧，以大大地减少了进入视场的飞溅量，其中，所述飞溅具有足够的速度和热量，使其看起来像接头120的光线良好的边缘。

如果能够充分缩短照相机的曝光时间，那么，在曝光期间，飞溅不会移动得太远。随后，在图像中，飞溅将表示为亮点或短线；然后，基于飞溅的长度，可以将所述飞溅当作接头边缘候选的考虑消除。缩短照相机的曝光时间受限于成像设备获得足够光线以产生可接受图像所需的时间。可以通过增加照明子***112的光输出强度和/或通过使用能够产生具有较少的入射到成像设备上的光子的可用图像的HDR成像设备来实现较短的曝光时间。在示例性实施方式中，通过同步脉冲照明子***112的光输出与照相机104的曝光，可以实现较强的光强度。在示例性实施方式中，通过在照明子***112中使用激光二极管(而不是LED或其它非相干光源)来实现较强的光强度。此外，图像处理器102可以实现一种算法来查找下述特征，所述特征能够区分下述两种情况：由于焊接飞溅而被当作边缘候选的边缘候选，以及对应于接头120的实际边缘的边缘候选；并且在确定作为焊接飞溅的结果的线之后，从所述候选集合中删除所述线。例如，焊接飞溅可能引起比对应实际焊接接头边缘的边缘候选更亮的边缘候选；焊接飞溅可以产生比对应于焊缝120的实际边缘更宽或更薄的边缘候选；和/或对应于焊接飞溅的边缘候选可能位于先前和后续图像帧中检测到的焊接接头边缘的阈值距离之外。

检测模糊的视场

由于电焊头100的操作环境条件恶劣，接头120在照相机的视野中很可能会不时地变得模糊。例如，焊接飞溅可能会粘附到或损坏实体光学罩108，而不是基于气帘的光学罩108。因此，本公开的各方面使得电焊头100能够检测视野模糊的时间，并且对应地采取补救动作(例如，丢弃特定图像、清洁/更换光学罩、关闭焊接电力等)。

在示例性实施方式中，管道118a和118b上可以有基准标记(例如，物理地放置在管道118上的贴纸或油漆标记、或投射到管道118上的光图案)。并且，图像处理器102可以实现用于检测这种基准标记的算法。不能检测的所有或部分这种基准标记可以用作视场模糊的指示。

在示例性实施方式中，控制器122可以切换照明子***112的开关；并且，图像处理器102可以在捕获的图像中查找相应的亮度变化。如果当补充照明开启/关闭时亮度没有发生相应的变化，则可以将其用作视场模糊的指示。

在示例性实施方式中，如果由边缘检测算法检测到的线的长度比通常检测到的较短，那么所述长度可以用作视场模糊的指示。

在示例性实施方式中，照明子***112可以被配置为能够使光学罩108的边缘照明(即，以基本上平行于光学罩108的角度入射的光)和/或暗场照明(例如，从外壳内部入射的光)，从而照亮光学罩108上的污垢、划伤或其它导致模糊的特征。

在示例性实施方案中，照相机104和光学罩108可以相对于管道118的表面一致地移动。在这样的运动期间，可以预期管道118上的特征/对象将根据照相机104和光学罩108的运动而运动。然而，光学罩108上的对象将基本保持固定。可以通过图像处理器102将在照相机104和光学罩108的移动期间的这种固定位置特征确定为与光学罩108相关联的碎片/障碍物。

在示例性实施方式中，针对帧的一些重要部分，无法检测的、但是合适的焊接边缘候选可以用作视场模糊的指示。例如，如果在超过15％的图像上、超过5秒的间隔内没有找到合适的边缘候选对时，则图像处理器102或控制器122可以报告由于模糊的光路引起的潜在误差。

照相机环境保护

电焊头100在非常恶劣的环境中运行。所述环境包括焊接产生的极热(通常在极冷环境温度下)、乱飞的焊接飞溅、烟雾、灰尘、液体、强电磁场等。因此，对于电焊头100维持正常功能和寿命来说，保护照相机104和透镜106的敏感光学和电子部件至关重要。机械外壳110可以提供这种保护。

外壳110可以由导电材料和具有高磁导率的材料制成。所述外壳110包围成像设备和电子器件，以保护照相机104免受焊接过程期间产生的强电磁场的影响。

在示例性实施方案中，光学罩108还可以由这些材料(只要所述材料在由照相机104的成像设备捕获的波长处仍然足够透明)制成。

在示例性实施方案中，光学罩108由廉价的一次性塑料制成。光学罩108可以轻松的滑动/卡接到位，使焊接操作者可以频繁地更换所述光学罩108，而不会对焊接过程造成实质性的延迟。

在示例性实施方案中，光学罩108可以是薄膜/柔性片；所述薄膜/柔性片可以从干净的/新的薄膜的卷轴上滑动穿过外壳110的开口，到达已经使用过的/脏膜的卷轴上。通过这种方式，可以基于上述讨论的脏的光学罩的检测算法，在诸如控制器122确定的时间点上自动提供半连续的干净的屏蔽供应。

在示例性实施方案中，使用气刀/气帘来保持光学罩108的清洁，或完全使用气流屏蔽机构来替换物理屏障。例如，所述操作可通过下列方式实现：将一些焊接覆盖气体输送到体积小、流速高的喷嘴，其中，所述喷嘴被引导穿过屏蔽面。可以将所述光学罩放置得非常靠近透镜，以最小化所需的屏蔽面积，并且使气刀/气帘所需的气体量最小。气流可以使用压缩空气或焊接覆盖气体。所述喷嘴被设计成可以利用康达(Coandǎ)效应将周围空气带入所述气流中，以减少所需的气体或压缩空气的量。

管道118的表面可以是不平坦的、和/或管道118的表面具有突出物或其它障碍物。因此，为了避免透镜106碰撞到管道的表面或其上的其它障碍物，所述透镜106可能需要离管道118的表面足够远。因此，可以机械地(例如，通过沿着管道118的表面运行的减震导轮)和/或机电地(例如，经由子***124)调整透镜106的高度，以避免所述障碍物。例如，传感器128和/或照相机104用于“向前看”以检测任何障碍物。并且，响应于这种检测，控制器122可以通过子***124同步透镜106的升降，使其与透镜越过障碍物的动作配合。

大多数成像设备可以在较宽的温度范围内进行操作。但是，一些成像设备或电子器件没有被设计为可以在极低或极高温度规格内工作。外壳110可以提供对流/辐射冷却和/或电阻加热，以将所述电子器件保持在期望的温度范围内。

照明

通过配置和控制照明子***112，能够增强成像处理算法感兴趣的特征，并且抑制外部照明的影响。

在示例性实施方案中，照明子***112使用足够强的光照射感兴趣区域(可包括液体熔池和/或固化焊接)中的工件，使照相机帧速率(例如，大于15fps)足够高，物理光圈设置(例如，f5.6或更大)较小，以获得足够的对焦景深。

在示例性实施方式中，照明子***112提供暗场照明。当入射光以小的角度穿过管道表面时，所述暗场照明可以突出显示所述接头120的每个边缘。针对上述实施方式，例如，所述发射光与管道118的外表面之间的平均角度可以小于25度。

在示例性实施方式中，照明子***112用于明场照明。在这种实施方式中，光直接照射到接头120中，使得来自被照射表面的光主要被直接反射进入照相机104。可以调整随时可用的明场照明和暗场照明的量，以获得最佳的特征突出显示效果，并且抑制不想要的特征的反射。例如，在根部焊道操作期间，可以使用至少一些明场照明来消除接头120的壁上的任何阴影(这些阴影可能由暗场照明产生)，并且使位于接头120(即，在管道118的内壁处)底部的间隙可以被看到，并且有可能被测量。然而，在热焊道上，明显的明场照明可能会引起根部焊道操作的闪亮金属的反射，这可能会提供不需要的边缘候选，并且所述边缘候选可能会混淆边缘检测算法。因此，在第二或随后的(“热”)焊道操作期间可以使用很少的明场照明，或者不使用明场照明。如果不需要位于根部焊道底部的焊缝或焊接接头的图像，那么，在热焊道操作期间就不会使用明场照明。

来自照明子***112的光可以来自一个或多个LED，而且所述LED发射的光以与最高的照相机灵敏度匹配的波长为中心。

来自照明子***112的光可以来自一个或多个LED和/或激光器；所述LED和/或激光器具有较窄(例如，相对于环境照明和/或焊接电弧发射的光)的发射波长(例如，510纳米或更小)范围。照明子***112可以被配置为使发射的波长落入波长范围内，其中，在所述波长范围内，由焊接电弧发射的光相对较弱(即，电弧光的光谱特性中的波谷)。随后，可以将上述照明与照相机镜头上的光学带通滤光器结合使用。其中，由照明***发射的光落在滤光器的一个或多个通带内，并且，来自焊接电弧和/或其它环境的光落在滤光器的通带之外(例如，一个或多个阻带内)。通过这种方式，进入成像设备的大部分光将被光源发射出去(并且限制环境光量或限制来自焊接电弧的光进入成像设备)。

由于为了实现小的光入射角，照明子***112可能需要靠近管道表面。所以，照明子***112可以是可调节的，以便在不用时(例如，当平移平台被放置在轨道116上或将其从轨道116上移除)将其重新放置在较高的、不易被损坏的地方。

照明子***112可以耦合到子***124，使得相对于焊接接头120，在整个焊接过程中可以保持照明子***112的最佳位置。传感器128和/或照相机104用于在行进方向上“查看”照明子***112的前方，以检测沿着接头120的任何障碍物。并且，响应于这种检测，控制器122可以同步照明子***112的位置调整，使位置调整时间与障碍物处或周围所需的边缘检测的时间一致。在示例性实施方式中，在没有激活焊炬114的情况下，电焊头100沿着接头120进行初始焊道操作。在上述初始焊道操作期间，可以确定沿着接头120的每个点的最佳光位置。然后，在根部焊道操作期间，可以根据在初始焊道操作期间存储到存储器的信息，连续地或周期性地重新定位照明子***112。

在示例性实施方式中，照明子***112被控制的具有不同特征(例如，角度、强度、波长等)，所述不同特征用于不同的捕获的图像帧。图像处理器102可以使用执行不同功能的不同算法来处理具有不同特征的图像捕获。例如，照明子***112可以高度聚焦，并且仅发射用于第一类型帧的较窄范围内的波长，其中，要在所述第一类型帧上执行边缘检测。照明子***112可以聚焦较少，并且发射用于第二类型帧的较宽范围内的波长，其中，所述第二类型帧用于检查接头配合和/或捕获焊缝/接头的大体外形(例如，用于检查电焊头100之前执行的焊道操作的质量)。例如，可以在下列情况下捕获第二类型帧：在没有激活焊炬114的初始焊道操作期间；在激活了焊炬114的焊道操作期间，在每个第N帧(其它的N-1个帧是第一类型的帧)处；在没有激活焊炬114的最终焊道操作检查期间；和/或响应于检测到的(可能的)电弧异常和/或焊接缺陷。如果在第二类型帧的图像处理期间检测到可能的质量控制问题，则可以产生警报以通知操作者和/或关闭所述电焊头以防止对管道造成严重的损坏。

照明子***112可以容纳在诸如外壳110的外壳中，和/或通过其它方式保护所述照明子***112，使其免受极端温度、焊接飞溅物、液体、灰尘等的影响。

接头配合感测

图4A示出了图像400的捕获视场400，其中，所述视场400包围一部分接头120。当接头120的后方有光，并且在视角几乎要直接进入接头120的情况下，单目图像可能足以确定接头120的外边缘410a和410d之间的距离402和/或接头120的内边缘410b和410c之间的距离404。否则，用单目图像很难确定402和/或404。另一方面，由立体图像提供的深度信息可以大大提高确定上述两个距离的能力。

图4B示出了照相机104的两个视场420和424。在用单目照相机拍摄图像的情况下，从视场420可能很难或不可能确定肩部高度(被称为422)的差异。另一方面，视场424可以实现上述差异的测量，但是这种视场可能不太适合边缘检测。因此，在示例性实施方式中，可以在420和424之间改变视场，从视场420捕获的帧可以用于边缘检测，以及从视场424的捕获的帧可以用于评估接头配合。例如，在焊炬没有通电、照相机104瞄准视场424的情况下，电焊头100可以进行初始焊道操作，以测量接合配合。可能会保存此信息。然后，所述电焊头可以将照相机104调整为指向视场420，随后，对焊炬114供电并且执行根部焊道操作。可选地，如果照相机104捕获了立体图像，则可以使用从立体图像确定的深度信息从视场420测量422，从而避免对视场424的需求。

由图像处理器102(例如，通过使用立体成像和/或投射到接头120上的结构光)和/或传感器128确定的深度信息可用于：定位和控制两个管道118a和118b之间的重叠焊接；根据焊接的温度斜升/斜降，能够实现自学开始/结束的循环；测量焊道厚度；测量先前的焊接尺寸和外形(可以通过对其分析来确定先前焊道的质量)；和/或测量“接头配合”(即，距离402和/或404是否具有适当的均匀的宽度；管道118a和118b的肩部是否恰当地对齐；等等)。控制器122可以基于这种测量来调整焊接参数和/或电源设置，以补偿非均匀/非理想的接头配合。类似地，如果接头配合的任何特征超出公差，则可能会产生警告。

在示例性实施例中，用于评估接头配合的结构光可以只是在相对于照相机的已知位置和已知方向从光源投射的光线。图像处理器102可以实现一种算法。所述算法可以是简单的神经网络；可以训练所述神经网络以在给出的观察到的光模式的情况下计算焊接肩部的高低差。

电焊头间数据共享

通常，在管道平移轨道116临时连接到管道118之后，将一系列电焊头安装到轨道116，以执行不同的焊道操作。图5示出了连接到轨道116a的两个电焊头100a和100b。每个电焊头沿着接头120a执行相应的焊道操作。例如，电焊头100a可以执行接头120a的初始焊道检查，并且电焊头100b可以在接头120a上执行根部焊道操作。作为另一个示例，电焊头100a可以在接头120a上执行根部焊道操作，并且电焊头100b可以在接头120a上执行热焊道操作。例如，电焊头100a或/和100b收集的数据可以经由接入点/基站506传送到其它电焊头100a，100b和/或网络数据库504中。

如果轨道116a相对于管道不移动、或被配置为补偿轨道116相对于管道的运动(例如，使用轨道116上和/或轨道116中的传感器)，那么，可以在电焊头沿着接头执行焊道操作期间，将由电焊头100a确定的接头跟踪路径传送到电焊头100b，以便使用。电焊头100b可以完全依赖于来自电焊头100a的数据，因此，它可能不需要自己的照相机、图像处理器和照明子***。可选地，电焊头100b可以具有自己的照相机104、图像处理器102和照明子***112，并且可以使用来自电焊头100a的数据来补充自己的数据。可以经由直接链路512(例如，蓝牙、Wi-Fi、Zigbee或任何其它合适的通信协议)将所述数据从电焊头100a传送到电焊头100b，或者经由链路508和510(例如，蓝牙、Wi-Fi、Zigbee或任何其它合适的通信协议)将所述数据路由至基站506。

如果轨道116a易于移动，则可以将一个或多个传感器安装到或集成到所述轨道中以检测这种移动。并且，可以使用来自那些传感器的读数来补偿从电焊头100a收集的数据。

在示例性实施方式中，电焊头100a可以仅用于收集接头数据以供随后的电焊头使用，因此，所述电焊头100a可以不包括焊炬114。

图5示出了安装到第二轨道116b并且在接头120b上执行焊道操作的第三电焊头100c。电焊头100c可能在管道上跟随着电焊头100a和电焊头100b。也就是说，在所示的时间点，电焊头100a和电焊头100b已经沿着接头120b执行了相应的焊道操作，并且现在已经移动到了接头120a。电焊头100a和/或电焊头100b可以通过诸如514之类的直接链路或经由接入点/基站506和链路516将在接头120b上收集的数据传送到电焊头120c。通过这种方式，当电焊头100c在接头120b上工作时，它可以使用先前由电焊头100a和/或电焊头100b收集的与接头120b有关的数据。可选地，电焊头100a和电焊头100b可能在管道上跟随着电焊头100c。也就是说，在所示的时间点，电焊头100c可能已经沿着接头120a执行了焊道操作，并且现在已经移动到接头120b。电焊头100c可以通过诸如514之类的直接链路或经由接入点/基站506和链路516将在接头120a上收集的数据传送到电焊头120a和/或电焊头120b。通过这种方式，当电焊头100a和电焊头100b在接头120a上工作时，它们可以使用先前由电焊头100c收集的与接头120a有关的数据。

在另一个示例性实施方式中，所述三个电焊头可以在任何给定时间位于三个不同的轨道上，并且在管道上一个跟着一个。例如，电焊头100a可以在接头120a上执行根部焊道操作，并将在根部焊道期间收集的数据传送到电焊头100b(在那时，所述电焊头100b位于轨道116b上)。然后，将电焊头100b移动到轨道116a，并且，所述电焊头110b使用从电焊头100a接收的信息来执行热焊道操作。电焊头100b也可以在其进行焊道操作期间收集数据。然后，电焊头100b可以将其数据和从电焊头100a接收到的数据发送到电焊头100c(在那时，所述电焊头100c位于轨道116b上)。然后，电焊头100c可以利用来自电焊头100a的数据(根部焊道数据)和来自电焊头100b(填充焊道数据)来执行盖面焊道操作。

图6A-6E描绘了由图1中的焊接平移平台的照相机拍摄的示例性图像。图6A是由位于焊炬前方的(在行进方向上)照相机104拍摄的接头120、焊接熔池602、电极606和焊缝604的图像。在示例性实施方式中，该视图可用于跟踪接头120。图6B是由位于焊炬后方的(在行进方向上)照相机104拍摄的焊接熔池602、电极606和焊缝604的图像。在示例性实施方式中，该视图可用于测量熔池尺寸和监测穿透度。图6C示出了焊炬前方的另一视图，但是所述视图是从顶角位置示出的，而且在所述顶角位置，可以看到气体喷嘴608和接触尖端610。在示例性实施方式中，该视图可用于测量电极的伸出(消耗电极在到达电弧之前延伸超过接触尖端的底部出口的距离的测量值)以及与所述电极与接头120对准度。在这方面，在所示的示例中，电极606不以接头120为中心。响应于该图像，可以发送信号以向右移动电极606，并且在Z方向上向上或向下移动焊炬，以保持恒定的电极伸出，从而使热量输入和穿透度恒定。图6D示出了焊炬前方的另一视图，并且示出了两个管道之间存在间隙的示例。在示例性实施方式中，这样的图像可用于测量该间隙并且调整行进速度、送丝速度、电压、电流和/或一些其它参数以更好地填充间隙。图6E示出了焊炬前方的又一视图，并且示出了在先前焊道操作期间布置的焊缝604中存在异常(例如，断痕或鼓包)610的情况下的示例。在示例性实施方式中，可以使用所述图像来检测这种异常并触发调整(例如，调整行进速度、送丝速度、电压、电流和/或其它一些参数)来尝试校正异常(例如，降低和/或增加焊丝速度，以试图沉积更多的金属来填充断痕)。

根据本公开的示例性实施方式，自动焊接装置(例如，100)包括具有60dB或更高的动态范围的照相机(例如，104)、处理电路(例如，102和122)、焊炬(例如，114)和机电子***(例如，124)。所述照相机用于利用可见光、近红外光和/或红外波长光捕获一个或多个工件(例如，管道116a和116b)的图像(例如，图3、4A-4B和6A-6E中所示的图像之一)。所述处理电路用于处理所述图像，以确定所述一个或多个工件的物理特性。所述一个或多个工件的物理特性可以包括：尺寸(例如，接头(例如，120)的宽度和/或深度)、对应于前述接头的接头的体积、所述接头的肩部高度、相对于焊炬的接触尖端的接头的位置、通电伸出、电弧长度、焊接熔池几何形状(例如，尺寸和/或形状)、焊接熔池位置(例如，熔池中心与接头中心之间的偏移)、焊接穿透度、固化的焊缝轮廓(例如，尺寸和/或形状)、和/或诸如咬边、熔穿、未熔合和不均匀熔化等的缺陷的特征(例如，存在形式、尺寸、形状、位置、严重程度等)。在通过焊炬焊接一个或多个工件期间，处理电路用于产生基于所确定的所述一个或多个工件的物理特性的电信号，其中，所述电信号用于在焊接所述一个或多个工件期间，控制所述自动焊接装置的一个或多个焊接参数。所述一个或多个焊接参数可以对应于所述自动焊接装置的机械动作。所述机电子***用于将所述电信号转换成所述自动焊接装置的机械动作。所述自动焊接装置包括用于将确定的物理特性传输到有线或无线通信链路上的收发器(例如，130)。所述收发器可用于从另一自动管道焊接装置接收关于所述一个或多个工件的信息，其中，所述另一自动管道焊接装置先前沿着所述一个或多个工件之间的接头执行焊道操作，并且所述电信号的产生可以基于来在所述另一自动管道焊接装置的、与所述一个或多个工件有关的信息。所述收发器可用于从又一自动管道焊接装置接收关于所述一个或多个工件的信息，其中，所述又一自动管道焊接装置先前沿着所述一个或多个工件之间的接头执行焊道操作。当所述另一个自动焊接装置捕获信息时，所述处理电路用于基于其上安装有所述自动焊接装置的轨道的移动来补偿信息，其中，相对于所述轨道的位置安装所述自动焊接装置。所述自动焊接装置的机械动作可以包括所述自动焊接装置沿着接头的移动和/或相对于所述接头的焊炬的接触尖端的移动。所述自动焊接装置可以包括用于保护照相机的光学罩。图像的处理可以包括对光学罩上的障碍物的检查。所述自动焊接装置可以包括用于照亮工件的照明子***(例如，包括熔池之前的照明、液体熔池的照明和/或熔池后面的固化焊接的照明)；所述电信号可以控制由所述照明子***所产生的光的特性，使得所述光的特性基于所确定的所述一个或多个工件的物理特性和/或基于沿着接头执行的焊道操作(例如，根部焊道操作、填充焊道操作、盖面焊道操作等)发生变化。所述光的特性可以包括明场光或暗场光。图像的处理包括识别存在于图像中的边缘候选。实际焊接接头边缘的识别可以包括基于下列中的一个或多个(边缘候选长度、边缘候选方向、边缘候选厚度和边缘候选亮度)对焊接飞溅产生的错误边缘候选进行滤波。所述图像可以捕获所述一个或多个工件上的基准标记；并且，图像的处理可以包括基于所述基准标记，确定沿着接头图像被捕获处的位置。所述自动焊接装置可以包括非图像传感器(例如，一个或多个传感器128)；并且，所述一个或多个工件的物理特性的确定可以基于非图像传感器的输出。所述一个或多个工件的物理特性的确定可以基于所述一个或多个工件的先验知识和/或所述自动焊接装置的先验知识(例如，存储在控制器122的存储器中)。所述物理特征的确定可以发生在沿着接头的第一次焊道操作(例如，根部焊道操作或填充焊道操作)期间；并且，所述电信号的产生可以发生在沿着接头的随后的焊道操作期间(例如，填充焊道操作或盖面焊道操作)。所述处理电路用于执行反馈和/或前馈控制中的一个或多个：输入到对所述一个或多个工件的电压、电流和热；焊丝速度；所述自动焊接装置的行进速度；基于所确定的所述一个或多个工件的物理特性的所述焊炬的接触尖端和所述一个或多个工件之间的距离。例如，控制热输入可以包括：控制工件和焊炬之间的电压、从焊炬输送到工件的电流以及自动焊接装置的速度(较慢速度的对应于较高的热输入)。

根据本公开的示例性实施方式，所述处理电路用于使图像的捕获时间和焊炬与一个或多个工件之间存在短路的时间同步。所述处理电路用于处理图像，以确定所述一个或多个工件的物理特性。所述处理电路用于在通过所述焊炬焊接一个或多个工件期间产生基于所确定的所述一个或多个工件的物理特性的电信号，其中，所述电信号用于在焊接所述一个或多个工件期间，控制所述自动焊接装置的一个或多个焊接参数。所述一个或多个焊接参数可以对应于所述自动焊接装置的机械动作。所述机电子***用于将所述电信号转换成所述自动焊接装置的机械动作。所述自动焊接装置包括电压传感器(例如，传感器128之一)；并且，所述同步操作可以基于所述电压传感器的输出(例如，当接触尖端和工件之间的电压低于阈值时)。所述自动焊接装置包括光电二极管(例如传感器128之一)；并且，所述同步操作基于光电二极管的输出(例如，当光电二极管输出电流或电压输出低于阈值时)。

本文所使用的“接头”包括待焊接的一个或多个工件的任何部分。作为示例，“接头”包括可以连接两个工件的边缘。作为另一示例，“接头”包括要被包覆/覆盖/填充/硬化的工件的区域。

本文所使用的术语“电路(circuits；circuitry)”是指物理电子组件(即，硬件)可以配置硬件的、并且由硬件执行的任何软件和/或固件(“代码”)；和/或与硬件相关的元件。例如，在本文中，当执行第一组的一行或多行代码时，特定处理器和存储器可以包括第一“电路”；并且，当执行第二组的一行或多行代码时，所述特定处理器和存储器可以包括第二“电路”。本文所使用的术语“和/或”是指通过“和/或”连接的列表中的任何一项或多项。作为示例，“x和/或y”表示三元素集{(x)、(y)、(x，y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”表示“x和y中的一个或两个”。作为另一个例子，“x、y”和/或z“是指三元素集{(x)、(y)、(z)、(x，y)、(x，z)、(y，z)、(x，y，z)}中的任何元素。换句话说，“为x、y和/或z”表示“x、y和z中的一个或多个”。本文所使用的术语“示例性(exemplary)”表示非限制性示例、实例或说明。本文所使用的术语“例如(e.g.；for example)”为用作非限制性示例、实例或说明的清单。在本文中，不管功能是否被启动(通过用户设置、工厂校准等)，只要电路包括必须的硬件和代码(如果需要的话)，所述电路就能够“可操作”以执行所述功能。

本方法和/或***可以通过硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。本方法和/或***可以以集中的方式在至少一个计算***中实现、或以分布方式在分布有不同元素的多个互连的计算***中实现。任何适用于执行本文所述的方法的计算***或其它设备都是可用的。硬件和软件的一般组合可以是具有程序或其它代码的通用计算***；并且当被加载和执行时，所述程序或代码控制所述计算***，使所述计算机***可以执行本文所述的方法。另一常见的实现方式可以包括应用程序专用集成电路或芯片。一些实现方式可以包括其上存储有可由机器执行的一行或多行代码的非暂时性机器可读(例如，计算机可读)介质(例如，闪存驱动器、光盘、磁存储盘等)，从而使机器执行本文所述的处理。

虽然已经参考某些实施方式描述了本方法和/或***，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的方法和/或***的范围的情况下，可以进行各种改变和等同替换。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行多种修改以使特定情况或材料适应于本发明的描述。因此，本发明的方法和/或***不限于所公开的特定的实施方式，而是包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (20)

1.一种***，包括：

自动焊接装置，其包括：照相机，照相机具有60dB或更高的动态范围；处理电路；焊炬；以及机电子***，其中

所述照相机用于利用可见光和/或红外波长光捕获一个或多个工件的图像；

所述处理电路用于处理所述图像，用于确定所述一个或多个工件的物理特性；

所述处理电路还用于在通过所述焊炬焊接接头期间产生基于所确定的一个或多个工件的物理特性的电信号，所述电信号用于在所述一个或多个工件的焊接期间控制所述自动焊接装置的一个或多个焊接参数；以及

所述机电子***用于将所述电信号转换为所述自动焊接装置的一个或多个焊接参数。

2.根据权利要求1所述的***，其中所述自动焊接装置包括用于将所述确定的物理特性传输到有线或无线通信链路上的收发器。

3.根据权利要求1所述的***，其中所述一个或多个工件包括两个工件，所述接头位于所述两个工件之间；

所述自动焊接装置包括收发器，所述收发器用于从先前沿着所述接头执行焊道操作的另一自动焊接装置接收关于所述一个或多个工件的信息；以及

所述电信号的产生基于关于来自所述另一自动焊接装置的所述一个或多个工件的所述信息。

4.根据权利要求1所述的***，其中所述一个或多个工件包括两个工件，所述接头位于所述两个工件之间；

所述自动化焊接装置包括收发器，所述收发器用于从先前沿着所述接头执行焊道操作的另一自动焊接装置接收关于所述一个或多个工件的信息；以及

所述处理电路用于在所述另一自动焊接装置捕获所述信息时基于所述自动化焊接装置安装在其上的轨道相对于所述轨道的位置的运动来补偿所述信息。

5.根据权利要求1所述的***，其中所述一个或多个工件包括两个工件，所述接头位于所述两个工件之间；以及

所述一个或多个焊接参数对应于所述自动焊接装置沿着所述接头的移动以及所述焊炬相对于所述接头的接触尖端的移动中的一个或两个。

6.根据权利要求1所述的***，其中所述自动焊接装置包括用于保护所述照相机的光学罩；以及

所述图像的处理包括对所述光学罩上的障碍物的检查。

7.根据权利要求1所述的***，其中所述一个或多个工件包括两个工件，所述接头位于所述两个工件之间；

所述自动焊接装置包括照明子***；以及

所述电信号控制由所述照明***产生的光的特性，使得所述光的所述特性基于以下中的一个或两个而变化：

所述确定的所述一个或多个工件的物理特性；和

所述自动焊接装置正在沿着所述接头执行的焊道操作。

8.根据权利要求7所述的***，其中所述光的所述特性包括所述光属于明场还是暗场。

9.根据权利要求1所述的***，其中所述图像的所述处理包括识别所述图像中存在的边缘；以及

识别所述边缘包括基于以下中的一个或多个滤波由焊接飞溅产生的错误边缘候选：边缘候选长度、边缘候选方向、边缘候选厚度和边缘候选亮度。

10.根据权利要求1所述的***，其中所述一个或多个工件的所述物理特性包括以下中的一个或多个：所述接头的尺寸、所述接头的肩部高度以及所述接头相对于所述焊炬的接触尖端的位置。

11.根据权利要求1所述的***，其中所述一个或多个工件的所述物理特性包括以下中的一个或多个：焊接熔池几何形状、焊接熔池位置、焊接穿透度、固化的焊缝轮廓、接触尖端到作业处的距离、通电伸出、电弧长度和焊接熔池温度。

12.根据权利要求1所述的***，其中所述一个或多个工件的所述物理特性包括存在缺陷，所述缺陷包括咬边、熔穿、熔融不足和不均匀熔融中的一种或多种。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述图像捕获所述一个或多个工件上的基准标记；以及

所述图像的处理包括基于所述基准标记确定沿所述接头捕获所述图像的位置。

14.根据权利要求1所述的***，其中所述自动焊接设备包括非图像传感器；以及

所述一个或多个工件的所述物理特性是基于所述非图像传感器在多模式学习配置中的输出确定的。

15.根据权利要求1所述的***，其中所述一个或多个工件的所述物理特性是基于所述一个或多个工件的先验知识和/或所述自动焊接装置的先验知识确定的。

16.根据权利要求1所述的***，其中所述处理电路用于：在沿所述接头的第一次焊道操作期间，确定所述物理特性，包括将所述确定的物理特性存储到存储器中；以及在沿着所述接头的第二次焊道操作期间产生所述电信号。

17.根据权利要求1所述的***，其中所述处理电路用于执行反馈和/或前馈控制中的一个或多个：输入到对所述一个或多个工件的电压、电流和热；焊丝速度；所述自动焊接装置的行进速度；基于所确定的所述一个或多个工件的物理特性的所述焊炬的接触尖端和所述一个或多个工件之间的距离、电弧长度、焊接熔池穿透度和焊接熔池宽度。

18.根据权利要求1所述的***，其中所述照相机包括CCD或CMOS成像设备；以及

所述照相机用于通过下述中的一个或多个达到60dB或更高的动态范围：所述固态成像设备的非线性响应；局部适应；阱容调整；空间变化的曝光时间；到饱和的积分时间的逐像素控制；以及具有不同的积分时间的多个捕获的融合。

19.根据权利要求1所述的***，其中所述自动焊接装置包括被配置为照亮所述一个或多个工件以捕获所述图像的照明子***；

所述自动焊接装置包括光学滤波器，其对入射在所述照相机的成像设备上的光进行滤光；

由所述照明子***发射的光的光谱特性中的峰落在所述光学滤波器的通带内；以及

由所述自动焊接装置产生的焊接电弧发出的光的光谱特性的峰落在所述光学滤波器的阻带内。

20.根据权利要求1所述的***，其中所述自动焊接装置包括焊接平移平台，所述焊接平移平台构造成沿着安装到管道的轨道推进自身。