CN114473140A - 一种基于分时复用的熔池图像平行式采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分时复用的熔池图像平行式采集方法,包括:安装日常图像采集模块和焊接图像采集模块,并将其调焦齿轮置于初始位置,利用聚焦算法控制二者同步聚焦;采集电焊机的电压信号和电流信号,并做“与”操作;若“与”操作结果为0,通过计算机终端所获取的环境信息设置焊接前焊接工具的安装位置;电焊机起弧后自动关闭日常图像采集模块,启用焊接图像采集模块采集焊接信息、熔池图像,将焊接信息通过相机坐标系转换至日常图像采集模块的拍摄角度;电焊机熄弧后自动关闭焊接图像采集模块,启用日常图像采集模块采集焊接环境信息,检查焊接完成情况。本发明具有双摄像头同步自动聚焦、采集焊接信息完整、操作简单和可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及焊接自动化和智能化的技术领域,尤其涉及一种基于分时复用的熔池图像平行式采集方法。
背景技术
随着工业化的发展,焊接技术在航天工程、船舶制造、车辆工程、核工业建设、工程建造等领域的重要性愈发突出。焊接作为一门永久性连接金属材料的工艺方法,在制造大型结构或复杂地机器部件时,更显优越。熔池是焊接过程中形成的池状形液态金属区域,其内包含了大量的信息,可以用来预测熔深、焊缝形状、焊缝缺陷等。因此,使用视觉传感技术实时采集熔池图像是有效提高焊接自动化和智能化水平的关键技术之一。
在焊接领域中,同其他传感技术相比,视觉传感技术具有非接触、信息量大、抗干扰能力强、通用性好和易于智能化等优点。例如,在制造核反应堆压力容器时,为防止核反应堆压力容器开裂造成核电站辐射泄露事故,对于焊接质量的要求远高于常规压力容器,使用视觉传感器实时监测焊接时熔池的状态,根据熔池形貌实时调整焊接参数可保证核反应堆压力容器达到规定标准。视觉传感技术目前是最能够直接反应焊接状态且应用最广泛的传感技术之一。
视觉传感技术可分为被动视觉传感技术和主动视觉传感技术。被动视觉传感技术是指利用熔池对电弧光的反射或熔池的自身发光采集熔池图像,优点是降低了熔池图像采集***的成本,但是会受到强烈弧光的干扰,无法获得清晰、完整的熔池图像。视觉传感器是视觉传感技术的主要光学器件,可分为CCD传感器和CMOS传感器。CMOS传感器阵列中传输的是电压信号,其像素单元中包含着积分电路结构,阵列中的每个像素由光电二极管或光电晶体管和源跟随器及时序开关等构成。CMOS传感器因其具有良好的集成性、低功耗、高速传输和高抗辐射等优点应用于图像和机器视觉等领域,如工业制造与检测、3D应用和航空航天等领域。
目前常用的熔池图像采集技术主要包括复合滤光技术、脉冲触发技术和高动态范围相机。复合滤光技术优点是可以滤去大量不必要的电弧光,缺点是会滤掉一部分熔池反射光线,使得图像中熔池区域较暗;脉冲触发技术仅适用于脉冲焊接方式,需要设计脉冲触发电路,结构复杂;高动态范围相机可以保留所有熔池区域的信息,但是会引入大量噪声,需要通过复杂的图像处理算法去除干扰,并且高动态范围相机价格高昂。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题,提出了本发明。
因此,本发明解决的技术问题是:现有技术中,复合滤光技术优点是可以滤去大量不必要的电弧光,缺点是会滤掉一部分熔池反射光线,使得图像中熔池区域较暗;脉冲触发技术仅适用于脉冲焊接方式,需要设计脉冲触发电路,结构复杂;高动态范围相机可以保留所有熔池区域的信息,但是会引入大量噪声,需要通过复杂的图像处理算法去除干扰,并且高动态范围相机价格高昂。
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:基于预设的安装条件安装日常图像采集模块和焊接图像采集模块,并将其调焦齿轮置于初始位置,利用自动聚焦算法控制二者同步聚焦;聚焦完成后,采集电焊机的电压信号和电流信号,对所采集的电压信号和电流信号做“与”操作;若“与”操作结果为0,通过计算机终端所获取的环境信息设置焊接前焊接工具的安装位置,完成焊接前的准备工作;电焊机起弧后自动关闭所述日常图像采集模块,启用所述焊接图像采集模块采集焊接信息,采集熔池图像,并将所述焊接信息通过相机坐标系转换至所述日常图像采集模块的拍摄角度;电焊机熄弧后自动关闭所述焊接图像采集模块,启用所述日常图像采集模块采集焊接环境信息,检查焊接完成情况。
作为本发明所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的一种优选方案,其中:所述预设的安装条件包括:
所述日常图像采集模块和所述焊接图像采集模块的安装间距为:
0≤d≤2L*tanγ-η(2L*tanγ+h),η≥60%
其中,d表示日常图像采集模块和焊接图像采集模块的间距,L表示摄像机镜头的工作距离,γ表示摄像机镜头的视场角,η表示两个图像采集模块的画面信息重合率,h表示相机靶面高度。
作为本发明所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的一种优选方案,其中:所述焊接图像采集模块所采集的熔池信息可通过相机坐标系转换至日常图像采集模块的拍摄视角,转换关系为:
(x1,y1,z1)=(x2,y2,-z2)
其中,(x1,y1,z1)表示日常图像采集模块摄像机靶面上的坐标,(x2,y2,z2)表示焊接图像采集模块摄像机靶面上的坐标。
作为本发明所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的一种优选方案,其中:所述日常图像采集模块和所述焊接图像采集模块的画面信息重合率η的计算公式为:
作为本发明所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的一种优选方案,其中:定义所述日常图像采集模块和所述焊接图像采集模块的画面信息重合率大于60%以确保同步聚焦的准确度。
作为本发明所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的一种优选方案,其中:所述自动聚焦算法通过计算机提取焊枪尖端的图像特征,采用基于频域的评价方法,对焊接图像特征进行评价,基于频域的图像质量评价方法的理论依据为越清晰的图像其频域变换后的高频成分越多。
作为本发明所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的一种优选方案,其中:所述基于频域的图像质量评价方法采用离散傅里叶函数,所述离散傅里叶函数-DFT为:
其中,M,N表示输入图像的高和宽,u,v表示频率分量,x,y表示图像像素点。
作为本发明所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的一种优选方案,其中:对所述焊接图像特征进行评价,其图像清晰度评价函数包括信噪比、聚焦范围、计算量、重复精度和是否具有单峰性。
作为本发明所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的一种优选方案,其中:采用电流传感器和电压传感器采集所述电焊机的电压信号和电流信号并对其做“与”操作,若结果为“0”,则将所述日常图像采集模块的数据传输至计算机终端;若结果为“1”,则将所述焊接图像采集模块的数据做相机坐标系转换并传输至计算机终端。
本发明的有益效果:本发明具有双摄像头同步自动聚焦、采集焊接信息完整、操作简单和可靠性高等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
图1为本发明一个实施例提供的一种基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的基本流程示意图;
图2为本发明一个实施例提供的一种基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的画面信息重合度示意图;
图3为本发明一个实施例提供的一种基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的焊接图像采集模块和日常图像采集模块的转换关系示意图;
图4为本发明一个实施例提供的一种基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的实施方式示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明,显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便于说明,表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中,需要说明的是,术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定,术语“安装、相连、连接”应做广义理解,例如:可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接;同样可以是机械连接、电连接或直接连接,也可以通过中间媒介间接相连,也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
空间滤波技术是指在光学装置的傅里叶频谱面上放置适当的滤波器,以改变光波的结构,使所得像按人们的要求得到预期的改善。空间滤波器包括振幅型滤波器和相位型滤波器,高通空间滤波器属于振幅型滤波器,它能够滤除频谱中的低频成分,具有增强模糊图像边缘和提高图像识别能力的作用。
分时复用技术是将不同的信号相互交织在不同的时间段内,沿着同一个信道传输;在接收端再用某种方法,将各个时间段内的信号提取出来还原成原始信号的通信技术,这种技术可以在同一个信道上传输多路信号。
参照图1~3,为本发明的一个实施例,提供了一种基于分时复用的熔池图像平行式采集方法,包括:
S1:基于预设的安装条件安装日常图像采集模块和焊接图像采集模块,并将其调焦齿轮置于初始位置,利用自动聚焦算法控制二者同步聚焦。
需要说明的是,日常图像采集模块、焊接图像采集模块、调焦电机和金属安装支架组成基于分时复用的熔池图像平行式采集***,日常图像采集模块和焊接图像采集模块呈轴对称性安装,焊接图像采集模块由中性密度减光片、摄像机镜头、高通空间滤波器和摄像机模组组成,调焦电机为高精度混合步进电机,能够精细的细分步距角度,步进角度为0.9°,可实现精准调焦;金属安装支架是根据两组熔池图像采集***的大小和安装位置和角度制作,安装结构为刚性结构。
优选的,调焦电机的转动方向为逆时针旋转,日常图像采集模块和焊接图像采集模块的调焦齿轮为顺时针旋转,焊接工作前将日常图像采集模块和焊接图像采集模块的调焦齿轮置于初始位置,通过日常图像采集模块传输信号至计算机,通过自动聚焦算法控制调焦电机对日常图像采集模块和焊接图像采集模块同步调焦,解决了焊接图像采集模块由于安装有光学滤波片和空间滤波器时无法捕捉焊接环境信息的问题。
其中,预设的安装条件包括:
日常图像采集模块和焊接图像采集模块的安装间距为:
0≤d≤2L*tanγ-η(2L*tanγ+h),η≥60%
其中,d表示日常图像采集模块和焊接图像采集模块的间距,L表示摄像机镜头的工作距离,γ表示摄像机镜头的视场角,η表示两个图像采集模块的画面信息重合率,h表示相机靶面高度。
进一步的,在日常图像采集模块和焊接图像采集模块的安装间距满足条件下,同时将日常图像采集模块和焊接图像采集模块的调焦齿轮置于初始位置,使用DSP开发板内置的自动聚焦算法可完成日常图像采集模块和焊接图像采集模块的同步聚焦,并将日常图像采集模块和焊接图像采集模块的信息整合。
其中,自动聚焦算法是通过计算机提取焊枪尖端的图像特征,使用基于频域的评价方法,对焊接图像特征进行评价,图像清晰度评价函数包括信噪比、聚焦范围、计算量、重复精度和是否具有单峰性。基于频域的图像质量评价方法的理论依据为越清晰的图像其频域变换后的高频成分越多,基于频域的图像质量评价方法采用离散傅里叶函数,离散傅里叶函数(DFT)为:
其中,M,N表示输入图像的高和宽,u,v表示频率分量,x,y表示图像像素点。
优选的,日常图像采集模块和焊接图像采集模块所采集图像的信息重合率应大于60%以确保同步聚焦的准确度。设摄像机镜头的视场角为γ,摄像机镜头的工作距离为L,日常图像采集模块和焊接图像采集模块的间距为d,相机靶面高度为h,如图2所示,则两个图像采集模块的画面信息重合率η:
更进一步的,如图3所示,焊接过程中焊接图像采集模块所捕捉的熔池特征信息通过坐标系O-xyz转换至日常图像采集模块视角,日常图像采集模块和焊接图像采集模块呈轴对称关系;设P-xy坐标系上一点(X,Y)映射到相机坐标系O-xyz上,点(X,Y)应位于两模块信息重合区间内,在日常图像采集模块摄像机靶面上的坐标为(x1,y1,z1),在焊接图像采集模块摄像机靶面上的坐标为(x2,y2,z2),摄像机靶面的高为h,宽为w,则焊接图像采集模块和日常图像采集模块的转换关系(仅使用相机坐标系)为:
(x1,y1,z1)=(x2,y2,-z2)。
S2:聚焦完成后,采集电焊机的电压信号和电流信号,对所采集的电压信号和电流信号做“与”操作。
需要说明的是,采用电流传感器和电压传感器采集电焊机的电压信号和电流信号。
S3:若“与”操作结果为0,通过计算机终端所获取的环境信息设置焊接前焊接工具的安装位置,完成焊接前的准备工作。
需要说明的是,若结果为“0”,即日常图像采集模块工作阶段,则将日常图像采集模块的数据传输至计算机终端,通过计算机终端所获取的环境信息设置焊枪前端距工件表面的距离,焊丝的位置等,完成焊接前的准备工作;若结果为“1”,则将焊接图像采集模块的数据做相机坐标系转换并传输至计算机终端。
S4:电焊机起弧后自动关闭日常图像采集模块,启用焊接图像采集模块采集焊接信息,采集熔池图像,并将焊接信息通过相机坐标系转换至日常图像采集模块的拍摄角度。
S5:电焊机熄弧后自动关闭焊接图像采集模块,启用日常图像采集模块采集焊接环境信息,检查焊接完成情况。
实施例2
参照图4为本发明另一个实施例,该实施例不同于第一个实施例的是,提供了一种基于分时复用的熔池图像平行式采集方法的验证测试,为对本方法中采用的技术效果加以验证说明,本实施例采用传统技术方案与本发明方法进行对比测试,以科学论证的手段对比试验结果,以验证本方法所具有的真实效果。
对本方法中采用的技术效果加以验证说明,本实施例选择的不同方法和采用本方法进行对比测试,以科学论证的手段对比试验结果,以验证本方法所具有的真实效果。
传统的技术方案:复合滤光技术优点是可以滤去大量不必要的电弧光,缺点是会滤掉一部分熔池反射光线,使得图像中熔池区域较暗;脉冲触发技术仅适用于脉冲焊接方式,需要设计脉冲触发电路,结构复杂;高动态范围相机可以保留所有熔池区域的信息,但是会引入大量噪声,需要通过复杂的图像处理算法去除干扰,并且高动态范围相机价格高昂。为验证本方法相对传统方法具有较高图像采集准确度和更快的速度,本实施例中将采用传统单摄像头熔池图像采集方法和本方法分别对进行实时测量对比。其中,如图4所示,本发明方法的拍摄角度为45°,工作距离为200mm,其采集***中轴线对准焊接割炬正下方工件,采用实施例1中所采用的方法步骤进行测试,测试结果如下表所示。
表1:实验结果对比表。
对比测试样本 | 传统方法 | 本发明方法 |
聚焦时间 | 60ms | 52ms |
清晰度 | 低 | 高 |
准确度 | 低 | 高 |
从上表可以看出,相比较于单摄像头熔池图像采集方法的聚焦时间60ms的典型值,本发明方法的双摄像头同步聚焦仅需52ms,聚焦时间比传统的人工聚焦方法有更快的速度和准确度,它能够完整地整采集焊接全过程信息,相比于传统的单摄像头熔池图像采集装置,能够更加清晰地捕捉焊接环境信息。
应当认识到,本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现,其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机***通信。然而,若需要,该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下,该语言可以是编译或解释的语言。此外,为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外,可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作,除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机***的控制下执行,并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如,可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步,所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现,包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现,无论是可移动的还是集成至计算平台,如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等,使得其可由可编程计算机读取,当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外,机器可读代码,或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时,本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时,本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能,从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中,转换的数据表示物理和有形的对象,包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
如在本申请所使用的,术语“组件”、“模块”、“***”等等旨在指代计算机相关实体,该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如,组件可以是,但不限于是:在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例,在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中,并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外,这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如,来自一个组件的数据,该组件与本地***、分布式***中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它***进行交互)的信号,以本地和/或远程过程的方式进行通信。
应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种基于分时复用的熔池图像平行式采集方法,其特征在于,包括:
基于预设的安装条件安装日常图像采集模块和焊接图像采集模块,并将其调焦齿轮置于初始位置,利用自动聚焦算法控制二者同步聚焦;
聚焦完成后,采集电焊机的电压信号和电流信号,对所采集的电压信号和电流信号做“与”操作;
若“与”操作结果为0,通过计算机终端所获取的环境信息设置焊接前焊接工具的安装位置,完成焊接前的准备工作;
电焊机起弧后自动关闭所述日常图像采集模块,启用所述焊接图像采集模块采集焊接信息,采集熔池图像,并将所述焊接信息通过相机坐标系转换至所述日常图像采集模块的拍摄角度;
电焊机熄弧后自动关闭所述焊接图像采集模块,启用所述日常图像采集模块采集焊接环境信息,检查焊接完成情况。
2.如权利要求1所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法,其特征在于,所述预设的安装条件包括:
所述日常图像采集模块和所述焊接图像采集模块的安装间距为:
0≤d≤2L*tanγ-η(2L*tanγ+h),η≥60%
其中,d表示日常图像采集模块和焊接图像采集模块的间距,L表示摄像机镜头的工作距离,γ表示摄像机镜头的视场角,η表示两个图像采集模块的画面信息重合率,h表示相机靶面高度。
3.如权利要求2所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法,其特征在于,所述焊接图像采集模块所采集的熔池信息可通过相机坐标系转换至日常图像采集模块的拍摄视角,转换关系为:
(x1,y1,z1)=(x2,y2,-z2)
其中,(x1,y1,z1)表示日常图像采集模块摄像机靶面上的坐标,(x2,y2,z2)表示焊接图像采集模块摄像机靶面上的坐标。
5.如权利要求4所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法,其特征在于:定义所述日常图像采集模块和所述焊接图像采集模块的画面信息重合率大于60%以确保同步聚焦的准确度。
6.如权利要求1所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法,其特征在于:所述自动聚焦算法通过计算机提取焊枪尖端的图像特征,采用基于频域的评价方法,对焊接图像特征进行评价,基于频域的图像质量评价方法的理论依据为越清晰的图像其频域变换后的高频成分越多。
8.如权利要求1、6、7任一所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法,其特征在于:对所述焊接图像特征进行评价,其图像清晰度评价函数包括信噪比、聚焦范围、计算量、重复精度和是否具有单峰性。
9.如权利要求8所述的基于分时复用的熔池图像平行式采集方法,其特征在于:采用电流传感器和电压传感器采集所述电焊机的电压信号和电流信号并对其做“与”操作,若结果为“0”,则将所述日常图像采集模块的数据传输至计算机终端;若结果为“1”,则将所述焊接图像采集模块的数据做相机坐标系转换并传输至计算机终端。
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