蔣 磊，閆志鴻，宋永倫，張 軍，劉玉杰

（北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

0 前言

焊接電流和電弧電壓是電弧焊接過程中最重要的兩個(gè)工藝參數(shù)，它們的變化直接影響過程中的各種動(dòng)態(tài)行為，并影響焊縫成形及最終的焊接質(zhì)量[1]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，焊接中的熔池包含了豐富的焊接質(zhì)量信息。在文獻(xiàn)[2]中采用同步控制拍攝高速攝像和數(shù)據(jù)采集的技術(shù)，建立了高速圖像和工藝參數(shù)的同步記錄與分析系統(tǒng)。自主開發(fā)的圖像與波形同步播放軟件可以實(shí)現(xiàn)高速圖像和工藝參數(shù)波形的播放和分析。受相機(jī)內(nèi)存的限制，能夠采集的時(shí)長有限，不適用于工業(yè)焊接的監(jiān)測(cè)過程。文獻(xiàn)[3-4]中對(duì)TIG焊中熔池正面幾何形狀參數(shù)進(jìn)行了視覺檢測(cè)，這種方法數(shù)據(jù)處理過程繁瑣，不適用于實(shí)際工程運(yùn)用。激光結(jié)構(gòu)光視覺是三維視覺的主要方法之一，其精度高，運(yùn)算速度快，在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用[5-6]。

本研究自主開發(fā)了一套系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集焊接過程包括電流、電壓、圖像信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖像信息的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。結(jié)合激光結(jié)構(gòu)光視覺技術(shù)，對(duì)焊縫的下塌深度進(jìn)行了檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

針對(duì)本研究介紹的監(jiān)測(cè)與記錄分析系統(tǒng)，搭建了鋁合金TIG焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括：EWM的TETRIX521焊接電源、焊槍、行走機(jī)構(gòu)、保護(hù)氣體、電信號(hào)采集裝置、小功率激光器、視覺傳感器和上位機(jī)。

本系統(tǒng)主要包括電信號(hào)傳感系統(tǒng)和圖像傳感系統(tǒng)。系統(tǒng)的電信號(hào)傳感器工作原理如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)示意

圖2 電信號(hào)傳感器連接示意

圖2中電流、電壓傳感器均為閉環(huán)霍爾器件，采用霍爾補(bǔ)償原理，可隔離測(cè)量AC、DC、脈沖信號(hào)；運(yùn)放模塊利用等效電阻將電流傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出到NI USB-6251數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡采集電流、電壓、相機(jī)觸發(fā)信號(hào)到上位機(jī)。

視覺傳感器選用PhotonFocus公司生產(chǎn)的MVD750E、CMOS數(shù)字工業(yè)相機(jī)。試驗(yàn)中，視覺傳感器和小功率激光器分別安裝固定在焊槍前后兩側(cè)隨著焊槍一起運(yùn)動(dòng)。為了有效濾除焊接過程中電弧光對(duì)相機(jī)取像的影響，根據(jù)不同的焊接工藝在鏡頭前加不同型號(hào)的濾光片和減光片。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

弧焊電信號(hào)/圖像信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄分析系統(tǒng)的核心部分是軟件設(shè)計(jì)，在此基于Visual Studio開發(fā)環(huán)境中的Visual C++編程工具，并結(jié)合NI公司的MeasurementStudio虛擬儀器軟件和PhotonFocus相機(jī)運(yùn)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫，使得開發(fā)過程中的電信號(hào)與圖像信息采集功能均以模塊化的方式實(shí)現(xiàn)，程序流程框圖如圖3所示。

2.1 電信號(hào)和圖像信息的采集與實(shí)時(shí)保存

圖3 系統(tǒng)程序流程框圖

在電信號(hào)的采集過程中，采集卡上的0、1、2通道同時(shí)工作，分別采集電壓、電流和相機(jī)觸發(fā)脈沖。電信號(hào)的采集過程中使用了異常處理機(jī)制，采集過程中出現(xiàn)異常被系統(tǒng)捕捉后，系統(tǒng)將異常的信息反饋給用戶，并中斷程序。采集到的圖像以位圖文件（*.BMP）格式進(jìn)行保存。位圖文件可分成四個(gè)部分組成：位圖文件頭（bitmap-file header）、位圖信息頭（bitmap-information header）、彩色表（color table）和定義位圖的字節(jié)陣列。根據(jù)設(shè)置的圖像顯示參數(shù)設(shè)置位圖文件的位圖文件頭和位圖信息頭，然后生成一個(gè)空白的位圖文件，待采集到圖像信息后，將其填寫到該空白文件中。系統(tǒng)采集界面如圖4所示。

采集卡采集到的數(shù)據(jù)存放到CNiReal64Matrix類的m_data中，這是一種矩陣類型的變量，本程序是三個(gè)通道同時(shí)采集，所以m_data是一個(gè)三維的矩陣。為了能夠?qū)⑷N信息放到三個(gè)波形圖中進(jìn)行顯示，需要分別將數(shù)據(jù)從m_data中提取出來，放到三個(gè)CNiReal64Vector類的變量中，它是一種一維數(shù)組。由于NI采集卡只能接收(-10 V，+10 V)的輸入，所以在將數(shù)據(jù)畫成波形圖之前，要根據(jù)電流傳感器的比例關(guān)系（輸入100 A，輸出1 V）和電壓傳感器的比例關(guān)系（輸入12.8 V，輸出1 V）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，還原它的真實(shí)性。電信號(hào)的存取使用的都是文件的流操作，將數(shù)據(jù)按照先后順序?qū)懭胛谋疚募?.txt），然后按照該順序讀出數(shù)據(jù)。圖像信息和電信號(hào)數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)保存到系統(tǒng)設(shè)定的文件夾，存儲(chǔ)圖像信息時(shí)，使用FILE類型的對(duì)象直接對(duì)文件進(jìn)行操作。如前所述，位圖文件由四部分組成，將這四部分按照正確的順序，使用FILE對(duì)象的write（）函數(shù)將它們以二進(jìn)制的格式直接寫入文件中，并將文件的后綴名定為“*.bmp”。

圖4 系統(tǒng)采集界面

2.2 圖像信息和電信號(hào)的同步查看

為了分析電信號(hào)與熔池圖像信息的關(guān)系，本程序通過分析相機(jī)觸發(fā)脈沖信號(hào)通道采集到脈沖觸發(fā)信號(hào)將圖像和與之對(duì)應(yīng)的電流電壓信號(hào)同時(shí)顯示，能夠一一查看和回放過程，如圖5所示。

圖5 信息同步查看

波形顯示窗口中的豎線指示了與當(dāng)前圖像對(duì)應(yīng)的同步時(shí)刻，據(jù)此可將圖像與波形按同步時(shí)刻對(duì)應(yīng)起來。圖像用整數(shù)編號(hào),負(fù)編號(hào)表示在觸發(fā)信號(hào)到來之前拍攝的圖像。系統(tǒng)狀態(tài)欄顯示了波形數(shù)據(jù)的脈沖范圍、圖像編號(hào)范圍及所顯示的當(dāng)前圖像編號(hào)、時(shí)刻和對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)值。軟件既可以按預(yù)先設(shè)定的速度自動(dòng)播放，也可以手動(dòng)單幀播放。

3 基于結(jié)構(gòu)光視覺的焊縫圖像分析

在焊縫下塌深度檢測(cè)中，固定于焊槍前端的小功率激光器發(fā)出一束一字線形激光，照射于焊縫表面，CCD從后上方對(duì)激光條紋投射區(qū)域進(jìn)行采像。圖6為結(jié)構(gòu)光測(cè)量幾何模型，設(shè)MN為成像平面，O點(diǎn)為CCD的光心，OP0為光軸，與MN垂直，L點(diǎn)為激光出光點(diǎn)，LP0為激光發(fā)射線，與工件表面EF垂直，P0點(diǎn)為激光與工件表面的交點(diǎn)。當(dāng)工件表面的高度發(fā)生改變時(shí)，如從P0變化到P1時(shí)，在MN上的成像點(diǎn)由Q0變化為Q1，根據(jù)幾何關(guān)系，Q0與Q1的位置差便可反映P0與P1的高度差。

設(shè)成像系統(tǒng)的光軸與工件平面EF的夾角為θ，成像系統(tǒng)的放大倍率（像的物理尺寸與物的物理尺寸之比）為α，且假設(shè)待測(cè)物體高度差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于像距（對(duì)于本研究所構(gòu)建的焊縫測(cè)量系統(tǒng)來說滿足該條件），則物體待測(cè)點(diǎn)的高度表示為

圖6 結(jié)構(gòu)光測(cè)量幾何模型

根據(jù)激光結(jié)構(gòu)光測(cè)量幾何模型，移動(dòng)小車帶動(dòng)工件移動(dòng)，則工件上激光條紋對(duì)應(yīng)的每一個(gè)位置的下塌深度信息便可依次計(jì)算出來。圖7為激光條紋在鋁合金打底焊后結(jié)構(gòu)光條紋在焊縫上的圖像，圖像中間的白亮條紋為結(jié)構(gòu)光條紋，可以看到在焊縫位置處，結(jié)構(gòu)光條紋有明顯下凹。

圖7 視覺傳感器采集到的結(jié)構(gòu)光在焊縫上的圖像

在圖像處理中，把視覺傳感器采集到的圖像經(jīng)過一次高斯濾波，通過尋找圖像中每一列灰度的極值的方法，找到激光條紋在圖像中的位置，然后在條紋兩端選取一定的采樣點(diǎn)，運(yùn)用最小二乘法，擬合出母材平面。圖8為圖像旋轉(zhuǎn)180°后處理所得到的圖像，由圖8可以很清楚的觀察到焊縫位置處的下塌高度所對(duì)應(yīng)的像素值。

圖8 圖像處理后結(jié)果（單位：像素）

取一塊6 mm的鋁合金工件在圖1所示的焊接平臺(tái)上做焊接試驗(yàn)，保護(hù)氣體為φ（Ar）50%+φ（He）50%，焊接電流從205 A階躍增大，利用激光結(jié)構(gòu)光掃描焊縫，得到的下塌深度曲線如圖9所示。對(duì)比焊縫實(shí)物，從圖10中看到焊縫從起始點(diǎn)開始焊縫下塌深度有加深趨勢(shì)，焊漏點(diǎn)前端由于液態(tài)金屬的聚集，此處焊縫位置下塌量反而減少。

圖9 焊縫最大下塌深度曲線

圖10 焊縫實(shí)物

4 結(jié)論

研制的弧焊電信號(hào)/圖像信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄分析系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)弧焊過程中電信號(hào)和圖像信息的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的同步，利用激光結(jié)構(gòu)光視覺對(duì)焊縫下塌深度的分析結(jié)果與實(shí)物基本一致，隨著圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，可以從圖像信息中得到更加豐富的焊接質(zhì)量信息。

[1]Norrish JAdvanced welding processes-technology and processcontrol[M].Cambridge，England Woodhead Publishing Linited，2006.

[2]陳志翔，張 軍，宋永倫，等.焊接過程高速圖像和工藝參數(shù)的同步記錄與分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2010：？？.

[3]馮天濤.對(duì)接TIG焊熔池幾何形狀參數(shù)檢測(cè)及熔透控制[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2004.

[4]王建軍.鋁合金脈沖TIG焊熔池動(dòng)態(tài)特征的視覺信息獲取與自適應(yīng)控制[D].上海：上海交通大學(xué)2003.

[5]陽道善，陳吉紅.周會(huì)成線結(jié)構(gòu)激光-機(jī)器視覺三角測(cè)量光路設(shè)計(jì)[J].光學(xué)技術(shù) 2001，27(2)：120-122.

[6]劉 峰.基于結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理的自由曲面D3測(cè)量的系統(tǒng)技術(shù)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2004.