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)
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)。
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。
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。
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)⑷N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
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。
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
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。
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