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        不同焊接速度下的CO2焊熔池附近區(qū)域照度分布數(shù)值模型

        2016-12-23 20:43:33劉曉剛劉天元黃詩
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年23期

        劉曉剛 劉天元 黃詩

        摘 要:通過探索研究不同焊接速度下CCD相機(jī)獲取的CO2焊熔池附近區(qū)域圖像灰度值的分布數(shù)值模型,可為得到清晰圖像做前期準(zhǔn)備。首先進(jìn)行了系統(tǒng)標(biāo)定;其次建立了不同速度下CCD相機(jī)獲取的熔池附近區(qū)域圖像灰度值的分布數(shù)值模型并對(duì)該模型進(jìn)行了分析。試驗(yàn)研究結(jié)果表明:同一速度下,隨著距離的增加,相機(jī)獲取的熔池附近區(qū)域圖片的灰度值減小且下降速度逐漸變慢;同一位置上,隨著焊接速度的增加,灰度值逐漸減小,擬合結(jié)果和事實(shí)情況一致。

        關(guān)鍵詞:不同波段;CO2焊;熔池附近;灰度值

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.016

        0 前言

        焊接空間和作業(yè)環(huán)境的日趨復(fù)雜,對(duì)現(xiàn)代焊接技術(shù)提出了更高的要求,開發(fā)適合于特定環(huán)境的具有自動(dòng)化、智能化的焊接技術(shù)是未來研究的一個(gè)重要方向,而焊縫跟蹤問題是解決焊接自動(dòng)化、智能化的首要性、基礎(chǔ)性問題。CO2氣體保護(hù)焊以其節(jié)能高效、抗銹、低氫、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于汽車車身補(bǔ)焊、凝汽器殼體組合焊接等工業(yè)生產(chǎn)中,且熔滴過渡形式多以短路過渡為主[1,2]。然而,CO2焊短路過渡過程熔池附近區(qū)域飛濺金屬、光照強(qiáng)度分布及變化復(fù)雜,嚴(yán)重影響了焊縫特征提取的實(shí)時(shí)性和可靠性,致使基于視覺的CO2焊焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展受到了嚴(yán)重制約[3,4]。因此,研究不同焊接速度下CO2焊熔滴短路過渡過程中熔池附近區(qū)域弧光分布的規(guī)律對(duì)于選擇合適的焊接速度和輔助光源照射區(qū)域來減小弧光和飛濺對(duì)圖像的影響是十分有意義的。

        1 建立研究模型

        機(jī)器視覺是利用機(jī)器模擬人眼對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別。本系統(tǒng)中的焊槍和CCD攝像機(jī)采用L型板連接并用螺母固定。CCD相機(jī)軸線與焊絲平行裝定,焊絲與母材垂直,此時(shí)獲取的圖像中單位像素對(duì)應(yīng)實(shí)際長(zhǎng)度一致。用傳感器連接相機(jī)和工控機(jī),把瞬時(shí)電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞給工控機(jī)。機(jī)器視覺采集系統(tǒng)主要組成部分如圖1所示。試驗(yàn)參數(shù)為:焊槍保護(hù)氣體為流量10L/min的純CO2,不銹鋼焊絲直徑1.2mm,焊絲伸出長(zhǎng)度為10mm,焊接母材為低碳鋼,工業(yè)CCD相機(jī)型號(hào)為MV1-D1312I。采用Acuteye高速圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)熔池附近區(qū)域圖像進(jìn)行存儲(chǔ)。焊接采用平板堆焊,根據(jù)大量的試焊情況,確定本試驗(yàn)中焊接電流為100A,焊接電壓22V;曝光時(shí)間1.8ms;焊接速度范圍為500-600mm/min;熔滴過渡形式為短路過渡

        2 數(shù)值模型建立

        2.1 本研究系統(tǒng)中的標(biāo)定

        在本研究系統(tǒng)中,CCD攝像機(jī)所獲得每張圖片像素值為544×544,用坐標(biāo)紙作為轉(zhuǎn)換介質(zhì)來反映像素格和實(shí)際距離之間的關(guān)系,坐標(biāo)紙的每一大格為一平方厘米,每一個(gè)小格為一平方毫米,所獲坐標(biāo)紙圖像如圖2所示。設(shè)定坐標(biāo)原點(diǎn)為所獲圖片的第544行,272列的像素格。則沿x軸方向單個(gè)像素格對(duì)應(yīng)的距離m為: 。其中m1為沿對(duì)稱軸線x軸方向所包含的小方格數(shù)。沿y軸方向單個(gè)像素格對(duì)應(yīng)的距離n為: 。其中n1為沿對(duì)稱軸線y軸方向所包含的小方格數(shù)。

        從圖2中可估算出 m1=50.5mm,n1=50.5mm,將m1,n1分別代入上式中求得m=0.093mm,n=0.093mm,即每個(gè)像素格的實(shí)際距離為0.093mm。

        2.2 試驗(yàn)擬合結(jié)果及分析

        試驗(yàn)中,假定弧柱是一個(gè)點(diǎn)光源,此時(shí)在熔池周圍每個(gè)方向的照度分布一致,因此,本試驗(yàn)可選取沿垂直焊槍行走方向的光照分布情況作為研究對(duì)象,從第543個(gè)像素格開始,每隔10個(gè)像素格選取一個(gè)像素格的灰度信息,共選取8個(gè)灰度值數(shù)據(jù)。不同焊接速度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1:

        觀察灰度分布的大體情況,擬采用matlab曲線擬合工具箱中指數(shù)逼近型來建立熔池附近區(qū)域灰度分布數(shù)值模型[5]。

        選取500mm/min焊接速度時(shí),得距離和灰度值大小的擬合結(jié)果:

        選取550mm/min焊接速度時(shí),得距離和灰度值大小的擬合結(jié)果:

        選取600mm/min焊接速度時(shí),得距離和灰度值大小的擬合結(jié)果:

        各焊接速度下距離與灰度值的擬合曲線圖如圖3:

        由圖3可以看出,在同一速度下,隨著距離的增加灰度值逐漸減小而且減小的幅度也逐漸降低,這是因?yàn)椴豢紤]吸收的話,點(diǎn)光源發(fā)出光的強(qiáng)度反比于距離的平方,因此,隨著距離的增加,母材所受照度逐漸減小,對(duì)應(yīng)圖像灰度值減小,而且減小幅度隨著距離的增加而逐漸變?。辉谕晃恢蒙?,隨著焊接速度的增加,灰度值逐漸變小,這是因?yàn)楹附铀俣仍酱?,電流線密度越小,所以電弧能量越小,因此圖像灰度值也越小。擬合結(jié)果符合實(shí)際規(guī)律,說明了該數(shù)值模型具有一定的理論和實(shí)際意義。

        3 結(jié)論

        建立了不同焊接速度下熔池附近區(qū)域圖像灰度值隨距離變化的符合事實(shí)規(guī)律的數(shù)值模型,該數(shù)值模型不但為選擇合適的濾光片和照射區(qū)域提供了一定的理論基礎(chǔ),而且為圖象處理過程中的灰度變換函數(shù)的選擇提供了理論依據(jù)。同一焊接速度下,隨著距離的增加,CCD相機(jī)獲取的熔池附近區(qū)域圖像灰度值逐漸減小且下降幅度也逐漸減小,在同一位置上,在較大的焊接速度下CCD相機(jī)獲取的圖像灰度值比較小的焊接速度下獲取的圖像灰度值要小。

        參考文獻(xiàn):

        [1]宋國(guó)軍,朱六妹,王偉等.視覺焊縫跟蹤實(shí)時(shí)圖像處理研究[J]. 焊接技術(shù),2003,32(01):10-12.

        [2]劉富強(qiáng).焊縫的特征識(shí)別與精確測(cè)量[D].哈爾濱工程大學(xué),2013.

        [3]霍平,李寧寧,張海旺等.結(jié)構(gòu)光視覺傳感器模型分析與研究[J]. 電焊機(jī),2014,44(04):108-111.

        [4]毛鵬軍.CO2焊視覺圖像形態(tài)學(xué)處理及焊縫跟蹤的研究[D].華南理工大學(xué),2003.

        [5]胡慶婉.使用MATLAB曲線擬合工具箱做曲線擬合[J].電腦知識(shí)與技術(shù):學(xué)術(shù)交流,2010,06(21):5822-5823.

        基金項(xiàng)目:廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (2014GXNSFAA118310)

        作者簡(jiǎn)介:劉曉剛(1964-),男,內(nèi)蒙古包頭人,博士,教授,碩士研究生導(dǎo)師,主要從事焊接機(jī)器人方面的科研和教學(xué)工作。

        *為通訊作者

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