MAG焊熔池视觉特征与质量信息识别
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摘要
本课题的目的在于从清晰的熔池图像中获取反映焊接质量的特征信息，为基于视觉的焊接过程质量控制提供关系模型。
针对MAG焊电弧光谱特点，采用被动式视觉传感方法，利用CCD摄像机配合近红外复合滤光系统消除弧光干扰，获取MAG焊熔池图像。采用数字图像处理技术对典型熔池图像进行了灰度特征信息分析，提出了利用熔池图像灰度均值来研究焊接过程的新思路，得出图像灰度均值与焊接规范相关、灰度均值波动大小反映了过程稳定性的结论。以熔池外轮廓为研究对象，建立了熔池视觉图像几何参数指标体系，利用几何参数指标定量分析了熔池边缘形态与焊接稳定性关系；以熔池内部为研究对象，提取出电弧区和熔渣区轮廓，为进一步研究熔池内部特征信息与焊接质量关系奠定了基础。
从MAG焊焊接缺陷产生的机理及熔池流态出发，采用同步对比试验，结合熔池几何参数，研究了熔池图像特征与焊接缺陷的映射关系，提取出气孔、焊塌、焊穿、焊偏等焊接缺陷所对应的熔池图像特征及熔池图像几何参数变化规律。试验表明：一种图像特征可能预示多种焊接缺陷的产生，一种焊接缺陷可能有多种图像特征显示；通过熔池视觉图像特征判断焊接缺陷具有良好的可行性，为基于视觉传感的焊接缺陷自动在线预测提供了技术依据及其相关模型。
The purpose of the subject was to acquire the useful quality characteristic informationfrom the weld pool image, which built a good foundation for the welding quality controlbased on vision sensing.
A passive vision sensing system for taking the image of MAG welding pool had beenset up in this paper. CCD and the near-infrared compound filters system were used toeliminate the arc disturbance and a lot of clear images were obtained. Image-processingsoftware was used to analyse the gray character. Gray mean was put forward to study theprocess of MAG welding. Taking the weld pool outline as object, the weld pool geometryparameter system was established and the relationship between the weld pool edgecharacter and the welding stability was analyzed. Taking the interior pool as the object, thearc and the molten-slag's contours were extracted.
The relationship between image characteristic information and the weld defect wasstudied by sync contrast experiments. The visual characters of the pore, weld collapse andthe other defect were extracted. The experiments approved that one kind of image maypredicate several kinds of welding defect, one kind of welding defect may also showedseveral kinds of image characters. Experimental results show that it is feasible to judge thedefect by visual characters which offered a technological foundation for automaticidentification of welding defect on the base of vision sensing.
针对MAG焊电弧光谱特点，采用被动式视觉传感方法，利用CCD摄像机配合近红外复合滤光系统消除弧光干扰，获取MAG焊熔池图像。采用数字图像处理技术对典型熔池图像进行了灰度特征信息分析，提出了利用熔池图像灰度均值来研究焊接过程的新思路，得出图像灰度均值与焊接规范相关、灰度均值波动大小反映了过程稳定性的结论。以熔池外轮廓为研究对象，建立了熔池视觉图像几何参数指标体系，利用几何参数指标定量分析了熔池边缘形态与焊接稳定性关系；以熔池内部为研究对象，提取出电弧区和熔渣区轮廓，为进一步研究熔池内部特征信息与焊接质量关系奠定了基础。
从MAG焊焊接缺陷产生的机理及熔池流态出发，采用同步对比试验，结合熔池几何参数，研究了熔池图像特征与焊接缺陷的映射关系，提取出气孔、焊塌、焊穿、焊偏等焊接缺陷所对应的熔池图像特征及熔池图像几何参数变化规律。试验表明：一种图像特征可能预示多种焊接缺陷的产生，一种焊接缺陷可能有多种图像特征显示；通过熔池视觉图像特征判断焊接缺陷具有良好的可行性，为基于视觉传感的焊接缺陷自动在线预测提供了技术依据及其相关模型。
The purpose of the subject was to acquire the useful quality characteristic informationfrom the weld pool image, which built a good foundation for the welding quality controlbased on vision sensing.
A passive vision sensing system for taking the image of MAG welding pool had beenset up in this paper. CCD and the near-infrared compound filters system were used toeliminate the arc disturbance and a lot of clear images were obtained. Image-processingsoftware was used to analyse the gray character. Gray mean was put forward to study theprocess of MAG welding. Taking the weld pool outline as object, the weld pool geometryparameter system was established and the relationship between the weld pool edgecharacter and the welding stability was analyzed. Taking the interior pool as the object, thearc and the molten-slag's contours were extracted.
The relationship between image characteristic information and the weld defect wasstudied by sync contrast experiments. The visual characters of the pore, weld collapse andthe other defect were extracted. The experiments approved that one kind of image maypredicate several kinds of welding defect, one kind of welding defect may also showedseveral kinds of image characters. Experimental results show that it is feasible to judge thedefect by visual characters which offered a technological foundation for automaticidentification of welding defect on the base of vision sensing.
引文
1 吴林，陈善本．智能化焊接技术．北京：国防工业出版社，2000
2 潘际銮．现代弧焊控制．北京：机械工业出版社，2000
3 王其隆．弧焊过程质量实时传感与控制．北京：机械工业出版社，2000
4 Govardhan S.M.H.C. Wikle, Nagarajan S., B.A.Chin. Real-Time Welding Process Control Using Infrared Sensing. Proceedings of the American Control conference, 1995:1712-1716
5 赵冬斌，陈善本，吴林，等．填丝脉冲GTAW熔池形状定义和图像处理．焊接学报，2001，22(2)：5-8
6 王建军．铝合金脉冲TIG焊熔池动态特征的视觉信息获取与自适应控制．上海交通大学博士论文，2003
7 王克鸿，游秋榕，沈莹吉，等．基于视觉的MAG焊气孔缺陷图像特征初步探讨．焊接学报，2006，27(12)：13-16
8 陈彦宾，李俐群，陈凤东，等．图像处理在自动焊接中的应用和展望．材料科学与工艺，2003，11(1)：106-112
9 Bentley A.E., Marberger S. J. Arc Welding Penetration Control Using Quantitative Feedback Theory. Welding Journal, 1992, 71(11): 397-405
10 李严，吴林．用于焊接过程控制的激光扫描式传感器的研究．机器人，1991，13(6)：49-52
11 R. K. Cheng, P.S.Logue. The Use of Vision Sensors in Multipass Welding Applications. Welding Journal, 1998, 67(11): 28-33
12 C.G.Morgan, J.S.Bromely, P.G.Davery. Visual Guidance Techniques for Robot Arc Welding. Proceedings of 3rd Conferences of Robotic Vision Sense Control, 1983:615-619
13 Kovacevic, Y.M. Zhang, S. Ruan. Sensing and Control of Weld Pool Geometry for Automated GTA Welding. Transaction of the ASME, 1995, 117:210-222
14 Kovacevic R, Y.M. Zhang, Li.L. Monitoring of Weld Joint Penetration Based on Weld Pool Geometrical Appearance. Welding Journal, 1996, 75(10): 317-329
15 R.Kovacevic, Y.M.Zhang. Real-time Image Processing for Monitoring of Free Weld Pool Surface. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1997, 119(5): 161-169
16 高进强，张敏，武传松．MAG焊接熔池的激光频闪视觉检测．第十一次全国焊接会议论文集，2005
17 Boillot. P, Begin G.. Adaptive Welding by Fiber Optic Thermographic Sensing: An Analysis of Thermal and Instrumental Considerations. Welding Journal, 1985, 64(7): 31-37
18 K. Oshima, M. Morita. Observation and Digital Control of Molten Pool in Pulsed MIG Welding. Welding International, 1988, 2(3): 234-240
19 李鹤岐，大岛健司．用微机图像法对脉冲MIG焊接熔池进行观察和控制的研究．焊接学报．1988，9(1)：37-43
20 李鹤岐，大岛健司．用摄像机对脉冲MIG焊接电弧长度的采样控制．焊接学报，1990，10(4)：256-264
21 王克争，大岛健司．图象处理在MIG／MAG窄间隙焊在线检测中的应用．焊接学报，1988，9(4)：247-253
22 娄亚军．基于熔池图像传感的脉冲GTAW动态过程智能控制．哈尔滨工业大学博士论文，1998
23 Lou Y. J., Chen S. B., Wu L. Neuron PSD Control Based on Sensing Image of Weld Pool During Pulsed GTAW. Proceedings of International Conference on Manufacturing Science, 1998(6): 10-12
24 Lou Yajun, Chen Shanben, Wu Lin. Monitoring of Weld Joint Penetration Based on Sensing Double-side Vision Images of Weld Pool. Journal of Harbin Institute of Technology, 1998, 7(11): 22-27
25 王建军，林涛，陈善本，等．基于视觉技术的铝合金TIG焊接过程自适应控制．焊接学报，2003，24(4)：17-24
26 张广军．视觉传感的变间隙填丝脉冲GTAW对接焊缝成形智能控制．哈尔滨工业大学博士论文，2002
27 高进强，武传松，刘熙章，等．GMAW根部间隙及焊枪对中信息的视觉检测．焊接学报，2005，26(9)：23-26
28 闫志鸿，张广军，高洪明，等．P-GMAW正反面熔池图像传感研究．第十一次全国焊接会议论文集，2005
29 王克鸿，贾阳，钱锋，等．铝合金双丝MIG焊熔池图像采集与处理．焊接学报，2007，28(1)：53-56
30 石玗，张得峰，樊丁，等．用于铝合金MIG焊的机器人熔池视觉传感系统．电焊机，2006，36(3)：27-28
31 赵冬斌．基于三维视觉传感的填丝脉冲GTAW熔池形状动态智能控制．哈尔滨工业大学博士论文，2000
32 Agapakis J E, Bolstad J. Vision-aided rabotic welding: an approach and flexible implementation. The International Journal Robotics Research, 1990,9 (5): 17-34
33 Beatlie R J, Cheng S K and Logue P S. The use of vision in multi-pass welding applications. Welding Journal, 1998, 67(11): 28-33
34 岳宏．基于结构光焊缝跟踪系统的研究．河北工业大学学报，1999，28(4)：21-24
35 Corlett B J. Sensors for narrow-gap welding. IEE PROCEEDINGSA, 1991, 138(4): 213-222
36 赵冬斌，陈善本，吴林．由单目图像获得表面高度算法的分析和实现．计算机学报，2000， 23(2)：147-152
37 赵冬斌，陈强，陈善本，等．由单幅图像恢复物体三维形状的应用研究．光学技术，2001，27(4)：367-369
38 贾云得．机器视觉．北京：科学出版社，2000
39 杨枝灵．Visual C++数字图像获取处理及实践应用．北京：人民邮电出版社，2003
40 刘先锋，沈胜宏，郑明洁．边缘保留的图像噪声滤除方法．电子技术应用，2000(11)：15-17
41 肖勇，陈强，孙振国，等．分形理论在焊接图象处理中的应用．中国图象图形学报，2002，7(1)：86-90
42 薛家祥，贾林，李海宝．基于M带小波变换的焊接熔池图像边缘检测．中国机械工程，2004，15(13)：1144-1146
43 石玗，樊丁，吴巍．铝合金MIG焊熔池图像的形态学处理方法．焊接学报，2005，26(3)：37-40
44 谢志孟，高向东．基于Canny算子的焊缝图像边缘提取技术．焊接学报，2006，27(1)：26-36
45 高进强，武传松．TIG焊接熔池形状参数的视觉检测．金属学报，2000，36(12)：1284-1288
46 邵奇可，陈国定，方勇．形态学在熔池图像处理中的应用研究．机械科学与技术，2003，22(1)：42-47
47 葛景国，高进强，陈立功，等．焊接熔池正面几何参数和背面熔宽的数据提取方法．上海交通大学学报，2004，38(7)：1113-1117
48 石玗，吴巍，樊丁，等．铝合金MIG焊正面熔池图像视觉传感与处理．中国机械工程，2005，16(2)：176-179
49 张甲英，蒋力培，张相洪．MIG焊熔宽模糊控制系统．焊接学报，1999，20(1)：61-67
50 杨海澜，蔡艳，陈庚军，等．主成分分析结合神经网络技术在焊接质量控制中的应用．焊接学报，2003，24(4)：55-60
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53 Suga.Y.,Takenaka.D. etc. Automatic control of penetration by monitoring reverse side shape of molten pool in all position welding of fixed pipes. Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference, 2001(4): 286-291
54 高进强，武传松，刘新峰．TIG焊背面熔宽的神经网络模糊控制．焊接学报，2001，22(5)：5-8
55 高进强，武传松，刘新峰．TIG焊熔透信息的提取．中国有色金属学报，2002，12(1)：20-24
56 张华，胡静，邹春华，等．焊缝偏差与熔深识别及其集成智能控制系统．焊接学报，2003，24(4)： 51-55
57 张建纲，孙俊生，张敏．基于数值模拟的GMAW焊接熔深控制模型．山东大学学报，2002，32(3)：232-235
58 Quinn T P, Smith C, Mccowan C N, et al. Arc sensing for defects in constant-voltage gas metal arc welding. Welding Journal, 1999,78(9):322-328
59 李迪，宋永伦，叶峰，等．基于电弧传感的GMAW过程焊缝缺陷识别方法．焊接学报，2000，21(1)：30-33
60 曾安，李迪，潘丹，等．基于MSPC方法的GMAW在线监测．焊接学报，2003，24(1)：5-9
61 武传松．GMAW焊接过程监测Kohonen神经网络系统．机械工程学报，2002，38(1)：131-134
62 王克鸿，钱锋，沈莹吉，等．MAG焊熔池图像特征及可用信息分析．焊接学报，2006，27(11)：53-56
63 D. Brzakovic, D.T.Khani. Weld Pool Detection for Automated Control of Welding. Transactions on Robotics and Automation, 1991(3):397-402
64 Zhang Guangjun, Chen Shanben, Wu Lin, etc. Study on welding power source used in intelligent control systems for weld pool shape in pulsed GTAW. China Welding, 2001(2):111-115
65 王克鸿，汤新臣，刘永，等．富氩气保焊熔池信息视觉检测方法试验研究．机械工程学报，2004，40(6)：161-164
66 王平阳，夏新林，谈和平，等．CCD相机的杂散光模拟计算与分析．哈尔滨工业大学学报，1999，31(5)：55-59
67 章毓晋．图象处理和分析．北京：清华大学出版社，2003
68 姚敏．数字图像处理．杭州：机械工业出版社，2006
69 孙俊生，武传松，高进强．熔滴热焓量分布模式对熔池流场的影响．金属学报，1999(35)9：964-970
2 潘际銮．现代弧焊控制．北京：机械工业出版社，2000
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16 高进强，张敏，武传松．MAG焊接熔池的激光频闪视觉检测．第十一次全国焊接会议论文集，2005
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20 李鹤岐，大岛健司．用摄像机对脉冲MIG焊接电弧长度的采样控制．焊接学报，1990，10(4)：256-264
21 王克争，大岛健司．图象处理在MIG／MAG窄间隙焊在线检测中的应用．焊接学报，1988，9(4)：247-253
22 娄亚军．基于熔池图像传感的脉冲GTAW动态过程智能控制．哈尔滨工业大学博士论文，1998
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26 张广军．视觉传感的变间隙填丝脉冲GTAW对接焊缝成形智能控制．哈尔滨工业大学博士论文，2002
27 高进强，武传松，刘熙章，等．GMAW根部间隙及焊枪对中信息的视觉检测．焊接学报，2005，26(9)：23-26
28 闫志鸿，张广军，高洪明，等．P-GMAW正反面熔池图像传感研究．第十一次全国焊接会议论文集，2005
29 王克鸿，贾阳，钱锋，等．铝合金双丝MIG焊熔池图像采集与处理．焊接学报，2007，28(1)：53-56
30 石玗，张得峰，樊丁，等．用于铝合金MIG焊的机器人熔池视觉传感系统．电焊机，2006，36(3)：27-28
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37 赵冬斌，陈强，陈善本，等．由单幅图像恢复物体三维形状的应用研究．光学技术，2001，27(4)：367-369
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43 石玗，樊丁，吴巍．铝合金MIG焊熔池图像的形态学处理方法．焊接学报，2005，26(3)：37-40
44 谢志孟，高向东．基于Canny算子的焊缝图像边缘提取技术．焊接学报，2006，27(1)：26-36
45 高进强，武传松．TIG焊接熔池形状参数的视觉检测．金属学报，2000，36(12)：1284-1288
46 邵奇可，陈国定，方勇．形态学在熔池图像处理中的应用研究．机械科学与技术，2003，22(1)：42-47
47 葛景国，高进强，陈立功，等．焊接熔池正面几何参数和背面熔宽的数据提取方法．上海交通大学学报，2004，38(7)：1113-1117
48 石玗，吴巍，樊丁，等．铝合金MIG焊正面熔池图像视觉传感与处理．中国机械工程，2005，16(2)：176-179
49 张甲英，蒋力培，张相洪．MIG焊熔宽模糊控制系统．焊接学报，1999，20(1)：61-67
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56 张华，胡静，邹春华，等．焊缝偏差与熔深识别及其集成智能控制系统．焊接学报，2003，24(4)： 51-55
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59 李迪，宋永伦，叶峰，等．基于电弧传感的GMAW过程焊缝缺陷识别方法．焊接学报，2000，21(1)：30-33
60 曾安，李迪，潘丹，等．基于MSPC方法的GMAW在线监测．焊接学报，2003，24(1)：5-9
61 武传松．GMAW焊接过程监测Kohonen神经网络系统．机械工程学报，2002，38(1)：131-134
62 王克鸿，钱锋，沈莹吉，等．MAG焊熔池图像特征及可用信息分析．焊接学报，2006，27(11)：53-56
63 D. Brzakovic, D.T.Khani. Weld Pool Detection for Automated Control of Welding. Transactions on Robotics and Automation, 1991(3):397-402
64 Zhang Guangjun, Chen Shanben, Wu Lin, etc. Study on welding power source used in intelligent control systems for weld pool shape in pulsed GTAW. China Welding, 2001(2):111-115
65 王克鸿，汤新臣，刘永，等．富氩气保焊熔池信息视觉检测方法试验研究．机械工程学报，2004，40(6)：161-164
66 王平阳，夏新林，谈和平，等．CCD相机的杂散光模拟计算与分析．哈尔滨工业大学学报，1999，31(5)：55-59
67 章毓晋．图象处理和分析．北京：清华大学出版社，2003
68 姚敏．数字图像处理．杭州：机械工业出版社，2006
69 孙俊生，武传松，高进强．熔滴热焓量分布模式对熔池流场的影响．金属学报，1999(35)9：964-970