熔池視覺傳感的應用與研究現狀摘要：焊接熔池形狀和尺寸對焊縫成形具有非常重要的作用，對焊接接頭的性能也有重要影響。利用視覺傳感方法采集熔池信息，從而達到對焊接質量的自動化控制，是現在焊接界的一個重要的研究方向。關鍵詞：視覺傳感方式 熔池視覺傳感采集系統 熔池視覺傳感研究現狀0 序言焊接質量控制的研究是焊接過程自動化的重要組成部分。由于對焊接過程自動化和智能化水平的要求日益提高，對焊接質量的控制變得尤為重要。近年來，隨著計算機視覺技術的發展，利用機器視覺直接觀察焊接熔池，通過圖像處理獲取熔池的幾何形狀信息，對焊接質量進行閉環控制，已成為重要的研究方向1-3。焊接熔池是影響焊接質量的重要因素,熔池的尺寸(正面熔寬,熔深或背面熔寬，余高)直接關系到焊接接頭的力學性能,焊接過程中熔池尺寸的穩定對于焊接質量的保證是非常重要的;另外,熔池中包含著豐富的信息,在焊接實踐中,熟練的焊工主要是通過觀察熔池的變化等因素來調整焊接參數獲得滿意的焊縫成形。因此,焊接熔池的視覺傳感成為近年來國內外研究的熱點之一4。1視覺傳感方式目前，國內外研究人員對焊接過程熔池信息傳感及時已經進行了大量的研究5-6。聲、力、電、熱傳感器在熔池信息過程中受到多種干擾的影響，特別是伴隨電弧、工作環境等復雜的物理過程和隨機過程產生的干擾以及傳感器自身的一些缺點，較難在焊接過程質量控制中準確全面地采集傳感熔池信息。與其他傳感方法相比，視覺傳感器不與焊接回路相接觸，信號檢測不影響正常焊接過程。它能提供豐富的信息，如熔池特征、接頭形狀、電弧形態、焊絲位置及已凝固的喊道形狀等，并能直接反應焊接過程熔化金屬的動態行為，更適合于焊接質量控制過程中熔池信息的采集傳感。近些年來，光學器件成本下降，計算機視覺技術的發展，各種圖象處理算法的產生和完善，為視覺傳感器在焊縫成形檢測與控制中的應用提供了條件7。根據視覺傳感系統中成像光源是輔助光源還是焊接區自身光源，視覺傳感系統可分為主動式和被動式兩大類8。 主動式視覺檢測方法采用激光等輔助光源對焊接區進行人工照明，以提高圖像的質量。由于激光具有單波長，方向性、相干性好等特點，所以采用激光作為輔助光源可以獲得較清晰的圖像9。但由于在主動式視覺傳感中，所采用的高能量密度的脈沖光源和特殊電子快門的攝像機，價格昂貴，且設備復雜，限制了這種方法在實際中的應用10。被動式視覺傳感不另加輔助光源，而是利用弧光本身照明和熔池自身輻射成像。這一方法需要焊接作為材料加工的一種重要手段在工業生產中得到廣泛應用。2 熔池信息傳感采集系統熔池信息傳感采集的系統基本上由復合濾光片組、CCD攝像機、圖像采集卡、計算機及圖像處理軟件等構成。導光通路傳輸加熱區區熱輻射光線，經復合濾光片組消除弧光干擾，近紅外CCD攝像機將采集到的加熱區圖像信息以視頻信號形式輸入至圖像采集卡，最終由計算機上的圖像處理軟件處理后，提取出加熱區信息特征、比較滿意的圖像。其系統組成圖（圖1）和熔池信息采集系統流程圖（圖2）如下所示。圖1 熔池信息采集系統組成圖加熱區復合濾光片組近紅外CCD圖像采集卡工業控制計算機 計算機圖像處理 軟 件圖2 熔池信息采集流程圖3 熔池視覺傳感的應用（1）通過圖像處理提取熔池的特征參數來控制焊接過程目前焊接自動化、智能化已成為焊接技術的主要發展方向。焊接智能化技術的核心是實現焊接過程和質量的實時檢測與自動調整控制11。隨著焊接自動化，智能化技術的發展，基于熔池視覺傳感的焊接質量控制已成為當今焊接界的一個研究熱點12-14。熔池的形狀和大小對于熔池的冶金反應、晶體結構、焊接缺陷等等具有極其重要的影響，它直接決定著焊縫的成形和內在質量。描述熔池的特征參數包括熔池的正面寬度、正面長度、正面高度、后拖角、背面寬度、背面長度和背面高度。焊接過程中熔池背面的形狀無法直接觀測，但是可以通過觀測熔池正面的形狀參數來預測背面的形狀參數。熟練的焊接工人通過觀測正面熔池特征參數、工件的接頭形式、電弧的形狀和熔滴過渡形式等來預測背面的形狀和尺寸參數，通過調節焊接參數實現熔透的控制，保證焊接質量的穩定。因此熔池正面形狀信息的提取對于焊接過程控制具有非常重要的作用。目前熔池形狀參數的提取主要集中在熔池的二維信息，但是熔池的表面高度更能反映焊縫熔透與背面成形情況，與焊縫余高有一定的對應關系，對于熔池形狀的控制具有非常重要的作用。但是由于焊接過程中存在著聲、光、電、磁、高溫、飛濺和煙塵的干擾，同時焊接熔池具有體積小、重量輕、溫度高且分布不均勻、高溫存在時間短、冷卻速度快、熔池受到各種力的作用處于動態運動過程中、填充金屬的熔化和凝固過程同時存在等特點，因此熔池表面高度的測量和計算非常困難。目前，國內外針對TIG焊、脈沖MIG焊及MAG焊等熔池圖像信息檢測和處理進行了大量研究，并在熔池形貌檢測與實時控制、焊縫跟蹤等方面取得了成功應用15-18，例如，安徽省港航勘測設計院的王平對PTIG焊建立近紅外CCD熔池動態信息的圖像檢測系統對熔池進行了檢測，山東兗礦集團東華建設有限公司劉志永等人對連續電流對接TIG焊，利用視覺普通攝像機從試件正面檢測出了熔池形狀參數等等。除了不銹鋼和碳鋼材料外，有人還對鋁及鋁合金的熔池視覺圖像傳感進行了研究，獲取得了比較清晰的圖像，而且針對不同的焊接方法和用意建立了熔池視覺檢測系統等19。采集了熔池的某些形狀參數之后，我們可以利用控制單元達到對焊接工藝參數的調節。從我們已學知識可以知道，利用人工神經元控制模型通過采集熔深、熔寬來控制焊接電流、焊接電壓。在一篇題為基于熔池視覺的MAG焊的焊接缺陷特征識別的碩士論文中較系統地對熔池圖像特征以及典型焊接缺陷之間關系進行了試驗研究，得到了表面氣孔、內部氣孔(夾渣)、焊穿、未熔合等缺陷對應的熔池圖像特征。可見對熔池圖像特征的采集在焊接工作中的應用，我們仍需要不斷創新研究，發現它的新用途。（2）弧焊過程中加熱區包括電弧、熔池、熔渣、焊道，可以通過熔池傳感系統采集加熱區中熔池的視覺圖像信息。下面對焊偏情況下的熔池視覺圖像特征以及焊槍高度快速變化狀況下的熔池視覺圖像特征進行簡單的介紹。1）焊槍高度快速變化狀況下的熔池視覺圖像特征：隨著噴嘴相對高度的增大，焊絲的干伸長度明顯變長，電弧以及加熱區相對下移，同時氣體對加熱區的保護效果也變差，圖像上可以觀察到明顯的飛濺。焊絲發生下移時的瞬間電弧跳弧現象以及跳弧后殘留的電弧熱效應虛圖像。2） 焊偏狀況下的熔池視覺圖像特征（此部分內容參考王克鴻老師的“材料加工過程控制”的課件）現以焊槍左偏情況下的熔池圖像特征進行介紹。對焊接時獲取的圖像進行灰度分析，由灰度分布可以發現，其左側灰度值上升部分的寬度很窄，右側陡降部分寬度很大。一般認為，在圖像灰度值漸變區域是熔合區及焊縫區，如果圖像左側上升部分的寬度與右側陡降部分的寬度相差無幾，則說明熔合得較好。對圖像進行輪廓提取并進行數學運算，可以得到表征焊槍偏離程度的焊偏參數。4熔池視覺傳感的研究現狀熔池形狀和尺寸對焊縫成形具有非常重要的作用，熔池的形狀和尺寸的傳感是焊縫成形控制的基礎，焊接過程中聲、光、電、磁、熱等信息可以用來傳感熔池的形狀信息。如熔滴過渡，根據電弧的變化監測GMAW過程的焊接質量；利用電傳感實現熔敷控制；超聲波傳感熔透情況；熔池振蕩法監測熔池的體積和熔透信息；溫度傳感器用于控制MIG/MAG焊的熔深；光學傳感器獲取熔池的二維和三維信息。視覺傳感方法如上文敘述可以分為主動式視覺傳感和被動式視覺傳感兩種。通過查閱文獻，找到了下面有關熔池視覺傳感的研究現狀的兩張表，如下所示。表120和表220分別是焊接熔池主動式視覺傳感器和焊接熔池被動式傳感器的研究現狀。表1 熔池主動式視覺傳感技術的研究現狀表2 熔池被動式傳感技術的研究現狀（待續）（續）表2 熔池被動式傳感技術的研究現狀參考文獻：1. Kovacevic R, Zhang Y.M. Vision Sensing of 3D Weld Pool Surface. Proceedings of the 4th International Conference on Trends in Welding Research, Gatlinburg, Tennessee, USA, 5-8, June, 1995 2. ZhangY.M., Li L. and Kovacevic R. Monitoring of Weld Pool Appearance for Penetration Control. Proceedings of the 4th International Conference on Trends in Welding Research, Gatlinburg, Tennessee, USA, 5-8, June, 1995 3. Kovacevic R., Zhang.Y.M and Beardsley.H. On-line Sensing of Metal Transfer for Adaptive Control of GMA Welding. Proceedings of the 4th International Conference on Trends in Welding Research, Gatlinburg, Tennessee, USA, 5-8, June, 1995 4. 劉習文，王國榮，石永華，鐘繼光。焊接熔池傳感與控制系統的研究現狀，20045. 王克鴻，湯新臣，劉永，等.富氨氣體保護焊熔池視覺信息傳感試驗研究.機械工程學報，2004 6. 王建軍，林濤，陳善本.鋁合金TIG焊熔池圖像的獲取與處理J.機械程學報，20037. 趙冬斌. 基于三維視覺傳感的填絲脈沖GTAW熔池形狀動態智能控制D. 哈爾濱工業大學博士學位論文. 2000.8. Bentley A. E., Marberger S. J. Arc Welding Penetration Control Using Quantitative Feedback Theory. Welding JournalJ. 1992, Vol.9. Kovacevic R., Zhang Y. M. Three-dimension Measurement of Weld Pool SurfaceC. Proceedings of the International Conference on Modeling and Control of Joining Processeses, Oriando, Florida，USA, 199310. 閆志鴻，張光軍，高洪明，吳林，P-GMAW正反面熔池圖像傳感研究11. 潘際變.現代弧焊控制.北京:機械E業出版社，200012. 陳強，孫建國.計算機視覺傳感技術在焊接中的應用J.2001，2 (1)13. 張廣軍，陳善本，劉曉東.脈沖GTAW焊接區視覺圖像傳感系統.焊管，200114. 湯新臣，郭國林，虞劍，光學傳感技術在熔池信息檢測中的應用.機械制造與自動化，200315. 陳念，孫振國，陳強.基于視覺圖像傳