水下焊接特征参数提取论文.docx

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水下焊接特征参数提取论文

摘要

焊缝跟踪是焊接自动化的重要内容，焊缝跟踪技术的关键为传感器技术，论文以实现焊接位置及焊接大环境图像信息的采集为目标，设计并制作一套可满足湿法水下焊接环境使用的视觉传感器。

在明弧焊接的条件下，采用被动视觉传感器进行焊缝监测的困难在于如何获取清晰的焊缝图像。

通过对焊接电弧光热辐射的分析，结合试验，设计了一套视觉传感器。

该系统为被动视觉传感器，该系统采用工业CCD摄像机，通过有色滤光片或中性灰滤光片进行减光滤光，对焊接电弧前方一定区域距离内的待焊焊缝进行图像采集，以获取清晰的焊缝图像。

湿法水下焊接为明弧焊接，焊接过程中始终存在强烈的弧光干扰、以及气泡的不规则扰动、烟尘的聚集等不利因素。

且由于水下的成像特性，使采集的图像中存在着较多的噪声干扰。

图像采集时，通过复合滤光措施尽可能多的除去干扰。

关键词：

湿法水下焊接；视觉传感器；滤光；焊缝跟踪

ABSTRACT

Weldseamtrackingisanimportantpartforautomationofwelding,andsensortechnologyisthekeytoseamtrackingtechnology.Thetargetofthispaperisdesigningandmakingavisualsensorwhichwillbeusedforsamplingimagesatweldingpositionintheunderwaterenvironment.

Underthearcweldingcondition,thedifficultyishowtoobtainclearimagesthatcanbeusedformonitoringweldingseamwithavisionsensor.Analyzestheweldingarclightandheatradiation,combinestest,wedesignavisualsensor.Thesystemispassivevisionsensorsystem.ThesystemusesanindustrialCCDcamera,andusecoloredfiltersorneutralgrayfilterforreducinglight,acquitstheimagesfromspecificareainfrontoftheweldingarcthattobeweld,toobtainclearimagesofweldingseam.

Underwaterwetweldinghasanopenarc.Thereareseveralnegativefactorsduringtheweldingprocess,suchasstrongarcinterference,bubbledisturbance,dustgatheringetc.Andtheimagingfeaturesintheunderwaterenvironmentcanresultinmorenoiseinimages.Wereducetheseinterferencesasmuchaspossiblewithfilteringmeasures.

Keywords:

Underwaterwetwelding；Visualsensor；Filtering；Weldingseamtracking；

摘要I

ABSTRACTII

第一章绪论1

1.1焊缝跟踪技术的发展、应用及现状1

1.1.1现代自动化焊接生产对焊缝跟踪的需求1

1.1.2国内外焊缝跟踪技术的应用3

1.1.3用于焊缝跟踪的传感技术4

1.2水下焊接与焊缝跟踪9

1.2.1水下焊接方法10

1.2.2水下焊接的焊缝跟踪12

1.3本课题的研究意义及内容14

第二章水下湿法焊接焊接位置的视觉传感15

2.1视觉传感技术15

2.1.1主动视觉传感技术16

2.1.2被动视觉传感技术17

2.1.3主被动视觉传感技术的比较18

2.2湿法焊接焊接位置被动视觉传感的环境特性19

2.2.1焊接区域的光和热辐射19

2.2.2水下湿法焊接的成像特性20

2.3药芯焊丝水下焊接焊接位置视觉传感的解决21

2.3.1选择被动视觉传感的合理性21

2.3.2主要设计问题的解决22

第三章湿法水下焊接视觉传感器设计23

3.1CCD传感器及图像采集卡23

3.1.1CCD传感器23

3.1.2图像采集卡24

3.2传感器的耐压防水设计25

3.2.1水密耐压舱体的总体设计26

3.2.2水密耐压舱体的设计计算26

3.2.3水密外壳的密封30

3.3滤光系统的设计31

3.3.1滤光片的选择32

3.3.2滤光片的装载设计32

第四章视觉传感器的实验及结果34

4.1实验系统的标定35

4.2实验内容及方案设计35

4.3图像的采集及其影响因素36

4.3.1摄像机参数对图像的影响37

4.3.2滤光片对图像的影响38

4.3.3辅助光源对图像的影响40

结论42

致谢43

参考文献44

第一章绪论

1.1焊缝跟踪技术的发展、应用及现状

1.1.1现代自动化焊接生产对焊缝跟踪的需求

在金属制造业中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业。

在工业发达国家，每年钢铁产量的60%以上要通过焊接才能转化为最终的产品。

自现代焊接技术问世以来，焊接生产的机械化、自动化和机器人化一直在不断发展之中。

据统计，日本在1975年共有焊接工人460,930名，而1985年减少为335,600名，1990年则为210,800名，大约每10年减少27～37%的焊接工人数。

在1997年，在日本弧焊机器人产量达到9333台，点焊机器人为8228台[1]，而在近十余年间，无论是在日本还是在其他国家，焊机机器人的使用数量均有大幅的增加。

至2005年，全世界在役机器人约为91.5万套，其中日本装备工业机器人50万套[4]。

对焊接材料用量的统计也显示，过去大约每10年手工药皮焊条的用量减少一半，而实心焊丝和药芯焊丝的用量则显著增加了。

这些数据表明，在过去的数十多年中，焊接工作不断地由手工操作转为自动、半自动焊接及机器人焊接。

确保在应该焊接的位置进行焊接的理由是不言而喻的。

手工焊接的场合依靠人的眼睛和手的配合来跟踪焊缝，而在自动焊接的场合则需要解决焊接电弧始终对准待焊焊缝的问题。

随着现代焊接生产的自动化程度越来越高以及机器人焊接技术的发展，对焊缝自动跟踪技术的需求也越来越迫切，主要表现在三个方面[2]：

（1）提高生产效率手工焊接生产虽然适用灵活，但生产效率很低。

机械化的埋弧焊焊接速度可达30～50m/h，而手工焊接则不超过6～8m/h[3]。

而且手工焊接的焊接质量受焊工的认为因素影响很大，难以维持稳定的焊接质量。

自动化焊接的生产效率远高于手工焊接，采用焊缝跟踪系统的自动化焊接因与示教型和程序控制焊接相比，省去了示教和编程工作，降低对工件的加工精度和装配要求，节省了焊接准备时间，提高了生产效率。

（2）提高焊接质量由于焊接过程中由于焊接热循环引起的焊件变形，焊接机构的行走偏差及待焊工件的装配的初始误差等因素，即使采用示教机器人，或程序控制机器人进行焊接，也不能对焊接质量给以很高的保障。

因此具有焊缝自动跟踪能力的自适应焊接系统成为保证高焊接质量的首选。

在自动化焊接中，国内外在大量使用的焊接机器人系统从整体上看基本都属于第一或准二代机器人，即示教型机器人和有感知型机器人。

这些机器人虽然简单、直观、易于操作和重复定位精度高等优点，可完成大量的非复杂焊接工作，但缺乏灵活性，焊接路径和焊接参数必须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显缺点：

1）不适合示教不变或变动大的环境使用，如太空、深海等环境；2）焊接机器人的示教编程和校轴占用过多时间；3）对环境和工作对象变化的字适应能力差，对工装夹具的精度依赖性强。

示教型机器人的运动轨迹是“刚性”的，这就对被焊工件提出了较高的要求：

1）要求被焊工件尺寸尽量一致；2）工件的夹具应具有较高的精度和高刚度。

这样不仅增加了实际应用中的费用，而且这种要求有时很难或无法满足。

这种机器人灵活性差，不具有适应性，当焊缝位置与示教位置存在偏差时，机器人无法检测出这一偏差并进行补偿或修正。

因此，当工作对象变更时，还必须更换工装，这在小批量、多品种的生产中必然会造成成本过高的问题。

而且，由于焊接是一种热加工工艺过程，一些尺寸较大、刚性较差（如薄板）的工件在焊接过程中会产生热变形，或者由于大型焊件的焊缝开口一致性不好，可能会导致实际的焊道偏离了预先示教的轨迹，此时焊接质量难以得到高的保证。

虽然具有感知能力的机器人已经有所应用，但是在精度要求更高和产品经常变化的场合是不合适的。

现在的焊接机器人大多为固定位置的手臂式机器人，适合于大量生产、用于流水线的固定工位上（如汽车车身装配线），对于大型焊接结构在工地上的小批量生产没有用武之地，因此需要研究开发能灵活移动、具有一定智能的焊接机器人，以适应不同结构、不同地点、的焊接任务。

所以，有必要加入自动跟踪装置以增强它们的适应性，发展配带传感器、智能化、更加灵活的自动化焊接系统的需要非常迫切。

（3）改善焊接工人的工作条件由于焊接过程中会产生大量的热、烟尘、飞溅和强烈的弧光，形成空气污染等，会使焊接工人的工作环境非常恶劣，对焊接工人的健康形成威胁。

采用带有焊缝跟踪系统的自动焊接系统，可是工作人员脱离焊接现场。

因此自动焊接系统和工业机器人在焊接领域有着极为广阔的应用前景，进而促使了焊缝自动跟踪系统的发展需求。

1.1.2国内外焊缝跟踪技术的应用

焊接毫无疑问是当今现代化生产中一种非常重要的加工技术。

现代化生产对焊接技术的生产效率、焊接质量及环境友好性提出了更高的要求，焊接自动化就是顺应这种要求的具体体现。

自动化焊接对国民经济的发展有巨大的推进作用，

焊缝跟踪是自动化焊接生产的关键。

基于现代化生产的需要，几十年来我国在焊缝跟踪方面不断深入研究，取得了长足发展和许多应用成果。

我国已发展了各种类型的传感器技术，控制坐标已从单坐标和双坐标发展到了多坐标。

50～60年代多采用接触跟踪，西安交通大学和三桥机车车辆厂是中国从事接触跟踪和电磁跟踪研究较早的单位。

60～70年代后期发展了电磁跟踪、光电跟踪、电弧跟踪等非接触跟踪技术。

华中理工大学与湖北造船厂合作研制成功全位置电磁跟踪气体保护焊机，跟踪精度达±1mm。

华南理工大学与广州造船厂共同研制的电磁立焊缝自动跟踪焊机，用在万吨轮的焊接上。

天水电气传动研究所和上海造船工艺研究所合作，研制的光电跟踪装置用于螺旋管焊接和船舶的焊接生产中。

哈尔滨焊接研究所与辽阳钢厂合作研制的激光跟踪装置用于螺旋管焊接自动生产线等。

80年代后期，微机跟踪和电视跟踪技术得到迅速发展，从而为传统焊接自动化向现代焊接自动化发展奠定了基础。

从70年代末开始，清华大学潘际銮院士对电弧传感焊缝跟踪做了大量研究。

80年代末，潘院士在电弧传感器结构及控制方面又进行了新的研究，研制出一种空心马达式高速旋转扫描电弧传感器，并成功地对一种无道轨的自动小车进行跟踪控制。

此外，哈尔滨工业大学研制成功了单片机控制高精度激光跟踪系统，西北工业大学研制成功微处理机控制熔化极脉冲窄间隙焊缝自动跟踪系统等，都获得了较好的自动控制效果。

计算机图像法控制技术也在80年代研究成功，如水电部电力建设研究所研制成功的固态图像传感器进行焊缝跟踪的装置。

近年来，我国各大高校、科研机构对焊缝跟踪技术的研究非常活跃，研究人员采用各种传感方法，对不同焊接对象的焊缝跟踪技术进行了研究。

如文献[10]研究了一种基于磁控电弧传感器的焊缝跟踪系统，并通过试验验证了系统的有效性。

文献[11]开发出一种主动视觉传感器并成功应用于铝合金的焊缝跟踪。

1.1.3用于焊缝跟踪的传感技术

焊缝跟踪系统研究中首要解决的问题是焊缝位置的实时传感，而焊缝位置信息的获取依赖于不同种类的传感器。

因此，传感器是焊缝自动跟踪系统的关键部分。

传感器的作用是精确检测焊缝的位置和形状信息，并转化为电信号。

之后控制系统才能对信号进行处理，并根据检测结果控制调节机构调整焊枪位置，从而实现焊缝的跟踪。

用于焊缝跟踪的传感器一般分为直接电弧式、接触式和非接触式三大类。

按工作原理又可分为机械、机电、电容、电弧、电磁、超声波、红外线、光电、激光、视觉、光谱及光纤式等，图1-1是焊缝跟踪传感器的具体分类。

图1-1.焊缝跟踪用传感器分类[5]图1-2摆动电弧传感器工作原理[6]

1.电弧传感器

电弧传感器是通过焊接电弧本身特性（如电弧电压、电弧电流、弧光辐射和电弧声）提供的有关电弧轴线是否偏离正确焊接位置的信息，从而实现焊缝跟踪系统对焊接电弧行走路径的控制[10]。

电弧传感器从电弧的电流与电压变化中获得焊缝的横向与高低偏差信息。

当焊炬到工件的距离发生变化，焊接电流会相应变化，以保持原来的熔化率。

因此，焊接电流的变化就反映焊炬高度的变化，通过电弧扫描待焊接头，从电流波形特性中可获得横向对中信息。

电弧传感焊缝跟踪的基本原理是在焊接过程中根据电弧在焊缝中进行横向或旋转扫描时获取的变化的电弧本身的参数（如焊接电流、电弧电压等）来确定电弧与焊缝之间的相对位置关系，从而进行焊缝跟踪。

但是电弧的稳定性及熔滴过渡情况对电弧的参数影响非常大。

另外与视觉传感器相比，电弧传感器相对比较简单，不占用额外空间并且可靠性高、价格低。

与其他传感器相比，电弧传感器不需要在焊炬上附加另外传感器元件，而且结构简单，有更好的实时性及更高的控制精度。

电弧传感主要有摆动式电弧传感和旋转式电弧传感两种。

摆动式电弧焊缝传感的工作原理如图1-2所示。

恒速送丝配合恒压特性的焊接电源，在电弧自身调节的作用下，弧长的变化引起焊接电流变化可检测出电弧与焊缝中心偏离程度。

但实际上，不同尺寸的坡口、焊接规范的差别、与焊缝成形有关的电弧摆动幅度及频率等条件变化，导致电流信号的灵敏度相差甚远，需要在信号增益上的自动适应；焊接过程中的电弧会受到各种干扰，如短路、飞溅等，送丝速度与电源特性也难以保证每时每刻的理想恒定，这些原因造成的噪声也必须滤除；机械摆动位置与电弧长度变化之间的延迟、电弧运动中弧长自调节作用的电流响应速度等引起的信号相位差要计算考虑。

电弧摆动的实现有多种方法，可以通过摆动焊炬，也可以是焊炬不动，通过电磁力来驱动电弧摆动，或者将气体吹入电弧中，利用热收缩效应使电弧摆动。

旋转式电弧传感器工作时电弧在焊接坡口上方的高速旋转，通过比较电弧在圆周上的角度和此时的焊接电流可以得出坡口的位置信息。

相比摆动式电弧传感器，旋转式电弧传感器有更高的灵敏度和响应速度。

旋转电弧传感器的工作原理如图1-3所示。

焊接过程中电弧进行高速旋转，焊丝干伸长来不及变化，而弧长（电弧电压）则发生周期性的变化。

电弧电压在电

弧正对坡口中心（Cf、Cr点），电弧在两侧（L、R点）时则最低。

当电弧旋转中心与焊缝中心重合时（ΔX=0）,电压波形是对称的（图1-3虚线），反图1-3旋转式电弧传感器的工作原理[6]

之，如有偏差（ΔX≠0），则不对称（图1-3实线），将焊缝中心Cf两侧一定范围内的电压进行积分所得面积SL、SR进行比较，即可得到电弧旋转中心偏移量ΔX的大小和方向。

电弧传感器除摆动和旋转两种方式外，也可采用并列双丝和弯丝轮式来获得焊缝位置信息，但这两种方式目前一般比较少见。

电弧传感器的最大优势在于抗弧光、高温等的能力很强，它利用电弧本身的特征信号进行传感，检测点即为电弧焊接点，不会带来附加误差，简单、方便、实时性好。

但是，电弧传感器受电弧稳定性影响大，要求焊接参数波动较小。

而且在薄板焊接、坡口高度小于4mm或I型对接接头的焊接中，使用电弧传感器较难进行焊缝跟踪。

另外，电弧传感器只能在电弧燃烧时工作，因此无法做到焊接开始时的焊缝自动对中，需要与其他传感方法相配合使用。

2.接触式传感器

常用的接触式传感器有探针接触式传感器和探针触摸式传感器[15]。

探针接触式传感器以探针接触焊缝，探针后端插入电磁线圈中，线圈原边加上恒定电压，探针运动时会引起线圈副边感应电动势的变化，并以此反映出变化反映出传感器与工件间的距离变化；触摸式传感器与接触式传感器的不同之处在于，触摸式传感器是由传感器自身驱动探针以一定的方式不断触摸焊缝。

接触式传感器的结构简单，抗弧光、烟尘和电磁场得干扰能力强，有较高的跟踪精度。

但是对于不同形式坡口需要用不同形状的探针，受跟踪表面的表面状态影响大，且探针磨损大、易变形，并不适合高速焊接。

3.非接触式传感器

非接触式传感器按工作原理可分为电磁、超声波、光学视觉、电容式等多种，其中常用的有超声和光学视觉式传感器。

以下几种常用的非接触式传感器。

（1）

电磁传感器电磁传感器的原理如图1-4所示。

一次线圈中流过高频电流后在二次线圈上产生感应电势。

偏差的存在将使左右两个二次线圈的磁路出现不对称，U21、U22之差可以反映焊炬偏离焊缝的大小和方向。

为了抑制错边、点固点引起的干扰信号，可采用漏磁抑制式、电势抑制式和扫描式电磁传感器。

图1-4电磁式传感器

（2）超声波传感器焊缝跟踪用超声波传感器实际上利用了超声波测距的原理。

将超声波传感器置于焊炬前方，用扫描装置使传感器在焊道上方左右扫描。

超声传感器发射超声波，遇到焊件金属表面时，超声波信号被反射回来，并由超声传感器接收，通过计算传感器发射到接收的声程时间，可以得到传感器与焊件之间的垂直距离，在与给定的垂直高度相比较，可得到高度方向的偏差大小与方向。

控制系统则根据检测到的偏差大小及方向在高度方向进行纠偏调整。

为了要获得焊缝横向位置偏差信息，可以采用寻找坡口的两个边缘的方法，因为在坡口的边缘处，超声波从发射到接收的声程时间较短，而在坡口中心处声程时间较长，从而可分别确定坡口中心与边缘的位置，控制系统可据此进行横向的纠偏调整。

与光学传感器相比，超声波传感器计算强度较小，但是跟踪的精度也较低。

（3）光学视觉传感器光学视觉传感器是在光谱的可见光波段通过光学镜头利用CCD或CMOS成像元件对所拍摄焊缝区域成像，获取焊缝的位置、形态等信息。

固体视觉传感器主要有3大类型[9]：

第1种是电耦合器件（CCD），第2种是CMOS图像传感器，又称自扫描光电二极管阵列（SSPA），第3种是电荷注入器件（CID）。

其中用的较广的是CCD，图5即为一种典型的视觉传感器。

CCD视觉传感器分为线阵和面阵两种。

线阵CCD（荷耦合器件）摄取的是一维图像，而面阵CCD摄取的是二维图像，能够提供最大的信息量，代表着目前传感器发展的最新阶段，因而应用日益广泛。

在焊接机器人各种视觉传感器中，CCD传感器因其性能可靠、体积小、价格低、图像清晰直观而受到了普遍重视。

特别是80年代以来，CCD与高性能的微机相结合产生的焊缝跟踪系统，使焊缝跟踪的研究跨上了一个新的台阶。

图1-5CCD摄像机与CCD元件

1.2水下焊接与焊缝跟踪

21世纪，海洋空间得到开发，众多海洋工程得以建设。

海洋工程结构组装、海底管线铺设、船舶、船坞、港口设施生产、江河工程及核电厂维修均离不开可靠的焊接技术。

因此发展水下焊接技术对海洋事业的开发有重要的意义。

但水下焊接危险性高、劳动强度大，且对焊接质量的要求更高：

焊接结构除承受工作载荷，还要承受风暴、波浪、潮流引起的附加载荷，很容易产生疲劳破坏、脆性断裂或应力腐蚀开裂。

为此，焊接工作者不断研究各种水下焊接方法．如水下电弧焊、水下螺柱焊、水下爆炸焊、水下电子束焊、水下等离子弧焊、水下激光焊、水下摩擦叠焊、水下搅拌摩擦焊等，共计有20余种。

1.2.1水下焊接方法

目前已研究与应用的水下焊接方法，本质上也都是陆上焊接方法的水下应用。

这些水下焊接方法按电弧所处环境不同，总体上可分为干法、局部干法、湿法水下焊接三种。

该三大类水下焊接方法各有其特征及应用环境。

1.干法焊接及其特点

干法焊接是指把包括焊接部位在内的一个较大范围内的水人为地排开，使潜水焊工能在一个干的气相环境中进行焊接的方法，即焊工在水下一个大型干式气室中焊接。

这种方法多用于深水，需要预热或焊后热处理的材料，或质量要求很高的结构的焊接。

根据水下气室中气体压力的不同，干法焊接又可分为“高压干法焊接”及“常压干法焊接”。

（1）高压干法焊接高压干法焊接由美国于1954年首先提出,1966年开始用于生产。

目前最大实用水深为300m左右。

在该焊接方法中，气室底部是开口的，通入气压稍大于工作水深压力的气体，把气室内的水从底部开口处排出，焊接是在干的气室中进行的。

一般采用焊条电弧焊或惰性气体保护电弧焊等方法进行，是当前水下焊接中质量最好的方法之一，基本上可达到陆上焊缝的水平，但也存在如下三个问题：

1）因为气室往往受到工程结构形状、尺寸和位置的限制，局限性较大，适应性较小，目前仅用于海底管线等形状简单、规则结构的焊接。

2）必须配有一套生命维持、湿度调节、监控、照明、安全保障、通信联络等系统。

3）在深水下进行焊接随着电弧周围气体压力的增加，焊接电弧特性、冶金特性及焊接工艺特性都要受到不同程度的影响。

（2）常压干法焊接是指在很深的水下，焊工仍然与在陆地一样的气相环境中进行正常焊接，排除了水深的影响。

1977年法国首先采用这种方法在北海水深150m处成功地焊接了直径426mm的海底管线。

这个气室是一个长圆筒，两端为椭圆形。

设备造价比高压干法水下焊接还要昂贵，焊接辅助人员也更多，所以一般只用于深水，焊接重要结构。

干法焊接的最大优点就是可以有效地排除水对焊接过程的影响，尤其是常压干法焊接，其施焊条件完全和陆地焊接时的一样，因此其焊接质量也最有保证。

但采用干法焊接设备复杂，施工费用高，其适应的接头形式也有限，一般只用于管线接头的焊接。

2.局部干法水下焊接

局部干法焊接是用气体把正在焊接的局部区域的水人为地排开，形成一个较小的气相区，使电弧在其中稳定燃烧的焊接法。

由于它降低了水的有害影响，使焊接接头质量比湿法焊接得到明显改善。

与干法焊接相比，无需大型昂贵的排水气室，适应性明显增大。

它综合了湿法和干法两者的优点，是一种较先进的水下焊接方法，也是当前水下焊接研究的重点与方向。

局部干法种类较多，日本较多采用水帘式及钢刷式，在美、英是干点式及气罩式，法国发展了一种旋罩式。

局部干法一般只用在浅水环境中，合理采用局部排水措施是有效解决局部干法水下焊接的主要技术关键。

采用合理的排水措施能提高电弧的稳定性，改善焊缝成形，减少焊接缺陷，在水深不超过40m的情况下，可以获得性能良好的焊接接头，局部干法水下焊接是很有前途的水下焊接方法。

3.湿法水下焊接

湿法水下焊接实际是普通焊条电弧焊和药芯焊丝焊接的水下直接应用。

当然，水下湿法焊接所用的专为水下使用开发的专用焊条和焊丝。

虽然湿法焊接较难获得令人满意的接头质量，但由于其设备简单、成本低廉、操作灵活、适应性强的特点，所以近年来各国对这种方法进行大量的研究，使湿法水下焊接取得了较大的发展，已在生产中得到实际应用。

湿法焊接是电弧在亚稳定状态的电弧空腔中连续燃烧的过程。

空腔的形成一方面是由于电弧热使水蒸气电离出气体