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

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??；在同一位置上，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)：

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[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