汽車(chē)超高強(qiáng)鋼等離子弧焊接裂紋自動(dòng)識(shí)別技術(shù)研究

顏雙權(quán) 王 磊 魯夢(mèng)雄 王記鵬 于長(zhǎng)遠(yuǎn)

（遼寧理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

等離子弧堆焊是一種等離子弧焊接工藝，在提高材料表面耐磨性與耐熱性能的應(yīng)用中，等離子弧堆焊得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[1]。實(shí)際焊接過(guò)程中，受到環(huán)境以及認(rèn)為因素的影響，不同影響程度下焊接縫隙部分會(huì)出現(xiàn)氣孔、燒穿等缺陷，嚴(yán)重影響焊接產(chǎn)品的生產(chǎn)安全[2]。

本文提出汽車(chē)超高強(qiáng)鋼等離子弧焊接裂紋自動(dòng)識(shí)別。通過(guò)USB 數(shù)字傳輸方式，獲取焊接圖像傳輸速度與抗干擾能力，選擇濾波器解決噪聲問(wèn)題，獲取到焊接圖像的整體輪廓，通過(guò)灰度直方圖，獲取圖像全局灰度密布的情況[3]。為了預(yù)防識(shí)別時(shí)出現(xiàn)過(guò)度擬合狀況，基于relu 激勵(lì)函數(shù)衡量識(shí)別誤差，完成焊縫視覺(jué)圖像缺陷位置的準(zhǔn)確識(shí)別。

1 弧焊接裂紋自動(dòng)識(shí)別

1.1 汽車(chē)焊區(qū)圖像獲取

在等離子焊接區(qū)域，可以通過(guò)視覺(jué)信息獲取系統(tǒng)記錄焊區(qū)圖像、焊接形狀以及焊接寬度等信息，從焊接物體不同角度記錄焊接圖像，包括焊接面的前后、上下面[4]。

通過(guò)USB 數(shù)字傳輸方式，計(jì)算焊接圖像傳輸速度，獲取抗干擾能力，固定傳感器中二級(jí)反射裝置，該裝置為可調(diào)節(jié)形式，使其呈現(xiàn)斜上45 度，簡(jiǎn)化光路調(diào)節(jié)方式[5]。

依據(jù)等離子焊接光譜，為消除弧光干擾，濾光片的中心波長(zhǎng)選取為680nm。

I 表示焊縫缺陷圖像，可有線性重疊加以表征，具體表現(xiàn)形式為：

式中，D 表示焊接缺陷目標(biāo)圖像，B 表示缺陷背景，N 表示外部環(huán)境影響噪聲。

焊接裂紋圖像獲取傳輸過(guò)程中，會(huì)受到外部環(huán)境噪聲影響，影響圖像最終呈現(xiàn)效果，通過(guò)濾波器方式去除外部環(huán)境噪聲。基于非線性處理，在去除噪聲的情況下保留焊接圖像邊緣信息。

提取焊接圖像全局特征，獲取圖像整體輪廓數(shù)據(jù)，依據(jù)灰度直方圖，呈現(xiàn)焊接裂紋圖像全局灰度密布情況。假設(shè)圖像J 的尺寸大小為M×N，J*表示圖像輪廓信息：

式中，f（x，y）表示在（x，y）處像素點(diǎn)灰度值大小，uj表示第j個(gè)焊接圖像閾值大小。

1.2 等離子弧焊接裂紋自動(dòng)識(shí)別

在焊接裂紋自動(dòng)識(shí)別過(guò)程中，為保證識(shí)別精度，需要對(duì)焊接圖像進(jìn)行分割處理，假設(shè)焊接灰度圖像為f（x，y），按照分割準(zhǔn)則，選取圖像f（x，y）任意灰度值Th，將其作為閾值。將焊接圖像分割為二值圖像g（x，y）：

引入局部閾值算法，結(jié)合焊接圖像像素灰度以及局部灰度特性，明確圖像像素閾值大小。圖像目標(biāo)大小存在差異以及像素灰度值存在差異狀態(tài)下，均可呈現(xiàn)較好分割效果，多目標(biāo)分割原理如下所示：

圖像的灰度值范圍表示為1～L，分割圖像為兩個(gè)組別：集灰度的范圍是（1，2，…，k）的一組與灰度范圍為（k+1，k+2，…，k）的一組，概率表征方式如下所示：

上式中：ni代表為第i 個(gè)像素點(diǎn)；N 代表整個(gè)圖像的像素點(diǎn)；Pi代表像素點(diǎn)i 出現(xiàn)的頻率；ω（k）代表像素點(diǎn)i 出現(xiàn)的頻率總和。

在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，引入代價(jià)函數(shù)，衡量網(wǎng)絡(luò)輸出值與期望值之間誤差大小，誤差大小與網(wǎng)絡(luò)性能呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，代價(jià)函數(shù)表征方式為：

其中，C 代表代價(jià)函數(shù)，x 代表輸入，y 表示輸出值，a 是期望值，n 表示總樣本數(shù)量。

求解代價(jià)函數(shù)最小值，就要獲取相應(yīng)的w、b 的梯度值：

二值化焊接裂紋圖像，裂紋圖像包括焊縫區(qū)域以及背景區(qū)域。受到外界環(huán)境因素的影響，如X 射線強(qiáng)度等，加上材料密度分布差異，焊縫形狀存在差異，在焊接圖像內(nèi)保留非焊接裂縫區(qū)域干擾像素。

通過(guò)上式可以看出，w、b 的梯度與輸出偏差之間存在關(guān)聯(lián)，梯度與偏差之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。參變量w、b 調(diào)節(jié)速度越快，訓(xùn)練速度越快，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的核心目標(biāo)就是求出符合C 最小時(shí)相對(duì)的w 和b，完成焊接裂紋圖像精準(zhǔn)識(shí)別。

2 實(shí)驗(yàn)研究

選取多自由度GTAW 焊接系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)主要裝置。該裝置硬件包括：工件運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、位移控制系統(tǒng)、焊接電源、送絲機(jī)、送絲控制裝置以及氣流控制裝置。焊接電源選取型號(hào)為INVERTER ELECON 500P 型。為了保證焊接不受到外界干擾影響，焊槍在焊接過(guò)程中保持靜止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)工件運(yùn)動(dòng)平臺(tái)記錄電弧相對(duì)移動(dòng)狀態(tài)。

圖1 焊接試驗(yàn)

依據(jù)SNR 對(duì)數(shù)法光譜評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，量化表征等離子焊接裂縫識(shí)別過(guò)程敏感度，對(duì)數(shù)真數(shù)用缺陷樣本與正常樣本比值數(shù)量進(jìn)行表示，求解對(duì)數(shù)值。在動(dòng)態(tài)焊接過(guò)程中，輸入信號(hào)選取焊接特征參數(shù)，與正常狀態(tài)特征值比較，缺陷狀態(tài)特征值過(guò)大或者過(guò)小，表明焊接裂縫識(shí)別可分離性較高，識(shí)別度較大。

在焊接實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，加入油污污染，觀察焊縫的氧化情況，當(dāng)出現(xiàn)輕微氧化導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)后，停止加入油污。在焊縫出現(xiàn)中期，增加焊絲偏絲情況，觀察焊接表面的明顯裂紋情況，此時(shí)焊接電流降低。（圖2）

圖2 夾渣焊縫的特征參數(shù)監(jiān)測(cè)曲線

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)差閾值方式，檢查焊接過(guò)程中裂縫是否出現(xiàn)。引入“Defection Degree”的概念，表征焊接構(gòu)件表面裂紋出現(xiàn)的嚴(yán)重程度。識(shí)別特征值始終處于上下閾值之間，此時(shí)焊接狀態(tài)為穩(wěn)定狀態(tài)，否則焊接過(guò)程出現(xiàn)波動(dòng)，此時(shí)焊接裂縫較為嚴(yán)重。焊縫缺陷識(shí)別情況如圖3 所示。

圖3 焊縫缺陷識(shí)別

由圖3 可以看出，焊接未出現(xiàn)裂縫狀態(tài)下，特征值保持在上下限定值之間，在出現(xiàn)輕微裂縫狀態(tài)下特征值超過(guò)閾值上限，裂縫識(shí)別圖像也出現(xiàn)變化；在不同裂縫程度下，特征值標(biāo)準(zhǔn)方差值呈現(xiàn)不同狀態(tài)，峰值出現(xiàn)差異。

3 結(jié)論

本文提出汽車(chē)超高強(qiáng)鋼等離子弧焊接裂紋自動(dòng)識(shí)別方法。通過(guò)USB 數(shù)字傳輸方式，獲取焊接圖像傳輸速度與抗干擾能力，選擇濾波器解決噪聲問(wèn)題，為了預(yù)防識(shí)別時(shí)出現(xiàn)過(guò)度擬合狀況，基于relu 激勵(lì)函數(shù)衡量識(shí)別誤差，完成識(shí)別。后期研究中可以通過(guò)改變焊接材料性質(zhì)，如厚度、坡口形式等參數(shù)，研究多源傳感信號(hào)響應(yīng)。