脈沖GTAW熔池表面反射圖建模與高度計(jì)算的研究.pdf

1、傳統(tǒng)的示教再現(xiàn)型焊接機(jī)器人正向著智能化方向發(fā)展，而機(jī)器人焊接熔池視覺(jué)傳感技術(shù)是機(jī)器人模擬焊工智能的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高水平焊接的關(guān)鍵。機(jī)器人焊接智能化技術(shù)是通過(guò)傳感器使機(jī)器人具有模擬焊工的行為。機(jī)器人的視覺(jué)傳感系統(tǒng)模擬焊工眼睛，通過(guò)觀測(cè)熔池正面形狀預(yù)測(cè)和控制焊縫背面成形。熔池形狀和大小直接決定著焊縫的成形和內(nèi)在質(zhì)量，因此熔池形狀和大小對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能焊接技術(shù)至關(guān)重要。目前焊縫成形控制主要是熔透控制，但是在精密焊接過(guò)程中要求保證

2、正面余高，而焊縫余高難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。在實(shí)際焊接過(guò)程中，焊縫熔透(或者背面熔寬)難以直接測(cè)量，因此熔池正面形狀的測(cè)量對(duì)于熔透控制具有非常重要的作用。目前，熔池形狀參數(shù)提取的信息是二維的，但是熔池表面高度更能反映焊縫熔透與背面成形情況，因此熔池正面高度的計(jì)算對(duì)于熔池形狀控制、對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接智能化具有非常重要的作用。 由于焊接過(guò)程中存在著聲、光、電、磁、高溫、飛濺和煙塵的干擾，同時(shí)焊接熔池具有體積小、溫度高且分布不均勻、高溫存在

3、時(shí)間短、冷卻速度快、熔池處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、填充金屬的熔化和凝固過(guò)程同時(shí)存在等特點(diǎn)，因此熔池表面高度的測(cè)量非常困難。焊接過(guò)程的電磁干擾和熔池的高溫使熔池表面高度不能采用機(jī)械和電磁的方法測(cè)量。X射線可以用來(lái)測(cè)量焊縫熔透信息，但無(wú)法測(cè)量熔池的正面信息、無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性。紅外傳感技術(shù)通過(guò)測(cè)量金屬的溫度場(chǎng)判斷熔透狀況，但無(wú)法確定熔池表面的形狀信息。結(jié)構(gòu)光方法通過(guò)結(jié)構(gòu)光的變形量來(lái)計(jì)算焊縫表面的高度，但是控制參數(shù)作用在電弧的正下方，因此信息滯后。熔池的流動(dòng)

4、性和取像間隔決定了不同時(shí)刻的熔池圖像對(duì)應(yīng)的熔池形狀可能發(fā)生改變，因此不能用光流法計(jì)算熔池表面高度。焊接過(guò)程中不能精確控制電弧來(lái)獲取不同光照位置、同一熔池的三幅圖像，使得熔池表面高度的測(cè)量不能采用光度立體法。熔池圖像中的遮擋和不完整性、熔池圖像匹配困難限制了立體視覺(jué)的應(yīng)用。熔池表面的輪廓和紋理信息量比較少，不足以提取熔池表面的形狀。從陰影恢復(fù)形狀只需要一幅圖像，在熔池的視覺(jué)傳感中容易滿足，所以是計(jì)算熔池表面高度的一種有發(fā)展前途的方法?；?/p>

5、焊接過(guò)程和熔池的特點(diǎn)、熔池表面高度計(jì)算的重要性和從陰影恢復(fù)形狀計(jì)算熔池表面高度的可行性，本文進(jìn)行了如下內(nèi)容的研究工作。 被動(dòng)式視覺(jué)傳感的成像光源不能看作點(diǎn)光源，小電流時(shí)電弧為球狀光源。電弧光源的形狀、大小、發(fā)光強(qiáng)度、波長(zhǎng)與焊接電流、電弧長(zhǎng)度和焊接材料有關(guān)。GTAW過(guò)程的特點(diǎn)使熔池表面成像屬于近距離球狀光源成像。文中提出了電弧球狀光源函數(shù)描述焊接電流、電弧波長(zhǎng)、電弧大小和電弧長(zhǎng)度的影響。熔池表面是漫反射和鏡面反射的共同作用，同時(shí)熔

6、池表面存在互反射現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)熔池表面反射特性與材料的粗糙度、微觀組織、光源的波長(zhǎng)有關(guān)。綜上所述，建立了脈沖GTAW熔池表面的通用反射圖模型。 從脈沖GTAW熔池表面通用反射圖模型出發(fā)，根據(jù)低碳鋼、不銹鋼在熔化前后有明顯的色澤變化，而鋁合金沒(méi)有明顯的色澤變化、鋁合金熔點(diǎn)低的現(xiàn)象，分別采用窄帶濾光和寬帶濾光的方法獲取了低碳鋼、不銹鋼、鋁合金清晰的熔池圖像。 焊接過(guò)程中存在電磁干擾、保護(hù)氣體擾動(dòng)、熔池的振動(dòng)、攝像機(jī)與熔池的相

7、對(duì)運(yùn)動(dòng)等造成熔池圖像模糊。在從陰影恢復(fù)形狀算法中，原始圖像的噪聲和圖像的邊緣都影響計(jì)算結(jié)果。針對(duì)現(xiàn)有的圖像增強(qiáng)方法導(dǎo)致圖像邊緣模糊和邊緣檢測(cè)方法可能重新引入噪聲的問(wèn)題，提出了基于小波理論的圖像處理算法。包括基于小波理論的圖像增強(qiáng)和邊緣檢測(cè)，雙向垂直投影細(xì)化方法、三次B樣條擬合熔池邊緣、熔池類型鑒別。 針對(duì)不同材料的電弧光譜、焊接工藝參數(shù)、熔池表面的形狀和反射特性、攝像機(jī)參數(shù)不同，熔池圖像的特征不同，在脈沖GTAW熔池通用反射圖模

8、型中的參數(shù)不同的問(wèn)題，分別建立了低碳鋼、不銹鋼、鋁合金的反射圖模型。 針對(duì)反射圖方程的病態(tài)特性，引入了可控光滑性約束條件構(gòu)成泛函。由于熔池表面和熔池邊緣的光滑性不同，用薄板能量函數(shù)和薄板型能量函數(shù)的線性組合描述熔池的光滑特性。反射圖方程的求解采用與大型稀疏方程組相同的求解方法。由于大型稀疏矩陣中大部分都是零元、系數(shù)矩陣是對(duì)稱的，為了減少存儲(chǔ)內(nèi)存采用了線性表存儲(chǔ)上三角和對(duì)角線元素。設(shè)計(jì)了預(yù)處理共軛梯度法保證稀疏方程組的收斂性和收斂

9、速度?；诘吞间摗⒉讳P鋼、鋁合金的反射圖模型，采用預(yù)處理共軛梯度法分別計(jì)算了低碳鋼、不銹鋼、鋁合金典型熔池圖像的表面高度，計(jì)算結(jié)果反映了下塌型和凸起型熔池表面高度的特點(diǎn)。 焊接熔池表面高度難以用傳統(tǒng)的方法實(shí)時(shí)測(cè)量，但是熔池表面高度隨著焊接參數(shù)的變化而變化，因此通過(guò)觀察熔池表面高度隨著焊接參數(shù)的變化而變化的趨勢(shì)來(lái)驗(yàn)證從陰影恢復(fù)形狀計(jì)算熔池表面高度的可行性、實(shí)時(shí)性。另外熔池截面高度與凝固焊縫截面高度之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)比較熔池表面