鋁合金TIG焊接過程電信號和圖像信號的采集與分析

蔣 磊，閆志鴻，宋永倫，張 軍，劉玉杰

（北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124）

0 前言

焊接電流和電弧電壓是電弧焊接過程中最重要的兩個工藝參數，它們的變化直接影響過程中的各種動態行為，并影響焊縫成形及最終的焊接質量[1]。根據經驗，焊接中的熔池包含了豐富的焊接質量信息。在文獻[2]中采用同步控制拍攝高速攝像和數據采集的技術，建立了高速圖像和工藝參數的同步記錄與分析系統。自主開發的圖像與波形同步播放軟件可以實現高速圖像和工藝參數波形的播放和分析。受相機內存的限制，能夠采集的時長有限，不適用于工業焊接的監測過程。文獻[3-4]中對TIG焊中熔池正面幾何形狀參數進行了視覺檢測，這種方法數據處理過程繁瑣，不適用于實際工程運用。激光結構光視覺是三維視覺的主要方法之一，其精度高，運算速度快，在工業檢測領域得到了較廣泛的應用[5-6]。

本研究自主開發了一套系統，能夠實時采集焊接過程包括電流、電壓、圖像信息，實現數據與圖像信息的實時存儲。結合激光結構光視覺技術，對焊縫的下塌深度進行了檢測。

1 實驗平臺的搭建

針對本研究介紹的監測與記錄分析系統，搭建了鋁合金TIG焊接實驗平臺，如圖1所示。實驗平臺主要包括：EWM的TETRIX521焊接電源、焊槍、行走機構、保護氣體、電信號采集裝置、小功率激光器、視覺傳感器和上位機。

本系統主要包括電信號傳感系統和圖像傳感系統。系統的電信號傳感器工作原理如圖2所示。

圖1 系統示意

圖2 電信號傳感器連接示意

圖2中電流、電壓傳感器均為閉環霍爾器件，采用霍爾補償原理，可隔離測量AC、DC、脈沖信號；運放模塊利用等效電阻將電流傳感器輸出的電流信號轉化為電壓信號輸出到NI USB-6251數據采集卡。數據采集卡采集電流、電壓、相機觸發信號到上位機。

視覺傳感器選用PhotonFocus公司生產的MVD750E、CMOS數字工業相機。試驗中，視覺傳感器和小功率激光器分別安裝固定在焊槍前后兩側隨著焊槍一起運動。為了有效濾除焊接過程中電弧光對相機取像的影響，根據不同的焊接工藝在鏡頭前加不同型號的濾光片和減光片。

2 系統的軟件設計

弧焊電信號/圖像信號實時監測與記錄分析系統的核心部分是軟件設計，在此基于Visual Studio開發環境中的Visual C++編程工具，并結合NI公司的MeasurementStudio虛擬儀器軟件和PhotonFocus相機運用的動態鏈接庫，使得開發過程中的電信號與圖像信息采集功能均以模塊化的方式實現，程序流程框圖如圖3所示。

2.1 電信號和圖像信息的采集與實時保存

圖3 系統程序流程框圖

在電信號的采集過程中，采集卡上的0、1、2通道同時工作，分別采集電壓、電流和相機觸發脈沖。電信號的采集過程中使用了異常處理機制，采集過程中出現異常被系統捕捉后，系統將異常的信息反饋給用戶，并中斷程序。采集到的圖像以位圖文件（*.BMP）格式進行保存。位圖文件可分成四個部分組成：位圖文件頭（bitmap-file header）、位圖信息頭（bitmap-information header）、彩色表（color table）和定義位圖的字節陣列。根據設置的圖像顯示參數設置位圖文件的位圖文件頭和位圖信息頭，然后生成一個空白的位圖文件，待采集到圖像信息后，將其填寫到該空白文件中。系統采集界面如圖4所示。

采集卡采集到的數據存放到CNiReal64Matrix類的m_data中，這是一種矩陣類型的變量，本程序是三個通道同時采集，所以m_data是一個三維的矩陣。為了能夠將三種信息放到三個波形圖中進行顯示，需要分別將數據從m_data中提取出來，放到三個CNiReal64Vector類的變量中，它是一種一維數組。由于NI采集卡只能接收(-10 V，+10 V)的輸入，所以在將數據畫成波形圖之前，要根據電流傳感器的比例關系（輸入100 A，輸出1 V）和電壓傳感器的比例關系（輸入12.8 V，輸出1 V）對數據進行放大，還原它的真實性。電信號的存取使用的都是文件的流操作，將數據按照先后順序寫入文本文件（*.txt），然后按照該順序讀出數據。圖像信息和電信號數據被實時保存到系統設定的文件夾，存儲圖像信息時，使用FILE類型的對象直接對文件進行操作。如前所述，位圖文件由四部分組成，將這四部分按照正確的順序，使用FILE對象的write（）函數將它們以二進制的格式直接寫入文件中，并將文件的后綴名定為“*.bmp”。

圖4 系統采集界面

2.2 圖像信息和電信號的同步查看

為了分析電信號與熔池圖像信息的關系，本程序通過分析相機觸發脈沖信號通道采集到脈沖觸發信號將圖像和與之對應的電流電壓信號同時顯示，能夠一一查看和回放過程，如圖5所示。

圖5 信息同步查看

波形顯示窗口中的豎線指示了與當前圖像對應的同步時刻，據此可將圖像與波形按同步時刻對應起來。圖像用整數編號,負編號表示在觸發信號到來之前拍攝的圖像。系統狀態欄顯示了波形數據的脈沖范圍、圖像編號范圍及所顯示的當前圖像編號、時刻和對應的焊接參數值。軟件既可以按預先設定的速度自動播放，也可以手動單幀播放。

3 基于結構光視覺的焊縫圖像分析

在焊縫下塌深度檢測中，固定于焊槍前端的小功率激光器發出一束一字線形激光，照射于焊縫表面，CCD從后上方對激光條紋投射區域進行采像。圖6為結構光測量幾何模型，設MN為成像平面，O點為CCD的光心，OP0為光軸，與MN垂直，L點為激光出光點，LP0為激光發射線，與工件表面EF垂直，P0點為激光與工件表面的交點。當工件表面的高度發生改變時，如從P0變化到P1時，在MN上的成像點由Q0變化為Q1，根據幾何關系，Q0與Q1的位置差便可反映P0與P1的高度差。

設成像系統的光軸與工件平面EF的夾角為θ，成像系統的放大倍率（像的物理尺寸與物的物理尺寸之比）為α，且假設待測物體高度差遠遠小于像距（對于本研究所構建的焊縫測量系統來說滿足該條件），則物體待測點的高度表示為

圖6 結構光測量幾何模型

根據激光結構光測量幾何模型，移動小車帶動工件移動，則工件上激光條紋對應的每一個位置的下塌深度信息便可依次計算出來。圖7為激光條紋在鋁合金打底焊后結構光條紋在焊縫上的圖像，圖像中間的白亮條紋為結構光條紋，可以看到在焊縫位置處，結構光條紋有明顯下凹。

圖7 視覺傳感器采集到的結構光在焊縫上的圖像

在圖像處理中，把視覺傳感器采集到的圖像經過一次高斯濾波，通過尋找圖像中每一列灰度的極值的方法，找到激光條紋在圖像中的位置，然后在條紋兩端選取一定的采樣點，運用最小二乘法，擬合出母材平面。圖8為圖像旋轉180°后處理所得到的圖像，由圖8可以很清楚的觀察到焊縫位置處的下塌高度所對應的像素值。

圖8 圖像處理后結果（單位：像素）

取一塊6 mm的鋁合金工件在圖1所示的焊接平臺上做焊接試驗，保護氣體為φ（Ar）50%+φ（He）50%，焊接電流從205 A階躍增大，利用激光結構光掃描焊縫，得到的下塌深度曲線如圖9所示。對比焊縫實物，從圖10中看到焊縫從起始點開始焊縫下塌深度有加深趨勢，焊漏點前端由于液態金屬的聚集，此處焊縫位置下塌量反而減少。

圖9 焊縫最大下塌深度曲線

圖10 焊縫實物

4 結論

研制的弧焊電信號/圖像信號實時監測記錄分析系統能夠實現對弧焊過程中電信號和圖像信息的實時采集存儲，并實現了信號的同步，利用激光結構光視覺對焊縫下塌深度的分析結果與實物基本一致，隨著圖像處理技術的不斷發展，可以從圖像信息中得到更加豐富的焊接質量信息。

[1]Norrish JAdvanced welding processes-technology and processcontrol[M].Cambridge，England Woodhead Publishing Linited，2006.

[2]陳志翔，張 軍，宋永倫，等.焊接過程高速圖像和工藝參數的同步記錄與分析[J].焊接學報，2010：？？.

[3]馮天濤.對接TIG焊熔池幾何形狀參數檢測及熔透控制[D].濟南：山東大學，2004.

[4]王建軍.鋁合金脈沖TIG焊熔池動態特征的視覺信息獲取與自適應控制[D].上海：上海交通大學2003.

[5]陽道善，陳吉紅.周會成線結構激光-機器視覺三角測量光路設計[J].光學技術 2001，27(2)：120-122.

[6]劉 峰.基于結構光測量原理的自由曲面D3測量的系統技術研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2004.