一種明弧焊接視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

王含宇，張國濤，熱米娜·帕爾哈提

（新疆威奧科技股份有限公司新疆自動化焊接工程技術(shù)研究中心，新疆 克拉瑪依 834003）

0 前言

在明弧焊接條件下，當(dāng)采用手工焊或機(jī)械化焊接時，焊工都是通過手持或者頭戴焊帽來實現(xiàn)對焊接熔池、焊道、焊槍位置以及熔滴過渡的觀察，進(jìn)而實現(xiàn)焊條電弧焊，或者機(jī)械化焊接。如果能有一個代替焊工近距離監(jiān)控焊接熔池的系統(tǒng)，并能遠(yuǎn)距離遙控焊接擺動器的動作和操作焊接輔機(jī)的運(yùn)動姿態(tài)，實現(xiàn)有人為干預(yù)的機(jī)械化焊接，就可以解決當(dāng)焊接位置不適合人近距離觀察時難以焊接的問題。同時也能有效減輕焊工作業(yè)強(qiáng)度，保護(hù)焊工身體遠(yuǎn)離弧焊的強(qiáng)電磁輻射和焊接煙塵等的傷害。基于以上因素考慮，設(shè)計了一種明弧焊接視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過使用特定的大動態(tài)范圍的高速相機(jī)和濾光減光部件，在人機(jī)交互界面上，實時顯示相機(jī)拍攝到的焊接熔池、焊道、焊槍與焊道相對位置的動態(tài)圖像，由焊工手持遙控器人工調(diào)節(jié)焊接擺動器，實現(xiàn)機(jī)械化焊接。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)為實現(xiàn)明弧條件下（氣保、氬弧），在人機(jī)界面上監(jiān)控焊接過程，從圖像上能清楚看到包括弧光中心、熔池、焊道、焊槍位置等信息。同時，能將使用高速攝像機(jī)拍攝的焊接熔滴過渡過程記錄并存儲，焊接完成后慢速回放，分析研究相關(guān)的焊接工藝及技術(shù)參數(shù)。

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

對明弧焊接視頻監(jiān)控硬件部分的設(shè)計，是基于焊接試驗結(jié)果制定的。鎢極氬弧焊時通過使用光譜儀（型號：OceanOptics USB2000），采集電弧及熔池所在區(qū)域的光譜，如圖1所示。光譜儀采集光譜結(jié)果如圖2所示。

圖1 采集電弧及熔池所在區(qū)域的光譜示意

圖2 光譜儀采集實驗結(jié)果

由圖2可知，電弧空間光譜的現(xiàn)象規(guī)律：a.焊接電弧光譜由連續(xù)譜與特征譜疊加而成。連續(xù)譜部分即熔池發(fā)光，在焊接過程中幅值變化不大；特征譜部分，即電弧發(fā)光和熔池上方金屬蒸汽發(fā)光，在焊接過程中隨時間有較連續(xù)譜更為明顯的漲落變化。b.波長600～700 nm之間無突出的特征譜峰值。c.波長850～910 nm之間無突出的特征譜峰值，且連續(xù)譜強(qiáng)度較低。d.波長920 nm以后無突出的特征譜峰值，且連續(xù)譜強(qiáng)度較低。根據(jù)以上實驗結(jié)論，采用了中心波長808 nm、帶寬20 nm的窄帶濾光片。在這個波長里具有特征譜和連續(xù)譜，且強(qiáng)度都不高。因此，相機(jī)的感光芯片不易出現(xiàn)過飽和情況，又能得需要觀察的熔池、電弧以及背景焊道的圖像，比較適合本系統(tǒng)的圖像質(zhì)量需求。

焊工手工或者機(jī)械焊接時，需要得到的信息主要是熔池的狀態(tài)、焊絲和鎢針與前端焊道的位置關(guān)系[1]。試驗在一般CCD、CMOS相機(jī)以及膠片式相機(jī)的鏡頭前加裝焊帽濾鏡或波長808 nm的窄帶濾光片，拍攝焊接過程中熔池、焊道、熔滴過渡畫面。結(jié)果表明：明弧焊起焊后，通過給一般的CCD、CMOS相機(jī)鏡頭前加裝濾光片，以期望達(dá)到類似于人眼通過焊接濾鏡看到的圖像效果幾乎是不可能實現(xiàn)的。在使用膠片攝相機(jī)時，卻能達(dá)到類似人眼的效果。然而膠片攝相機(jī)只能錄制后重放，并不適合于實時響應(yīng)的焊接過程。分析原因是由于人眼和膠片的成像寬容度范圍比一般CCD、CMOS相機(jī)大很多倍，人眼有很強(qiáng)的明暗適應(yīng)能力，能同時分辨出視野中極亮和極暗部分的細(xì)節(jié)光強(qiáng)。而一般CCD、CMOS感光片不能承受太大比例的光比，高光部位已經(jīng)超出了光電效應(yīng)電流的極限而過飽和，極暗部位卻由于不能引發(fā)光電效應(yīng)而一片黑，所以一般CCD、CMOS相機(jī)只能舍亮取暗或者舍暗取亮。在這個情況下，本研究在熔池監(jiān)控方案中特別選擇了瑞士Photonfocus的相機(jī)（型號：MV-D1024E-160-CL-12）。這款相機(jī)在硬件設(shè)計上采用linlog技術(shù)來增大相機(jī)的動態(tài)范圍，對強(qiáng)光采用對數(shù)響應(yīng)壓縮，對弱光仍然采用線性響應(yīng)，以達(dá)到平衡圖像對比度的作用，增加了圖像的灰度動態(tài)范圍，觀測明弧焊接的效果幾乎等同于人眼觀察。如圖3所示，圖3a關(guān)閉linlog功能時，燈泡曝光過度，燈泡后面的細(xì)節(jié)看不到；圖3b打開linlog功能后，燈泡后面的Photonfocus圖標(biāo)看得很清楚。

應(yīng)用于熔池監(jiān)測的瑞士Photonfocus增強(qiáng)型高動態(tài)范圍相機(jī)，全分辨率1024×1024時，幀速37 fps，滿足低速拍攝的要求；在開窗256×256時，幀速達(dá)587 fps，可滿足稍高速拍攝要求。采用808 nm窄帶濾波片[2-3]作為輔助手段，濾掉一部分電弧的光強(qiáng)，防止因曝光過度損失熔池細(xì)節(jié)，可在焊接過程中看清熔池和焊槍位置。采用變焦微距鏡頭，將圖像放大顯示在屏幕，提供更多細(xì)節(jié)信息。自然光環(huán)境下由于加裝窄帶濾光片導(dǎo)致焊接區(qū)域一片漆黑，在焊接之前增加輔助光源做照明。實現(xiàn)起焊前的焊槍位置相對于焊道的微調(diào)和在起焊后輔助光源起到照亮前端焊道的作用。若不加外部輔助光源，起焊后弧光以及由弧光照亮的熔池作為唯一光源，僅能照亮焊接中心很小一部分區(qū)域。由于需要判斷鎢針與焊道的相對位置以及將要發(fā)生的位移變化，焊工還需要觀察前方焊道，因此需增加一個外部光源來補(bǔ)償焊道區(qū)域的光強(qiáng)。

圖3 Linlog功能啟閉時圖像效果對比

焊接視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能有：a.焊接過程的視頻監(jiān)控；b.焊接過程的焊接熔池、焊槍位置及焊道的圖像拍攝與存儲；c.通過無線遙控器控制焊接輔助設(shè)備——機(jī)械化焊接擺動器、焊接操作機(jī)和焊接變位機(jī)；d.在工控機(jī)的人機(jī)界面上設(shè)置各種焊接參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計框圖

本系統(tǒng)以工控機(jī)為核心控制器，在人機(jī)交互界面上對整個系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括：相機(jī)參數(shù)、焊接擺動器和焊接輔機(jī)的相關(guān)參數(shù)。起焊前，相機(jī)拍攝焊槍和焊道的圖像傳回用戶界面。此時，相機(jī)曝光時間為400 ms，在有輔助光源的情況下，即使有窄帶濾光片，仍然能清楚獲得焊槍和焊道的畫面。焊工通過這些畫面，用遙控器微調(diào)焊槍和焊道的相對位置，使焊槍對準(zhǔn)焊道中心。在控制界面上按下起焊按鈕，焊槍起弧，相機(jī)曝光率自動切換到0.01 ms，相機(jī)拍攝焊槍前端的焊接熔池圖像，傳回工控機(jī)人機(jī)界面。操作者在人機(jī)界面前觀察焊接時的實時狀態(tài)，并通過無線遙控器實時調(diào)節(jié)焊接擺動器的左右偏移量、焊接速度等參數(shù)。焊接擺動器夾持著焊槍往復(fù)運(yùn)動，模仿焊工施焊，實現(xiàn)焊接的機(jī)械化。工控機(jī)通過485通信，控制焊接輔機(jī)的控制器來實現(xiàn)對焊接輔機(jī)各個部位的位姿調(diào)節(jié)。

1.2 軟件設(shè)計

在系統(tǒng)啟動后，通過基于Qt設(shè)計的人機(jī)界面，對焊接的各個參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如圖5所示。同時將設(shè)置的參數(shù)通過485通信發(fā)送到焊接輔機(jī)控制器和焊接擺動器控制器中。參數(shù)設(shè)置完畢后，打開監(jiān)控相機(jī)以及激光光源，界面中出現(xiàn)被監(jiān)控的焊槍和焊道等圖像，如圖6所示。焊工通過無線遙控器，微調(diào)焊槍和焊件之間的相對位置關(guān)系，做好起焊準(zhǔn)備。

圖5 系統(tǒng)用戶界面

在起弧的同時調(diào)低相機(jī)的曝光時間為0.01 ms，開始焊接。界面中圖像隨即切換到起焊后焊接熔池、熔滴以及焊道的畫面。氬弧焊焊接的監(jiān)控效果如圖7所示。可以清楚地得到焊接熔池、弧光、鎢針、焊絲以及前端焊道的豐富信息。實驗系統(tǒng)實物如圖8所示。

圖6 起焊前觀察

圖7 起焊后效果

2 結(jié)論

在實驗系統(tǒng)上，實驗?zāi)覆牟馁|(zhì)為Q235的氬弧焊打底，采用V型坡口形式，焊接速度為80 mm/min。由焊工在工控機(jī)人機(jī)界面前通過圖像反饋，使用手持無線遙控器來操作焊接擺動器進(jìn)行焊接。通過實驗，本系統(tǒng)可以滿足一定工況條件下的明弧焊接生產(chǎn)應(yīng)用。

圖8 實驗系統(tǒng)

設(shè)計了一個明弧焊接監(jiān)控系統(tǒng)，通過無線遙控器和視頻監(jiān)控圖像來實現(xiàn)焊工機(jī)械化焊接的功能。通過設(shè)計的光路系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在起焊前和起焊后都獲得清晰的焊槍和焊縫圖像。本系統(tǒng)實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離通過視頻監(jiān)控畫面觀察焊接實時狀態(tài)，用遙控器實時調(diào)節(jié)焊接擺動器的參數(shù)，完成了有人為干預(yù)的機(jī)械化焊接功能。在不適合人近距離觀察焊接熔池狀態(tài)的情況下可以使用，同時有效降低焊工勞動強(qiáng)度，保護(hù)焊工身體不受傷害。該系統(tǒng)還有可以改進(jìn)的空間，如相機(jī)的全位置移動，自動剪焊絲、清槍功能，機(jī)頭、焊槍的輕量化設(shè)計以適應(yīng)更加狹窄的空間等。

[1]馬東輝，方宇棟，郭清華，等.TIG焊機(jī)的自動控制[J].中國測試技術(shù)，2004，30（3）：42-44.

[2]周龍早，劉順洪，付朝杰，等.CO2焊接熔池直接視覺圖像傳感研究[J].電焊機(jī)，2009，39（9）：62-65.

[3]林 昆，周祖德，陳幼平，等.基于CCD的激光焊接熔池視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械與電子，1999（6）：75-80.