外文翻譯（中文）---高壓水下焊縫跟蹤技術

1、<p>　　畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　院 系： 機械工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 </p><p>　　姓 名： </p>

2、<p>　　學 號： 0602070422 </p><p>　　外文出處： CHINESE JOUR OF MECHANICAL </p><p>　　ENGINEERING Vol.22,No.2,2009

3、 </p><p>　　附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　高壓水下焊縫跟蹤技術</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在水下焊接時焊接坡口和焊接的工作條件都很差，所以焊縫跟蹤系統(tǒng)在修

4、復高壓水下受損管道的工作中起著很重要的作用?，F如今基于數字信號（DSP）的無光源焊縫圖像技術已經在焊縫跟蹤系統(tǒng)中得到了證實。在這高壓環(huán)境下，攝像系統(tǒng)使用了一個電荷耦合器件（CCD）目的在于改變系統(tǒng)機理，從而保證低于0.7MP壓力范圍內的全部圖像的質量。該系統(tǒng)可在高壓環(huán)境下實時拾取焊接熔池和焊接電弧的圖像信息.新開發(fā)并采用的DSP技術保證了系統(tǒng)的實時性。一個有效的焊縫坡口邊緣識別系統(tǒng)，包括一個狹窄的窗口和一個中值濾波器。在邊緣檢測和邊緣焊

5、的定義中，Sobel算法提出消除引導誤差的方法這樣可以有效的保證系統(tǒng)精度。通過跟蹤模擬和實際的操作證實了上述圖像處理技術的實用性與有效性，同時也證實了該方法能夠滿足生產中的精度要求。</p><p>　　關鍵詞:高壓水下焊接；焊縫跟蹤；焊縫邊緣識別</p><p><b>　　1、前言</b></p><p>　　盡管存在其他的焊接方式，弧焊卻

6、被廣泛用于水下構件的焊接，特別是管道類構件的改造，維修以及簡單的幾何構型。主要原因和工廠在初步建設中的組件聯接為什么采用這種焊接方式的原因是一樣的，主要因為焊接是一種相對快速，可靠的聯接技術，而且能夠獲得輕便的高強度的接頭。目前存在三種水下焊接方法主要有濕法焊接、常壓焊接、高壓焊接。濕法焊接最主要的優(yōu)點是不需要特定的焊接工作地，并且焊接質量高。由于大部分的焊接工作都是在常壓下進行的，所以實現水下焊接的最合理的方法就是在水下重新創(chuàng)造出一個

7、陸地上的工作環(huán)境，也就是制造出一個即能承受工作位置水深的壓力又能為焊接工作提供一個工作地的壓力容器。濕式維修技術的應用已經證實，并且證實這種焊接方法在維修中是必不可少的，也是切實可行的技術。與此同時研究高壓焊接技術也是非常重要的。</p><p>　　隨著最近十年水下管道使用速度的增長，使得水下焊接技術的焊接質量和焊接效率變得越來越重要。目前有三種焊接方法：手動焊接、通過機械操作的自動焊接、半自動焊接。無論是濕法

8、焊接工藝，高壓焊接工藝還是其他非弧焊工藝，每種焊接工藝所獲得焊接質量都或多或少取決于操作人員的技能和外界的干擾因素。隨著水深的增加，水下焊接最合適的方法莫過于高壓水下自動焊接，而這種方法亟待解決的問題就是如何提高焊接質量和焊接效率。在水下修復受損管道時采用高壓鎢極氬弧焊（TIG）是這項研究的重點。</p><p>　　在自動焊接系統(tǒng)中，焊接的傳感器和控制器起著至關重要的作用。在焊縫跟蹤系統(tǒng)中最大的困難就是焊縫邊緣

9、的檢測。在1994年提出了具有高抗干擾能力的和自適應共振理論（ART）的人工神經網絡技術。</p><p>　　本文介紹一種新型的適用于高壓水下的焊縫識別跟蹤技術。在構建基于DSP的試驗系統(tǒng)和算法方面已得到了認可并取得了滿意的成果。</p><p>　　2、高壓焊接系統(tǒng)的組成</p><p>　　此項目的是提供一系列的焊接工藝以及一個低于海平面60米以下的海底管線瓷

10、漆焊接的自動焊接設備。完成系統(tǒng)研究的主要要求如下：焊接的高壓室必須能夠提供110-770千帕這個范圍的壓力，并且壓力值是可以調整的。首先在電弧所形成的密閉空間內的空氣會爆炸，而爆炸后空氣的組成成分就發(fā)生了改變。其次這個密閉的空間必須能夠很容易關閉和打開，以便安放和移走工件。當這個密閉的空間是關閉著的時候，仍然可以通過密閉空間外面的操作來觀察和控制整個焊接過程，焊接實驗設備應當實現自動化，因為它主要工作在一個密閉的空間內。TIG焊的保護氣

11、體必須是單獨提供的。下圖由北京化工學院獨立建造的焊接系統(tǒng)。如圖1所示</p><p>　　圖1 高壓焊接系統(tǒng)</p><p><b>　　3、圖像處理與分析</b></p><p>　　收集和提取熔池內的信息不僅僅用于熱場和流場的理論計算，而且也能實現在線的質量評估與質量控制。在高壓焊接試驗系統(tǒng)的特殊情況下，弧室內視頻信息變得更加重要，同時也

12、更加難以獲得。因此焊接操作需要一個全面的遠程操作系統(tǒng)。為了觀測和記錄數據的方便，將弧腔內采集到的信息和焊接時的電弧信息轉發(fā)到焊接時所在的高壓有氧艙內。隨著壓力的增加機械和電子器件越來越容易被破壞。保護電荷耦合器件（CCD）有三種方法可供選擇:第一把CCD放入一個可以承受外界壓力的容器中;第二通過剛性的或者類似于光纖的柔性光路將光從弧室內導出；第三在標準壓力下可以將CCD直接安放在弧室的下面。為了使這個系統(tǒng)更容易實現，可以在弧室內放入一個

13、照相機同時人為地改變一下環(huán)境壓力。測試結果表明，CCD照相機可以直接應用在壓力小于600千帕的環(huán)境下并且可以在連續(xù)工作的情況下而不會被損壞。但是隨著壓力的增加氣體電弧的能見度在降低，如圖2中的兩個圖所顯示的就是在不同大氣壓力下電弧能見度的差異，為了在整個壓力范圍內保證圖像的質量，可以通過調節(jié)光圈和焦距的的方式來實現。</p><p>　　(1)大氣壓力200 kPa (2)大氣壓力 60

14、0 kPa</p><p>　　圖2 不同壓力下電弧的能見度</p><p>　　其他的測試結果表明，幾乎所有的電氣設備元件都可以在壓力小于600千帕的環(huán)境下正常的工作。因此有關的研究可以在這樣的壓力環(huán)境下進行。</p><p><b>　　3.1、圖像降噪</b></p><p>　　該圖像采集系統(tǒng)是基于無源光視覺技

15、術的（CCD相繼在沒有任何光源的情況下來獲取電弧和熔池的圖像信息）。為了保證圖像的質量，采用濾波寬帶為940納米和10納米的濾波器。采集的圖像樣本如圖3所示。上半部分為鎢極和焊接電弧，下面是破口面和已經減弱的熔池內的焊接電弧，焊接的大部分信息將來至這張圖片。</p><p><b>　　圖3 圖像樣本</b></p><p>　　對焊縫跟蹤起作用的就是電弧附近的凹槽

16、，在獲得圖像數據時，一些飛濺的噪音必須通過硬件加以清除。最有效的降噪方法有鄰值平均法、模糊法、中值濾波法。每種方法降噪后的效果圖如圖4所示。每一種方法都可以實現一定的降噪，但是也帶來了一些負面影響。結果顯示經過中值濾波法獲得的圖像是最令人滿意的。</p><p>　?。?）沒有處理的圖像 （2）鄰值平均法處理后</p><p>　?。?）模糊法處理后

17、 （4）中值濾波法處理后</p><p>　　圖4 使用各種降噪方法后的效果圖</p><p>　　3.2、焊縫邊緣檢測</p><p>　　可以肯定的說在某些地方的灰度變化一定要比槽邊和基料的灰度值變化的要大?；叶戎档淖兓闆r如圖5所示</p><p>　　圖5 灰度值變化圖</p>&l

18、t;p>　　這里有三個灰度級別，分別是出現在左邊緣、弧區(qū)、右邊緣的三個峰值。左右峰值的外部代表的是基本金屬區(qū)，內部代表的是熔池區(qū)。用數學知識衍生出的工具可以尋找到峰值（也就是槽邊），本文用的是索貝爾算法。</p><p>　　假設原來的函數是f（x，y），獲得圖像信息經索貝爾算法的計算如下：</p><p>　　G(x,y)={f(x-1,y-1)+2f(x-1,y)+f(x-1,y

19、+1)-</p><p>　　[f(x+1,y-1)+2f(x+1,y)+f(x+1,y+1)]}+</p><p>　　{f(x-1,y-1)+2f(x,y-1)+f(x+1,y-1)-</p><p>　　[f(x-1,y+1)+2f(x,y+1)+f(x+1,y+1)]}.</p><p>　　給定一個合適的值T，如果G（x，y）大于T

20、，那么像素點（x，y）稱為邊緣點。</p><p>　　各種不同的運算方法計算的結果如圖6所示，由圖可看出經索貝爾算法計算獲得結果是最令人滿意的。</p><p>　?。?）原始焊縫圖像 （2）Roberts算法處理后 （3）Sobel算法處理后</p><p>　　(4)Prewitt算法處理后 （5）Log算法處理后 （6）Canny算法處理后

21、</p><p>　　圖6 不同操作方式對焊縫邊緣檢測的影響</p><p>　　3.3、由焊縫邊緣信息提取槽中心線信息</p><p>　　檢測的功能在現階段的目標是找到焊縫并對其進行跟蹤，所以弧邊界是沒有用的，如圖6所示，不是焊縫邊線變得光滑，也不是弧變得光滑。要消除電弧的包絡線并提取連續(xù)的焊接槽的軌跡信息。提取焊縫槽有效信息的方法如圖7所示：</p&g

22、t;<p>　　圖7 焊縫邊緣搜索圖</p><p>　　左側Y軸的信息和右側Y軸的信息分別儲存在矩陣LF和LR中。中線Y軸的矩陣可由下面簡單的公式算出</p><p>　　L=(LF+LR)/2</p><p>　　中線提取信息的優(yōu)勢如圖8所示</p><p>　　圖8 提取到的中心線圖像和原始圖像進行對比</p>

23、<p>　　3.4、基于DSP技術的焊縫跟蹤系統(tǒng)</p><p>　　上面所描述的算法已經在基于DSP技術的系統(tǒng)中得到了證實，其效果圖如圖9所示。無論設計多大的窗口，系統(tǒng)必須在40毫秒內完成圖像的采集，并且要對最后一針圖像進行處理。如果焊接速度這么快，那么所選擇的響應時間大于40毫秒的直流電機是沒必要做出響應的。設置一組合理的參數來調節(jié)驅動響應時間和焊接響應時間的時間差。</p>&l

24、t;p>　　圖9 高壓水下焊縫跟蹤系統(tǒng)的結構框圖</p><p>　　4、實驗的結果與討論</p><p>　　曲線焊縫跟蹤模擬實驗</p><p>　　正常環(huán)境下，模擬焊縫跟蹤系統(tǒng)并在金屬板左側自動繪出白線以代表強大的弧光，所獲得結果如圖10所示。</p><p>　　圖10 曲線焊縫跟蹤模擬實驗圖</p><p&

25、gt;　　實際上表示電極位置的白線表示的是重疊的電極，但這也足以證實了算法是正確的。當算法完成時上面的黑色窗口和下面的白色窗口都是被打開的。黑色窗口上方有三個白線分別代表電極邊緣和衍生電極。在白色窗口下方有三個黑線和兩個白線，至于黑線，第一個（從左至右），第三個顯示弧區(qū)，第二個表示弧中心。從第一個黑線到左側窗口的邊緣是搜索左側槽邊的區(qū)域，在里面的白線就是左槽邊緣。從第三個黑線到右側窗口的邊緣是搜索右側槽邊的區(qū)域，在里面的白線就是右側槽邊