脈沖GTAW熔池表面反射圖建模與高度計算的研究.pdf

1、傳統(tǒng)的示教再現型焊接機器人正向著智能化方向發(fā)展，而機器人焊接熔池視覺傳感技術是機器人模擬焊工智能的關鍵技術之一，是實現機器人高水平焊接的關鍵。機器人焊接智能化技術是通過傳感器使機器人具有模擬焊工的行為。機器人的視覺傳感系統(tǒng)模擬焊工眼睛，通過觀測熔池正面形狀預測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在質量，因此熔池形狀和大小對于實現機器人智能焊接技術至關重要。目前焊縫成形控制主要是熔透控制，但是在精密焊接過程中要求保證

2、正面余高，而焊縫余高難以實現實時測量。在實際焊接過程中，焊縫熔透(或者背面熔寬)難以直接測量，因此熔池正面形狀的測量對于熔透控制具有非常重要的作用。目前，熔池形狀參數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算對于熔池形狀控制、對于實現機器人焊接智能化具有非常重要的作用。 由于焊接過程中存在著聲、光、電、磁、高溫、飛濺和煙塵的干擾，同時焊接熔池具有體積小、溫度高且分布不均勻、高溫存在

3、時間短、冷卻速度快、熔池處于運動狀態(tài)、填充金屬的熔化和凝固過程同時存在等特點，因此熔池表面高度的測量非常困難。焊接過程的電磁干擾和熔池的高溫使熔池表面高度不能采用機械和電磁的方法測量。X射線可以用來測量焊縫熔透信息，但無法測量熔池的正面信息、無法實現實時性。紅外傳感技術通過測量金屬的溫度場判斷熔透狀況，但無法確定熔池表面的形狀信息。結構光方法通過結構光的變形量來計算焊縫表面的高度，但是控制參數作用在電弧的正下方，因此信息滯后。熔池的流動

4、性和取像間隔決定了不同時刻的熔池圖像對應的熔池形狀可能發(fā)生改變，因此不能用光流法計算熔池表面高度。焊接過程中不能精確控制電弧來獲取不同光照位置、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的應用。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。從陰影恢復形狀只需要一幅圖像，在熔池的視覺傳感中容易滿足，所以是計算熔池表面高度的一種有發(fā)展前途的方法。基于

5、焊接過程和熔池的特點、熔池表面高度計算的重要性和從陰影恢復形狀計算熔池表面高度的可行性，本文進行了如下內容的研究工作。 被動式視覺傳感的成像光源不能看作點光源，小電流時電弧為球狀光源。電弧光源的形狀、大小、發(fā)光強度、波長與焊接電流、電弧長度和焊接材料有關。GTAW過程的特點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描述焊接電流、電弧波長、電弧大小和電弧長度的影響。熔池表面是漫反射和鏡面反射的共同作用，同時熔

6、池表面存在互反射現象。研究發(fā)現熔池表面反射特性與材料的粗糙度、微觀組織、光源的波長有關。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)，根據低碳鋼、不銹鋼在熔化前后有明顯的色澤變化，而鋁合金沒有明顯的色澤變化、鋁合金熔點低的現象，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。 焊接過程中存在電磁干擾、保護氣體擾動、熔池的振動、攝像機與熔池的相

7、對運動等造成熔池圖像模糊。在從陰影恢復形狀算法中，原始圖像的噪聲和圖像的邊緣都影響計算結果。針對現有的圖像增強方法導致圖像邊緣模糊和邊緣檢測方法可能重新引入噪聲的問題，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和邊緣檢測，雙向垂直投影細化方法、三次B樣條擬合熔池邊緣、熔池類型鑒別。 針對不同材料的電弧光譜、焊接工藝參數、熔池表面的形狀和反射特性、攝像機參數不同，熔池圖像的特征不同，在脈沖GTAW熔池通用反射圖模

8、型中的參數不同的問題，分別建立了低碳鋼、不銹鋼、鋁合金的反射圖模型。 針對反射圖方程的病態(tài)特性，引入了可控光滑性約束條件構成泛函。由于熔池表面和熔池邊緣的光滑性不同，用薄板能量函數和薄板型能量函數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、系數矩陣是對稱的，為了減少存儲內存采用了線性表存儲上三角和對角線元素。設計了預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，采用預處理共軛梯度法分別計算了低碳鋼、不銹鋼、鋁合金典型熔池圖像的表面高度，計算結果反映了下塌型和凸起型熔池表面高度的特點。 焊接熔池表面高度難以用傳統(tǒng)的方法實時測量，但是熔池表面高度隨著焊接參數的變化而變化，因此通過觀察熔池表面高度隨著焊接參數的變化而變化的趨勢來驗證從陰影恢復形狀計算熔池表面高度的可行性、實時性。另外熔池截面高度與凝固焊縫截面高度之間存在對應關系，通過比較熔池表面