磁光成像焊缝跟踪偏差自动检测

摘要

自上世纪70年代焊接领域开始应用激光技术以来，激光焊接以其高质量、高精度、低变形、高效率和高速度等诸多特点在工业发达国家工业界的各个领域中得到普遍应用，具有很大的发展潜力。随着激光器本身的发展，激光焊接作为一种先进的特种焊接工艺在未来的材料连接领域必将发挥至关重要的作用。
　　焊接是制造业领域重要的加工技术，具有工作条件恶劣、工作量大及质量要求高等诸多特点。激光焊接作为焊接工业中较常用的焊接工艺方法，以激光束作为被控对象实现焊接自动控制是焊接自动化的一个重要手段。其中，精确的焊缝跟踪是保证焊接质量的前提，即在整个焊接过程中必须控制激光束使其始终与焊缝对中。为此，需精确地自动检测出焊缝的位置。尤其随着精密工件焊接的需求及减少成本的考虑，无坡口、紧密对接的微间隙焊缝的焊接问题日益突出。焊接微间隙对接焊缝时可不用填丝，能获得更小的焊接变形和更加均匀的焊缝接头，并能减少接头焊后缺陷检测和修复的工作量，从而可显著提高焊接效率和经济效益。然而焊接同时又是一门复杂的热加工工艺技术，工件在焊接过程中要产生热变形，并且在焊接过程中会出现强烈的辐射、弧光、烟尘、飞溅等干扰，使得在焊接过程中实现焊缝位置的精确检测相当困难。特别是对于激光焊接，其激光束功率密度高，光斑直径小，所允许的焊缝路径偏差非常小，通常当激光束与焊缝之间的偏差大于0.2mm时即可导致工件报废。因此微间隙对接焊缝的自动检测和跟踪技术十分重要，然而采用一般传感方法难以实现该类焊缝的识别。
　　论文针对YAG激光焊接低碳钢微间隙（间隙＜0.1 mm）对接焊缝，研究一种基于磁光成像的焊缝位置检测方法。介绍了磁光成像传感器的传感原理，通过磁光传感器摄取焊缝图像，分析磁光焊缝图像序列，选取感兴趣区域进行图像处理。根据焊缝图像灰度分布特性提取焊缝位置过渡区域，以焊缝过渡区域中心点作为焊缝位置点，以该点作为焊缝位置检测点得到焊缝的中心位置。并研究了不同焊接条件对焊缝位置检测的影响。通过回归分析、曲线拟合研究特征参数与焊缝偏差之间的数学关联。激光焊接试验结果表明，利用磁光成像技术在不同的试验条件下均能有效地将焊缝位置检测出来。论文最终建立了焊缝位置特征参数和焊缝偏移量之间的辨识模型，为实际焊接过程中实时控制激光束对准焊缝位置提供新方法，具有一定的理论和现实意义。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 激光焊接概述

1．2．1 激光焊接工作原理

1．2．2 激光焊接分类

1．2．3 激光焊接技术的优缺点

1．2．4 激光焊接的应用

1．3 激光焊接焊缝跟踪研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 选题意义及主要研究内容

1．4．1 课题选题意义

1．4．2 课题主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 YAG激光焊接试验设计

2．1 试验系统概述

2．2 主要硬件结构

2．2．1 光纤激光WF300激光焊接机

2．2．2 磁光成像传感器

2．2．3 标准配套工作台WPCTS3030

2．2．4 其他硬件

2．3 试验方案

2．4 本章小结

第三章 焊缝磁光图像处理

3．1 图像增强空间域处理方法

3．1．1 空间域图像平滑

3．1．2 阈值处理

3．1．3 数学形态学处理

3．1．4 边缘提取

3．2 图像增强频域处理方法

3．2．1 频域滤波

3．2．2 频域与空域对比分析

3．3 磁光焊缝图像三维分析

3．4 本章小结

第四章 焊缝磁光成像特征提取及影响因素分析

4．1 焊缝中心位置提取

4．1．1 磁光成像焊缝位置检测和跟踪原理

4．1．2 焊缝位置中心位置提取

4．2 焊缝区域磁感应强度获取

4．3 焊缝磁光成像影响因素

4．3．1 不同磁场强度下提取的焊缝位置

4．3．2 不同焊接速度下提取的焊缝位置

4．3．3 磁光传感器与焊件不同距离下提取的焊缝位置

4．4 磁光焊缝图像标定

4．5 本章小结

第五章 焊缝偏差测量视觉模型建立

5．1 焊缝位置参数变化规律

5．2 一元回归模型建立及分析

5．2．1 磁光焊缝图像特征参数的一元回归模型(焊接电压16．5V)

5．2．2 磁光焊缝图像特征参数的一元回归模型(焊接电压19V)

5．3 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢

附录

附录1 磁光焊缝图像处理Matlab程序(部分)

附录2 磁光焊缝图像间隔采样获取焊缝位置Matlab程序(部分)

附录3 一元回归模型建立Matlab程序(部分)