铝合金双丝PMIG焊熔池视觉特征规律及表面形态三维重构

摘要

焊接过程智能传感与控制是近年来焊接领域一个重要的研究方向。铝合金材料熔点低、导热系数大、液态熔池粘度小导致其焊接过程中热积累效应明显，很容易出现焊塌、焊穿、变形、夹渣、气孔和熔透不均匀情况。本文在铝合金双丝PMIG焊接工艺与焊缝成形试验研究的基础上，利用熔池视觉传感方法对焊接过程进行智能感知，通过图像处理和视觉特征提取，研究铝合金双丝焊熔池二维视觉特征规律，并利用双目立体视觉方法对铝合金双丝PMIG焊熔池表面形态进行三维重构。 首先开展了厚度为6-60mm5A06铝合金双丝PMIG焊接工艺试验，获得了典型厚度下的铝合金最佳焊接工艺参数范围，并对接头进行了显微组织和力学性能测试。在分析坡口类型、坡口间隙、热输入量对焊缝成形影响的基础上提出了利用视觉传感方法控制焊接质量的思路。 提出了一种双丝PMIG焊双摄像机双向熔池同步视觉传感方法，开发了基于LabVIEW平台的双向图像实时采集软件，利用外部触发电路实现两个摄像机同步采集，同步精度可达1μs。设计了双向采集专用夹具，结构小巧，方便调节。通过电弧光谱分析和曝光量控制，选用中心波长为980nm的近红外波段，在摄像机曝光时间为2ms以内时能够有效滤除电弧光的干扰，获得景深大、图像细节丰富的双向清晰熔池图像。 强烈电弧光、电磁和机械干扰、液固态没有明显色泽区分等因素会造成铝合金双丝PMIG焊熔池图像中存在孔洞、边缘灰度不连续、横纹等干扰，给边缘提取带来困难。针对边缘灰度不连续和内部孔洞的熔池图像，提出了两种图像轮廓提取方法，一种是基于空域滤波、数学形态学、边缘梯度算子的轮廓提取方法，另一种是基于Snake主动轮廓模型的边缘提取方法。针对存在横纹干扰的熔池图像，提出了频域滤波方法，构造了巴特沃斯低通滤波器，去除了横纹干扰，并利用Canny边缘梯度算子提取轮廓的图像处理方法。熔池轮廓提取结果证实了三种方法的有效性。 定义了熔宽、半长、面积、周长、抛物线系数、分散度等熔池几何特征参数和基于图像灰度共生矩阵的能量均值、熵均值、对比度均值、逆差矩均值等熔池纹理特征参数，形成了铝合金熔池视觉特征参数体系，并设计了尾部和侧面铝合金熔池图像视觉特征参数提取算法。通过对双丝PMIG铝合金焊接过程中存在缺陷和不同成形状态下双向熔池图像进行视觉特征参数分析，获得了铝合金双丝PMIG焊熔池视觉特征规律，并基于此建立了BP和RBF神经网络熔透识别模型，通过网络训练和测试，利用BP神经网络熔透识别正确率为90％，而利用RBF神经网络熔透识别正确率可以达到94％。 针对铝合金双丝PMIG焊熔池表面形态开展三维重构研究，建立了双目平行非线性立体视觉三维重构模型。通过摄像机立体标定获得了内部矩阵和外部矩阵，通过已知标记点的三维斜面板验证了模型的精度，Yw方向上的误差最大，平均误差为0.16mm，标准差为0.26mm。利用该模型实现了静态弧坑和焊道的三维表面重构，验证了该模型在双丝PMIG焊系统下的有效性，通过归一化互相关匹配算法获得了铝合金双丝PMIG熔池表面形态的视差图，结合摄像机内外部矩阵，最终实现了铝合金PMIG焊熔池表面形态的三维重构。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题意义

1．2双丝GMAW焊接方法研究现状

1．3熔池二维视觉传感方法研究现状

1．3．1主动视觉法

1．3．2被动视觉法

1．4熔池图像处理方法研究现状

1．5熔池表面形态三维重构研究现状

1．5．1结构光法

1．5．2阴影恢复形状法

1．5．3双目立体视觉法

1．6焊接质量智能控制研究现状

1．7课题主要研究内容及研究方案

2铝合金双丝PMIG焊工艺参数与焊接质量规律研究

2．1试验条件

2．1．1焊接设备

2．1．2试验材料

2．1．3试验分析测试方法

2．2 6mm铝合金双丝PMIG单面焊双面成形焊接工艺与组织性能

2．2．1铝合金单面焊双面成形典型形态分类

2．2．2铝合金单面焊双面成形焊接工艺试验

2．2．3单面焊双面成形焊接接头显微组织及力学性能分析

2．3 30mm铝合金双丝PMIG焊接工艺与组织性能

2．3．1双丝PMIG焊接工艺试验

2．3．2接头显微组织及力学性能分析

2．4 60mm铝合金双丝PMIG焊焊接工艺与组织性能

2．4．1双丝PMIG焊接工艺试验

2．4．2焊接接头显微组织及力学性能分析

2．5铝合金双丝PMIG焊焊接质量规律研究

2．5．1焊接工艺参数对焊接质量的影响

2．5．2常见焊接缺陷的产生机理和控制措施

2．6本章小结

3铝合金双丝PMIG焊双向熔池同步视觉传感试验研究

3．1弧焊区光谱分析

3．2铝合金双丝PMIG焊双向同步熔池视觉传感系统设计

3．3铝合金双丝PMIG焊双向熔池同步传感采集试验

3．3．1清晰铝合金熔池图像传感条件

3．3．2铝合金双丝PMIG双向同步采集系统性能测试

3．4铝合金双丝PMIG单面焊双面成形熔池图像特征

3．4．1典型成形状态下的熔池图像特征

3．4．2典型焊接缺陷的熔池图像特征

3．5本章小结

4铝合金双丝PMIG焊熔池图像处理方法研究

4．1基于空域滤波和数学形态学的铝合金熔池图像处理

4．1．1图像截取

4．1．2空域滤波

4．1．3灰度拉伸

4．1．4图像分割

4．1．5数学形态学处理

4．1．6基于空域滤波和数学形态学处理的铝合金熔池图像处理

4．2基于频域滤波的铝合金熔池图像处理

4．2．1傅里叶变换

4．2．2频域滤波基础

4．2．3滤波器选择

4．2．4基于频域滤波的铝合金熔池图像处理

4．3基于Snake主动轮廓模型的铝合金熔池图像边缘提取

4．4典型铝合金双丝PMIG焊熔池图像处理

4．4．1典型未熔透熔池图像处理

4．4．2典型熔透熔池图像处理

4．2．3典型过熔透熔池图像处理

4．2．4典型焊塌熔池图像处理

4．2．5典型焊穿熔池图像处理

4．5本章小结

5铝合金双丝PMIG焊熔池视觉特征规律研究

5．1铝合金双丝PMIG焊熔池几何形态分析

5．1．1铝合金双丝PMIG焊熔池轮廓拟合

5．1．2铝合金双丝PMIG焊熔池轮廓计算

5．2铝合金双丝PMIG熔池视觉特征参数定义

5．2．1熔池图像几何特征参数定义及提取

5．2．2熔池图像纹理特征参数定义及提取

5．3铝合金双丝PMIG焊熔池视觉特征规律

5．3．1典型成形状态下的熔池视觉特征规律研究

5．3．2典型焊接缺陷的熔池视觉特征规律研究

5．4基于熔池视觉特征的铝合金单面焊双面成形熔透状态识别

5．4．1基于BP神经网络的单面焊双面成形熔透识别

5．4．2基于RBF神经网络的单面焊双面成形熔透识别

5．5本章小结

6铝合金双丝PMIG焊熔池表面形态三维重构研究

6．1双目立体视觉

6．2基于双目立体视觉的熔池三维重构系统建模

6．2．1光轴汇聚式三维重构原理

6．2．2光轴平行式三维重构原理

6．3双目立体视觉三维重构关键技术

6．3．1摄像机标定原理

6．3．2摄像机标定方法

6．3．3对极几何和极线校正

6．4基于双目立体视觉的三维重构系统精度计算与分析

6．4．1双目系统立体摄像机标定试验及结果

6．4．2双目图像极线校正

6．4．3三维斜面板特征点提取及三维坐标计算

6．4．4三维重建误差计算与分析

6．5基于双目立体视觉的铝合金PMIG焊缝表面三维重构

6．5．1弧坑表面三维重构

6．5．2焊道表面三维重构

6．6基于双目立体视觉的铝合金PMIG熔池表面形态三维重构

6．7本章小结

7总结与展望

7．1结论

7．2创新点

7．3不足与展望

致谢

参考文献

附录