一种基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统及方法

1.本发明涉及焊接自动化技术领域，特别是一种基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统及方法。


背景技术：

2.随着工业化的发展，焊接技术在航天工程、船舶制造、车辆工程、核工业建设、工程建造等领域的重要性愈发突出。焊接作为一门永久性连接金属材料的工艺方法，在制造大型结构或复杂地机器部件时，更显优越。熔池是焊接过程中形成的池状形液态金属区域，其内包含了大量的信息，可以用来预测熔深、焊缝形状、焊缝缺陷等。
3.在焊接领域中，同其他传感技术相比，视觉传感技术具有非接触、信息量大、抗干扰能力强、通用性好和易于智能化等优点。例如，在制造核反应堆压力容器时，为防止核反应堆压力容器开裂造成核电站辐射泄露事故，对于焊接质量的要求远高于常规压力容器，使用视觉传感器实时监测焊接时熔池的状态，根据熔池形貌实时调整焊接参数可保证核反应堆压力容器达到规定标准。视觉传感技术目前是最能够直接反应焊接状态且应用最广泛的传感技术之一。
4.将不同的信号相互交织在不同的时间段内，沿着同一个信道传输的分时复用技术和视觉传感技术进行结合，已经成为实时采集熔池图像、提高焊接自动化和智能化水平重要需求。故，设计一种基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统。


技术实现要素：

5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述和/或现有的熔池图像采集技术中存在的问题，提出了本发明。
7.因此，本发明提供一种基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统，其解决了目前常规半导体除湿机没有故障保护功能的缺陷。
8.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统，其包括图像采集装置，包括日常图像采集模块和焊接图像采集模块，所述日常图像采集模块和焊接图像采集模块呈轴对称性安装；聚焦调整模块，包括金属安装支架和电动滑动导轨部件，所述金属安装支架设置在电动滑动导轨部件上侧，所述电动滑动导轨部件用于调整图像采集装置与目标物的间距。
9.作为本发明所述基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的一种优选方案，其中：焊接图像采集模块所采集的熔池信息可通过世界坐标系转换至日常图像采集模块的拍摄视角，焊接图像采集模块和日常图像采集模块的图像信息的转换关系为：
10.11.其中，h为摄像机靶面的高，w为摄像机靶面的宽；m1,n1为日常图像采集模块世界坐标上任意一点；p1,q1为焊接图像采集模块坐标。
12.作为本发明所述基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的一种优选方案，其中：日常图像采集模块和焊接图像采集模块的间距d与画面信息重合率η的关系为：
13.d＝h1(2η-1)，η≥90％
14.整理可得：
15.0.8h1≤d≤h116.其中，d为间距；η为画面信息重合率。
17.作为本发明所述基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的一种优选方案，其中：日常图像采集模块包括摄像机镜头和摄像机模组，所述摄像机镜头和摄像机模组也设置在焊接图像采集模块内，且焊接图像采集模块还包括中性密度减光片和高通空间滤波器；
18.其中，所述日常图像采集模块和焊接图像采集模块安装在金属安装支架内部。
19.作为本发明所述基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的一种优选方案，其中：所述电动滑动导轨部件包括滑动导轨和电动滑块，所述电动滑块使用高精度混合步进电机，并控制图像采集装置的移动，设定图像采集装置与目标物的间距为f；
20.所述电动滑动导轨部件内部设置有轨道槽，其内部安装有两条齿轮带，所述电动滑块通过两台步进电机移动。
21.作为本发明所述基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的一种优选方案，其中：焊接过程中焊接图像采集模块所捕捉的熔池特征信息通过世界坐标系o-xyz转换至日常图像采集模块视角，
22.设∑
p-xy
面上一点(x,y)映射到世界坐标系o-xyz上，在日常图像采集模块101摄像机靶面∑
c-mn
上的坐标上任意一点为m1,n1，转换至焊接图像采集模块200摄像机靶面∑
d-pq
上的坐标为p1,q1，
23.摄像机靶面的高为h，宽为w，日常图像采集模块距离坐标系原点o的直线距离为f1，焊接图像采集模块距离坐标系原点o的直线距离为f2，则焊接图像采集模块的任一点坐标(p1,q1)转换至为世界坐标系∑
o-xy
面上，由相机靶面与∑
o-xy
面的数学关系推出：
24.x＝p125.z＝f
2-(h-q1)cosα226.则焊接图像采集模块上任一点(p1,q1)转换到∑
o-xy
面上的关系式为：
27.(x,z)＝(p1,f
2-(h-q1)cosα2)
28.将∑
o-xy
面上的坐标点(x,z)转换至日常图像采集模块上，则(x,z)与日常图像采集模块上坐标(m1,n1)的关系为：
29.(m1,f-(h-n1)cosα1)＝(x,z)。
30.作为本发明所述基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的一种优选方案，其中：摄像机镜头的视场角为γ，在工作距离为l时,日常图像采集模块拍摄的物高为
31.h1＝2h*cosγ l*tan(2γ)*cosγ，
32.焊接图像采集模块102拍摄的物高为
33.h2＝h1＝2h*cosγ l*tan(2γ)*cosγ，
34.画面信息重合率η为：
[0035][0036]
简化公示为：
[0037][0038]
作为本发明所述基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的一种优选方案，其中：电焊机起弧前，通过日常图像采集模块采集焊接环境信息完成焊接前的准备工作，设置焊枪和焊丝等的工作参数；
[0039]
电焊机起弧后，通过焊接图像采集模块捕捉焊接过程中的熔池动态信息，实时控制焊接参数提高焊接质量；
[0040]
电焊机熄弧后，通过日常图像采集模块检查焊缝表面情况。
[0041]
作为本发明所述基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的一种优选方案，其中：电焊机熄弧后，通过日常图像采集模块检查焊缝表面情况。
[0042]
将图像采集装置安装至其工作距离范围内，使用自动聚焦算法控制电动滑动导轨部件与图像采集装置的距离，使得拍摄目标物的画面清晰度最佳；
[0043]
使用电压传感器和电流传感器分别采集电焊机的电压信号和电流信号，通过dsp开发板对所采集的电压信号和电流信号做“与”操作，控制日常图像采集模块和焊接图像采集模块的开启和关闭。
[0044]
作为本发明所述基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的一种优选方案，其中：在“与”操作结果为0，即日常图像采集模块工作阶段，通过计算机终端所获取的焊接环境信息设置焊枪和焊丝等的工作参数，完成焊接前的准备工作；电焊机起弧后，“与”操作结果为1，自动关闭日常图像采集模块，启用焊接图像采集模块采集焊接信息，采集熔池图像，并将焊接图像采集模块上的焊接信息通过相机坐标系转换至日常图像采集模块的拍摄角度；电焊机熄弧后，自动关闭焊接图像采集模块，启用日常图像采集模块采集焊接环境信息，检查焊接完成情况。
[0045]
本发明的有益效果：本发明由日常图像采集模块、焊接图像采集模块、金属安装支架和电动滑动导轨部件组成。本发明能够解决焊接图像采集模块由于装有中性密度减光片和高通空间滤波器无法捕捉到焊接工作前和焊接工作完成后所需焊接环境信息的问题。本发明具有采集焊接信息完整、焦距固定、操作简单和可靠性高等优点。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0047]
图1为实施例中的基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的焊接图像采集模块和日常图像采集模块的转换关系图。
[0048]
图2为实施例中的基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的画面信息重合度示意图。
[0049]
图3为实施例中的基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的熔池图像倾斜式采集方法流程图。
[0050]
图4为实施例中的基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的日常图像采集模块结构示意图。
[0051]
图5为实施例中的基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的焊接图像采集模块结构示意图。
[0052]
图6为实施例中的基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的金属安装支架结构示意图。
[0053]
图7为实施例中的基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的电动滑动导轨部件结构示意图。
[0054]
图8为实施例中的基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统的采集系统运行示意图。
具体实施方式
[0055]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0056]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0057]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0058]
实施例1
[0059]
参照图1～3，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统。
[0060]
具体的，在本实施例中，基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统包括图像采集装置100，其包括日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102，日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102呈轴对称性安装；
[0061]
聚焦调整模块200，包括金属安装支架201和电动滑动导轨部件202，金属安装支架201设置在电动滑动导轨部件202上侧，电动滑动导轨部件202用于调整图像采集装置100与目标物的间距。
[0062]
其中，本系统用于捕捉整个焊接过程的焊接信息，包括焊接工作前、焊接过程中和焊接完成后。日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102呈轴对称性安装，日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102的安装角度固定，日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102的摄像机焦距f为一固定值。
[0063]
基于频域的图像质量评价方法的理论依据为越清晰的图像其频域变换后的高频成分越多。所述的基于频域的图像质量评价方法采用离散傅里叶函数，其中，离散傅里叶函
数(dct)为：
[0064][0065][0066]
式中，m,n表示输入图像的高和宽，u,v表示频率分量，x,y表示图像像素点。
[0067]
所述的日常图像采集模块和焊接图像采集模块的转换关系如图1所示，焊接过程中焊接图像采集模块所捕捉的熔池特征信息通过世界坐标系o-xyz转换至日常图像采集模块视角，日常图像采集模块和焊接图像采集模块呈轴对称关系。
[0068]
设∑
p-xy
面上一点(x,y)映射到世界坐标系o-xyz上，在日常图像采集模块摄像机靶面∑
c-mn
上的坐标上任意一点为(m1,n1)，转换至焊接图像采集模块摄像机靶面∑
d-pq
上的坐标为(p1,q1)，
[0069]
摄像机靶面的高为h，宽为w，日常图像采集模块距离坐标系原点o的直线距离为f1，焊接图像采集模块距离坐标系原点o的直线距离为f2，则焊接图像采集模块的任一点坐标(p1,q1)转换至为世界坐标系∑
o-xy
面上，由图1所示的相机靶面与∑
o-xy
面的数学关系推出：
[0070]
x＝p1[0071]
z＝f
2-(h-q1)cosα2[0072]
则焊接图像采集模块上任一点(p1,q1)转换到∑
o-xy
面上的关系式为：
[0073]
(x,z)＝(p1,f
2-(h-q1)cosα2)
[0074]
将∑
o-xy
面上的坐标点(x,z)转换至日常图像采集模块上，则(x,z)与日常图像采集模块上坐标(m1,n1)的关系为：
[0075]
(m1,f-(h-n1)cosα1)＝(x,z)
[0076]
整理得：
[0077][0078]
进一步的，日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102的安装角度应满足特定关系，如图2所示，日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102为轴对称安装，模块内摄像机模组的cmos靶面中心应与拍摄物体在同一直线，该直线与水平线的夹角为k＝λ，
[0079]
摄像机镜头的视场角为γ，在工作距离为l时,日常图像采集模块拍摄的物高为
[0080]
h1＝2h*cosγ l*tan(2γ)*cosγ，
[0081]
焊接图像采集模块拍摄的物高为
[0082]
h2＝h1＝2h*cosγ l*tan(2γ)*cosγ，
[0083]
画面信息重合率η为：
[0084]
[0085]
简化公示为：
[0086][0087]
所述的一种基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统在画面信息转换过程中，对于日常图像采集模块和焊接图像采集模块的安装间距提出要求，为确保信息的一致性，由实验经验得两模块的画面信息的重合率η应大于90％，即间距d应满足以下公式：
[0088]
d＝h1(2η-1)，η≥90％
[0089]
整理可得：
[0090]
0.8h1≤d≤h1[0091]
如图3所示，图像采集装置100通过自动聚焦算法对电动滑动导轨部件202实时控制，通过电动滑块204移动熔池图像倾斜式采集装置100的位置，实现日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102同步精准聚焦，并通过dsp开发板将日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102所采集的信息整合传输至计算机终端。
[0092]
实施例2
[0093]
参照图3～8，为本发明第二个实施例，该实施例不同于上一个实施例的是：基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统还包括聚焦调整模块200实现结构，其可以通过电动滑动导轨部件202用于调整图像采集装置100与目标物的间距。
[0094]
在视觉传感技术可分为被动视觉传感技术和主动视觉传感技术。被动视觉传感技术是指利用熔池对电弧光的反射或熔池的自身发光采集熔池图像，优点是降低了熔池图像采集系统的成本，但是会受到强烈弧光的干扰，无法获得清晰、完整的熔池图像。视觉传感器是视觉传感技术的主要光学器件，可分为ccd传感器和cmos传感器。cmos传感器阵列中传输的是电压信号，其像素单元中包含着积分电路结构，阵列中的每个像素由光电二极管或光电晶体管和源跟随器及时序开关等构成。cmos传感器因其具有良好的集成性、低功耗、高速传输和高抗辐射等优点应用于图像和机器视觉等领域，如工业制造与检测、3d应用和航空航天等领域。
[0095]
目前常用的熔池图像采集技术主要包括复合滤光技术、脉冲触发技术和高动态范围相机。复合滤光技术优点是可以滤去大量不必要的电弧光，缺点是会滤掉一部分熔池反射光线，使得图像中熔池区域较暗；脉冲触发技术仅适用于脉冲焊接方式，需要设计脉冲触发电路，结构复杂；高动态范围相机可以保留所有熔池区域的信息，但是会引入大量噪声，需要通过复杂的图像处理算法去除干扰，并且高动态范围相机价格高昂。
[0096]
空间滤波技术是指在光学装置的傅里叶频谱面上放置适当的滤波器，以改变光波的结构，使所得像按人们的要求得到预期的改善。空间滤波器包括振幅型滤波器和相位型滤波器，高通空间滤波器属于振幅型滤波器，它能够滤除频谱中的低频成分，具有增强模糊图像边缘和提高图像识别能力的作用。
[0097]
分时复用技术是将不同的信号相互交织在不同的时间段内，沿着同一个信道传输；在接收端再用某种方法，将各个时间段内的信号提取出来还原成原始信号的通信技术。这种技术可以在同一个信道上传输多路信号。
[0098]
具体的，在本实施例中，日常图像采集模块101包括摄像机镜头101a和摄像机模组
101b，摄像机镜头101a和摄像机模组101b也设置在焊接图像采集模块102内，且焊接图像采集模块102还包括中性密度减光片102a和高通空间滤波器102b；其中，日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102安装在金属安装支架201内部。
[0099]
电动滑动导轨部件202包括滑动导轨203和电动滑块204，电动滑块204使用高精度混合步进电机，并控制图像采集装置100的移动，设定图像采集装置100与目标物的间距为f；电动滑动导轨部件203内部设置有轨道槽205，其内部安装有两条齿轮带206，电动滑块204通过两台步进电机移动。
[0100]
焊接图像采集模块102所采集的焊接过程信息通过世界坐标系转换至日常图像采集模块101视角。电动滑动导轨部件203用于调整熔池图像倾斜式采集装置与目标物的间距，实现日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102的同步聚焦。
[0101]
进一步的，日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102所用的摄像机镜头101a和摄像机模组101b相同。电动滑块204使用高精度混合步进电机(4相6线)，定子每极的齿数是5，转子的齿数是50，步距角为0.9
°
，齿距为2mm，可完成精准控制熔池图像倾斜式采集装置的前进或后移操作，使得熔池图像倾斜式采集装置100与目标物的间距为f，从而实现精准聚焦。电动滑动导轨部件203的轨道槽205内安装有两条齿轮同步带206，电动滑块204通过两台步进电机移动，齿轮带206根据步进电机齿轮设计，齿轮间距为2mm。
[0102]
进一步的，金属安装支架201是根据日常图像采集模块101、焊接图像采集模块102和电动滑动导轨部件202的安装位置和角度制作，安装结构为刚性结构。
[0103]
实施例3
[0104]
参照图3～8，为本发明第三个实施例，该提供一种基于分时复用的熔池图像倾斜式采集方法，该方法包括基于分时复用的熔池图像倾斜式采集系统，还包括：
[0105]
s1电焊机起弧前，通过日常图像采集模块101采集焊接环境信息完成焊接前的准备工作，设置焊枪和焊丝等的工作参数；
[0106]
将图像采集装置100安装至其工作距离范围内，使用自动聚焦算法控制电动滑动导轨303与图像采集装置100的距离，使得拍摄目标物的画面清晰度最佳；
[0107]
使用电压传感器和电流传感器分别采集电焊机的电压信号和电流信号，通过dsp开发板对所采集的电压信号和电流信号做“与”操作，控制日常图像采集模块101和焊接图像采集模块102的开启和关闭。
[0108]
在“与”操作结果为0，即日常图像采集模块101工作阶段，通过计算机终端所获取的焊接环境信息设置焊枪和焊丝等的工作参数，完成焊接前的准备工作；
[0109]
s2电焊机起弧后，通过焊接图像采集模块102捕捉焊接过程中的熔池动态信息，实时控制焊接参数提高焊接质量；
[0110]
电焊机起弧后，“与”操作结果为1，自动关闭日常图像采集模块101，启用焊接图像采集模块102采集焊接信息，采集熔池图像，并将焊接图像采集模块102上的焊接信息通过相机坐标系转换至日常图像采集模块101的拍摄角度；
[0111]
s3电焊机熄弧后，通过日常图像采集模块101检查焊缝表面情况。
[0112]
电焊机熄弧后，自动关闭焊接图像采集模块101，启用日常图像采集模块101采集焊接环境信息，检查焊接完成情况。
[0113]
按图8所示运行示意图。若该采集系统的拍摄角度α为45
°
，摄像机视场角为8
°
，则
日常图像采集模块与中轴线夹角为α为8
°
，焊接图像采集模块与中轴线夹角α为8
°
。工作距离l1＝l2＝200mm，则d＝58.12mm，熔池图像倾斜式采集系统中轴线对准焊接割炬正下方工件。
[0114]
本方法能清晰采集到整个焊接过程的信息，包括焊接工作前和焊接工作后的焊接环境信息，焊接过程中能清晰捕捉到熔池、焊缝、熔滴过渡和电弧几何形状等信息。具有采集焊接信息完整、焦距固定、操作简单和可靠性高等优点。
[0115]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。