一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统及方法技术方案

一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统及方法，属于焊接质量控制技术领域。本发明专利技术采用熔池显微视觉传感系统和图像采集设备获取端接环缝焊接熔池图像序列并采用旋转编码器同步获取工件旋转角位移信息，基于图像处理技术提取熔池宽度与形心并对其动态变化进行在线监测。通过检测熔池宽度与形心坐标时域信号特征点检出未熔合缺陷，根据特征点所在时刻对应的工件旋转角位移进行环缝端接缺陷的快速定位。本发明专利技术能够为焊缝成形质量分析和焊接工艺优化提供可追溯依据，并为实现薄壁金属结构端接环缝的高效无损检测及修焊提供基础，尤其适用于蓄压器膜盒等航天构件的焊接制造。

【技术实现步骤摘要】
一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统及方法
本专利技术属于焊接质量控制
涉及一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统及方法，可广泛应用于航空航天制造等领域薄壁金属结构的精密焊接制造。
技术介绍
宇航工业中薄壁金属精密构件，如航天蓄压器膜盒、航空发动机波纹管等弹性敏感元件广泛采用焊接制造技术，这些构件通常采用端接形式的焊接接头。在薄壁端接焊缝焊接过程中，由于工件壁薄、熔池微小、接头散热条件差等原因，熔池内的热、力平衡极易因热输入和散热条件、熔池表面张力的细微变化而被打破，从而导致氧化夹渣、焊瘤、未熔合和锯齿状焊缝等焊缝成形缺陷产生。这些缺陷严重影响接头质量、降低焊缝强度、造成焊接不密封，通常是造成焊接结构在服役过程中因疲劳或泄露发生失效破坏从而导致重大事故的主要原因。因此，对焊缝缺陷进行有效的无损检测对于保障焊缝质量和接头性能至关重要，尤其是航天航天、核电、石油化工、轨道交通等领域的重要焊接结构，通常要求达到一级焊缝标准(全焊缝无损探伤)。然而，目前国内外对于薄壁、超薄壁端接焊缝微缺陷的检测主要依赖于人工在焊后离线进行，难以避免人为因素对检测过程的不利影响。以航天膜盒焊接为例，膜盒组件焊缝微细且数量众多(最多时近一百条)，膜盒产品需通过焊缝外观质量检测和刚度测量、液压、氦质谱检漏等一系列长时间高成本的焊接质量及缺陷检测。开发稳定有效的端接焊缝成形缺陷在线监测技术手段对于保障薄壁金属精密构件产品焊接质量、提高焊接生产效率、缩减操作成本等均具有重要意义。在焊接过程中，采用视觉方法实时观测焊接熔池位置尺寸、表面形貌及动态行为能够获取丰富、直观的焊接动态过程和焊缝质量特征信息。然而，由于端接接头焊接熔池体积通常为介观尺度，其熔池动态变化也极其微小，实现稳定的熔池形态传感和精确的缺陷特征提取不仅要求在焊接过程中实时获取高信噪比图像，还必须同时保证熔池特征区域具有足够高的分辨率、可稳定维持的成像质量和实时的图像处理速度，这些给在焊接过程中实现可靠焊缝成形缺陷监测均带来极大挑战；另一方面，实际焊接生产中环境光照条件复杂时变(来自于弧光、工件表面反射光和焊接飞溅的干扰)，由视觉传感系统所获取的焊接熔池图像信噪比易受影响，即使焊接条件的微小变化，也可能很大程度上改变焊接熔池图像噪声灰度水平分布，致使图像分割困难或分割结果一致性差，从而导致缺陷自动检出难以实现。经对现有技术文献和专利检索发现，专利申请号为201410218887.1的中国专利技术专利《一种焊接缺陷提取方法及焊接缺陷检测方法》公开了一种焊接缺陷提取方法及焊接缺陷检测方法，采用非下采样剪切波变换(Non-subsampledShearletTransform，NSST)方法对x射线焊接图像或超声波焊接图像进行处理，实现夹钨缺陷、烧穿缺陷、焊缝余温过高缺陷的检测；专利申请号为201610321860.4的中国专利技术专利《一种实时的焊接缺陷在线监测方法及装置》公开了一种实时的焊接缺陷在线监测方法及装置，采用传感器实时地采集焊接过程中的电压、电流和气体量，在此基础上对焊接参数进行在线监测和焊缝质量评判；专利申请号为201210124534.6的中国专利技术专利《基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方法》公开了一种基于特征光谱的镀锌钢激光添粉焊接缺陷的在线诊断方法，采用焊接过程中谱线CuI324.8nm的强度，实时检测锌钢激光添粉焊接过程中气孔和凹陷等缺陷。以上技术方案仅涉及针对对接、搭接、角接和T形接头等宏观尺度金属结构件焊接制造中的夹钨、焊塌和气孔等焊缝缺陷的自动检测，目前尚未见薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位技术与系统公开报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统及方法，以实现在焊接过程中进行端接焊缝不连续和局部未熔合的在线监测。为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统，包括焊枪、焊接电源、旋转工作台、焊件和旋转工作台控制器，其特征在于所述系统还包括旋转编码器、数据采集设备、工控机、熔池显微视觉传感系统、图像采集设备和同步控制器；所述熔池显微视觉传感系统包括高倍放大光学系统、滤光片和工业相机，所述工业相机和所述滤光片装配在一起，所述滤光片和所述高倍放大光学系统装配在一起；所述焊枪通过焊接电缆连接所述焊接电源的负极，所述焊接电源的正极通过焊接电缆与所述旋转工作相连接；所述焊接电源通过控制线与所述旋转工作台控制器相连接；所述旋转工作台控制器通过控制线与所述旋转工作台相连接；所述旋转编码器通过联轴器与所述旋转工作台的主动轴连接；所述旋转编码器通过信号线与所述数据采集设备相连接；所述数据采集设备通过信号线与所述工控机相连接；所述熔池显微视觉传感系统通过信号线连接所述图像采集设备，所述图像采集设备通过信号线连接所述工控机，所述工控机通过控制线与所述同步控制器相连接；所述同步控制器与通过控制线分别与所述焊接电源、数据采集设备和熔池显微视觉传感系统中的工业相机相连接；所述同步控制器通过软件编程实现与工控机、焊接电源、熔池显微视觉传感系统和数据采集设备的通信和控制。上述技术方案中，所述焊枪为TIG焊枪或微束等离子焊枪；所述焊接电源为GTAW电源或微束等离子焊接电源；所述同步控制器采用编程逻辑控制器、单片机或嵌入式系统。上述技术方案中，所述高倍放大光学系统为光学放大倍数至少为2倍、景深D满足D≥2H·cosα的工业镜头，其中H为所述焊件的厚度，α为所述熔池显微视觉传感系统的主光轴与熔池所在平面之间的夹角，30°≤α≤80°。上述技术方案中，所述工业相机采用CCD相机或CMOS相机，在外部触发模式下工作，最大敏感波长大于或等于1000nm，当分辨率为1024×1024像素时的最大帧频大于或等于150fps。上述技术方案中，所述滤光片为透红外滤光片或中心波长在600nm至960nm之间的带通滤光片。采用所述薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统的一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：1)开始焊接，同时旋转工作台开始旋转；焊接过程中焊枪保持固定位置和姿态，焊件和旋转编码器随旋转工作台旋转；2)监测开始，建立熔池显微视觉传感系统的图像坐标系UOV，使UOV的U轴正方向与焊接方向一致，采用同步控制器同时触发熔池显微视觉传感系统和数据采集设备；熔池显微视觉传感系统从焊接熔池后方拍摄熔池区域，图像采集设备采集熔池瞬态图像并传输至工控机进行存储并显示，工控机对每一帧图像进行实时图像处理提取熔池宽度wmax和熔池形心C在熔池显微视觉传感系统的图像坐标系UOV下的坐标(uc,vc)后存储并显示；数据采集设备对旋转编码器输出信号进行同步采集，输出旋转工作台的角位移数据至工控机进行存储并显示；3)焊接结束，旋转工作台停止旋转，监测结束，图像采集设备和数据采集设备停止采集，得到长度为n的熔池瞬态图像序列{Gi},i＝1,2,...,n、长度为n的熔池宽度序列和长度为n的熔池形心坐标序列其中，为熔池瞬态图像序列{Gi}中第i帧图像Gi的熔池宽度，和分别为熔池瞬态图像序列{Gi}中第i帧图像Gi的熔池形心C的U轴坐标和V轴坐标，n为焊接过程中采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统，包括焊枪(1)、焊接电源(2)、旋转工作台(3)、焊件(4)和旋转工作台控制器(5)，其特征在于所述系统还包括旋转编码器(6)、数据采集设备(7)、工控机(8)、熔池显微视觉传感系统(9)、图像采集设备(10)和同步控制器(11)；所述熔池显微视觉传感系统(9)包括高倍放大光学系统(13)、滤光片(14)和工业相机(15)，所述工业相机(15)和所述滤光片(14)装配在一起，所述滤光片(14)和所述高倍放大光学系统(13)装配在一起；所述焊枪(1)通过焊接电缆连接所述焊接电源(2)的负极，所述焊接电源(2)的正极通过焊接电缆与所述旋转工作台(3)相连接；所述焊接电源(2)通过控制线与所述旋转工作台控制器(5)相连接；所述旋转工作台控制器(5)通过控制线与所述旋转工作台(3)相连接；所述旋转编码器(6)通过联轴器与所述旋转工作台(3)的主动轴连接；所述旋转编码器(6)通过信号线与所述数据采集设备(7)相连接；所述数据采集设备(7)通过信号线与所述工控机(8)相连接；所述熔池显微视觉传感系统(9)通过信号线连接所述图像采集设备(10)，所述图像采集设备(10)通过信号线连接所述工控机(8)，所述工控机(8)通过控制线与所述同步控制器(11)相连接；所述同步控制器(11)与通过控制线分别与所述焊接电源(2)、数据采集设备(7)和熔池显微视觉传感系统(9)中的工业相机(15)相连接；所述同步控制器(11)通过软件编程实现与工控机(8)、焊接电源(2)、熔池显微视觉传感系统(9)和数据采集设备(7)的通信和控制。...

【技术特征摘要】
1.一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统，包括焊枪(1)、焊接电源(2)、旋转工作台(3)、焊件(4)和旋转工作台控制器(5)，其特征在于所述系统还包括旋转编码器(6)、数据采集设备(7)、工控机(8)、熔池显微视觉传感系统(9)、图像采集设备(10)和同步控制器(11)；所述熔池显微视觉传感系统(9)包括高倍放大光学系统(13)、滤光片(14)和工业相机(15)，所述工业相机(15)和所述滤光片(14)装配在一起，所述滤光片(14)和所述高倍放大光学系统(13)装配在一起；所述焊枪(1)通过焊接电缆连接所述焊接电源(2)的负极，所述焊接电源(2)的正极通过焊接电缆与所述旋转工作台(3)相连接；所述焊接电源(2)通过控制线与所述旋转工作台控制器(5)相连接；所述旋转工作台控制器(5)通过控制线与所述旋转工作台(3)相连接；所述旋转编码器(6)通过联轴器与所述旋转工作台(3)的主动轴连接；所述旋转编码器(6)通过信号线与所述数据采集设备(7)相连接；所述数据采集设备(7)通过信号线与所述工控机(8)相连接；所述熔池显微视觉传感系统(9)通过信号线连接所述图像采集设备(10)，所述图像采集设备(10)通过信号线连接所述工控机(8)，所述工控机(8)通过控制线与所述同步控制器(11)相连接；所述同步控制器(11)与通过控制线分别与所述焊接电源(2)、数据采集设备(7)和熔池显微视觉传感系统(9)中的工业相机(15)相连接；所述同步控制器(11)通过软件编程实现与工控机(8)、焊接电源(2)、熔池显微视觉传感系统(9)和数据采集设备(7)的通信和控制。2.根据权利要求1所述的一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统，其特征在于：所述焊枪(1)为TIG焊枪或微束等离子焊枪；所述焊接电源(2)为GTAW电源或微束等离子焊接电源；所述同步控制器(11)采用编程逻辑控制器、单片机或嵌入式系统。3.根据权利要求1或2所述的一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统，其特征在于：所述高倍放大光学系统(13)为光学放大倍数至少为2倍、景深D满足D≥2H·cosα的工业镜头，其中H为所述焊件(4)的厚度，α为所述熔池显微视觉传感系统(9)的主光轴与熔池所在平面之间的夹角，30°≤α≤80°。4.根据权利要求1或2所述的一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统，其特征在于：所述工业相机(15)采用CCD相机或CMOS相机，在外部触发模式下工作，最大敏感波长大于或等于1000nm，当分辨率为1024×1024像素时的最大帧频大于或等于150fps。5.根据权利要求1或2所述的一种薄壁环缝端接质量在线监测与缺陷定位系统，其特征在于：所述滤光片(14)为透红外滤光片或中心波长在...

【专利技术属性】
技术研发人员：都东，洪宇翔，彭国栋，常保华，原璋，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11