一种基于双波段成像和HOG的GMAW焊接熔透性检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双波段成像和HOG的GMAW焊接熔透性检测方法，首先基于双波段成像设计了一套焊接温度场测量系统；然后在熔池周围的焊接热影响区随机选取一块感兴趣区域（Region of Interest,ROI），提出了一种HOG算法对ROI温度场的分布特征进行提取；最后使用人工神经网络建立了GMAW焊接熔透性检测模型。本发明专利技术为GMAW焊接熔透性的在线检测提供了一种新的方法，对进一步提高电弧增材制造质量具有重要意义。有重要意义。有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双波段成像和HOG的GMAW焊接熔透性检测方法


[0001]本专利技术涉及一种基于双波段成像和HOG的GMAW焊接熔透性检测方法。

技术介绍

[0002]近年来，电弧增材制造技术发展迅速，在航空航天、能源动力、智能制造等领域得到了广泛应用，传统的电弧增材制造质量诊断都是通过焊前工艺实验或者焊后检测，存在检测效率低、检测准确率不高等问题，难以满足现代制造业对生产加工效率的要求，因此实现电弧增材制造质量的在线高精度监测成为焊接领域的研究热点，对推动电弧增材制造技术的发展具有重要意义。
[0003]在电弧增材制造过程中，打底焊的熔透性在很大程度上决定了焊接质量，因此实现打底焊熔透性的在线监测就显得尤为重要。目前焊接熔透性的检测方法主要有熔池视觉传感法、电弧声检测法等。对于熔池视觉传感法，由于熔池的视觉特征和焊接熔透性密切相关，目前国内外很多学者通过提取熔池的二维视觉特征来检测焊接熔透性，然而伴随焊接过程会产生强烈的电弧光，这为高信噪比熔池图像的采集带来了很大挑战，目前普遍都是采用在相机镜头前面加装减光片和滤光片的手段，减小电弧光对熔池图像采集的影响，这种手段一般需要进行大量的调试实验，并且在有些情况下也不能达到很好的效果。对于电弧声检测法，相比于采集熔池图像，采集电弧声音相对要容易，目前很多学者尝试提取电弧声音的多种典型特征用于焊接熔透性的在线检测，然而电弧声音信号很容易受到工业背景噪声的干扰，因此这些研究成果还只能初步停留在实验阶段，难以应用到实际监测环境。
[0004]温度也是焊接过程中的一个重要信息，焊接温度场的分布及变化与焊接成形质量密切相关，通过辐射测温手段在线测量出焊接温度场的分布，后续使用图像处理算法提取出其重要特征，继而建立其与焊接成形质量的关系，也是实现焊接成形质量的在线监测的重要手段。

技术实现思路

[0005]本专利技术一种基于双波段成像和梯度方向直方图(Histograms of Oriented Gradients,HOG)的熔化极气体保护焊(Gas Metal Arc Welding,GMAW)熔透性检测方法，首先基于双波段成像设计了一套焊接温度场测量系统；然后在熔池周围的焊接热影响区随机选取一块感兴趣区域(Region of Interest,ROI)，提出了一种HOG算法对ROI温度场的分布特征进行提取；最后使用人工神经网络建立了GMAW焊接熔透性检测模型。本专利技术为GMAW焊接熔透性的在线检测提供了一种新的方法，对进一步提高电弧增材制造质量具有重要意义。
[0006]本专利技术所采用的技术方案有：
[0007]一种基于双波段成像和HOG的GMAW焊接熔透性检测方法，包括：
[0008]1)设置焊接温度场测量系统，该系统包括计算机，安装在焊枪上的分光镜、两片红外波段滤光片和两个红外相机，系统中各部件对应功能为：
[0009]所述分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出；
[0010]所述红外波段滤光片用于选择特定红外波段的光通过；
[0011]所述红外相机用于焊件在所述特定红外波段下的成像；
[0012]所述计算机用于对红外相机输出的图像进行处理，计算得到焊接温度场；
[0013]2)通过焊接温度场测量系统完成熔池周围瞬态焊接温度场测量后，在熔池周围的焊接热影响区随机选取一块感兴趣区域(Region of Interest,ROI)，将该感兴趣区域分成4块小区域，然后对这4块小区域分别进行HOG特征提取，获得每块小区域的HOG特征向量，最后将所有小区域的HOG特征向量串联在一起得到最终感兴趣区域温度场的HOG特征向量；
[0014]3)以提取得到的感兴趣区域温度场的HOG特征向量作为输入，GMAW焊接熔透性作为输出，基于人工神经网络建立GMAW焊接熔透性检测模型，用于未熔透、熔透、过熔透、焊漏四种熔透状态的在线检测。
[0015]进一步地，焊接温度场的计算推导过程为：
[0016]将两个红外相机的曝光时间和增益设置成相同，两个红外相机输出图像的灰度值分别为N(λ1,T)和N(λ2,T)，其比值为：
[0017][0018]式中，λ1、λ2分别为两红外波段滤光片的中心波长，δλ1、δλ2分别为两红外波段滤光片的带宽，η(λ)为两红外相机的光谱响应率，τ(λ)为红外相机中透镜的光谱透过率，γ(λ)为两红外波段滤光片的光谱透过率，L(λ,T)为温度为T的焊件在波长λ下的光谱辐射亮度；
[0019]根据积分中值定理，式(1)可写成：
[0020][0021]根据普朗克辐射定律，可得到：
[0022][0023]式中，ε(λ,T)为焊件的光谱发射率，无量纲，C2为第二辐射常数；
[0024]令：
[0025][0026]式(3)就可以写成：
[0027][0028]设ε(λ1,T)≈ε(λ2,T)，式(5)就可以写成：
[0029][0030]式中，K值由焊接温度场测量系统的本身决定，通过标定实验得到。
[0031]进一步地，感兴趣区域中HOG特征提取的具体过程为：
[0032](1)计算出感兴趣区域温度场图像每个像素点的梯度，图像中像素点(x,y)的梯度为：
[0033]G
x
(x,y)＝H(x+1,y)
‑
H(x
‑
1,y)
ꢀꢀ
(7)
[0034]G
y
(x,y)＝H(x,y+1)
‑
H(x,y
‑
1)
ꢀꢀ
(8)
[0035]式中，G
x
(x,y)、G
y
(x,y)、H(x,y)分别为图像中像素点(x,y)处的水平方向梯度、垂直方向梯度以及像素值；
[0036]由此可以计算得到像素点(x,y)处的梯度幅值和方向，分别为：
[0037][0038][0039](2)将梯度方向[0,360
°
)的间距设置为30
°
，而后统计感兴趣区域温度场的梯度方向直方图；
[0040](3)使用矢量分解的方法进行梯度方向直方图的统计，得到感兴趣区域温度场的HOG特征向量，具体的统计方法为：
[0041]设相邻两个梯度方向角分别为θ1和θ2，θ1＜θ2，在进行梯度方向直方图统计时，如果θ1＜θ＜θ2，使用矢量分解的方法对相邻两个梯度方向直方图进行投票，设像素点在θ方向上的梯度幅值为G，分解到θ1方向上的幅值为G1，分解到θ2方向上的幅值为G2，则有：
[0042][0043]可以解出：
[0044][0045]式(12)就是改进后的梯度方向直方图统计计算公式。
[0046]进一步地，焊接温度场测量系统的标定过程具体为：
[0047]选定一个标准高温黑体，将分光镜输入端对准黑体炉的出口，首先将黑体炉的温度上升至100℃，提取此时红外相机输出的红外图像的灰度值，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双波段成像和HOG的GMAW焊接熔透性检测方法，其特征在于：包括：1)设置焊接温度场测量系统，该系统包括计算机，安装在焊枪上的分光镜、两片红外波段滤光片和两个红外相机，系统中各部件对应功能为：所述分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出；所述红外波段滤光片用于选择特定红外波段的光通过；所述红外相机用于焊件在所述特定红外波段下的成像；所述计算机用于对红外相机输出的图像进行处理，计算得到焊接温度场；2)通过焊接温度场测量系统完成熔池周围瞬态焊接温度场测量后，在熔池周围的焊接热影响区随机选取一块感兴趣区域，将该感兴趣区域分成4块小区域，然后对这4块小区域分别进行HOG特征提取，获得每块小区域的HOG特征向量，最后将所有小区域的HOG特征向量串联在一起得到最终感兴趣区域温度场的HOG特征向量；3)以提取得到的感兴趣区域温度场的HOG特征向量作为输入，GMAW焊接熔透性作为输出，基于人工神经网络建立GMAW焊接熔透性检测模型，用于未熔透、熔透、过熔透、焊漏四种熔透状态的在线检测。2.如权利要求1所述的基于双波段成像和HOG的GMAW焊接熔透性检测方法，其特征在于：焊接温度场的计算推导过程为：将两个红外相机的曝光时间和增益设置成相同，两个红外相机输出图像的灰度值分别为N(λ1,T)和N(λ2,T)，其比值为：式中，λ1、λ2分别为两红外波段滤光片的中心波长，δλ1、δλ2分别为两红外波段滤光片的带宽，η(λ)为两红外相机的光谱响应率，τ(λ)为红外相机中透镜的光谱透过率，γ(λ)为两红外波段滤光片的光谱透过率，L(λ,T)为温度为T的焊件在波长λ下的光谱辐射亮度；根据积分中值定理，式(1)可写成：根据普朗克辐射定律，可得到：式中，ε(λ,T)为焊件的光谱发射率，无量纲，C2为第二辐射常数；令：式(3)就可以写成：
设ε(λ1,T)≈ε(λ2,T)，式(5)就可以写成：式中，K值由焊接温度场测量系统的本身决定，通过标定实验得到。3.如权利要求1所述的基于双波段成像和HOG的GMAW焊接熔透性检测方法，其特征在于：感兴趣区域中HOG特征提取的具体过程为：(1)计算出感兴趣区域温度场图像每个像素点的梯度，图像中像素点(x,y)的梯度为：G
x
(x,...

【专利技术属性】
技术研发人员：王克鸿，余荣伟，王波，彭勇，黄勇，周明，
申请(专利权)人：广东华研智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：