综述：基于机器视觉的焊接监测研究进展（三）

江苏激光联盟导读：

本文主要综述了基于机器视觉的焊接在线监测。本文为第三部分，主要介绍了在线监测时相机的校准和用于焊接监控时的光学过滤器以及辅助照明光源。

2.3 焊接监控中的相机校准

在测量照片的过程中，相机中的照片的形状模式需要建立起来以确保3D形状和2D图像关于一些点在空间目标之间的关系得以确立。形状模型的参数同相机相关，包括内在的、变形的和外在的参数。并且将解决这些参数的办法称之为相机校准。

同镜头和焊缝之间的距离相比较，影像 的区域实在是太小了。因此，一个具有弱透视法的原则用针孔相机通常用来校准视觉系统，其校准误差小于0.02%，达到了精度的要求。由于相机照射焊缝是以一定角度进行，其图像的变形也是不可避免的，这就使得图像的校准就变得非常有必要。西洋跳棋棋盘是一个广泛用于视觉监控研究中广泛使用的识别校正模式。基于西洋跳棋棋盘模式，Dia等人提出了一个新型的校正模式，该模式可以自动将测量得到的像素值转换成实际的单元。其转换是通过一个非常容易的途径来实现的，并且可以精确的补偿相机的变形。相机校正的测量误差可以通过实验测量来估计。误差来源包括熔池底部表面的倾斜，这是由于镜头的变形和焊缝凹陷造成的。

▲图1 Dia等人实验时在不同的相机位置所得到的实验结果

2.4用于焊接监控的光学过滤器

热源的辐射波段和观测的目标必须采用一系列的考虑原则来进行过滤器件的选择。对于焊接视觉监控，用于热源的光会造成严重的干扰，从而影响到捕获的照片的质量。图像的波段应该具有强烈的自辐射和热源的弱辐射，并且选择的波段应该尽可能的宽以增加观测目标的辐射量。

等离子羽和飞溅辐射属于极紫外和可见光的波段范围，其波长为200-750nm，而激光诱导的熔池辐射主要位于可见光和近红外波段，波长范围为550-980nm，而热辐射部为红外辐射，波长覆盖范围为1100-1700nm，如图2所示。对于热源来说，如板条激光的波长为1030nm，其弧的光谱波段大约为400-600纳米和700-850nm。

▲图2 等离子体辐射、激光发射和热发射的波段的示意图

以上的分析应该作为主要的依据类似选择焊接监控所用的过滤器。如对于钢板的焊接，窄的波段的过滤器集中在波长为532nm，主要选择用来区分熔池和匙孔区域，并且窄波段的过滤器，为808nm时呈现出比532nm更好的性能，表现为可以减少等离子羽的光学干涉。对于铝合金的焊接，660nm的波段的过滤器，则更为理想。

通过实验和对干涉信号进行分析，Zhang等人（图3）发现通过绿光窄波段过滤器所得到的照片质量比仅仅利用红光和蓝光窄波段过滤器在激光搭接焊接时的效果要好得多。在激光-电弧复合焊接时，绿光过滤器也是比较好的。Meng等人（图4）在焊接监控系统中使用深绿过滤器来解决激光诱导的等离子体的高强度所导致的过渡暴露的问题，在复合焊接镁合金的协同效应中进行量化分析。

▲图3 Zhang等人的实验装置及其部分实验结果：上图左边为等离子体的获取装置示意图，上图的右边为具有辅助照明系统的同轴监控系统；下图为使用不同的窄波段的过滤器进行同轴监控杆所得到的结果：（a）蓝色的窄不断过滤器；（b）绿光窄波段过滤器和（c）红光窄波段过滤器

▲图4 Meng等人的实验结果：上图为不同的电压对工艺稳定性和焊缝表面形貌的影响；下图为不同的弧电压为MIG焊接和激光-电弧复合焊接时等离子体形状的影响。

在过滤系统中，不同类型的过滤器通常基于不同的目的组合在一起。同步密度过滤器通常用来过滤不具有选择性的光，这就意味着同步过滤器可以等同的和均匀的减少不同波长的光，而不会影响原始目标的颜色效应。因此，它可以真实的复制出场景的情形。Li等人（图5）则提出一个具有强光源的同步影像，此时的光自一个强光源反射出来，在非平衡的反射衰减器中传输。结果，强光源在热的工件上就会被观察到，不同功能光强度的区域的光源的形貌就会获得。

▲图5 Li等人的研究结果：在不同的衰减器的作用下得到的等离子体的形貌：(a) 100% (没有施加衰减器), (b) 10% (一个衰减器), (c) 10%, 25%, (d) 1%, 50%.

在匙孔焊接时，很难一次获得完全的焊接目标，这是因为沿着熔池的辐射强度很窄。为了解决这个问题，不同的曝光时间或对熔池的不同部分进行过滤就显得很有必要了。Liu等人就设计了一个新颖的不同的过滤器的衰减器，其左边的透明性和右边的透明性分别为6%和0%，提高了图片的质量。

2.5用于焊接监控的辅助光源

在主动视觉系统中，高频频闪显微镜激光光源通常用来作为辅助照明的光源，主要用来对由于热源和等离子体所产生的干涉进行屏蔽。视觉监控会受到光的强辐射的影响，因此辅助照明的光源的波长应该同窄波段过滤的过滤器相匹配，使得更多的辅助光能够通过过滤器。对一个事情来说，在辅助光源的帮助下，目标区域的发射可以得到加强，如熔池、匙孔和焊缝。从另外一个方面来说，在匙孔和熔池状态该快速变化的位置，辅助光源可以帮助缩短相机的曝光时间，捕获到动态的图片。而且，同LED等、卤素灯或其他照明光源相比较，激光具有更好的单色性和高亮度，从而使得它成为应用中使用较多的辅助光源。

实验显示辅助光源的影像效应会比非辅助光源要好，尤其是在观察热影响区、焊缝和匙孔的清晰照片的时候。在铝合金的MIG焊接的时候，Xiong等人使用桌面型灯光来增强在捕获照片时的焊缝特征，这使得焊缝特征变得更加清晰易分辨。这是因为铝合金的熔池通常是镜面反射，而基材却是漫反射。

一些研究人员倾向于使用绿光来作为辅助光源。在同轴监控激光焊接的过程中，Kim等人选择532nm的两个绿激光作为激光照明光源和波段过滤的光源来获得非常清晰的照片。Lou等人使用200 mW聚焦的适应绿激光，波长为530nm来照射熔池的整个区域，实现激光焊接时匙孔形状的估计和焊缝缺陷宽度的测量。在激光-电弧复合焊接时，Liu等人（图6）应用激光半导体泵浦的绿激光作为照明光源，其波长为532nm且为连续模式来捕获弧的形态。

▲图6 Liu等人的研究结果：激光-电弧复合焊接时的液滴过渡模式：(a)短路过渡转移；（b）球形过渡；（c）投射过渡；（d）喷射过渡

▲图7 Liu等人的研究结果在：在(a) 弧阶段和(b) 激光-电弧复合阶段的等离子体的演变

辅助光源的入射角也会影响到视觉监控时图像的质量。研究人员通常会调整入射角度以获得不同的照片效果，在激光焊接时，当辅助光源以一个小角度照射焊缝表面时，更多的镜面反射光从熔池反射，从而被相机所捕获，导致图像上会有更多的白点。而当入射角较大的时候，部分镜面反射光会有一个非常大的反射角，会不易进入相机区域，因此，白点就会变得非常少。

2.5.1用于焊接监控的结构光系统

作为一类主动监控系统，结构光系统经常用来进行焊缝跟踪、焊缝熔池的形貌以及焊缝熔池的振动。结构光系统可以分为激光扫描法和激光传感法，两者均是基于光学三角测量原理。激光扫描法可以分为线性扫描和圆形扫描。激光扫描由电机、激光脉冲发射器。聚焦镜、角度传感器和光辐射镜所组成。在3D激光扫描仪中，激光由激光脉冲发射器所产生，投射到焊缝的表面，是通过旋转的扫描轴的发射器来实现的。在激光扫描振动的作用下，光的波段就会产生和通过相机形成影像。这一类型的系统可以产生高信噪比的图像。但经受着结构复杂的弊端以及高成本和低探测精度的缺点。这使得它难以满足实时探测和高精度探测的需要，因此在实际的工业制造中很少用到这一技术。

在线性激光传感手段中，线性激光发射一个激光条带，该激光位于可见光波段，且激光条带投射到焊缝表面，形成一个焊缝条带组成焊接熔池的形状或焊缝。于是，漫反射后的光信号的条带结构就会被光学传感器所捕获，如图7所示。依据不同的相机安装角度和激光变送器的不同，可以分为直接倾斜型、倾斜直接型、倾斜-倾斜型。依据激光发射器的类型和激光束的数量，可以分为点激光、线结构激光、交叉结构光、三线结构光、五线结构光、串型结构光和代码结构光几种。线结构光传感器系统具有一系列的优点，如简单地结构、方便使用和对环境光的干扰受到影响小等特点，从而在工程实践中广泛应用。Han等人发展了一个新的结构光视觉系统，整合了图像处理算法，不仅可以进行在线焊缝测量和焊接质量检查，同时还可以进行自动的识别韩范类型，实现相应的焊缝的三维重建和焊接缺陷的探测。

焊缝探测通常取决于光通过间歇时的变形。然而，结构通过间歇，经受着极端小的变形和几乎不变形，这就使得精确的探测焊缝变得非常困难。与此同时，结构光一般位于焊缝前端，从而造成前端的引导出现错误。

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文章来源：Xi'an Fan, Xiangdong Gao, Guiqian Liu, Nvjie Ma & Yanxi Zhang,Research and prospect of welding monitoring technology based on machine vision,The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,volume 115, pages:3365–3391 (2021)

参考资料：

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2.Quantitative analysis of synergic effects during laser-arc hybrid welding of AZ31 magnesium alloy,Optics and Lasers in Engineering,Volume 111,Dec.2018,pages183—192,https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2018.08.013

3.Min Li et al,A multiple synchronous imaging method for strong illuminants induced during a hot working process,2019 Laser Phys. Lett.16 066003

4.Characteristics analysis of droplet transfer in laser-MAG hybrid welding process,International Journal of Heat and Mass Transfer,Volume 121,Jun.2018, pages:805–811,https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.01.047

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