GMAW熔滴過渡高速攝像系統(tǒng)與熔滴邊緣提取

賈存鋒 ，朱加雷，焦向東，喬 溪 ， 楊曉鋒

(1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2．北京石油化工學(xué)院能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京市工程研究中心，北京 102600；3. 北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

GMAW熔滴過渡高速攝像系統(tǒng)與熔滴邊緣提取

賈存鋒1，朱加雷2，焦向東2，喬 溪2， 楊曉鋒3

(1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2．北京石油化工學(xué)院能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京市工程研究中心，北京 102600；3. 北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

為直觀監(jiān)測GMAW焊接熔滴過渡形式和熔滴大小，建立了熔滴過渡高速攝像系統(tǒng)。詳述了背光光源選擇、光路設(shè)計(jì)以及攝像裝置調(diào)試等內(nèi)容，并以高速攝像拍攝的熔滴過渡視頻截圖為基礎(chǔ)，運(yùn)用CANNY圖像處理算法，結(jié)合局部屬性函數(shù)，通過MATLAB軟件編程實(shí)現(xiàn)對熔滴的邊緣輪廓提取，并對提取的熔滴輪廓特征值進(jìn)行標(biāo)記，獲得了熔滴尺寸特征的精確信息，其結(jié)論對GMAW焊接熔滴實(shí)際尺寸的精確計(jì)算和進(jìn)一步熔滴過渡精確控制奠定了基礎(chǔ)。

GMAW焊接；熔滴過渡；高速攝像；邊緣提??；MATLAB

GMAW焊接的熔滴過渡是一個不穩(wěn)定的過程，各種過渡形式可能同時存在，且過渡的熔滴被籠罩在高溫、高亮的電弧當(dāng)中，通常還會伴著大量的飛濺和煙塵，通常的攝像監(jiān)視手段無法獲得清晰的熔滴過渡圖像。高速攝像是一種能夠以很高頻率記錄動態(tài)圖像的先進(jìn)測試手段，一般能夠達(dá)到1 000～10 000幀/s，可以對焊接過程中的熔滴過渡進(jìn)行拍攝記錄。為減弱或者消除弧光、飛濺和煙塵等的影響，在熔滴過渡高速圖像拍攝時需要設(shè)計(jì)特殊的光路，并采取相應(yīng)的背光、濾光等措施，才能最終獲得符合要求的熔滴過渡高速圖像。以清晰的熔滴過渡圖像截圖為基礎(chǔ)，采用MATLAB處理軟件可以獲得清晰的熔滴邊緣輪廓及尺寸特征值，為熔滴過渡的精確控制奠定基礎(chǔ)。

1 高速攝像系統(tǒng)及工作原理

1.1背光選擇

傳統(tǒng)的熔滴過渡高速攝像的背光有2種：一種是以碘鎢燈等一般光源為背光，適合拍攝弧光較弱的短路過渡過程；另一種則是以激光為背光，適合拍攝弧光較強(qiáng)的自由過渡過程，如滴狀過渡、噴射過渡等。激光為單色光，這使得干涉濾光片的選擇比較容易，能夠拍出視場較大的、清晰程度較好的畫面[1]。背光用激光器又可分為氦氖激光器和半導(dǎo)體激光器2種，分別如圖1和圖2所示。

半導(dǎo)體激光器對比于氦氖激光器，價格便宜，功率可調(diào)，但其功率會隨著溫度變化而改變。氦氖激光器具有優(yōu)質(zhì)的光束質(zhì)量、良好的功率穩(wěn)定性，激光參數(shù)(波長、光斑直徑、發(fā)散角等)的一致性好。因此本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇美國Melles Griot公司生產(chǎn)的型號為25LHP928-230的氦氖激光器作為背光光源，光源輸出波長為632.8 nm，額定功率為35 mW。

圖2 半導(dǎo)體激光器Fig.2 Semiconductor laser

焊接電弧的輻射主要來自于等離子體電弧、熔池和焊絲電極。從熔化的焊絲和熔池金屬表面上發(fā)出的輻射含較多的可見光，但這些可見光的強(qiáng)度小于電弧等離子體發(fā)出的光的強(qiáng)度。焊接等離子體發(fā)出的光主要為藍(lán)紫光(波長大約為440 nm)。為了清晰地拍攝焊絲熔滴過渡，可以通過合理的光路設(shè)計(jì)濾除大部分電弧光[2-3]。

1.2光路設(shè)計(jì)

光路部分示意圖如圖3所示，主要由擴(kuò)束和成像2部分組成，功率為35 mW的氦氖激光器發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡后形成近似平行光束，平行光束的亮度超過了電弧光的亮度。當(dāng)投射到成像物鏡上時，聚焦透鏡將此平行光束在其焦點(diǎn)位置會聚為一點(diǎn)，并保證順利地通過小孔光柵。由于電弧光為球面光，在成像透鏡的焦點(diǎn)處形成一個具有一定大小的光斑，其中只有小孔部分通過，其余部分則被阻擋，這樣就達(dá)到了弧光衰減的效果。

圖3 高速攝像系統(tǒng)及光路示意圖Fig.3 High-speed camera system and a light path diagram

因?yàn)榧す馐菃紊?，電弧是全色光，從表面看來電弧的光很亮很?qiáng)，其實(shí)它所包含的與激光波長相同的這部分光并不強(qiáng)。因此，在焊絲及熔滴成像部分，采用一個最終濾光強(qiáng)度為0.1%的UV濾光片組合和一個中心波長為632.8 nm、半帶寬為10 nm的帶通濾光片后，可以濾掉除激光波長對應(yīng)弧光外的大部分電弧光[4-5]。同時，為了避免熔滴過渡時飛濺對準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡和聚焦透鏡等精密光學(xué)器件的影響，在焊絲兩側(cè)分別放置透明玻璃作為防護(hù)屏。

1.3高速攝像裝置

高速攝像系統(tǒng)使用OLYMPUS的i-SPEED 3高速攝像機(jī)，當(dāng)采集速度為2 000幀/s時，圖像分辨率可以達(dá)到1 280×1 024，最高速率為150 000幀/s，此攝像機(jī)攜帶外部可視指示器，可隨時確認(rèn)攝像機(jī)錄制狀態(tài)，拍攝完之后可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上以便分析處理。試驗(yàn)前調(diào)試攝像機(jī)的位置，使焊槍位于指示器中心位置，然后調(diào)試焦距，保證清晰度為最佳，在整個試驗(yàn)過程中攝像機(jī)保持靜止。

(1)視覺障礙課程設(shè)計(jì)。在無障礙網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)中，視覺障礙課程設(shè)計(jì)是最難做到的，因?yàn)槿说男畔⒔邮者^程中視覺所占比重最大。在講授過程中視覺障礙者沒有可以觸摸的實(shí)物又沒有視覺的配合，單一的聽覺很難讓學(xué)習(xí)繼續(xù)下去。因此在課程設(shè)計(jì)上應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①課程內(nèi)容上，以理論的、情感態(tài)度和心理類的內(nèi)容為主。即讓聽覺成為課程的主角；②課程講述中，授課者盡可能的提供詳細(xì)、生動的語言描述。

2 熔滴邊緣提取

以此光路系統(tǒng)的高速攝像拍攝的清晰熔滴過渡視頻圖像作為信息源，對圖像進(jìn)行邊緣輪廓提取和特征分析，視頻截圖如圖4所示。利用MATLAB圖像處理技術(shù)[6-7]，對圖像進(jìn)行灰度化處理，然后運(yùn)用CANNY邊緣提取技術(shù)對圖像進(jìn)行初步邊緣提取[8-9]。初步邊緣提取后的圖像如圖5所示。

圖4 拍攝所得圖像Fig.4 Interpolated image

圖5 初步邊緣提取Fig.5 Primary droplet edges detected by the canny operator

從圖5可以看出，焊槍噴嘴處和電弧區(qū)域的圖像中存在許多干擾線條，需要進(jìn)一步處理消除，以得到清晰的熔滴邊緣輪廓。利用MATLAB中的blockproc函數(shù)對圖像進(jìn)行分塊處理，但這樣會產(chǎn)生更大的誤差，即很多微小的邊緣也被檢測出來。為了補(bǔ)修這個問題，可以使用blockproc函數(shù)中的bordersize參數(shù)來定義每塊水平和垂直邊界的像素大小[10-11]。最后再對圖像進(jìn)行CANNY檢測，CANNY檢測函數(shù)允許使用一個固定的閾值thresh作為參數(shù)。通過反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)閾值thresh為0.095時可以獲得比較滿意的處理效果，如圖6所示。

3 熔滴輪廓特征值標(biāo)記

為獲得熔滴的具體位置和尺寸特征信息，在得到熔滴邊緣輪廓之后，對輪廓的邊緣進(jìn)行特征識別和標(biāo)記。首先通過MATLAB中的分水嶺算法對邊緣輪廓二值圖像進(jìn)行分割[12-13]，然后運(yùn)用局部屬性函數(shù)regionprops計(jì)算圖像的局部屬性，編寫相應(yīng)的局部檢測循環(huán)算法?！癰oundingbox”為該區(qū)域的最小矩形，當(dāng)MATLAB檢測到相切于熔滴的最小矩形時，屬性“majoraxislength”和“minoraxislength”即為與該矩形具有相同二階中心距的橢圓的長軸長度和短軸長度，即熔滴的特征值，將特征值結(jié)果通過函數(shù)標(biāo)示于圖像當(dāng)中[14-16]，如圖7所示。通過相應(yīng)算法可以進(jìn)一步得到焊絲輪廓的寬度像素。由于焊接使用的焊絲直徑尺寸已知，結(jié)合焊絲和熔滴之間的對應(yīng)比例關(guān)系，可以較為精確地獲得熔滴的實(shí)際長短軸尺寸。

圖6 熔滴邊緣輪廓二值圖Fig.6 Final droplet edges detected by the canny operator

圖7 熔滴邊緣輪廓二值圖及特征顯示Fig.7 Final droplet edges detected by the canny operator and the character display

4 結(jié) 語

通過優(yōu)選背光器件和對光路系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，建立了GMAW熔滴過渡高速圖像采集系統(tǒng)，能夠?qū)附尤鄣芜^渡過程圖像進(jìn)行清晰顯示和記錄，為圖像處理提供了可靠的圖像信息源。

進(jìn)行了熔滴過渡圖像邊緣輪廓提取，通過熔滴特征值提取算法獲得了清晰的熔滴邊緣輪廓二值圖，并進(jìn)行了熔滴輪廓特征值標(biāo)記，為進(jìn)行熔滴過渡的精確控制奠定了基礎(chǔ)。

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High-speed camera system for GMAW droplet transfer and droplet edge extraction

JIA Cunfeng1， ZHU Jialei2， JIAO Xiangdong2， QIAO Xi2， YANG Xiaofeng3

(1.Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology Institute, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2.Research Center of Energy Engineering Advanced Joining Technology, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102600, China; 3.School of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029， China)

In order to monitor the GMAW droplet transfer form and droplet size, a high-speed camera system for droplet transfer is established, and the backlight source selection, optical design and image pickup device debugging are described , etc. Based on the droplet transfer video screenshot image, using CANNY image processing algorithm, combined with local attribute function, the edge contour of droplet is extracted through MATLAB software programming, and the droplet profile feature value is marked, and then the accurate droplet size characteristics information is obtained. This conclusion makes a good foundation for accurate calculation of GMAW droplet size and further droplet transfer control.

GMAW welding; droplet thransfer ;High-speed camera; edge extracting;MATLAB

1008-1542(2013)04-0275-04

10.7535/hbkd.2013yx04002

TG406

A

2013-04-26；

2013-05-17；責(zé)任編輯：張士瑩

國家自然科學(xué)基金青年基金 (51175046)；國家自然科學(xué)基金 (51205026)；北京市屬高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)提升計(jì)劃(IDHT20130516)

賈存鋒(1988-)，男，山西陽泉人，碩士研究生，主要從事水下焊接工藝方面的研究。

朱加雷博士。E-mail：zhujialei@bipt.edu.cn