PDF《计算机视觉传感技术在焊接中的应用》

计算机视觉传感技术在焊接中的应用 陈强, 孙振国 ( 清华大学 机械工程系, 北京 100084) 摘要: 随着视觉传感、图像处理和人工智能等技术的发展, 计算机视觉以其信息量 大、精度高、通用性好、检测范围大等特点, 在焊接领域得到了广泛应用.

本文简要介绍 了应用于焊接领域的计算机视觉传感技术发展现状, 综述该技术在焊接中的典型应用, 并在此基础上指出了当前存在的问题及未来的发展趋势. 关键词: 计算机视觉;

图像处理;

焊接 中图分类号:TG409 文献标识码: A 文章编号: 0253-360X( 2001)

01 -83-08 陈强0序言焊接过程是一个电、光、热、力等综合作用下的 复杂的物理化学过程, 为实现焊接生产的机械化和 自动化 ,科技人员不断地致力于开发机械 、 机电 、 电磁、 电容、超声、红外 、 光电 、 激光、 视觉、电弧、光谱等 多种形式的弧焊传感器 .事实上 ,人类感知外界环 境,80 % 以上是通过视觉得到的 [

1 ,2] .同样 , 熟练的 焊工主要通过其视觉来从事焊接操作与控制 .随着 计算机视觉技术的发展 ,借助于 CCD 摄像机、红外 摄像仪、 X 光探伤仪 、 高速摄像机等图像传感设备及 智能化的图像处理方法, 许多机器人及特定的自动 焊机也具备了一定的视觉功能 .它们不仅可以模拟 熟练焊工的视觉感知能力 ,而且可以超越人类局限 , 完成诸如: 获取并处理强弧光及飞溅干扰下的焊缝 图像、实时提取焊接熔池特征参数 、预测焊缝的组 织、 结构及性能等工作,实现在人类难以直接作业的 特殊场合( 如水下、 空间、核辐射环境等) 的自动焊接 施工 ,确保焊缝质量的稳定性和可靠性 . 本文介绍焊接领域计算机视觉技术发展现状 , 综述该技术在焊接中的典型应用实例, 并在此基础 上指出了当前存在的问题及未来的发展趋势 .

1 发展现状 焊接中的视觉传感按其检测组件特征的不同大 致可以分为两类 .一类是以单个或几个光电接收单 元( 包括线阵列) 为检测组件的单光点式一维视觉 收稿日期 : 2000- 10-23 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目( 59975050) 传感 ;

另一类是机械扫描或电扫描的平面阵列成像 式二维视觉传感.三维视觉传感通常是对多个低维 传感器获得的信息, 进 行综合处理运算来实现 的[1,3] .

1 .

1 一维视觉传感 单光点式一维视觉传感一般是基于单点镜面反 射成像原理( 如图

1 所示) ,光源聚焦为光点照射( 或 直接照射) 到工件上,其反射光经过一定的光学系统 传输到光电接收单元上 .工件表面或焊缝坡口的高 度信息与反射点位置存在对应关系 [ 4] . 图1单点镜面反射原理 Fig.

1 Schematic diagram of single point mirror reflection theory 1. Light receiver, 2. Convex mirror ,3. Concave mirror , 4. Light source , 5. Light, 6. Workpiece, 7. Light spot 常用的照射光源有卤钨灯、 红外发光二极管 、 激 光管等.卤钨灯具有发光效率高、体积小、功率大、 寿命长等优点 ;

激光管具有单色性 、 方向性和相干性 好、辐射密度高等优点;

而红外发光二极管具有耗电 少、点燃频率高、 使用寿命长和体积小等优点 [

1 ,3] . 反射光的接收单元有光电管 、 光电倍增管、光敏 电阻 、 光电池 、 PSD( Position Sensing Detector) 等, 其中 以光电管和 PSD 最为典型 [ 1, 3] . 光电管的光电流 在一定范围内与入射光通量成正比 ,由多个光电管 第22 卷第1期2001年2月焊接学报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION Vol .