基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置。該裝置包括置于真空室的機(jī)械夾具、相機(jī)防護(hù)外殼、攝像機(jī)、減光濾光系統(tǒng)和開(kāi)槽鋁板，其中開(kāi)槽鋁板的中心開(kāi)有一條凹槽，且開(kāi)槽鋁板平行置于焊接工件的上方，使凹槽處于焊縫正上方；機(jī)械夾具一端固定于真空室的頂部，另一端固定連接相機(jī)防護(hù)外殼，攝像機(jī)固定于相機(jī)防護(hù)外殼內(nèi)部，攝像機(jī)鏡頭前方設(shè)置減光濾光系統(tǒng)；攝像機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)及真空轉(zhuǎn)接頭與真空室外的計(jì)算機(jī)相連；焊接時(shí)開(kāi)槽鋁板阻擋金屬蒸汽與飛濺，攝像機(jī)通過(guò)減光濾光系統(tǒng)采集電子束深熔焊的熔池圖像信號(hào)并輸入真空室外的計(jì)算機(jī)，得到電子束深熔焊的熔池圖像并進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。本發(fā)明具有動(dòng)態(tài)特性好、信噪比高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]電子束深熔焊過(guò)程中熔池區(qū)域產(chǎn)生的一種空腔現(xiàn)象我們稱(chēng)為匙孔，匙孔的形狀和尺寸隨時(shí)間變化，匙孔腔周期性地被液態(tài)金屬填滿(mǎn)。匙孔的形成、維持與穩(wěn)定，以及匙孔的大小、尺寸、形態(tài)及其與電子束和焊接材料的相關(guān)性決定了匙孔的特性，匙孔的特性導(dǎo)致了電子束焊接中幾種典型焊接缺陷的形成。
[0003]焊接熔池視覺(jué)圖像能反映出焊接過(guò)程的多種信息，國(guó)內(nèi)外有多家單位對(duì)弧焊、激光焊接、電子束焊過(guò)程熔池圖像采集及分析處理。王克鴻等人在“基于視覺(jué)的MAG焊氣孔缺陷圖像特征初步探討”采集MAG焊熔池靜態(tài)圖像并對(duì)氣孔等缺陷特征進(jìn)行分析(王克鴻等，焊接學(xué)報(bào)，2006年，13-16，第27卷第12期);楊家林等人在“基于視覺(jué)的激光深熔焊匙孔檢測(cè)及圖像處理”中對(duì)激光焊接熔池靜態(tài)圖像中匙孔檢測(cè)并處理(焊接，2011年，19-24，第2期)；張秉剛等人在“基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊焊縫表面成形的預(yù)測(cè)”中采集了電子束焊接熔池靜態(tài)圖像，提取熔池邊緣作為熔池特征考量。PeterPetrov等人通過(guò)集電極二次發(fā)射粒子、光電二極管和CCD技術(shù)研究電子束焊接中熔池和匙孔的形成，使用SBIG的ST-8天文用CO)攝像機(jī),提取并給出了熔池及匙孔尺寸(Vacuum, Experimental investigationof weld pool formation in electron beam welding 1998，42，39-43)。上述檢測(cè)方法主要集中在CCD相機(jī)采集熔池圖像的邊緣形態(tài)靜態(tài)檢測(cè)上，CCD攝像機(jī)靈敏性差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍窄，靜態(tài)圖像給予人眼的視覺(jué)效果不夠直觀，數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)多采用USB線(xiàn)路，在真空室的高電磁輻射環(huán)境下受到很大干擾，信噪比降低，加上金屬蒸汽對(duì)鏡頭前方的污染使得采集過(guò)程后期圖像模糊，得到的熔池信息十分受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種動(dòng)態(tài)特性好、信噪比高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，能夠直觀的反映真空電子束深熔焊過(guò)程，從而直接觀察匙孔的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，該裝置包括置于真空室的機(jī)械夾具、相機(jī)防護(hù)外殼、攝像機(jī)、減光濾光系統(tǒng)和開(kāi)槽鋁板，其中開(kāi)槽鋁板的中心開(kāi)有一條凹槽，且開(kāi)槽鋁板平行置于焊接工件的上方，使凹槽處于焊縫正上方；所述機(jī)械夾具一端固定于真空室的頂部，另一端固定連接相機(jī)防護(hù)外殼，攝像機(jī)固定于相機(jī)防護(hù)外殼內(nèi)部，攝像機(jī)鏡頭前方設(shè)置減光濾光系統(tǒng)；攝像機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)及真空轉(zhuǎn)接頭與真空室外的計(jì)算機(jī)相連；
[0006]焊接時(shí)開(kāi)槽鋁板阻擋金屬蒸汽與飛濺物，攝像機(jī)通過(guò)減光濾光系統(tǒng)采集電子束深熔焊的熔池圖像信號(hào)，將采集到的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)輸入真空室外的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將電信號(hào)還原成圖像信號(hào)并存儲(chǔ)，得到電子束深熔焊的熔池圖像并進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)為:(1)采用千兆以太網(wǎng)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的CMOS高速攝像機(jī)，以太網(wǎng)線(xiàn)采用差分方式傳輸信號(hào)，有效降低了真空室內(nèi)高電磁干擾；(2)采用減光濾光系統(tǒng)去除飛濺、減弱弧光、濾除多余頻率弧光，采集到的熔池圖形具有動(dòng)態(tài)特性好、信噪比高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；(3)減光濾光系統(tǒng)的內(nèi)圈粘貼多層玻纖鋁箔膠帶，最大程度的降低了高溫高電磁輻射對(duì)鏡頭鍍膜的損害。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是本發(fā)明基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖2是本發(fā)明電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置中開(kāi)槽鋁板的俯視圖。
[0010]圖3是本發(fā)明電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置中減光濾光系統(tǒng)的剖視圖。
[0011]圖4是本發(fā)明電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置中機(jī)械夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1中高氮鋼與裝甲鋼對(duì)焊的熔池匙孔輪廓圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0014]結(jié)合圖1，本發(fā)明基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，包括置于真空室的機(jī)械夾具1、相機(jī)防護(hù)外殼2、攝像機(jī)3、減光濾光系統(tǒng)4和開(kāi)槽鋁板5，其中開(kāi)槽鋁板5的中心開(kāi)有一條凹槽，且開(kāi)槽鋁板5平行置于焊接工件6的上方，使凹槽處于焊縫正上方；所述機(jī)械夾具I 一端固定于真空室的頂部，另一端固定連接相機(jī)防護(hù)外殼2，攝像機(jī)3固定于相機(jī)防護(hù)外殼2內(nèi)部，攝像機(jī)3鏡頭前方設(shè)置減光濾光系統(tǒng)4 ;攝像機(jī)3通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)7及真空轉(zhuǎn)接頭與真空室外的計(jì)算機(jī)8相連；
[0015]焊接時(shí)開(kāi)槽鋁板5阻擋金屬蒸汽與飛濺物，攝像機(jī)3通過(guò)減光濾光系統(tǒng)4采集電子束深熔焊的熔池圖像信號(hào)，將采集到的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)(7)輸入真空室外的計(jì)算機(jī)8，計(jì)算機(jī)8將電信號(hào)還原成圖像信號(hào)并存儲(chǔ)，得到電子束深熔焊的熔池圖像并進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
[0016]結(jié)合圖2，所述開(kāi)槽鋁板5中心的凹槽寬為10?30mm，該凹槽一端開(kāi)放一端封閉，處于焊縫正上方，開(kāi)放端在焊縫結(jié)束處。
[0017]結(jié)合圖3，所述減光濾光系統(tǒng)4包括套筒和套筒內(nèi)部從攝像機(jī)3鏡頭一側(cè)開(kāi)始依次同軸排列的窄帶濾光片、固定密度減光片、光學(xué)防護(hù)玻璃，其中固定密度減光片的光密度值為I?3。所述減光濾光系統(tǒng)4中套筒內(nèi)圈粘貼玻纖鋁箔膠帶。
[0018]結(jié)合圖4，所述機(jī)械夾具I通過(guò)磁力固定在真空室頂部，攝像機(jī)3的拍攝距離調(diào)節(jié)范圍為10?50cm，攝像機(jī)3的鏡頭光軸與水平面的角度調(diào)整范圍為0°?90°。
[0019]所述攝像機(jī)3為CMOS高速單色攝像機(jī)，攝像機(jī)3的鏡頭為大焦距工業(yè)鏡頭；所述數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)7為差分式千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)；所述攝像機(jī)3即CMOS高速單色攝像機(jī)的幀率為15?115幀/S、曝光時(shí)間為1/4?1/66667秒，所述大焦距工業(yè)鏡頭的焦距為35mm ；所述防護(hù)外殼2的外部包裹玻纖布及玻纖鋁箔膠帶；所述開(kāi)槽鋁板5平行置于焊接工件6的上方，且二者之間的垂直距離為2?10cm。[0020]所述減光濾光系統(tǒng)4與相機(jī)防護(hù)外殼2通過(guò)螺紋方式連為一體，與所述機(jī)械夾具I通過(guò)螺釘連接固定，所述減光濾光系統(tǒng)4的光軸路線(xiàn)與待焊焊縫相交；所述計(jì)算機(jī)8的存儲(chǔ)軟件基于VC語(yǔ)言編制而成，控制CMOS高速單色攝像機(jī)的工作，在windows系統(tǒng)下運(yùn)行，并在windows系統(tǒng)下安裝CMOS攝像機(jī)驅(qū)動(dòng)。
[0021]焊接時(shí)，打開(kāi)計(jì)算機(jī)8上的圖像采集軟件開(kāi)始錄制動(dòng)態(tài)視頻，電子束打在焊接工件6上，逐漸熔化并穿透材料形成熔池，經(jīng)由開(kāi)槽鋁板5遮擋部分金屬蒸汽，視覺(jué)圖像進(jìn)入減光濾光系統(tǒng)4，依次經(jīng)過(guò)同軸排列的光學(xué)防護(hù)玻璃、固定密度減光片、窄帶濾光片去除飛濺、減弱弧光、濾除多余頻率弧光，得到單一(一定波長(zhǎng)范圍)的弧光進(jìn)入鏡頭采集被攝像機(jī)
3完成光電轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)7即千兆以太網(wǎng)線(xiàn)傳輸進(jìn)入計(jì)算機(jī)8，計(jì)算機(jī)8完成信號(hào)轉(zhuǎn)換，將電信號(hào)還原成圖像信號(hào)并存儲(chǔ)在指定的內(nèi)存單元中，完成整個(gè)動(dòng)態(tài)視覺(jué)信號(hào)的采集過(guò)程，得到內(nèi)容豐富的熔池圖像。
[0022]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]實(shí)施例1
[0024]采用本發(fā)明基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置對(duì)真空電子束焊接高氮鋼與裝甲鋼對(duì)焊時(shí)的熔池動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0025]試驗(yàn)參數(shù):真空電子束焊機(jī)ZD60-500L，高壓U=60kV，燈絲電流410mA，聚焦電流717mA，焊接電流75mA，焊接速度4mm/s，同軸光路正對(duì)焊接方向且與工件水平面夾角為30°，濾光片中心波長(zhǎng)649nm，帶寬10nm，減光片光密度值2，CMOS攝像機(jī)采集幀率115幀/秒，像素720X480，增益曝光自動(dòng)。
[0026]在上述焊接條件下，打開(kāi)計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)始采集，同時(shí)開(kāi)啟電子束焊接電流，待焊接過(guò)程結(jié)束之時(shí)結(jié)束采集，將所獲得采集過(guò)程熔池視頻存入磁盤(pán)，經(jīng)特征提取典型的高氮鋼與裝甲鋼對(duì)焊熔池輪廓曲線(xiàn)如圖5中(a)?(c)所示，其中每?jī)蓭瑘D像時(shí)間差為1/115S，Ca)圖中熔池輪廓曲線(xiàn)分為處于圖像下端的近圓形匙孔、處于圖像上端的形狀復(fù)雜的熔池尾部這兩個(gè)區(qū)域，其形態(tài)隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行而變化；(b)圖所示熔池輪廓曲線(xiàn)中熔池尾部區(qū)域面積明顯增大，匙孔區(qū)域發(fā)生相應(yīng)變化；(C)圖所示匙孔區(qū)域弧光增強(qiáng)，導(dǎo)致該兩區(qū)域發(fā)生交聯(lián)。以上圖像每一幀均包含豐富的熔池信息特征，同時(shí)為人眼提供視覺(jué)上直觀的熔池及匙孔動(dòng)態(tài)變化。
【權(quán)利要求】
1.一種基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，該裝置包括置于真空室的機(jī)械夾具(I)、相機(jī)防護(hù)外殼(2)、攝像機(jī)(3)、減光濾光系統(tǒng)(4)和開(kāi)槽鋁板(5)，其中開(kāi)槽鋁板(5)的中心開(kāi)有一條凹槽，且開(kāi)槽鋁板(5)平行置于焊接工件(6)的上方，使凹槽處于焊縫正上方；所述機(jī)械夾具(I) 一端固定于真空室的頂部，另一端固定連接相機(jī)防護(hù)外殼(2)，攝像機(jī)(3)固定于相機(jī)防護(hù)外殼(2)內(nèi)部，攝像機(jī)(3)鏡頭前方設(shè)置減光濾光系統(tǒng)(4);攝像機(jī)(3 )通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)(7 )及真空轉(zhuǎn)接頭與真空室外的計(jì)算機(jī)(8 )相連； 焊接時(shí)開(kāi)槽鋁板(5)阻擋金屬蒸汽與飛濺物，攝像機(jī)(3)通過(guò)減光濾光系統(tǒng)(4)采集電子束深熔焊的熔池圖像信號(hào)，將采集到的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)(7)輸入真空室外的計(jì)算機(jī)(8)，計(jì)算機(jī)(8)將電信號(hào)還原成圖像信號(hào)并存儲(chǔ)，得到電子束深熔焊的熔池圖像并進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述開(kāi)槽鋁板(5)中心的凹槽寬為10?30mm，該凹槽一端開(kāi)放一端封閉，處于焊縫正上方，開(kāi)放端在焊縫結(jié)束處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述減光濾光系統(tǒng)(4)包括套筒和套筒內(nèi)部從攝像機(jī)(3)鏡頭一側(cè)開(kāi)始依次同軸排列的窄帶濾光片、固定密度減光片、光學(xué)防護(hù)玻璃，其中固定密度減光片的光密度值為I?3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述攝像機(jī)(3)為CMOS高速單色攝像機(jī)，攝像機(jī)(3)的鏡頭為大焦距工業(yè)鏡頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述機(jī)械夾具(I)通過(guò)磁力固定在真空室頂部，攝像機(jī)(3)的拍攝距離調(diào)節(jié)范圍為10?50cm，攝像機(jī)(3)的鏡頭光軸與水平面的角度調(diào)整范圍為0°?90°。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)(7)為差分式千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述減光濾光系統(tǒng)(4 )中套筒內(nèi)圈粘貼玻纖鋁箔膠帶。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述攝像機(jī)(3)即CMOS高速單色攝像機(jī)的幀率為15?115幀/S、曝光時(shí)間為1/4?1/66667秒，所述大焦距工業(yè)鏡頭的焦距為35mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述防護(hù)外殼(2)的外部包裹玻纖布及玻纖鋁箔膠帶。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于視覺(jué)傳感的電子束深熔焊熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述開(kāi)槽鋁板(5)平行置于焊接工件(6)的上方，且二者之間的垂直距離為2?10cm。
【文檔編號(hào)】B23K37/00GK103692119SQ201310695913
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】周琦, 石美玲, 彭勇, 左從進(jìn), 許海鷹, 熊延金, 郭順, 王超寧 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)