[01174491]连续焊接全熔透状态的激光视觉实时检测与控制研究

1、课题来源与背景 目前对焊缝全熔透进行实时控制所面临的最主要的科学问题是全熔透状态的实时表征和测量。国内外对于全熔透控制的研究给予了足够的重视,并试图采用各种方法在熔透过程中实行实时控制,但现有的控制方法,大多是基于熔池尺寸传感技术的闭环反馈控制,由于熔池尺寸传感方式及现有技术的局限,使得从熔池正面直接检测背面熔透情况几乎是不可能的,只能通过正面间接物理量来反映背面熔透信息,而这些间接物理量缺乏与熔透之间直接的数学物理关系,即反馈的不是确切的熔透信息,结果导致这种熔透反馈控制方法除少数可在简单的条件下初步应用外,多数研究离实用要求相差还很远,使得焊接熔透的实时控制问题仍然是影响焊缝质量的瓶颈,因此深入研究熔透的表征和测量问题进而解决熔透实时控制难题成为迫切的工程需求。 2、研究目的与意义 采用激光视觉检测法实现连续焊接条件下的TIG焊全熔透控制,建立基于熔池表面激光投反射成像与熔池振荡频率提取的焊接全熔透实时控制系统的理论体系和装置原型。 3、主要论点与论据 1)搭建了激光视觉检测熔池振荡实验平台,提出了对应熔池振荡频率视觉测量算法,离线提取了熔池特征振荡频率; 2)研究了连续、定点焊接条件熔池振荡模式与振荡频率关系,得到了未熔透、临界熔透和全熔透状态下熔池振荡频率特征; 3)采用流体力学自由表面波理论和二维薄膜理论分别建立了未熔透和全熔透时熔池振荡解析模型; 4)提出了一种激光光电转换法熔池振荡频率实时检测及控制系统,并实现了对焊缝全熔透的检测及控制。 4、创见与创新 1)利用熔池表面对反射激光条纹表征熔池振荡的光学放大作用,提出了反射条纹视觉检测熔池振荡的方法,并揭示它们与熔透间的物理对应关系实现焊接实时熔透控制的方法和体系。 2)建立熔池自由振荡时表面反射状态变化导致连续帧激光反射条纹形态周期性变化的几何光学模型,实现通过视觉处理检测熔池的振荡频率的图像处理算法。 3)建立熔池受激自由振荡频率及熔池三维形态与熔池体积及熔透状态间的物理对应关系,通过理论分析和实验研究实现熔池振荡频率特征与熔透状态的解析。 5、社会经济效益、存在的问题 项目为提出了一种基于激光视觉原理的熔池振荡频率实时测量方法及系统,能够实现对连续焊接过程中TIG焊熔透检测及控制。通过该项目研究,能够解决在自动化焊接过程中熔透信号检测及控制的问题,为提高自动化焊接效率以及研制第三代机器人具有重要意义,具有较好的应用前景。 搭建的实验平台硬件上需进一步改进,主要包括激光条纹的聚焦成像系统的完善,考虑通过设计专用的光学支架来保证几何成像的最佳条件。后续考虑在将控制算法进行DSP硬件固化,能够有效降低算法的复杂性,提高检测精度。