[发明专利]一种基于多光谱分光摄影的视觉监控系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种弧焊过程可视化系统，特别是关于一种用于实现对前方坡口、熔池、焊丝、电弧等多个对象进行同时观察的基于多光谱分光摄影的视觉监控系统。

背景技术

电弧焊接过程视觉监控是指在焊接实时进行过程中对焊接区域的观察，此过程对控制和稳定焊接质量具有重要意义，观察对象主要包括：前方坡口、熔池、焊丝、焊接电弧等。现有技术中采用摄像机拍摄弧焊过程以进行视觉监控在生产中发挥重要作用：1、在人不易或不宜到达的位置（如：高空、水下、危险环境等）开展焊接作业时，对焊接过程的细节进行远程监视成像是实现自动或人工控制的前提；2、进行焊接自动控制及跟踪时需要采集多种光照条件下的不同特征信息，以进行多特征信息融合保证跟踪和控制的准确性和稳定性；3、开展焊接工艺或机理相关的科学研究工作时需要对焊接过程进行近距离的拍摄和保存。然而在弧焊过程中因存在强烈的弧光及熔池发光现象，导致其过程不易观察，采用摄像机对其进行拍摄时往往因为亮度过高而导致CCD饱和，而且焊接工人通常佩戴焊帽对焊接过程进行观察，由于焊帽加装有滤光减光效果的镜片，使得弧光在一定程度上被削弱，亮暗区域仍然存在显著的亮度差，此过程人眼能够自动调节适应，但是不能解决远程监控以及拍摄保存的问题。采用摄像机拍摄时，虽然能够远程监控且能够对拍摄过程进行保存，但是无法克服熔池及电弧区域因亮度饱和而无法反映细节、前方坡口因亮度不足而无法看清等问题。

焊接过程发光包括熔池辐射发光和电弧区域发光，熔池辐射发光的强度比电弧区域发光的强度要明显低，通常会被电弧光所掩盖。电弧区域发光由连续谱背景与峰值谱线叠加而成，连续谱背景由电子跃迁产生，在焊接进行过程中幅值变化不大；峰值谱线对应于熔池上方金属蒸汽中金属元素和弧柱区保护气体非金属元素的特征谱线，在焊接过程中随时间有着较连续谱更为明显的涨落变化，以碳钢的钨极氩弧焊为例：焊接速度为200mm/min、电流170A、电压12.5V，坡口宽度10mm，坡口角度为90°，使用OceanOpticsUSB2000光谱仪进行光谱测量，得到如图1所示的光谱图，从图1中可以观察到光谱分布具有如下特征：在600nm～700nm之间无突出的特征谱峰值，850nm～910nm之间无突出的特征谱峰值，且连续谱强度较低，920nm以后无突出的特征谱峰值，且连续谱强度较低。考虑到电弧发光的上述特点，现有技术中对弧焊过程监控中近弧区域可视化问题的解决方法为：（1）在摄像机前设置窄带滤光片及减光装置，以最大限度地滤除强烈弧光的影响，保留感兴趣的光谱段（如：使用640nm或660nm波长的激光结构光进行焊缝视觉跟踪时，选用相应中心波长的窄带滤光片，只允许中心波长附近的光线通过，达到削减弧光干扰的目的），但是由于只能获取单一光谱的图像，信息不够丰富，无法完成多特征信息的获取；（2）采用双摄像机的系统，其中一部摄像机通过滤光片拍摄熔池区域，熔池发光的光强得以减弱，经处理可以得到熔池轮廓信息，另一部摄像机不加滤光片直接拍摄前方坡口，用于在焊接开始前能够在自然光照条件下观察坡口位置，该方法的不足在于：两台摄像机拍摄视场不同，所得图像之间存在图像配准的问题，易引入误差，且在焊接进行过程中无法获得清晰稳定的前方坡口图像；（3）使用脉冲激光或高亮度闪光灯作为照明光源，间歇地以高亮度照亮焊接区域，同时控制摄像机的高速快门，在焊接区域被光源照亮的瞬间采集图像，该方法虽能使得焊接区域中的熔池周边工件亮度得以提升，但同样由于使用单摄像机且光路唯一，只能拍摄得到单一光谱的图像，且因必须使用亮度超过焊接弧光的照明光源，增大了设备制造难度和安装体积，不利于控制成本。

综上所述，弧焊过程中需要观察的各个部分对应不同的光谱区域，且进入摄像机的这些不同光谱区域的光线之间具有相差巨大的光强，现有技术或采用经过滤光片的单光谱图像采集的方法，或采用双摄像机分不同波段进行滤光（或者一摄像机加滤光片，另一摄像机不使用滤光片）的方法，均无法实现针对来自同一视场的不同光谱区域的光线采取不同的滤光减光措施。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够实现自动焊接的同视场多特征信息采集与近电弧区实时监控成像过程的基于多光谱分光摄影的视觉监控系统。