焊接高速圖像拍攝解決方案

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焊接高速圖像拍攝解決方案

背景意義：

在焊接工業(yè)研究中，通過對焊接熔滴過渡過程及熔池形態(tài)的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)、直觀的觀察，獲得焊機(jī)工作穩(wěn)定性的參數(shù)以反饋控制，提高焊縫成形一致性，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測熔池幾何尺寸，實(shí)現(xiàn)精量化控制。而拍攝焊接熔滴過渡過程和熔池的最大困難在于所觀測焊接區(qū)域不同部位光強(qiáng)差異極大，即觀測區(qū)域的光強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍特別大（通常大于120dB）：焊接中心溫度極高，為強(qiáng)等離子體發(fā)光，邊緣區(qū)域是材料融化后的熔池區(qū)域，溫度較低，只有較弱的光輻射。高亮度的等離子體發(fā)光會(huì)使圖像傳感器芯片曝光過度，強(qiáng)光部分的圖像是一片白色區(qū)域，無法看到焊接中心及邊緣的圖像細(xì)節(jié)（如下圖1紅色方框所示）。

                              

圖1 曝光過度的焊接圖片

解決方案：

針對焊接觀測區(qū)域動(dòng)態(tài)范圍極大，焊接中心強(qiáng)等離子發(fā)光會(huì)使圖像傳感器芯片曝光過度的問題，我們選擇大動(dòng)態(tài)范圍CMOS工業(yè)相機(jī)，并配套自主研發(fā)的焊接高速圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)：AcutEye-w2009系統(tǒng)，可很好實(shí)現(xiàn)高速圖像長時(shí)間記錄，AcutEye-w2009系統(tǒng)將圖像信號與焊機(jī)的電壓、電流信號同步采集、實(shí)時(shí)長時(shí)間存儲(chǔ)、同步顯示，形成焊接圖像及焊機(jī)電壓、電流信號專業(yè)分析環(huán)境。

AcutEye-w2009系統(tǒng)采用瑞士Photonfocus公司大動(dòng)態(tài)范圍CMOS工業(yè)相機(jī)，必要時(shí)配以光學(xué)輔助手段，解決焊接中心圖像曝光過度問題。瑞士Photonfocus公司采用linlog技術(shù)來增大相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，對強(qiáng)光響應(yīng)成對數(shù)特性以壓縮其灰度，對弱光響應(yīng)仍然為線性，以達(dá)到平衡圖像對比度的作用，其原理如下圖2所示：

圖2 線性響應(yīng)、Linlog 響應(yīng)、對數(shù)響應(yīng)曲線

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

     AcutEye-w2009系統(tǒng)主要包括瑞士Photonfocus為代表的大動(dòng)態(tài)范圍高速工業(yè)相機(jī)、高度集成的高速圖像-焊機(jī)電壓電流信號同步采集、存儲(chǔ)、顯示系統(tǒng)，此系統(tǒng)內(nèi)集成了圖像采集卡、高速圖像存儲(chǔ)體、電壓、電流信號采集子系統(tǒng)等。

關(guān)鍵特性：

采用瑞士Photonfocus大動(dòng)態(tài)范圍CMOS高速工業(yè)相機(jī)，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120dB，在Linlog功能下能有效抑制等離子的強(qiáng)弧光干擾，在焊機(jī)電壓、電流較小時(shí)可直接用相機(jī)拍攝，無需光學(xué)輔助系統(tǒng)即可得到對比度較好的圖像，借助光學(xué)輔助手段可得到高清晰的、細(xì)節(jié)清晰的圖像。

采用自主研發(fā)的高速圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速圖像的長時(shí)間存儲(chǔ)：高達(dá)650MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，存儲(chǔ)時(shí)間最長可達(dá)110min；可導(dǎo)出通用的BMP圖像格式文件和AVI視頻文件；具有類似錄像機(jī)的錄像、回放、快進(jìn)、快退等功能，可實(shí)現(xiàn)焊接高速圖像的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、事后逐幀查看。

實(shí)現(xiàn)高速圖像與焊機(jī)電壓、電流數(shù)據(jù)的同步采集、存儲(chǔ)、顯示，使用戶可更直接地得到焊接熔滴過渡過程中對應(yīng)的電壓、電流等參數(shù)，更便于實(shí)現(xiàn)對焊機(jī)穩(wěn)定性的控制，提高焊縫成形的一致性。

焊接高速圖像與焊機(jī)參數(shù)同步采集、存儲(chǔ)、顯示界面圖

應(yīng)用實(shí)例：

激光焊

1、工業(yè)激光焊接在線檢測系統(tǒng)：

2、激光焊接無干預(yù)焊接檢測系統(tǒng)：

      

電弧焊：

雙絲焊接：觀察熔滴過渡過程，通過熔滴過渡形態(tài)判斷焊接參數(shù)是否穩(wěn)定

不加背景光，直接用相機(jī)拍攝

      

激光和電弧焊混合焊：觀察熔滴過渡過程和熔池，以及激光焊槍和電弧焊槍的距離對焊接穩(wěn)定性的影響

加較大功率背景光

   

單絲鋁板焊接：觀察熔滴過渡過程和熔池

加小功率背景光

  

短路焊接：觀察短路過渡中液橋張力變化過程

加小功率背景光