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)行實時,、直觀的觀察,，獲得焊機工作穩(wěn)定性的參數(shù)以反饋控制,，提高焊縫成形一致性，并可實時監(jiān)測熔池幾何尺寸,，實現(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)域不同部位光強差異極大，即觀測區(qū)域的光強動態(tài)范圍特別大（通常大于120dB）：焊接中心溫度極高,，為強等離子體發(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)光會使圖像傳感器芯片曝光過度,，強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)域動態(tài)范圍極大,，焊接中心強等離子發(fā)光會使圖像傳感器芯片曝光過度的問題，我們選擇大動態(tài)范圍CMOS工業(yè)相機,，并配套自主研發(fā)的焊接高速圖像實時存儲系統(tǒng)：AcutEye-w2009系統(tǒng),，可很好實現(xiàn)高速圖像長時間記錄，AcutEye-w2009系統(tǒng)將圖像信號與焊機的電壓,、電流信號同步采集,、實時長時間存儲、同步顯示,，形成焊接圖像及焊機電壓,、電流信號專業(yè)分析環(huán)境。

AcutEye-w2009系統(tǒng)采用瑞士Photonfocus公司大動態(tài)范圍CMOS工業(yè)相機,，必要時配以光學(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)來增大相機的動態(tài)范圍,，對強光響應(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為代表的大動態(tài)范圍高速工業(yè)相機,、高度集成的高速圖像-焊機電壓電流信號同步采集,、存儲,、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大動態(tài)范圍CMOS高速工業(yè)相機,，動態(tài)范圍可達(dá)120dB,，在Linlog功能下能有效抑制等離子的強弧光干擾，在焊機電壓,、電流較小時可直接用相機拍攝,，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)的高速圖像存儲系統(tǒng)可實現(xiàn)高速圖像的長時間存儲：高達(dá)650MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率,，存儲時間最長可達(dá)110min；可導(dǎo)出通用的BMP圖像格式文件和AVI視頻文件,；具有類似錄像機的錄像,、回放、快進(jìn),、快退等功能,，可實現(xiàn)焊接高速圖像的實時存儲、事后逐幀查看,。

實現(xiàn)高速圖像與焊機電壓,、電流數(shù)據(jù)的同步采集、存儲,、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),，更便于實現(xiàn)對焊機穩(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參數(shù)同步采集,、存儲,、顯示界面圖

應(yīng)用實例：

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