(57)【要約】本出願は、溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置及び方法を開示し、溶接品質制御の技術分野に属する。本出願は、構造化光を溶融池の窪み表面に照射し、視覚センサーによって対応する構造化光画像を取得し、画像処理により溶融池の崩壊特徴量を取得し、溶接電流をリアルタイムに調節することにより、溶融池の崩壊特徴量が一定となるように保持し、均一で一致する溶接ビード裏面の幅を取得することができ、更に溶接ビード溶込みが均一で一致することが実現される。本出願は、溶融池表面構造化光情報のみで溶接ビード成形に対する制御を実現しており、緊密突き合わせ継手のフィラワイヤなしの直流タングステンガスシールド溶接に適用することができ、特に、航空宇宙製造分野の大型アルミニウム合金構造部品のパッドレス溶接に適用することができる。【選択図】図１
2021535836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ユニット、視覚センシングユニット、及び計算制御ユニットを含み、
前記溶接ユニットは、溶接ワークピースに対して溶接操作を行うための溶接トーチを含み
前記視覚センシングユニットは構造化光源及び視覚センサーを含み、前記構造化光源及び前記視覚センサーは前記溶接トーチの左右の両側にそれぞれ設置され、前記構造化光源は、単線構造化光を放出し、溶融池に単線構造化光を照射するためのものであり、前記視覚センサーは、単線構造化光が溶融池の表面及び溶接ワークピースの表面に照射して形成された構造化光のスポット画像を収集し、構造化光のスポット画像を出力するためのものであり、
前記計算制御ユニットは、前記視覚センサーに接続されるコンピュータを含み、前記コンピュータは、構造化光のスポット画像を受信して、構造化光のスポット画像を処理し、現在溶融池の崩壊特徴量を取得し、現在溶融池の崩壊特徴量と溶融池の崩壊特徴量期待値との間の偏差に基づいて前記溶接トーチの溶接電流を調節するためのものであることを特徴とする溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置。
【請求項２】
前記溶接ユニットは溶接電源を更に含み、前記溶接トーチは前記溶接電源に接続され、前記溶接電源は前記コンピュータに接続され、前記溶接電源は前記溶接トーチに溶接電流を出力するためのものであり、前記コンピュータは前記溶接電源によって前記溶接トーチの溶接電流を調節することを特徴とする請求項１に記載の溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置。
【請求項３】
前記溶接ユニットは、前記溶接トーチを冷却するための冷却水タンクを更に含み、前記冷却水タンクには水タンクの水入口及び水タンクの水出口が設けられ、前記溶接トーチには溶接トーチの水入口及び溶接トーチの水出口が設けられ、前記水タンクの水出口は前記溶接トーチの水入口に接続され、前記溶接トーチの水出口は前記水タンクの水入口に接続され、前記冷却水タンクは前記溶接電源に接続されることを特徴とする請求項１に記載の溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置。
【請求項４】
前記溶接ユニットは、前記溶接電源に接続される保護ガス貯蔵タンクを更に含み、前記保護ガス貯蔵タンクは前記溶接電源によって前記溶接トーチに保護ガスを提供することを特徴とする請求項１に記載の溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置。
【請求項５】
前記視覚センサーにはバンドパスフィルターが取り付けられ、前記バンドパスフィルターは単線構造化光を通過させることを特徴とする請求項１に記載の溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置。
【請求項６】
取付板を更に含み、前記構造化光源、視覚センサー、及び溶接トーチは前記取付板にそれぞれ取り付けられ、前記構造化光源、視覚センサー、及び溶接トーチの三者の軸線は同一の平面にあり、前記構造化光源の軸線及び前記視覚センサーの軸線はそれぞれ前記溶接トーチの軸線に対して対称となることを特徴とする請求項１に記載の溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置を用いた溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御方法であって、
溶接トーチの初期溶接パラメーターを設定し、溶融池の崩壊特徴量期待値を取得することと、
構造化光源をオンにし、溶融池に単線構造化光を照射し、前記溶接トーチが溶接を開始することと、
視覚センサーは、単線構造化光が溶融池の表面及び溶接ワークピースの表面に照射して形成された構造化光のスポット画像を収集し、構造化光のスポット画像をコンピュータに送信することと、
前記コンピュータは、構造化光のスポット画像を処理して、現在溶融池の崩壊特徴量を取得し、現在溶融池の崩壊特徴量と溶融池の崩壊特徴量期待値との間の偏差に基づいて前記溶接トーチの溶接電流を調節することとを含むことを特徴とする溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御方法。
【請求項８】
前記の現在溶融池の崩壊特徴量を取得することは、具体的に、
構造化光のスポット画像からスポットを含む関心のあるエリアを後続の画像処理の対象として選択し、当該関心のあるエリアに対して、閾値セグメンテーション及び形態学的拡張演算を行い、二値化画像を取得し、二値化画像連結領域におけるノイズ連結領域を取り除き、前景エリアを取得することと、
前景エリア内の元画像に対して中心線抽出を行い、抽出して得られた中心線は、単線構造化光が前記溶接ワークピース母材に照射して形成された直線セグメントと、単線構造化光が溶融池の窪み表面に照射して形成された曲線セグメントに分けられることと、
直線方程式を用いて直線セグメントをフィッティングして直線Ｌを取得し、多項式方程式を用いて曲線セグメントをフィッティングして曲線Ｃを取得し、直線Ｌと曲線Ｃで囲まれた面積を取得し、当該面積を溶融池崩壊面積Ｓとすることと、
溶融池崩壊面積Ｓに対して平方根演算を行って、現在溶融池の崩壊特徴量
2021535836.tif 000015
を取得することとを含む、ことを特徴とする請求項７に記載の溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御方法。
【請求項９】
前記の前景エリアを取得することは、具体的に、
二値化画像連結領域の周長をＰとし、面積をＡとすることと、
2021535836.tif 000016
＞
2021535836.tif 000017
を満たす連結領域を取り除き、二値化画像連結領域における取り除いて残した連結領域を前景エリアとすることと、を含み、
そのうち、
2021535836.tif 000018
は実際の経験に基づいて選択された定数であり、
2021535836.tif 000019
は
2021535836.tif 000020
内から値を取ることを特徴とする請求項８に記載の溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御方法。
【請求項１０】
前記の溶融池の崩壊特徴量期待値を取得することは、具体的に、
溶接ビード溶込み程度の要求に応じて溶接ビード裏面の幅期待値を設定することと、
溶融池の崩壊特徴量と溶接ビード裏面の幅期待値とのマッピング関係に基づいて対応する溶融池の崩壊特徴量期待値を取得することと、を含むことを特徴とする請求項７に記載の溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、２０１９年０６月２８日に提出された、発明の名称が「溶接ビード成形制御装置及び方法」である第２０１９１０５７９６９３７号の中国特許出願の優先権を主張し、その全体が参照により本願に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、溶接品質制御の技術分野に関し、特に、溶融池の表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置及び方法。
【背景技術】
【０００３】
溶接は、金属加工製造において非常に重要な技術であり、キャビンと圧力容器等の構造的気密性を確保する唯一の選択可能な製造手段でもある。安定性、高効率、高精度は現代生産が追求する目標であり、効率が低い手動溶接を優れた再現性と高効率のロボット溶接に置き換えることは現代生産の必然的な傾向である。しかし、固定溶接仕様に依存するロボット自動溶接は、実際の生産過程でのグルーブ隙間の変化、放熱条件の変化、位置ずれに起因する溶接ビードの不均一な溶込みに対処することは困難である。
【０００４】
国内外の溶接品質のリアルタイム検出と制御の研究と生産状況から見ると、溶接過程の溶込み程度のセンシング方法には、裏面溶融幅の直接測定、従来のセンシング技術、視覚センシング技術、マルチセンシング技術などがある。裏面の溶融幅の直接測定は、溶込み品質を確保するための非常に効果的な方法であるが、実際の応用では、多くの場合、ワークピースと工具構造、及びスペースのサイズによって制限され、溶接ビードの裏面にセンサーを固定することは困難であり、この場合、溶融池及び溶接ビードの表面情報を収集することにより裏面の溶込み程度を推測する必要がある。従来のセンシング技術には、超音波検出、赤外線温度測定、溶融池振動検出等の方法が含まれる。そのうち、超音波検出法は、超音波信号で溶融池の固液界面位置を計算し、溶込み深さを取得する。超音波検出法は、溶接ビード追跡と溶接ビード欠陥のリアルタイム検出の両方に使用できる。しかし、溶接エリアの温度差が波速度に及ぼす影響により、当該方法の精度が制限され、非接触超音波検出装置のコストが高い。赤外線温度測定法は、溶接エリアの温度に基づいて溶込み状態を推定するが、赤外線温度測定の精度は、熱放射率の変動とワークピースの表面状態の影響を受ける。溶融池の固有振動周波数は、溶融池のサイズと溶込み程度を反映している。アーク電圧の変動周波数、アーク長の変化、または溶融池の表面鏡面反射のスポットパターンの周期的な変化を検出することで、溶融池の振動周波数を検出することができ、これにより、溶融池の振動周波数に基づく溶込み閉ループ制御を完了する。しかし、赤外線温度測定法は溶融池に大きな振動が発生するパルス溶接のみに適しており、信号処理は困難である。視覚センシング技術は、溶融池画像を分析することにより、溶融池画像の幾何学的特徴やグレースケール特徴と溶込み程度とのマッピング関係を構築し、当該マッピング関係は直接的ではなく、通常、ニューラルネットワークを使用してモデリングを行う。視覚センシング技術は、非常に豊富な情報を取得できるが、モデリングは複雑で、必要なトレーニングデータが多く、モデルの適用可能性はプロセステストの十分性に依存するため、まだ研究段階にある。マルチセンシング技術は、画像、電圧、電流などのさまざまな溶接過程信号により溶込み状態を判断し、操作方式は複雑で、視覚センシング技術と同様のモデリングの問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願の目的は、溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置及び方法を提供し、従来技術に存在する溶接ビードの溶込みが不均一であるという問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本出願は、上記技術課題を解決するために、溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置を提供し、当該溶接ビード成形制御装置は、溶接ユニット、視覚センシングユニット、及び計算制御ユニットを含み、
前記溶接ユニットは、溶接ワークピースに対して溶接操作を行うための溶接トーチを含み、
前記視覚センシングユニットは構造化光源及び視覚センサーを含み、前記構造化光源及び前記視覚センサーは前記溶接トーチの左右の両側にそれぞれ設置され、前記構造化光源は、単線構造化光を放出し、溶融池に単線構造化光を照射するためのものであり、前記視覚センサーは、単線構造化光が溶融池の表面及び溶接ワークピースの表面に照射して形成された構造化光のスポット画像を収集し、構造化光のスポット画像を出力するためのものであり、
前記計算制御ユニットは、前記視覚センサーに接続されるコンピュータを含み、前記コンピュータは、構造化光のスポット画像を受信して、構造化光のスポット画像を処理し、現在溶融池の崩壊特徴量を取得し、現在溶融池の崩壊特徴量と溶融池の崩壊特徴量期待値との間の偏差に基づいて前記溶接トーチの溶接電流を調節するためのものである。
【０００７】
更に、前記溶接ユニットは溶接電源を更に含み、前記溶接トーチは前記溶接電源に接続され、前記溶接電源は前記コンピュータに接続され、前記溶接電源は前記溶接トーチに溶接電流を出力するためのものであり、前記コンピュータは前記溶接電源によって前記溶接トーチの溶接電流を調節する。
【０００８】
更に、前記溶接ユニットは、前記溶接トーチを冷却するための冷却水タンクを更に含み、前記冷却水タンクには水タンクの水入口及び水タンクの水出口が設けられ、前記溶接トーチには溶接トーチの水入口及び溶接トーチの水出口が設けられ、前記水タンクの水出口は前記溶接トーチの水入口に接続され、前記溶接トーチの水出口は前記水タンクの水入口に接続され、前記冷却水タンクは前記溶接電源に接続される。
【０００９】
更に、前記溶接ユニットは、前記溶接電源に接続される保護ガス貯蔵タンクを更に含み、前記保護ガス貯蔵タンクは前記溶接電源によって前記溶接トーチに保護ガスを提供する。
【００１０】
更に、前記視覚センサーにはバンドパスフィルターが取り付けられ、前記バンドパスフィルターは単線構造化光を通過させ、他のバンドのアーク光の干渉を除去する。
【００１１】
具体的には、取付板を更に含み、前記構造化光源、視覚センサー、及び溶接トーチは前記取付板にそれぞれ取り付けられ、前記構造化光源、視覚センサー、及び溶接トーチの三者の軸線は同一の平面にある。
【００１２】
具体的には、前記溶接ワークピースは前記溶接トーチの真下に設置され、前記構造化光源及び前記視覚センサーはそれぞれ前記溶接ワークピースに位置合わせされ、前記構造化光源の軸線及び前記視覚センサーの軸線はそれぞれ前記溶接トーチの軸線に対して対称となる。
【００１３】
本出願は、上記技術課題を解決するために、上記の溶接ビード成形制御装置を用いた溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御方法を更に提供し、当該方法は、
溶接トーチの初期溶接パラメーターを設定し、溶融池の崩壊特徴量期待値を取得することと、
構造化光源をオンにし、溶融池に単線構造化光を照射し、前記溶接トーチが溶接を開始することと、
視覚センサーは、単線構造化光が溶融池の表面及び溶接ワークピースの表面に照射して形成された構造化光のスポット画像を収集し、構造化光のスポット画像をコンピュータに送信することと、
前記コンピュータは、構造化光のスポット画像を処理して、現在溶融池の崩壊特徴量を取得し、現在溶融池の崩壊特徴量と溶融池の崩壊特徴量期待値との間の偏差に基づいて前記溶接トーチの溶接電流を調節することとを含む。
【００１４】
更に、前記の現在溶融池の崩壊特徴量を取得することは、具体的に、
構造化光のスポット画像からスポットを含む関心のあるエリアを後続の画像処理の対象として選択し、当該関心のあるエリアに対して、閾値セグメンテーション及び形態学的拡張演算を行い、二値化画像を取得し、二値化画像連結領域におけるノイズ連結領域を取り除き、前景エリアを取得することと、
前景エリア内の元画像に対して中心線抽出を行い、抽出して得られた中心線は単線構造化光が前記溶接ワークピース母材に照射して形成された直線セグメントと、単線構造化光が溶融池の窪み表面に照射して形成された曲線セグメントに分けられることと、
直線方程式を用いて直線セグメントをフィッティングして直線Ｌを取得し、多項式方程式を用いて曲線セグメントをフィッティングして曲線Ｃを取得し、直線Ｌと曲線Ｃで囲まれた面積を取得し、当該面積を溶融池崩壊面積Ｓとすることと、
溶融池崩壊面積Ｓに対して平方根演算を行って、現在溶融池の崩壊特徴量
2021535836.tif 000003
を取得することとを含む。
【００１５】
更に、前記の前景エリアを取得することは、具体的に、
二値化画像連結領域の周長をＰとし、面積をＡとすることと、
2021535836.tif 000004
＞
2021535836.tif 000005
を満たす連結領域を取り除き、二値化画像連結領域における取り除いて残した連結領域を前景エリアとすることと、を含み
そのうち、
2021535836.tif 000006
は実際の経験に基づいて選択された定数であり、
2021535836.tif 000007
は
2021535836.tif 000008
内から値を取る。
【００１６】
更に、前記の溶融池の崩壊特徴量期待値を取得することは、具体的に、
溶接ビード溶込み程度の要求に応じて溶接ビード裏面の幅期待値を設定することと、
溶融池の崩壊特徴量と溶接ビード裏面の幅期待値とのマッピング関係に基づいて対応する溶融池の崩壊特徴量期待値を取得することと、を含む。
【発明の効果】
【００１７】
本出願の上記技術方案は以下の利点を有する。
【００１８】
本出願に係る溶接ビード成形制御装置及び方法は、溶接トーチにより溶接ワークピースに対して溶接操作を行い、構造化光源から放出された単線構造化光により溶融池に照射し、視覚センサーにより単線構造化光が溶融池の表面及び溶接ワークピースの表面に照射して形成された構造化光のスポット画像を収取し、構造化光のスポット画像をコンピュータに出力し、コンピュータにより構造化光のスポット画像を処理して、現在溶融池の崩壊特徴量を取得し、現在溶融池の崩壊特徴量と溶融池の崩壊特徴量期待値との間の偏差に基づいて前記溶接トーチの溶接電流を調節する。本出願は、溶接電流をリアルタイムに調節することにより、溶融池の崩壊特徴量が一定となるように確保し、均一で一致する溶接ビード裏面の幅を取得することができ、更に溶接ビード溶込みが均一で一致することが実現され、構造が簡単で、コストが低く、実施の難易度が低く、生産実践に適用しやすいなどの利点を有する。
【００１９】
本出願に係る溶接ビード成形制御装置及び方法は、溶接ビード成形に対する有効制御を実現でき、緊密突き合わせ継手のフィラワイヤなしの直流タングステンガスシールド溶接に適用して、溶込みが均一で一致するフィラワイヤなしの直流タングステンガスシールド溶接の溶接ビードを実現することができ、特に、航空宇宙製造分野の大型アルミニウム合金構造部品のパッドレス溶接に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
図１は本出願の実施例に係る溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置の構造模式図である。
図２は本出願の実施例に係る溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御方法のフローチャート。
図３は本出願の実施例において視覚センサーが収集した構造化光のスポット画像である。
図４は本出願の実施例において画像の関心のあるエリアに対して閾値セグメンテーション及び形態学的拡張演算を行って得られた二値化画像である。
図５は本出願の実施例において二値化画像に対してノイズ連結領域を取り除いて得られた前景エリアである。
図６は本出願の実施例において前景エリア内の元画像に対して中心線抽出を行って得られた結果である。
図７は本出願の実施例において中心線の直線セグメントと曲線セグメントをそれぞれフィッティングして得られた結果である。
（符号の説明）
図面において、１…溶接トーチ、２…溶接ワークピース、３…構造化光源、４…視覚センサー、５…コンピュータ、６…溶接電源、７…冷却水タンク、８…保護ガス貯蔵タンク、９…バンドパスフィルター、１０…取付板。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本出願の実施例の目的、技術案及び利点をより明確にするために、以下、本出願の実施例における図面を参照しながら、本出願の実施例における技術案を明確で完全に説明し、明らかなように、説明する実施例は本出願の一部の実施例に過ぎず、すべての実施例ではない。本出願における実施例に基づいて、当業者が創造的な労働を行わずに得られた他の実施例はいずれも本出願の保護範囲に含まれる。
【００２２】
図１に示すように、本出願の実施例は、溶接ユニット、視覚センシングユニット、及び計算制御ユニットを含む、溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置を提供する。
【００２３】
前記溶接ユニットは、溶接ワークピース２に対して溶接操作を行うための溶接トーチ１を含む。
【００２４】
前記視覚センシングユニットは、構造化光源３及び視覚センサー４を含み、前記構造化光源３及び前記視覚センサー４は前記溶接トーチ１の左右の両側にそれぞれ設置される。そのうち、前記構造化光源３は、単線構造化光を放出し、溶融池に単線構造化光を照射するためのものである。前記視覚センサー４は、単線構造化光が溶融池の表面及び溶接ワークピース２の表面に照射して形成された構造化光のスポット画像を収集して、構造化光のスポット画像を出力するためのものである。
【００２５】
前記計算制御ユニットは、前記視覚センサー４に接続されるコンピュータ５を含む。そのうち、前記コンピュータ５は、前記視覚センサー４が出力した構造化光のスポット画像を受信して、構造化光のスポット画像を処理し、現在溶融池の崩壊特徴量を取得し、現在溶融池の崩壊特徴量と溶融池の崩壊特徴量期待値との間の偏差に基づいて前記溶接トーチ１の溶接電流を調節するためのものである。
【００２６】
本出願の実施例に係る溶融池表面視覚センシングに基づく溶接ビード成形制御装置は、前記溶接トーチ１の溶接電流をリアルタイムに調節することにより、溶融池の崩壊特徴量が一定となるように確保し、均一で一致する溶接ビード裏面の幅を取得することができ、更に溶接ビード溶込みが均一で一致することが実現され、構造が簡単で、コストが低く、実施の難易度が低く、生産実践に適用しやすいなどの利点を有する。
【００２７】
本出願の実施例に係る溶接ビード成形制御装置は、溶接ビード成形に対する有効制御を実現でき、緊密突き合わせ継手のフィラワイヤなしの直流タングステンガスシールド溶接に適用して、溶込みが均一で一致するフィラワイヤなしの直流タングステンガスシールド溶接の溶接ビードを実現することができ、特に、航空宇宙製造分野の大型アルミニウム合金構造部品のパッドレス溶接に適用することができる。
【００２８】
本出願のさらなる実施例では、前記溶接ユニットは溶接電源６を更に含み、前記溶接トーチ１は前記溶接電源６に接続され、前記溶接電源６は前記溶接トーチ１に溶接電流を出力するためのものである。
【００２９】
前記溶接電源６は前記コンピュータ５に接続され、前記コンピュータ５は、前記溶接電源６が前記溶接トーチ１に出力する溶接電流をリアルタイムに調節することができ、これにより、前記溶接トーチ１の溶接電流のリアルタイムな調節が実現される。
【００３０】
本出願のさらなる実施例では、前記溶接ユニットは、冷却水タンク７を更に含み、前記冷却水タンク７には水タンクの水入口及び水タンクの水出口が設けられ、前記溶接トーチ１には溶接トーチの水入口及び溶接トーチの水出口が設けられ、前記水タンクの水出口は前記溶接トーチの水入口に接続され、前記溶接トーチの水出口は前記水タンクの水入口に接続され、前記冷却水タンク７は前記溶接トーチ１を冷却するためのものである。
【００３１】
前記冷却水タンク７は前記溶接電源６に接続され、前記溶接電源６は前記冷却水タンク７の運転に電力を提供することができる。
【００３２】
本出願のさらなる実施例では、前記溶接ユニットは、前記溶接電源６に接続される保護ガス貯蔵タンク８を更に含み、前記保護ガス貯蔵タンク８は前記溶接電源６によって前記溶接トーチ１に保護ガスを提供することにより、前記溶接トーチ１により直流タングステンガスシールド溶接を行う。
【００３３】
本出願のさらなる実施例では、前記視覚センサー４にはバンドパスフィルター９が取り付けられ、前記バンドパスフィルター９を設置することにより、前記構造化光源３から放出された単線構造化光を通過させて溶融池の表面に照射させ、他のバンドのアーク光干渉を除去することができる。
【００３４】
本出願の具体的な実施例では、取付板１０を更に含み、前記構造化光源３、視覚センサー４及び溶接トーチ１は前記取付板１０にそれぞれ取り付けられる。
【００３５】
そのうち、前記構造化光源３、視覚センサー４及び溶接トーチ１の三者の軸線は同一の平面にある。
【００３６】
そのうち、前記溶接ワークピース２は前記溶接トーチ１の真下に設置され、前記構造化光源３及び前記視覚センサー４はそれぞれ前記溶接ワークピース２に位置合わせされ、前記構造化光源３の軸線及び前記視覚センサー４の軸線はそれぞれ前記溶接トーチ１の軸線に対して対称となる。この構造の設置方式は、単線構造化光の溶融池の表面での反射を鏡面反射にすることができる。
【００３７】
１つの実施例では、前記構造化光源３の軸線と前記溶接トーチ１の軸線との間の角は７０°に設定することができ、同様に、前記視覚センサー４の軸線と前記溶接トーチ１の軸線との間の角も７０°に設定される。
【００３８】
図２に示すように、本出願の実施例は、上記の実施例に係る溶接ビード成形制御装置を用いた溶接ビード成形制御方法を更に提供し、当該方法は、
溶接トーチの初期溶接パラメーターを設定し、溶融池の崩壊特徴量期待値を取得するステップと、
構造化光源をオンにし、前記構造化光源から放出された単線構造化光を溶融池の表面及び溶接ワークピースの表面に照射すると、前記溶接トーチが溶接を開始するステップと、
視覚センサーは、単線構造化光が溶融池の表面及び溶接ワークピースの表面に照射して形成された構造化光のスポット画像を収集し、構造化光のスポット画像をコンピュータに送信するステップと、
前記コンピュータは、構造化光のスポット画像を処理して、現在溶融池の崩壊特徴量を取得するステップと、
前記コンピュータは、現在溶融池の崩壊特徴量と溶融池の崩壊特徴量期待値との間の偏差に基づいて前記溶接トーチの溶接電流を調節するステップとを含む。
【００３９】
図３は視覚センサーに収集された構造化光のスポット画像を示し、そのうち、Ａで示されるボックスは関心のあるエリアであり、Ｂは溶接ビードの両側の溶接ワークピースの表面に反射された構造化光であり、Ｄは溶融池の窪み表面に反射された構造化光である。
【００４０】
本出願の実施例に係る溶接ビード成形制御方法は、溶接トーチの溶接電流をリアルタイムに調節することができ、これにより溶融池の崩壊特徴量が一定となるように確保し、均一で一致する溶接ビード裏面の幅を取得することができ、溶接ビード溶込みが均一で一致することが実現される。
【００４１】
本出願の実施例に係る溶接ビード成形制御方法は、溶接ビード成形に対する有効制御を実現でき、緊密突き合わせ継手のフィラワイヤなしの直流タングステンガスシールド溶接に適用して、溶込みが均一で一致するフィラワイヤなしの直流タングステンガスシールド溶接の溶接ビードを実現することができ、特に、航空宇宙製造分野の大型アルミニウム合金構造部品のパッドレス溶接に適用することができる。
【００４２】
本出願のさらなる実施例では、前記の現在溶融池の崩壊特徴量を取得することは、具体的に以下のステップを含む。
【００４３】
構造化光のスポット画像からスポットを含む関心のあるエリアを後続の画像処理の対象として選択し、当該関心のあるエリアに対して、閾値セグメンテーション及び形態学的拡張演算を行い、二値化画像を取得し、二値化画像連結領域におけるノイズ連結領域を取り除き、前景エリアを取得する。図４は取得された二値化画像を示し、そのうち、Ｅはノイズ連結領域である。図５は取得された前景エリアである。
【００４４】
前景エリア内の元画像に対して中心線抽出を行い、抽出して得られた中心線は、単線構造化光が前記溶接ワークピース母材に照射して形成された直線セグメントと、単線構造化光が溶融池の窪み表面に照射して形成された曲線セグメントに分けられる。図６は前景エリア内の元画像に対して中心線抽出を行って得られた結果画像を示し、そのうち、Ｇは単線構造化光が前記溶接ワークピース母材に照射して形成された直線セグメントであり、Ｆは単線構造化光が溶融池の窪み表面に照射して形成された曲線セグメントである。
【００４５】
直線方程式を用いて直線セグメントをフィッティングして直線Ｌを取得し、多項式方程式を用いて曲線セグメントをフィッティングして曲線Ｃを取得し、図７に示すように、直線Ｌと曲線Ｃで囲まれた面積を取得し、当該面積を溶融池崩壊面積Ｓとし、図７における斜線部分面積は溶融池崩壊面積Ｓである。
【００４６】
溶融池崩壊面積Ｓに対して平方根演算を行って、現在溶融池の崩壊特徴量
2021535836.tif 000009
を取得する。
【００４７】
本出願のさらなる実施例では、前記の前景エリアを取得することは、具体的に、
二値化画像連結領域の周長をＰとし、面積をＡとするステップと、
2021535836.tif 000010
＞
2021535836.tif 000011
を満たす連結領域を取り除き、二値化画像連結領域における取り除いて残した連結領域を前景エリアとするステップと、を含む。
【００４８】
そのうち、
2021535836.tif 000012
は実際の経験に基づいて選択された定数であり、１つの実施例では、
2021535836.tif 000013
は
2021535836.tif 000014
内から値を取る。
【００４９】
本出願のさらなる実施例では、前記の溶融池の崩壊特徴量期待値を取得することは、具体的に、
溶接ビード溶込み程度の要求に応じて溶接ビード裏面の幅期待値を設定するステップと、
溶融池の崩壊特徴量と溶接ビード裏面の幅期待値とのマッピング関係に基づいて対応する溶融池の崩壊特徴量期待値を取得するステップとを含む。
【００５０】
そのうち、溶融池の崩壊特徴量と溶接ビード裏面の幅期待値とのマッピング関係は、異なる溶接電流下での溶接過程に対してモデリングシミュレーションと実験を実行して取得されたものである。
【００５１】
本出願のさらなる実施例では、溶接トーチの初期溶接パラメーターは初期溶接電流を含み、前記初期溶接電流は溶接ワークピースの材質と厚さに基づいて得られる。
【００５２】
本出願の実施例に係る溶接ビード成形制御方法の原理は以下の通りである。
【００５３】
緊密突き合わせワークピースのフィラワイヤなしの溶接過程では、溶接前と溶接後の金属体積は基本的に変わらなく、溶込みが均一で、外観が一致する溶接ビードの裏面は窪み程度が一致する溶接ビードの表面を意味するので、従来に溶融池の２次元画像情報を利用する方法と異なり、本出願は、溶融池の崩壊情報を利用して溶接プロセスをガイドし、表面崩壊量が一致する溶接ビードが得られ、これにより、幅が一致する溶接ビード裏面が間接的に得られ、更に溶込みが均一で一致することが実現される。
【００５４】
本出願の実施例に係る溶接ビード成形制御方法は、緊密突き合わせ継手のフィラワイヤなしの直流タングステンガスシールド溶接に対して有効な溶接ビード成形制御手段を提供でき、溶接溶融池の構造化光情報を利用するため、従来の２次元溶融池画像に比べて、本出願は、画像の信号対雑音比が高く、処理が簡単であり、溶込み程度との関係が直接的であるため、制御効果はより安定しており、良好である。
【００５５】
上記のように、本出願の実施例に係る溶接ビード成形制御装置及び方法は、溶接電流をリアルタイムに調節することにより、溶融池の崩壊特徴量が一定となるように確保し、均一で一致する溶接ビード裏面の幅を取得することができ、更に溶接ビード溶込みが均一で一致することが実現される。
【００５６】
本出願の説明において、明確な規定と限定がない限り、「互いに接続」、「接続」等の用語の意味は広く理解されるべきであり、例えば、固定接続や、着脱可能な接続や、あるいは一体的な接続でも可能であり、機械的な接続や、電気的な接続でも可能であり、直接互いに接続することや、中間媒体を介して間接に互いに接続することも可能である。当業者にとって、具体的な状況に応じて上記用語の本出願での具体的な意味を理解することができる。
【００５７】
本出願の説明において、特に明記しない限り、「いくつか」とは１つ又は複数を意味し、「複数」とはいずれも二つ又は二つ以上を意味する。「上」、「下」、「左」、「右」、「内」、「外」等の用語で示す方位又は位置関係は、図示に基づく方位又は位置関係であり、本出願を便利にまたは簡単に説明するためのものだけであり、示された装置又は素子が必ず特定の方位にあり、特定の方位で構造され、操作されると指示又は暗示するものではないため、本出願に対する限定と理解されるべきではない。
【００５８】
上記の実施例は、本出願の技術案を説明するためのものに過ぎず、限定するものではない。前記の実施例を参照しながら本出願を詳細的に説明したが、当業者は、前記の各実施例に記載された技術案を変更する又はその一部の技術特徴を同等置換することができ、これらの変更または置換が、相応する技術案の本質を本出願の各実施例の技術案の趣旨と範囲から逸脱させないことを理解できるはずである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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