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：

在焊接工業研究中，通過對焊接熔滴過渡過程及熔池形態的圖像進行實時、直觀的觀察，獲得焊機工作穩定性的參數以反饋控制，提高焊縫成形一致性，并可實時監測熔池幾何尺寸，實現精量化控制。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域不同部位光強差異極大，即觀測區域的光強動態范圍特別大（通常大于120dB）：焊接中心溫度極高，為強等離子體發光，邊緣區域是材料融化后的熔池區域，溫度較低，只有較弱的光輻射。高亮度的等離子體發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域，無法看到焊接中心及邊緣的圖像細節（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：

針對焊接觀測區域動態范圍極大，焊接中心強等離子發光會使圖像傳感器芯片曝光過度的問題，我們選擇大動態范圍CMOS工業相機，并配套自主研發的焊接高速圖像實時存儲系統：AcutEye-w2009系統，可很好實現高速圖像長時間記錄，AcutEye-w2009系統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、電流信號專業分析環境。

AcutEye-w2009系統采用瑞士Photonfocus公司大動態范圍CMOS工業相機，必要時配以光學輔助手段，解決焊接中心圖像曝光過度問題。瑞士Photonfocus公司采用linlog技術來增大相機的動態范圍，對強光響應成對數特性以壓縮其灰度，對弱光響應仍然為線性，以達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、Linlog 響應、對數響應曲線

系統結構：

     AcutEye-w2009系統主要包括瑞士Photonfocus為代表的大動態范圍高速工業相機、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，此系統內集成了圖像采集卡、高速圖像存儲體、電壓、電流信號采集子系統等。

關鍵特性：

采用瑞士Photonfocus大動態范圍CMOS高速工業相機，動態范圍可達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，無需光學輔助系統即可得到對比度較好的圖像，借助光學輔助手段可得到高清晰的、細節清晰的圖像。

采用自主研發的高速圖像存儲系統可實現高速圖像的長時間存儲：高達650MB/s的數據傳輸速率，存儲時間最長可達110min；可導出通用的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、快退等功能，可實現焊接高速圖像的實時存儲、事后逐幀查看。

實現高速圖像與焊機電壓、電流數據的同步采集、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的電壓、電流等參數，更便于實現對焊機穩定性的控制，提高焊縫成形的一致性。

焊接高速圖像與焊機參數同步采集、存儲、顯示界面圖

應用實例：

激光焊

1、工業激光焊接在線檢測系統：

2、激光焊接無干預焊接檢測系統：

      

電弧焊：

雙絲焊接：觀察熔滴過渡過程，通過熔滴過渡形態判斷焊接參數是否穩定

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