焊接质量实时在线图像检测相机选择 - 机械必威体育网址 - Powered by Discuz!

自动化焊接是当今工业自动化的重要组成部分，而焊接过程中的实时质量检测与控制则是技术重点和难点。焊接在线实时检测就是边焊接边检测，发现有质量问题，可立即采取相应措施。

焊接是在要焊件的工件表面形成局部高温，形成熔池，熔池冷却固化完成焊接。整个焊接区域的不同部位发光特性相差很大，焊接中心温度通常非常高，会形成发出耀眼强光的等离子体，其边缘是材料熔化后的熔池，熔池温度较低，只有很弱的光辐射，这使视觉传感器观测区域不同部位的光强差异很大，通常大于100dB。焊接在线实时检测中焊接图像通常用数字工业相机来摄取，获得清晰熔池图像面临的最大困难是要克服焊接等离子体形成的强光干扰。一般，如果不采取措施，焊接实时检测图像获取系统的入射光强会超过工业相机传感器的响应上限，

会使一般工业相机的所有或大部分感光单元在其曝光的短时间内达到光照饱和，从而使相机感光单元的输出达到电饱和，无法重现焊接熔池中心及边缘部分的图像细节，熔池图像的细节会完全丢失。

要获得在强光等离子体条件下的焊接熔池中心及边缘部分的清晰图像，对焊接实时检测的图像获取系统中的关键部件数字工业相机提成了一些独特的技术要求，后续几个部分我们将讨论不同数字工业相机特性差异，并介绍一特别适合焊接实时检测图像获取系统的工业相机。

CCD是电荷藕合器件（Charge Coupled Device）的简称，它是应用最广泛的图像传感器之一。一个CCD图像传感器是成像像元为X-Y纵横矩阵排列，每个成像像元由一个光电二极管和其控制的一个相邻电荷存储区组成。光强增大时，因为电荷存储区已存储了很多光生电荷，由光生电荷产生的电场会妨碍像元按线性继续积累电荷，CCD便进入了饱和区。如果光强进一步增大，电荷存储势阱将填满电子，而过剩的电子会向外溢出。CCD图像传感器存在让图像质量严重劣化的“Blooming”和“Smear”效应。

CMOS是Complimentary Metal Oxide Semiconductor (互补型金属氧化半导体)的简称，CMOS和CCD传感器一样，是在Si（硅）半导体材料上制作的。新一代CMOS采用有源像素设计，每个像元由一个能够将光子转化成电子的光电二极管、一个电荷/电压转换器、一个重置和一个选取晶体管，以及增益放大器组成。

在焊接应用中，观测区域辐射光强的差异很大，光强动态范围通常大于100dB。对这种光强变化剧烈的应用，CMOS因为没有“Blooming”，“Smear”效应，通过设定像元放大器增益特性尽可能扩展其动态范围，获取焊接熔池的清晰图像有了可能。下图是用数字CCD工业相机和Photonfocus的数字CMOS工业相机拍摄的激光焊接的焊点图像：[attach]222122[/attach]

LinLogTM技术是瑞士PhotonFocus公司在工业CMOS传感器开发中创新的专利技术。CMOS传感器工作在线性响应模式时，和CCD一样，动态范围较小，传感器很快会饱和。对数响应模式时，CMOS相机有非常大的动态范围，但其在低照度时灵敏度会降低，低照度区域图像的对比度严重降低，该区域图像会有一种灰蒙蒙的感觉。LinLogTM技术只压缩图像接近饱和及饱和区域的响应，保留在图像低照度区域响应的灵敏度和线性，所以既扩展了整个传感器的动态范围，又保证了低照度区域图像的质量。下图示出线性响应、传统对数响应与LinLogTM响应曲线的区别。

CMOS图像传感器的类似计算机内存DRAM的简单X-Y寻址的信号读出方式，允许CMOS从整个排列、部分甚至单个像元中读出信号，这是一个非常有用的特点，它允许CMOS相机通过设置感兴趣区域(Region Of Interest以下简称ROI)来获取相机视场内的有效信息，CCD相机无法提供ROI功能。ROI是在成像应用中，在CMOS相机传感器分辨范围内定义一个或多个感兴趣的窗口区域，仅对这些窗口内的图像信息进行读出，只获取该局部区域的图像。

在焊接在线实时质量检测应用中，机器视觉系统观测区域光强变化非常剧烈，要求相机动态范围尽可能的大。在这种的应用中，CCD相机因为有“Blooming”，“Smear”效应导致图像质量劣化以及较小的动态范围而不是很适合。Photonfocus的CMOS工业相机采用专利的CMOS传感器技术：LinLogTM技术或Linlog2技术，完全克服了CCD相机的不足，在保证低照度区域图像对比度的同时尽可能的扩展相机的动态范围，最高可达120dB的动态范围；独特的整体（Globel）快门技术保证了很短曝光时间（最小10微秒）的很容易实现；高速的ROI技术使高速焊接在线实时质量检测中上千赫兹对焊接熔池进行监测成为可能。Photonfocus的CMOS工业相机是针对焊接在线实时质量检测应用优化的CMOS相机，是获取焊接熔池的清晰图像，避免焊接等离子体辐射湮没焊接熔池的边缘等细节信息的重要保证。

Photonfocus的Hurricane-40-U2相机采用USB2.0接口，即插即用，不需专门的采集卡，性价比很高。MV-D1024系列相机的全分辨率为1024×1024，适合焊接检测应用的高速需求。MV-D1024-75-CL在全分辨率为1024×1024时最高帧速为每秒75帧，MV-D1024-160-CL在全分辨率为1024×1024时最高帧速为每秒150帧。目前日本的高速激光焊接机都是采用MV-D1024-160-CL来做在线质量检测的。