焊接高速图像拍摄解决方案

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焊接高速图像拍摄解决方案

背景意义：

在焊接工业研究中，通过对焊接熔滴过渡过程及熔池形态的图像进行实时、直观的观察，获得焊机工作稳定性的参数以反馈控制，提高焊缝成形一致性，并可实时监测熔池几何尺寸，实现精量化控制。而拍摄焊接熔滴过渡过程和熔池的最大困难在于所观测焊接区域不同部位光强差异极大，即观测区域的光强动态范围特别大（通常大于120dB）：焊接中心温度极高，为强等离子体发光，边缘区域是材料融化后的熔池区域，温度较低，只有较弱的光辐射。高亮度的等离子体发光会使图像传感器芯片曝光过度，强光部分的图像是一片白色区域，无法看到焊接中心及边缘的图像细节（如下图1红色方框所示）。

                              

图1 曝光过度的焊接图片

解决方案：

针对焊接观测区域动态范围极大，焊接中心强等离子发光会使图像传感器芯片曝光过度的问题，我们选择大动态范围CMOS工业相机，并配套自主研发的焊接高速图像实时存储系统：AcutEye-w2009系统，可很好实现高速图像长时间记录，AcutEye-w2009系统将图像信号与焊机的电压、电流信号同步采集、实时长时间存储、同步显示，形成焊接图像及焊机电压、电流信号专业分析环境。

AcutEye-w2009系统采用瑞士Photonfocus公司大动态范围CMOS工业相机，必要时配以光学辅助手段，解决焊接中心图像曝光过度问题。瑞士Photonfocus公司采用linlog技术来增大相机的动态范围，对强光响应成对数特性以压缩其灰度，对弱光响应仍然为线性，以达到平衡图像对比度的作用，其原理如下图2所示：

图2 线性响应、Linlog 响应、对数响应曲线

系统结构：

     AcutEye-w2009系统主要包括瑞士Photonfocus为代表的大动态范围高速工业相机、高度集成的高速图像-焊机电压电流信号同步采集、存储、显示系统，此系统内集成了图像采集卡、高速图像存储体、电压、电流信号采集子系统等。

关键特性：

采用瑞士Photonfocus大动态范围CMOS高速工业相机，动态范围可达120dB，在Linlog功能下能有效抑制等离子的强弧光干扰，在焊机电压、电流较小时可直接用相机拍摄，无需光学辅助系统即可得到对比度较好的图像，借助光学辅助手段可得到高清晰的、细节清晰的图像。

采用自主研发的高速图像存储系统可实现高速图像的长时间存储：高达650MB/s的数据传输速率，存储时间最长可达110min；可导出通用的BMP图像格式文件和AVI视频文件；具有类似录像机的录像、回放、快进、快退等功能，可实现焊接高速图像的实时存储、事后逐帧查看。

实现高速图像与焊机电压、电流数据的同步采集、存储、显示，使用户可更直接地得到焊接熔滴过渡过程中对应的电压、电流等参数，更便于实现对焊机稳定性的控制，提高焊缝成形的一致性。

焊接高速图像与焊机参数同步采集、存储、显示界面图

应用实例：

激光焊

1、工业激光焊接在线检测系统：

2、激光焊接无干预焊接检测系统：

      

电弧焊：

双丝焊接：观察熔滴过渡过程，通过熔滴过渡形态判断焊接参数是否稳定

不加背景光，直接用相机拍摄

      

激光和电弧焊混合焊：观察熔滴过渡过程和熔池，以及激光焊枪和电弧焊枪的距离对焊接稳定性的影响

加较大功率背景光

   

单丝铝板焊接：观察熔滴过渡过程和熔池

加小功率背景光

  

短路焊接：观察短路过渡中液桥张力变化过程

加小功率背景光