Gma增材制造双被动视觉传感检测装置及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种恪化极气体保护电弧（Gas Metal Arc，GMA)增材制造堆积尺寸被 动视觉传感的检测装置及方法，属于电弧增材制造技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着航空航天、能源动力、国防军工等关键技术领域对致密金属零件的性能、精 度、制造成本和周期的要求日趋苛刻，采用增材制造技术直接成形金属零件成为国内外的 研究热点。常用的金属零件增材制造热源有激光、电子束、电弧等。其中，熔化极气体保护 (Gas Metal Arc，GMA)增材制造技术采用焊接电弧作为热源将金属丝材熔化，按设定成形 路径在基板上堆积每一层片，层层堆敷直至成形金属件，具有制造成本低、材料利用率高、 生产效率高等优点。成形零件由全焊缝金属组成，致密度高、冶金结合性能好、化学成分均 匀、力学性能好。
[0003] 在GM增材制造过程中，每一熔敷层温度场分布、熔池形态、散热条件等不一致； 各种干扰因素，如基板初始条件、喷嘴高度、层间温度和保护气流量等，都会影响成形过程 的稳定性与尺寸精度。另一方面，多层单道GM增材制造是单热源反复堆积过程，每堆积一 个熔敷层，工作台下降一设定高度，由于成形过程各种干扰的存在，当前堆积的熔敷层高度 与工作台下降的高度很难保证相同，经过多次反复堆积，熔敷层上表面到喷嘴的距离始终 处于动态变化之中。这一现象会使得成形过程出现不稳定，首先，检测堆积宽度的传感器到 熔敷层上表面的距离也是变化的，难以精确测量宽度信息；其次，多次堆积成形后，熔敷层 上表面到喷嘴的距离过小，出现"撞枪"现象，如果过大，喷嘴气体保护效果不好，甚至形成 气孔等缺陷。因此，亟需开展GM增材制造堆积尺寸及熔敷层上表面到喷嘴距离的实时监 测难题。目前传感检测方法很多，其中视觉传感获得的信息量大，可以提取堆积尺寸特征信 息，是实现堆积质量监测与控制的重要方法。由于GM增材制造堆积尺寸检测参数多且复 杂，基于现有视觉传感的检测方法难度大。
【发明内容】
[0004] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决现有GM增材制造中，成 形尺寸宽度不一致及喷嘴到熔敷层上表面距离变化的问题，提供一种GM增材制造双被动 视觉传感测装置及其检测方法。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明提供一种GMA增材制造双被动视觉传感检测装置， 包括：工作平台、工作平台上的基板、基板上方位置固定的焊枪、焊枪上的喷嘴、安装在喷嘴 的右上方且与焊枪位于ZOY平面内的宽度视觉传感器、宽度视觉传感器前端的宽度复合滤 光系统、安装在焊枪的正前方且与焊枪位于XOZ平面内的高度视觉传感器、高度视觉传感 器前端的高度复合滤光系统，所述宽度视觉传感器用于监测堆积熔池尾部的宽度信息，高 度视觉传感器用于监测喷嘴到堆积熔池尾部的距离即高度信息。
[0006] 作为优选方式，还包括计算机、分别和所述计算机连接的数据采集卡和图像采集 卡、和数据采集卡连接的气保焊机、和数据采集卡连接并驱动工作平台水平移动的步进电 机，计算机通过数据采集卡控制气保焊机的堆积电流，计算机控制数据采集卡发出脉冲信 号和开关量信号从而控制步进电机驱动工作平台运动，焊枪熔化丝材并与工作平台连接形 成回路从而产生电弧，宽度视觉传感器连接图像采集卡，宽度视觉传感器采集的堆积宽度 经图像采集卡传输到计算机中；高度视觉传感器连接图像采集卡，高度视觉传感器采集的 高度信息经图像采集卡传输到计算机中。
[0007] 作为优选方式，所述宽度视觉传感器与焊枪的夹角为22° -34°。在这个角度范 围内可以利用喷嘴挡住电弧辐射光的作用。
[0008] 作为优选方式，所述高度视觉传感器正对焊枪，且与焊枪的夹角为90°。这样设置 便于焊枪在高度视觉传感器采集的图像标定。
[0009] 作为优选方式，所述高度视觉传感器的CXD光心在高度方向上比喷嘴低1-2_。这 样能确保喷嘴部分显示在采集的图像中。
[0010] 作为优选方式，所述宽度复合滤光系统和高度复合滤光系统中的窄带滤光片中心 波长为680nm，带宽为7nm。电弧辐射的680nm的谱线光较弱，采用该波长的滤光镜可滤掉 大量杂光对图像质量的干扰，宽度复合滤光系统包含宽度减光镜和宽度滤光镜，高度复合 滤光系统包括高度减光镜和高度滤光镜。
[0011] 为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述GMA增材制造双被动视觉传感 检测装置的检测方法，包括如下步骤：
[0012] (1)计算机控制气保焊机开启及步进电机的旋转，确定初始堆积工艺参数；
[0013] (2)高度视觉传感器监测喷嘴到堆积熔池尾部的距离，采集的图像经图像采集卡 传输到计算机中，经过计算机图像处理确定堆积熔池尾部的上边缘，采用二维平面网格模 板确定像素比例因子，进一步计算堆积熔池尾部的高度尺寸；
[0014] (3)宽度视觉传感器监测堆积熔池尾部的宽度信息，采集的图像经图像采集卡传 输到计算机中，经过计算机图像处理确定堆积熔池尾部的宽度的上下边缘，采用二维平面 网格模板确定像素比例因子与喷嘴到堆积熔池尾部的距离关系，并结合实时检测的喷嘴到 堆积熔池尾部的距离，进一步计算堆积熔池尾部的宽度尺寸。
[0015] 作为优选方式，堆积电流为100-180A，堆积速度3-8mm/s。这样设置能防止堆积过 程热输入过大引起的成形坍塌。
[0016] 作为优选方式，所述步骤（2)和步骤（3)中的计算机图像处理的算法由Gaussian 滤波算法、Robert边缘提取检测算法、Hough变换直线检测算法构成，Gaussian滤波算法对 熔池图像进行平滑滤波，Robert边缘提取检测算法提取熔池上下边缘，Hough变换直线检 测算法对提取的边缘进行直线拟合。
[0017] 作为优选方式，焊枪未起弧时，高度视觉传感器的标定是通过二维平面网格模板 完成的，将二维平面网格模板放置在喷嘴的正下方，且位于ZOY平面内；焊枪未起弧时，宽 度视觉传感器的标定是通过二维平面网格模板完成的，将二维平面网格模板放置在堆积熔 池尾部所示的位置，且模板平面与XOY平面平行，改变喷嘴到堆积熔池尾部的距离，获得不 同距离下第m列或第η列的像素比例因子：
[0018] f Κ.γ) = ￥2 + + cI \Rn (χ) = Q2X1 + b2x + C2
[0019] 其中，Rni(X)和比〇〇分别是第m列和第η列的像素比例因子，χ表示喷嘴到熔池 尾部的高度，ap匕， Cl，a2, b2, C2是拟合获得的系数。
[0020] 本发明的有益效果为：本发明设计的双被动视觉传感检测装置和检测方法，能够 同时监测GM增材制造堆积宽度及喷嘴到熔敷层上表面距离的特征信息，获取监测目标图 像，并通过尺寸控制来保证成形质量，有效地解决了 GM增材制造熔敷宽度和高度的实时 检测难题，通过提取堆积尺寸特征信息，实现后续堆积尺寸的实时监测和闭环控制，为GM 增材制造堆积质量实时控制提供了可靠的技术支撑。
【附图说明】
[0021 ] 图1是GMA增材制造双被动视觉传感系统结构示意图；
[0022] 图2是高度视觉传感器采集的喷嘴到堆积熔池尾部上表面图像；
[0023] 图3是宽度视觉传感器采集堆积熔池尾部宽度图像；
[0024] 图4是二维平面网格标定模板。
[0025] 1为工作平台，2为基板，3为焊枪，4为喷嘴，5为电弧，6为堆积熔池尾部，7为宽度 视觉传感器，8为宽度复合滤光系统，9为高度视觉传感器，10为高度复合滤光系统，11为气 保焊机，12为图像采集卡，13为步进电机，14为数据采集卡，15为计算机。
【具体实施方式】
[0026] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0027] -种GM增材制造双被动视觉传感检测装置，包括：工作平台1、工作平台上的基 板2、基板2上方位置固定的与基板2垂直的焊枪3、焊枪3上的喷嘴4、安装在喷嘴4的右 上方且与焊枪1位于ZOY平面内的宽度视觉传感器7、宽度视觉传感器7前端的宽度复合滤 光系统8、安装在焊枪3的正前方且与焊枪3位于XOZ平面内的高度视觉传感器9、高度视 觉传感器9前端的高度复合滤光系统10、计算机15、分别和所述计算机15连接的数据采集 卡14和图像采集卡12、和数据采集卡14连接的气保焊机11、和数据采集卡14连接并驱动 工作平台1水平移动的步进电机13,堆积过程中焊枪3位置不动保持静止，计算机15通过 数据采集卡14输出D/A信号，实现气保焊机11的堆积电流控制，计算机15控制数据采集 卡14发出脉冲信号和开关量信号从而控制步进电机13驱动工作平台运动，步进电机13控 制工作平台1水平移动从而实现堆积速度的调节。焊枪3熔化丝材并与工作平台1连接形 成回路从而产生电弧5,宽度视觉传感器7连接图像采集卡12,所述宽度视觉传感器7用于 监测堆积熔池尾部6的宽度信息，宽度视觉传感器7采集的堆积宽度经图像采集卡12传输 到计算机15中；高度视觉