非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测方法与流程

本发明属于电弧填丝增材制造技术领域，具体涉及一种非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测方法。

背景技术：

非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造是以钨极氩弧或等离子弧为热源，以金属丝为填充材料，按设定路径逐层堆积，最终形成全焊缝金属构件的先进制造技术。该技术凭借热输入小、成形精度高、可实现电弧与填充丝材独立控制等优点，广泛应用于航空航天、国防军工、医疗器械、能源动力等尖端支柱领域。

在非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造过程中，每堆积一层，受层间温度、散热速度等因素的影响，金属构件实际成形高度与预设层高很难保持一致。如果金属构件实际成形高度小于预设层高，钨极尖端到金属构件表面距离变大，即电弧弧长过长，电弧容易发生飘移，熔滴无法顺利过渡到熔池；如果金属构件实际成形高度大于预设层高，钨极尖端到金属构件表面距离变小，即电弧弧长过短，钨极易与堆积层碰撞，损坏钨极，熔池夹钨。为了提高非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造成形质量，必须对非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长加以检测。目前，国内外关于非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测方法的研究相对较少。因此，有必要提出一种非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测方法。

中国专利申请号：201610940496.x名为“基于电弧电压反馈的gtaw增材制造过程稳定性检测方法”提出了一种利用电弧电压反馈来检测gtaw增材制造过程稳定性的方法，其方法具体步骤如下：使用电压传感器和数据采集卡获得gtaw增材制造过程中电弧电压沿成形路径的变化信号，用电弧电压间接反馈电弧弧长，如果电弧弧长在一定范围内，则判定成形过程稳定。但中国专利申请号为201610940496.x所述的方法，易受焊接电源及设备电信号的干扰，同时电弧电压波动大，需要一系列滤波操作才能提取有效信号，过程十分复杂。

有专家学者曾用视觉传感装置检测熔池尾部上表面到钨极尖端的距离来表征电弧弧长，但该方法存在一定的检测滞后性，因此，有必要提出一种新的非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造过程中，电弧弧长波动引起的成形质量性差的难题，提供一种非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测方法，包括以下步骤：

步骤一：利用夹具，将工业摄像机安装在非熔化极气体保护焊枪上，使工业摄像机正对钨极，工业摄像机镜头所在平面平行于非熔化极气体保护焊枪轴线与堆积路径构成的平面；

步骤二：启动工业摄像机，采集钨极尖端的图像并保存，确定钨极尖端在图像中的位置点p(m,n)，其中m为行坐标，n为列坐标，对图像进行标定，标定比例因子记为l；

步骤三：在工业摄像机前端安装滤光系统，将非熔化极气体保护焊枪调节至基板上方，启动非熔化极气体保护电源，引燃电弧，连续采集电弧图像，调节工业摄像机光圈，使整个电弧区域像素灰度值调节至255，固定光圈，对当前时刻采样图像进行处理；

步骤四：以钨极尖端点p所在的第n列为对称轴，将图像分为两部分，其中包含熔池尾部的部分定义为区域a，开发图像处理算法，提取区域a内电弧上距离第n列最远点q的行坐标k，具体步骤如下：

(1)采用领域平均法对a区域图像进行平滑和降噪处理；

(2)采用边缘检测算子对a区域图像进行处理；

(3)采用最大方差阈值分割法对a区域图像进行处理；

(4)以点p(m,n)为起点，在a区域内水平遍历，当遍历到灰度值为255的像素点时，停止遍历并保存该像素点g1(x1,y1)，其中x1为行坐标，y1为列坐标；以(m+1,n)为起点，在a区域内水平遍历，当遍历到灰度值为255的像素点时，停止遍历并保存该像素点g2(x2,y2)；重复以上步骤，直至将电弧与熔池交界处像素点ge(xe,ye)保存为止；

(5)对像素点g1(x1,y1)，g2(x2,y2)，……，ge(xe,ye)进行处理，每次间隔q个像素点取s个像素点，q的取值范围为2～4，s的取值范围为18～25；计算第1～s个像素点所在列坐标的差异系数cv1，计算第(1+q)～(s+q)个像素点所在列坐标的差异系数cv2，计算第(1+2q)～(s+2q)个像素点所在列坐标的差异系数cv3……直至计算到第(1+wq)～(s+wq)个像素点所在列坐标的差异系数cv(w+1)为止，其中其中，表示向上取整符号；

差异系数公式为

其中，s为像素点个数，yi为电弧边缘像素点列坐标，y为电弧边缘像素点列坐标的平均值；

q的取值范围设定在2～4的原因是：如果q过小，需要计算的差异系数cv过多，程序运行时间过长，电弧弧长实时检测效果变差；如果q过大，很可能会遗漏电弧上距离第n列较远的部分，最终导致电弧上距离第n列最远点q点结果不准确，因此文中q的取值范围为2～4；

s的取值范围设定在18～25的原因是：如果s过小，在检测到电弧上距离第n列较远的部分时，无法将该部分全部囊括，最终导致结果不准确；如果s过大，像素点囊括电弧边缘拐点部分，导致后续拟合效果差，因此文中s的取值范围为18～25。

(6)比较以上w+1个差异系数，确定差异系数最小的s个像素点，采用最小二乘法对以上s个像素点的行坐标和列坐标进行拟合，记为曲线s，确定曲线s上距离第n列最远点q的行坐标k；

(7)电弧弧长h＝l*(k-m)；

步骤五：堆积完第一层后，将非熔化极气体保护焊枪抬高一个预设层高的高度；

步骤六：重复步骤四和步骤五，直至堆积结束。

作为优选方式，步骤一中工业摄像机轴线低于钨极尖端5～7mm。

作为优选方式，步骤二中图像标定具体过程为：将钢尺竖直放在钨极侧方，并与非熔化极气体保护焊枪轴线与堆积路径所成的平面重合，记录钨极在图像中所占像素与钨极实际长度，计算公式为l＝c/l，l为标定比例因子，单位为毫米/像素，l为钨极实际长度，单位为毫米，c为钨极在图像中所占像素数量。

作为优选方式，步骤三中滤光系统包括中心波长为650nm的窄带滤光片、减光片和玻璃片。

作为优选方式，步骤三中非熔化极气体保护电弧电源包括等离子弧电源和钨极氩弧电源。

作为优选方式，步骤四中边缘检测算子包括robert算子或prewitt算子。

本发明的有益效果为：本发明采用视觉传感的方法，将整个电弧区域像素灰度值调节至255，提取钨极尖端和电弧边缘上距离钨极尖端所在列最远点，用两点行坐标之差表征电弧弧长。本发明有效解决了非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造过程中，电弧弧长波动引起的成形质量性差的难题，提供一种非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测方法。与现有方法相比，本发明方法不受设备电信号的干扰、弧长检测过程直观且精确、滞后性小，为后续非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长实时控制奠定了坚实的基础。

附图说明

图1是非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测图像处理流程图；

图2是非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测系统示意图；

图3是工业摄像机在整个电弧区域像素灰度值调节至255时采集到的电弧图像；

图4是领域平均法处理后的图像；

图5是边缘检测算子处理后的图像；

图6是最大方差阈值分割法处理后的图像；

图7是差异系数法和最小二乘法处理后的图像。

图8是差异系数法和最小二乘法处理后局部放大的图像。

图中，1-非熔化极气体保护焊枪，2-送丝系统，3-钨极，4-电弧，5-堆积层，6-熔池，7-基板，8-滤光系统，9-夹具，10-工业摄像机。

具体实施方式

本实施例的具体试验平台：gta填丝增材制造电源为magicwave3000jobg/f，机器人为日本yaskawa公司生产的motoman-ma2010型机器人，gta焊枪固定在端部，配备示教编程器和dx200型机器人控制柜，工业摄像机；填充丝材为er506低碳钢焊丝，丝材直径1.2mm，基板材质为q235b低碳钢，基板尺寸为150mm×80mm×4mm。试验用工艺参数为：电流140a，行走速度3.3mm/s，送丝速度2m/min，纯氩作为保护气，气体流量为15l/min。

非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测图像处理流程图如图1所示，非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测方法，包括以下步骤

步骤一：非熔化极气体保护电弧熔丝增材制造弧长检测系统示意图如图2所示，利用夹具，将工业摄像机安装在非熔化极气体保护焊枪上，使工业摄像机跟随非熔化极气体保护焊枪一起移动，使工业摄像机正对钨极，工业摄像机镜头所在平面平行于非熔化极气体保护焊枪轴线与堆积路径构成的平面；工业摄像机轴线低于钨极尖端5～7mm。

步骤二：启动工业摄像机，采集钨极尖端的图像并保存，确定钨极尖端在图像中的位置点p(m,n)，其中m为行坐标，n为列坐标，对图像进行标定，标定比例因子记为l；

图像标定具体过程为：将钢尺竖直放在钨极侧方，并与非熔化极气体保护焊枪轴线与堆积路径所成的平面重合，记录钨极在图像中所占像素与钨极实际长度，计算公式为l＝c/l，l为标定比例因子，单位为毫米/像素，l为钨极实际长度，单位为毫米，c为钨极在图像中所占像素数量。

步骤三：在工业摄像机前端安装滤光系统，滤光系统包括中心波长为650nm的窄带滤光片、减光片和玻璃片。将非熔化极气体保护焊枪调节至基板上方，启动非熔化极气体保护电源，非熔化极气体保护电弧电源包括等离子弧电源和钨极氩弧电源。引燃电弧，连续采集电弧图像，调节工业摄像机光圈，使整个电弧区域像素灰度值调节至255，如图3所示，固定光圈，对当前时刻采样图像进行处理；

步骤四：以钨极尖端点p所在的第n列为对称轴，将图像分为两部分，其中包含熔池尾部的部分定义为区域a，开发图像处理算法，提取区域a内电弧上距离第n列最远点q的行坐标k，具体步骤如下：

(1)采用领域平均法对a区域图像进行平滑和降噪处理，处理后的图像如图4所示；

(2)采用边缘检测算子对a区域图像进行处理，边缘检测算子包括robert算子或prewitt算子，处理后的图像如图5所示；

(3)采用最大方差阈值分割法对a区域图像进行处理，处理后的图像如图6所示；

(4)以点p(m,n)为起点，在a区域内水平遍历，当遍历到灰度值为255的像素点时，停止遍历并保存该像素点g1(x1,y1)，其中x1为行坐标，y1为列坐标；以(m+1,n)为起点，在a区域内水平遍历，当遍历到灰度值为255的像素点时，停止遍历并保存该像素点g2(x2,y2)；重复以上步骤，直至将电弧与熔池交界处像素点ge(xe,ye)保存为止；

(5)对像素点g1(x1,y1)，g2(x2,y2)，……，ge(xe,ye)进行处理，每次间隔q个像素点取s个像素点，q的取值范围为2～4，s的取值范围为18～25；计算第1～s个像素点所在列坐标的差异系数cv1，计算第(1+q)～(s+q)个像素点所在列坐标的差异系数cv2，计算第(1+2q)～(s+2q)个像素点所在列坐标的差异系数cv3……直至计算到第(1+wq)～(s+wq)个像素点所在列坐标的差异系数cv(w+1)为止，其中其中，表示向上取整符号；

差异系数公式为

其中，s为像素点个数，yi为电弧边缘像素点列坐标，y为电弧边缘像素点列坐标的平均值；

(6)比较以上w+1个差异系数，确定差异系数最小的s个像素点，采用最小二乘法对以上s个像素点的行坐标和列坐标进行拟合，记为曲线s，确定曲线s上距离第n列最远点q的行坐标k，处理后的图像如图7所示；

(7)电弧弧长h＝l*(k-m)；

步骤五：堆积完第一层后，将非熔化极气体保护焊枪抬高一个预设层高的高度；

步骤六：重复步骤四和步骤五，直至堆积结束。

以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。