導(dǎo)讀：

據(jù)悉，本文介紹了一項實驗研究，其中視覺攝像機同軸集成到激光束焊接工具中，以監(jiān)測T形接頭激光樁焊接中的光束偏差（光束偏移）。

摘要

本文介紹了一項實驗研究，其中視覺攝像機同軸集成到激光束焊接工具中，以監(jiān)測T形接頭激光樁焊接中的光束偏差（光束偏移）。其目的是在這種類型的焊接中，如果從頂部看不到接頭，則可以早期檢測到接頭中心線的偏差。應(yīng)用多項式曲面擬合方法來提取能夠描述熔池行為的特征。訓(xùn)練具有外部輸入的非線性自回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以將八個圖像特征與激光束偏移相關(guān)聯(lián)。通過不同的焊接樣品對所提出模型的性能進(jìn)行了離線評估。結(jié)果表明，該方法可用于指導(dǎo)焊后檢測，并具有在線自適應(yīng)控制的潛力。

1 介紹

先進(jìn)的制造方法涉及激光束（LB）樁焊T型接頭，其中激光束的光學(xué)入口從面板頂部，因此腹板的位置不可見，見圖1。樁焊的一個典型應(yīng)用是在輕質(zhì)和節(jié)省空間的解決方案中，如采用I型芯設(shè)計的夾層板和直腹板。夾芯板的基本思想是，表面板在彎曲過程中承載載荷，而核心在剪切作用中承載載荷。這種焊接結(jié)構(gòu)在例如造船中很常見。

圖1 帶有尺寸定義的樁焊接T形接頭。

樁焊接T形接頭的另一個重要應(yīng)用是制造液體火箭發(fā)動機用再生冷卻噴嘴。這是一個大型薄壁結(jié)構(gòu)，必須在極端溫度和壓力下運行?？赏ㄟ^冷卻液通道壁的水射流銑削和出口歧管的樁焊來進(jìn)行制造。

樁焊接T形接頭的一個主要挑戰(zhàn)是，從面板的頂側(cè)看不到接頭，因此通常需要接頭準(zhǔn)備、夾具和焊接工具操縱器運動的窄公差。

基于視覺攝像頭的過程監(jiān)控已成為包括激光束焊接（LBW）在內(nèi)的焊接過程在線監(jiān)控的主要趨勢。與一維傳感器相比，視覺系統(tǒng)提供了過程的現(xiàn)場信息，并已應(yīng)用于捕獲不同方面，如熔池幾何形狀、焊接飛濺和小孔動力學(xué)。

典型采集框架和熔池后部閾值和標(biāo)記的參考點。

與焊縫質(zhì)量相關(guān)的是焊縫幾何形狀是焊接工藝中最重要的參數(shù)之一。這是焊接項目中的一項重要要求，尤其是在需要特定寬度、高度或焊縫熔深的自動焊接系統(tǒng)中。對于基于濾光片的系統(tǒng)，可以找到主動或被動視覺系統(tǒng)。有源系統(tǒng)采用外部照明光源和光學(xué)帶通濾光片，根據(jù)光源具有較窄的帶寬。通常，紅外激光用作照明源，基于其相對于可見光譜和電弧的較低噪聲水平。這些系統(tǒng)獲取高質(zhì)量的熔池圖像，特別是在GTAW過程中，但由于其額外的成本和復(fù)雜性，它們不常用于控制過程。另一方面，被動系統(tǒng)不使用外部照明。光學(xué)濾光片的使用以及電弧和熔池輻射的存在足以從圖像中提取幾何特征。雖然使用主動視覺系統(tǒng)從熔池捕獲的圖像更詳細(xì)，但在被動視覺中，熔池與場景中其他物體之間的高對比度有利于從測量和焊縫跟蹤過程中獲得合適的結(jié)果。

監(jiān)測GMAW過程中幾何變量的常用方法是間接模式，通過使用數(shù)學(xué)模型將幾何參數(shù)與另一個更容易測量的過程變量（例如電流或電壓）相關(guān)聯(lián)。例如，滲透是一個內(nèi)部參數(shù)，通常通過間接方法估計。盡管超聲波和計算機射線照相等直接測量方法顯示出良好的結(jié)果，但這些方法在焊接過程中很難執(zhí)行。當(dāng)無法直接測量時，間接測量方法很有用，但它們會增加監(jiān)控過程中的誤差，并且只能在與構(gòu)思建模開發(fā)時相同的條件下使用。另一方面，計算機視覺系統(tǒng)用于在線直接測量焊縫的外部幾何參數(shù)。這些系統(tǒng)的主要問題是由于焊接過程中電弧產(chǎn)生的強輻射而導(dǎo)致熔池的不利可視化。

焊縫幾何特征（橫截面）。

出于這個原因，為了減少這個問題，采用了兩種方法：基于結(jié)構(gòu)光的系統(tǒng)和基于濾光片的系統(tǒng)。在每種情況下，都使用兩種不同的技術(shù)來測量感興趣的變量。在結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)中，可以將單個激光條紋直接投射到焊縫上。這些系統(tǒng)易于實現(xiàn)，可以重建焊縫表面，并顯示出良好的效果，但它們相對于焊縫形成具有顯著的空間延遲，導(dǎo)致實時控制系統(tǒng)復(fù)雜化?；蛘撸褂媒Y(jié)構(gòu)化激光圖案系統(tǒng)，例如平行條紋、網(wǎng)格和點陣投影。這些系統(tǒng)將激光圖案直接投射到熔池上，并利用激光的鏡面反射來描述焊縫的形成。結(jié)構(gòu)光圖案提供了有關(guān)幾何參數(shù)的有意義的信息，但在實踐中，它們僅限于鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）工藝，因為反射圖案受到熔池表面波動的影響很大，這在金屬轉(zhuǎn)移焊接工藝中很常見，例如在GMAW中。

在文獻(xiàn)中，很少注意檢測T型接頭激光樁焊接中的LB偏差，因為從頂部看不到接頭。本研究的目的是研究如何將視覺系統(tǒng)與NARX NN模型相結(jié)合，用于檢測T型接頭激光樁焊接中的LB偏移。

2.實驗設(shè)置

實驗中使用的LBW設(shè)備包括水冷高功率摻鐿光纖激光器、CNC機架、夾具和使用照明LED的基于相機的視覺系統(tǒng)。

2.1.機器人化激光焊接設(shè)置

使用來自Isel?Germany（型號M40）的CNC龍門架操縱Permanova Lasersystem AB的焊接工具。將波長為1070 nm的6 kW IPG鐿光纖激光系統(tǒng)（型號YRL-6000-S）產(chǎn)生的LB通過直徑為800μm的光纖引導(dǎo)至焊接工具。焊接工具包括200mm焦距準(zhǔn)直器和200mm焦長聚焦透鏡。聚焦光束的特征在于瑞利長度為3.73mm，焦平面內(nèi)的光斑直徑為0.75mm。LB聚焦在面板表面上，激光功率為連續(xù)波（CW），在所有情況下都能進(jìn)行小孔焊接。實驗推導(dǎo)了激光功率和焊接速度，以產(chǎn)生明顯好看的焊縫。

焊接在沒有填充材料的情況下進(jìn)行，所使用的板材是S355MC，一種熱軋高強度低合金鋼。選擇這種材料是因為其相對較高的熱導(dǎo)率，這在防止熱變形方面是優(yōu)選的。這些板通過水射流切割制成，以實現(xiàn)榫卯接合，矩形榫孔沿著接縫穿過面板，相應(yīng)的榫舌沿著腹板，見圖2。

圖2 實驗裝置。

3.NARX NN模型

LBW是一個經(jīng)歷各種干擾的動態(tài)過程，這使得在熔池圖像中提取相關(guān)特征成為一個挑戰(zhàn)。在本研究中，應(yīng)用多項式曲面擬合方法從熔池中提取信息。提取的特征用于訓(xùn)練NARX NN模型以預(yù)測LB偏移。

3.1.通過表面處理提取熔池特征

焊接過程動力學(xué)與熔池動力學(xué)密切相關(guān)，并反映在過程圖像序列中。然而，并非所有的圖像信息都與焊接質(zhì)量直接相關(guān)，這需要減少圖像數(shù)據(jù)尺寸的程序。圖3顯示了圖像數(shù)據(jù)和擬合曲面的兩個示例。

在特征提取之后，視覺評估所有特征以查看與LB偏移的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)其中8個特征與LB偏差相關(guān)（p01、p11、p21、p12、SSE、DFE、R平方和RMSE）。圖4顯示了焊接案例和參考焊接的8個特征。

圖3 （a）和（b）熔體池的第700幀和第1800幀，標(biāo)記區(qū)域為ROI；（c）和（d）（a）和（b）中數(shù)據(jù)的擬合面。

圖4 選定的8個特征：p01、p11、p21、p12、SSE、DFE、R-平方和RMSE。橫軸s是焊接箱的圖像幀。垂直軸是特征量值（沒有單位的數(shù)字）。參考焊接意味著LB路徑遵循接頭中心線。

3.2.NARXN用于波束偏移檢測

NARX前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將用于對提取的圖像特征和LB偏移之間的相關(guān)性進(jìn)行建模。

3.3.1型號配置

NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在Matlab中實現(xiàn)。該模型由三層組成：輸入層、隱藏層和輸出層，如圖5所示。隱藏層由幾個神經(jīng)元組成，導(dǎo)致來自輸入層的值的仿射加權(quán)組合的非線性映射。輸出層由來自隱藏層的值的仿射組合組成。

圖5 開環(huán)訓(xùn)練和閉環(huán)訓(xùn)練。

3.3.2 NARXNN培訓(xùn)和測試

為了訓(xùn)練NARX NN模型，應(yīng)準(zhǔn)備訓(xùn)練數(shù)據(jù)。在本研究中，該模型的設(shè)計功能是：當(dāng)標(biāo)稱LB偏移量大于0.5mm時，輸出為1，否則輸出為0。因此，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的目標(biāo)標(biāo)記為1或0。使用選定的8個特征，分別為2mm和4mm工件訓(xùn)練兩個單獨的模型。

采集的焊接電流信號xx（t）和降噪結(jié)果。

由于不確定性和非線性耦合因素對焊接質(zhì)量的影響，收集的焊接電弧數(shù)據(jù)為非平穩(wěn)電弧信號。時頻分析方法是目前非平穩(wěn)信號最強大的工具。有一些時頻分析方法，如窗口熒光變換、連續(xù)小波變換、Wigner-Ville 分布、希爾伯特-黃變換和局部均值分解（LMD）。其中，LMD是一種新的自適應(yīng)時頻分析方法，首先由Jonathan S. Smith提出，通過應(yīng)用EEG信號處理和Smith（2005）獲得更好的結(jié)果。LMD方法可以自適應(yīng)地將復(fù)雜的多分量信號分解為若干個瞬時頻率和物理意義上的乘積函數(shù)（PF）分量，每個PF分量乘以一個包絡(luò)信號和一個純調(diào)頻信號。它具有更高的時頻分辨率和濃度，特別適用于電弧電信號的分析。

通常，寬度和高度的測量是使用閾值技術(shù)進(jìn)行的。對于每種情況，在閾值步驟之前，采用圖像增強以確保熔池的良好分割，最后，使用標(biāo)記技術(shù)來識別熔池中的參考點并獲取實時數(shù)據(jù)集。為了減少測量這兩個參數(shù)的計算機處理時間，使用圖像平面中的垂直軸將每個幀分成兩個區(qū)域：左側(cè)用于測量寬度，右側(cè)用于測量高度。盡管兩個測量參數(shù)（寬度和高度）是從不同的方法獲得的，但兩種情況下的圖像處理方法都包括以下圖像處理例程：圖像增強;圖像閾值;標(biāo)簽;和參考點位置。

位于熔池邊緣的參考點，用于測量焊縫寬度。

上圖顯示了閾值設(shè)置的示例，并指出了目標(biāo)區(qū)域和原始圖像中參考點中的標(biāo)記過程。在這種情況下，對于以23 V恒定電壓和7.5 m/min進(jìn)絲速率作為輸入?yún)?shù)的焊接工藝，圖像中的參考點位置位于第175行和第132列，因此焊縫寬度計算為7.46 mm。

4.結(jié)果和討論

兩個NARX NN模型（一個用于2mm板，另一個用于4mm板）分別針對焊接情況進(jìn)行訓(xùn)練和測試。LB偏移檢測結(jié)果如圖6和圖7所示。對于焊接情況#1和#3（2 mm板），定位焊引起的焊接過程局部不穩(wěn)定性也如圖6所示進(jìn)行檢測。這在焊接情況#2和#4（4 mm板）中不發(fā)生。

根據(jù)檢測結(jié)果，可以找到板上LB標(biāo)稱偏移大于0.5mm的位置，該位置對應(yīng)于模型輸出。理想情況下，后一列中顯示的數(shù)字應(yīng)為0.5mm。但在大多數(shù)情況下，會發(fā)現(xiàn)較大的偏移。其中一個原因可能是所獲得的模型不夠好。此外，在建模和測試中，使用標(biāo)稱LB偏移代替實際光束偏移。實際LB偏移量和標(biāo)稱偏移量之間可能存在差異。第三種解釋可能是從ROI提取的特征不能準(zhǔn)確地表示該過程，這可能是由圖像采集過程和/或表面擬合特征提取方法引起的。

圖6 LB偏移檢測。（a）焊接箱#1；（b）焊接箱#3。

圖7 LB偏移檢測。（a）焊接箱#2；（b）焊接箱#4。

為了查看產(chǎn)生的焊縫中LB偏移的結(jié)果，圖8顯示了情況#2的四個點的橫截面，其中機器人標(biāo)稱路徑偏差為0.14 mm、0.76 mm、2.93 mm和3.8 mm。焊縫中心線是根據(jù)標(biāo)稱LB偏移值轉(zhuǎn)換為距接頭中心線的像素偏移繪制的。從圖8（b）可知，當(dāng)標(biāo)稱偏移量約為0.76 mm時，熔合區(qū)不覆蓋腹板和面板之間的界面。

圖8檢測點的橫截面（案例2）。

5.結(jié)論

對激光樁焊中LB偏移檢測進(jìn)行了實驗研究?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

?具有適當(dāng)照明的同軸成像能夠觀察熔池的動態(tài)偏差，這可以與LB偏移相關(guān)。

?所提出的表面擬合特征提取方法在提取熔池形態(tài)信息方面表現(xiàn)出良好的性能。

?本研究展示了一種在線監(jiān)測T型接頭激光樁焊接中光束偏移的方法。

從這項工作的結(jié)果來看，出現(xiàn)了以下限制，這些限制可以顯著改善。首先，從標(biāo)稱機器人路徑偏差中收集訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的波束偏移。為了提高精度，應(yīng)記錄實時機器人路徑以提供訓(xùn)練數(shù)據(jù)。其次，不考慮光束偏移的方向。通過用從鍵孔畫出的中心線將熔池輪廓分成上部和下部，可以通過將表面擬合到熔池的一部分來估計光束偏移的方向。最后，所選特征可以是線性相關(guān)的。在這種情況下，可以使用一些特征縮減技術(shù)，例如可以使用主成分分析（PCA）來進(jìn)一步縮減特征向量的維數(shù)。