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基于视觉传感的TIG焊熔池表面重建及软件设计

作　者: 魏义庆
导　师: 刘南生
学　校: 南昌大学
专　业: 光学
关键词: TIG焊熔池傅里叶变换轮廓术图像滤波相位展开
分类号: TG434.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 22次
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内容摘要

TIG焊是一种重要的机械制造热加工工艺,在工业生产中的应用十分广泛。随着现代社会的高速发展,传统的手工焊接方法已经不能满足现代高技术产品制造的要求,焊接过程自动化、智能化已成为焊接技术行业的发展趋势。不少研究表明,正面熔池的几何参数与焊缝熔透和成形有良好的对应关系,而熔池下塌量等熔池表面的三维信息更能反映熔透状态,因此,熔池表面的三维检测与测量日益受到关注。利用视觉传感系统获取TIG焊熔池区图像,并重建出熔池表面三维形状,既可为焊接热过程数值模拟提供实验验证手段,也可为实现焊接过程的智能控制打下坚实的基础,具有重要的理论意义及工程应用价值。本文首先对几种不同的熔池图像传感系统作了简要论述,并试验分析了实际拍摄的困难及图像的特点。由于电弧光,热影响等多方面因素的干扰,获取的熔池图像中总是存在着大量的噪声,因此图像预处理是熔池信息获取过程中必不可少的步骤。试验中对中值滤波、维纳滤波、小波去噪等方法处理熔池光栅图像的结果进行了分析对比,并设计了一种曲线拟合去噪算法；在基频滤波中研究了不同加权滤波窗的特点与效果。针对双透镜系统获取的熔池光栅图像,采用傅里叶变换轮廓术原理重建出熔池表面三维形状。在实际操作过程中,相位处理算法的好坏直接影响到三维重建的结果及效率。文中介绍了传统去包裹算法与基于质量图导向算法,并设计了一种亮纹中心线分割算法以及几种处理相位拉线问题的校正算法,通过模拟试验分析各算法的处理特点与效果。在TIG焊熔池表面三维重建中应用上述算法,由重建结果及耗时情况评析各种算法的可行性和适用性。采用Visual C++与MATLAB编程自主开发了一套TIG焊熔池图像分析与处理软件,以及一些相关的软件。对于各个软件的设计与功能都作了一定的介绍,特别是对TIG焊熔池光栅条纹图处理软件的设计和编写过程进行了详细的叙述,并且给出了其在Windows XP系统下安装与使用的方法。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第1章引言  9-16
  1.1 课题的来源及选题意义  9-10
  1.2 国内外对弧焊熔池的研究现状与发展趋势  10-15
    1.2.1 焊缝跟踪方面  10-11
    1.2.2 熔池几何参数方面  11-12
    1.2.3 熔池三维面形方面  12-13
    1.2.4 目前存在的问题及发展趋势  13-15
  1.3 本文研究的内容  15-16
第2章光学三维检测技术  16-27
  2.1 光学三维传感概述  16-17
  2.2 几种基本的主动三维传感  17-22
    2.2.1 单光束的三维传感  17-18
    2.2.2 采用片光的三维传感  18-19
    2.2.3 面结构光投影的三维传感  19-22
  2.3 傅里叶变换轮廓术  22-25
    2.3.1 测量原理  22-24
    2.3.2 测量范围与改进  24-25
  2.4 本章小结  25-27
第3章熔池图像获取的系统结构  27-33
  3.1 焊接环境及熔池特点  27-28
  3.2 直拍式系统结构  28-29
  3.3 截屏式系统结构  29-30
  3.4 双透镜式系统结构  30-31
  3.5 不同测量系统的对比分析  31-32
  3.6 本章小结  32-33
第4章图像预处理及熔池几何参数提取  33-50
  4.1 直方图分析和均衡化处理  33-35
  4.2 图像去噪处理  35-43
    4.2.1 传统去噪方法  35-37
    4.2.2 小波去噪  37-39
    4.2.3 用曲线拟合剔除图像噪点  39-40
    4.2.4 各去噪方法在熔池图像处理中的对比分析  40-43
  4.3 频域滤波分析  43-46
  4.4 熔池几何参数检测  46-49
    4.4.1 几何参数的定义  46-47
    4.4.2 参数的提取及结果  47-49
  4.5 本章小结  49-50
第5章熔池三维重建中相位处理算法的设计及应用  50-71
  5.1 包裹相位的提取及特征  50-55
    5.1.1 卷积解调测量法  50-52
    5.1.2 反余弦取相法  52-53
    5.1.3 小波相位解调法  53-54
    5.1.4 包裹相位的分布特征  54-55
  5.2 相位展开方法  55-63
    5.2.1 传统相位展开算法  57-58
    5.2.2 质量图导向法  58-60
    5.2.3 亮纹中心线分割算法  60-63
  5.3 相位拉线处理算法  63-67
    5.3.1 基于拉线宽  64-65
    5.3.2 基于拉线长  65-66
    5.3.3 基于拉线比率  66-67
  5.4 各算法在熔池三维重建中的应用与分析  67-70
  5.5 本章小结  70-71
第6章软件的编写及使用  71-83
  6.1 软件开发工具简介  71-73
    6.1.1 Visual C++  71-72
    6.1.2 MATLAB  72-73
  6.2 软件的设计及功能  73-82
    6.2.1 图像采集软件  73-75
    6.2.2 TIG焊熔池光栅条纹图处理软件  75-80
    6.2.3 其它相关软件  80-82
  6.3 本章小结  82-83
第7章结论与展望  83-85
  7.1 结论  83-84
  7.2 工作展望  84-85
致谢  85-86
参考文献  86-92
附录A 各类型拟合算法的效果及程序代码  92-95
附录B 软件的安装与启动  95-101
攻读硕士学位期间的研究成果  101

基于视觉传感的TIG焊熔池表面重建及软件设计

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