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机器视觉技术在自动焊接领域应用
随着焊接自动化技术的飞速发展，能够实现焊接路径自动规划、实时自动校正路径及焊缝跟踪、焊接熔深、熔透以及焊缝成形等质量控制功能的焊接机器人及其智能化技术，已成为焊接工艺技术发展的新方向。
焊缝熔宽、熔深等尺寸参数是影响焊接质量的最重要因素。熔池作为决定焊缝尺寸参数的最直接因素，研究焊接过程中熔池的变化，并控制熔池相关参数，对焊接质量的控制具有重要意义。根据实际生产经验，焊工往往根据熔池的变化调整焊接工艺规范和焊枪姿态，以确保焊接质量。可见，根据焊接熔池变化控制焊接质量是实现焊接智能化的一个重要组成部分。
近年来，随着计算机视觉技术的发展，利用机器视觉直接观察焊接熔池，通过图像处理获取熔池几何形状信息，以分析焊接质量并进行闭环控制，己成为焊接智能化领域的重要研究方向。
汇众思壮图像技术有限公司针对该应用，提出了基于机器视觉技术的焊接熔池、焊缝跟踪图像实时显示和存储方案。该方案可实时在线监测，实时对焊接质量进行闭环控制，还可实时存储焊缝、熔池成型过程图像，为后续焊接质量改进及相关科学研究提供依据。
在这套方案中，要实时拍摄到熔池，需选择高分辨率、高帧频工业相机，Baumer HXC13，该相机分辨率1280*1024，满分辨率下帧频为500FPS，高灵敏度，高动态范围达90DB，通过使用滤光片可清晰观察熔池、焊缝。采用ROI，帧频甚至可达12000FPS，完全能清楚拍摄熔池形成过程，考虑到需要将拍摄的数据存储以便后续分析处理，使用该相机进行高速拍摄，每秒的数据量将达到600MB，如果需要实时将焊接熔池、焊缝形成的图像数据进行存储，则需要提供特殊的高速存储方案，汇众思壮提供了2种方案：基于内存的高速存储和基于高速Flash存储卡的长时间高速存储。
基于内存的存储方案，使用内存作为基本高速存储模块，按照1280*1024，每秒500FPS的采集速率，则每秒数据量可达600MB,使用内存最高可提供约15-20秒的数据存储（12G-16G内存）。
基于长时间的高速存储方案，使用高速Flash存储器作为基本高速存储模块，按照1280*1024，每秒500FPS的采集速率，则每秒数据量可达600MB,使用512GB存储器，最高可提供约15分钟的数据存储（512GB存储器，根据需要可扩容至1TB，2TB）。
无论哪种方案，系统组成工作原理均相同：
该系统由高速工业相机、镜头、滤光片、光源、三脚架及服务器组成。系统运行时，部署在服务器上的采集模块实时的把高速拍摄到的熔池图像进行实时显示和存储到主控服务器内部高速存储模块。保存在存储单元中的试验数据可通过服务器上的回放解析模块，查找到有用的试验数据，然后转存为本地的BMP、JPEG等格式文件。
三、硬件解决方案
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设备名称 |
设备构成 |
型号 |
配置 |
数 量 |
单价 |
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高速图像采集存储系统 |
高速相机 |
HXC13 |
1280*1024，每秒500帧，取ROI，每秒可达12000帧 |
1 |
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镜头 |
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1 |
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滤光片 |
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高速存储系统 |
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512GB存储，长时间高速存储系统包含采集存储模块以及回放解析模块。 工控机尺寸大小30*30*16cm |
1 |
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设备安装箱 |
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1 |
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总计 |
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四、软件解决方案
整个系统包含2个软件子系统，即图像采集与存储系统和回放解析系统。 子系统均部署在同一台工控机。
1、 采集与存储子系统
主要完成图像的采集、显示、实时存储。
其指标可达：
? 实时存储图像数据
? 存储容量为512GB，存储时间可达15-20分钟（1280*1024 每秒500帧）。
可具体实现：
? 可灵活控制高速相机输出信号的采集开始和停止、存储的开始和停止。
? 可灵活配置相机图像高度、宽度以及相机曝光模式、曝光值以及增益；
? 可灵活配置可采集卡图像高度、宽度、曝光模式、帧频、缓存、偏移量；
? 可灵活配置存储路径等参数。
采集的图像文件，按照一帧一帧的方式，保存成指定的流文件格式：
存储的文件将以:存储路段开始公里数-存储开始年-存储开始月-存储开始日-存储开始时-存储开始分-存储开始秒.dat，可方便用户进行分段图像信息处理。
采集界面如下图所示：
备注：上图为用HXC13在河北科大拍摄熔池实时显示图，拍摄时，通过取ROI，拍摄速度达每秒8000帧时能比较清晰观察熔池表面形成状况，镜头前需要添加滤光片。
2、 回放解析系统
回放解析系统是事后处理系统，实现对采集存储软件存储的图像文件的回放功能。可实现：
? 支持多个存储的图像流文件的同步或异步播放；
? 支持流文件的图像可放大、缩小，可查看每个像素点的实际像素值，并能对流文件进行管理；
? 能以三种显示方式：图像、表格、曲线（单行或单列）进行图像文件显示；
? 支持显示任意位置任意区域图像的源码以及直方图、方差、统计图；支持任意选定区域内的亮度、对比度调整以及自动对比度、自动色阶等处理；
? 支持图像的漫游和任意局部显示；
? 支持图像显示位置标定功能和跳转定位功能；
? 支持将存储的图像文件中的任意起始位置转存为BMP、TIFF、JPG、AVI、Raw等格式文件。
回放解析程序主界面如下：
备注：用HXC13在河北科大拍摄熔池实时显示图片保存后，事后使用汇众思壮回放解析软件播放单帧效果图。可设置播放速度快慢。