外文翻譯（中文）---高壓水下焊縫跟蹤技術(shù)

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯</p><p>　　院 系： 機(jī)械工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　姓 名： </p>

2、<p>　　學(xué) 號(hào)： 0602070422 </p><p>　　外文出處： CHINESE JOUR OF MECHANICAL </p><p>　　ENGINEERING Vol.22,No.2,2009

3、 </p><p>　　附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　高壓水下焊縫跟蹤技術(shù)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在水下焊接時(shí)焊接坡口和焊接的工作條件都很差，所以焊縫跟蹤系統(tǒng)在修

4、復(fù)高壓水下受損管道的工作中起著很重要的作用?，F(xiàn)如今基于數(shù)字信號(hào)（DSP）的無(wú)光源焊縫圖像技術(shù)已經(jīng)在焊縫跟蹤系統(tǒng)中得到了證實(shí)。在這高壓環(huán)境下，攝像系統(tǒng)使用了一個(gè)電荷耦合器件（CCD）目的在于改變系統(tǒng)機(jī)理，從而保證低于0.7MP壓力范圍內(nèi)的全部圖像的質(zhì)量。該系統(tǒng)可在高壓環(huán)境下實(shí)時(shí)拾取焊接熔池和焊接電弧的圖像信息.新開(kāi)發(fā)并采用的DSP技術(shù)保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。一個(gè)有效的焊縫坡口邊緣識(shí)別系統(tǒng)，包括一個(gè)狹窄的窗口和一個(gè)中值濾波器。在邊緣檢測(cè)和邊緣焊

5、的定義中，Sobel算法提出消除引導(dǎo)誤差的方法這樣可以有效的保證系統(tǒng)精度。通過(guò)跟蹤模擬和實(shí)際的操作證實(shí)了上述圖像處理技術(shù)的實(shí)用性與有效性，同時(shí)也證實(shí)了該方法能夠滿足生產(chǎn)中的精度要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞:高壓水下焊接；焊縫跟蹤；焊縫邊緣識(shí)別</p><p><b>　　1、前言</b></p><p>　　盡管存在其他的焊接方式，弧焊卻

6、被廣泛用于水下構(gòu)件的焊接，特別是管道類構(gòu)件的改造，維修以及簡(jiǎn)單的幾何構(gòu)型。主要原因和工廠在初步建設(shè)中的組件聯(lián)接為什么采用這種焊接方式的原因是一樣的，主要因?yàn)楹附邮且环N相對(duì)快速，可靠的聯(lián)接技術(shù)，而且能夠獲得輕便的高強(qiáng)度的接頭。目前存在三種水下焊接方法主要有濕法焊接、常壓焊接、高壓焊接。濕法焊接最主要的優(yōu)點(diǎn)是不需要特定的焊接工作地，并且焊接質(zhì)量高。由于大部分的焊接工作都是在常壓下進(jìn)行的，所以實(shí)現(xiàn)水下焊接的最合理的方法就是在水下重新創(chuàng)造出一個(gè)

7、陸地上的工作環(huán)境，也就是制造出一個(gè)即能承受工作位置水深的壓力又能為焊接工作提供一個(gè)工作地的壓力容器。濕式維修技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)證實(shí)，并且證實(shí)這種焊接方法在維修中是必不可少的，也是切實(shí)可行的技術(shù)。與此同時(shí)研究高壓焊接技術(shù)也是非常重要的。</p><p>　　隨著最近十年水下管道使用速度的增長(zhǎng)，使得水下焊接技術(shù)的焊接質(zhì)量和焊接效率變得越來(lái)越重要。目前有三種焊接方法：手動(dòng)焊接、通過(guò)機(jī)械操作的自動(dòng)焊接、半自動(dòng)焊接。無(wú)論是濕法

8、焊接工藝，高壓焊接工藝還是其他非弧焊工藝，每種焊接工藝所獲得焊接質(zhì)量都或多或少取決于操作人員的技能和外界的干擾因素。隨著水深的增加，水下焊接最合適的方法莫過(guò)于高壓水下自動(dòng)焊接，而這種方法亟待解決的問(wèn)題就是如何提高焊接質(zhì)量和焊接效率。在水下修復(fù)受損管道時(shí)采用高壓鎢極氬弧焊（TIG）是這項(xiàng)研究的重點(diǎn)。</p><p>　　在自動(dòng)焊接系統(tǒng)中，焊接的傳感器和控制器起著至關(guān)重要的作用。在焊縫跟蹤系統(tǒng)中最大的困難就是焊縫邊緣

9、的檢測(cè)。在1994年提出了具有高抗干擾能力的和自適應(yīng)共振理論（ART）的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。</p><p>　　本文介紹一種新型的適用于高壓水下的焊縫識(shí)別跟蹤技術(shù)。在構(gòu)建基于DSP的試驗(yàn)系統(tǒng)和算法方面已得到了認(rèn)可并取得了滿意的成果。</p><p>　　2、高壓焊接系統(tǒng)的組成</p><p>　　此項(xiàng)目的是提供一系列的焊接工藝以及一個(gè)低于海平面60米以下的海底管線瓷

10、漆焊接的自動(dòng)焊接設(shè)備。完成系統(tǒng)研究的主要要求如下：焊接的高壓室必須能夠提供110-770千帕這個(gè)范圍的壓力，并且壓力值是可以調(diào)整的。首先在電弧所形成的密閉空間內(nèi)的空氣會(huì)爆炸，而爆炸后空氣的組成成分就發(fā)生了改變。其次這個(gè)密閉的空間必須能夠很容易關(guān)閉和打開(kāi)，以便安放和移走工件。當(dāng)這個(gè)密閉的空間是關(guān)閉著的時(shí)候，仍然可以通過(guò)密閉空間外面的操作來(lái)觀察和控制整個(gè)焊接過(guò)程，焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因?yàn)樗饕ぷ髟谝粋€(gè)密閉的空間內(nèi)。TIG焊的保護(hù)氣

11、體必須是單獨(dú)提供的。下圖由北京化工學(xué)院獨(dú)立建造的焊接系統(tǒng)。如圖1所示</p><p>　　圖1 高壓焊接系統(tǒng)</p><p><b>　　3、圖像處理與分析</b></p><p>　　收集和提取熔池內(nèi)的信息不僅僅用于熱場(chǎng)和流場(chǎng)的理論計(jì)算，而且也能實(shí)現(xiàn)在線的質(zhì)量評(píng)估與質(zhì)量控制。在高壓焊接試驗(yàn)系統(tǒng)的特殊情況下，弧室內(nèi)視頻信息變得更加重要，同時(shí)也

12、更加難以獲得。因此焊接操作需要一個(gè)全面的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)。為了觀測(cè)和記錄數(shù)據(jù)的方便，將弧腔內(nèi)采集到的信息和焊接時(shí)的電弧信息轉(zhuǎn)發(fā)到焊接時(shí)所在的高壓有氧艙內(nèi)。隨著壓力的增加機(jī)械和電子器件越來(lái)越容易被破壞。保護(hù)電荷耦合器件（CCD）有三種方法可供選擇:第一把CCD放入一個(gè)可以承受外界壓力的容器中;第二通過(guò)剛性的或者類似于光纖的柔性光路將光從弧室內(nèi)導(dǎo)出；第三在標(biāo)準(zhǔn)壓力下可以將CCD直接安放在弧室的下面。為了使這個(gè)系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)，可以在弧室內(nèi)放入一個(gè)

13、照相機(jī)同時(shí)人為地改變一下環(huán)境壓力。測(cè)試結(jié)果表明，CCD照相機(jī)可以直接應(yīng)用在壓力小于600千帕的環(huán)境下并且可以在連續(xù)工作的情況下而不會(huì)被損壞。但是隨著壓力的增加氣體電弧的能見(jiàn)度在降低，如圖2中的兩個(gè)圖所顯示的就是在不同大氣壓力下電弧能見(jiàn)度的差異，為了在整個(gè)壓力范圍內(nèi)保證圖像的質(zhì)量，可以通過(guò)調(diào)節(jié)光圈和焦距的的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　(1)大氣壓力200 kPa (2)大氣壓力 60

14、0 kPa</p><p>　　圖2 不同壓力下電弧的能見(jiàn)度</p><p>　　其他的測(cè)試結(jié)果表明，幾乎所有的電氣設(shè)備元件都可以在壓力小于600千帕的環(huán)境下正常的工作。因此有關(guān)的研究可以在這樣的壓力環(huán)境下進(jìn)行。</p><p><b>　　3.1、圖像降噪</b></p><p>　　該圖像采集系統(tǒng)是基于無(wú)源光視覺(jué)技

15、術(shù)的（CCD相繼在沒(méi)有任何光源的情況下來(lái)獲取電弧和熔池的圖像信息）。為了保證圖像的質(zhì)量，采用濾波寬帶為940納米和10納米的濾波器。采集的圖像樣本如圖3所示。上半部分為鎢極和焊接電弧，下面是破口面和已經(jīng)減弱的熔池內(nèi)的焊接電弧，焊接的大部分信息將來(lái)至這張圖片。</p><p><b>　　圖3 圖像樣本</b></p><p>　　對(duì)焊縫跟蹤起作用的就是電弧附近的凹槽

16、，在獲得圖像數(shù)據(jù)時(shí)，一些飛濺的噪音必須通過(guò)硬件加以清除。最有效的降噪方法有鄰值平均法、模糊法、中值濾波法。每種方法降噪后的效果圖如圖4所示。每一種方法都可以實(shí)現(xiàn)一定的降噪，但是也帶來(lái)了一些負(fù)面影響。結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)中值濾波法獲得的圖像是最令人滿意的。</p><p>　?。?）沒(méi)有處理的圖像 （2）鄰值平均法處理后</p><p>　?。?）模糊法處理后

17、 （4）中值濾波法處理后</p><p>　　圖4 使用各種降噪方法后的效果圖</p><p>　　3.2、焊縫邊緣檢測(cè)</p><p>　　可以肯定的說(shuō)在某些地方的灰度變化一定要比槽邊和基料的灰度值變化的要大?；叶戎档淖兓闆r如圖5所示</p><p>　　圖5 灰度值變化圖</p>&l

18、t;p>　　這里有三個(gè)灰度級(jí)別，分別是出現(xiàn)在左邊緣、弧區(qū)、右邊緣的三個(gè)峰值。左右峰值的外部代表的是基本金屬區(qū)，內(nèi)部代表的是熔池區(qū)。用數(shù)學(xué)知識(shí)衍生出的工具可以尋找到峰值（也就是槽邊），本文用的是索貝爾算法。</p><p>　　假設(shè)原來(lái)的函數(shù)是f（x，y），獲得圖像信息經(jīng)索貝爾算法的計(jì)算如下：</p><p>　　G(x,y)={f(x-1,y-1)+2f(x-1,y)+f(x-1,y

19、+1)-</p><p>　　[f(x+1,y-1)+2f(x+1,y)+f(x+1,y+1)]}+</p><p>　　{f(x-1,y-1)+2f(x,y-1)+f(x+1,y-1)-</p><p>　　[f(x-1,y+1)+2f(x,y+1)+f(x+1,y+1)]}.</p><p>　　給定一個(gè)合適的值T，如果G（x，y）大于T

20、，那么像素點(diǎn)（x，y）稱為邊緣點(diǎn)。</p><p>　　各種不同的運(yùn)算方法計(jì)算的結(jié)果如圖6所示，由圖可看出經(jīng)索貝爾算法計(jì)算獲得結(jié)果是最令人滿意的。</p><p>　　（1）原始焊縫圖像 （2）Roberts算法處理后 （3）Sobel算法處理后</p><p>　　(4)Prewitt算法處理后 （5）Log算法處理后 （6）Canny算法處理后

21、</p><p>　　圖6 不同操作方式對(duì)焊縫邊緣檢測(cè)的影響</p><p>　　3.3、由焊縫邊緣信息提取槽中心線信息</p><p>　　檢測(cè)的功能在現(xiàn)階段的目標(biāo)是找到焊縫并對(duì)其進(jìn)行跟蹤，所以弧邊界是沒(méi)有用的，如圖6所示，不是焊縫邊線變得光滑，也不是弧變得光滑。要消除電弧的包絡(luò)線并提取連續(xù)的焊接槽的軌跡信息。提取焊縫槽有效信息的方法如圖7所示：</p&g

22、t;<p>　　圖7 焊縫邊緣搜索圖</p><p>　　左側(cè)Y軸的信息和右側(cè)Y軸的信息分別儲(chǔ)存在矩陣LF和LR中。中線Y軸的矩陣可由下面簡(jiǎn)單的公式算出</p><p>　　L=(LF+LR)/2</p><p>　　中線提取信息的優(yōu)勢(shì)如圖8所示</p><p>　　圖8 提取到的中心線圖像和原始圖像進(jìn)行對(duì)比</p>

23、<p>　　3.4、基于DSP技術(shù)的焊縫跟蹤系統(tǒng)</p><p>　　上面所描述的算法已經(jīng)在基于DSP技術(shù)的系統(tǒng)中得到了證實(shí)，其效果圖如圖9所示。無(wú)論設(shè)計(jì)多大的窗口，系統(tǒng)必須在40毫秒內(nèi)完成圖像的采集，并且要對(duì)最后一針圖像進(jìn)行處理。如果焊接速度這么快，那么所選擇的響應(yīng)時(shí)間大于40毫秒的直流電機(jī)是沒(méi)必要做出響應(yīng)的。設(shè)置一組合理的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間和焊接響應(yīng)時(shí)間的時(shí)間差。</p>&l

24、t;p>　　圖9 高壓水下焊縫跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　4、實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與討論</p><p>　　曲線焊縫跟蹤模擬實(shí)驗(yàn)</p><p>　　正常環(huán)境下，模擬焊縫跟蹤系統(tǒng)并在金屬板左側(cè)自動(dòng)繪出白線以代表強(qiáng)大的弧光，所獲得結(jié)果如圖10所示。</p><p>　　圖10 曲線焊縫跟蹤模擬實(shí)驗(yàn)圖</p><p&

25、gt;　　實(shí)際上表示電極位置的白線表示的是重疊的電極，但這也足以證實(shí)了算法是正確的。當(dāng)算法完成時(shí)上面的黑色窗口和下面的白色窗口都是被打開(kāi)的。黑色窗口上方有三個(gè)白線分別代表電極邊緣和衍生電極。在白色窗口下方有三個(gè)黑線和兩個(gè)白線，至于黑線，第一個(gè)（從左至右），第三個(gè)顯示弧區(qū)，第二個(gè)表示弧中心。從第一個(gè)黑線到左側(cè)窗口的邊緣是搜索左側(cè)槽邊的區(qū)域，在里面的白線就是左槽邊緣。從第三個(gè)黑線到右側(cè)窗口的邊緣是搜索右側(cè)槽邊的區(qū)域，在里面的白線就是右側(cè)槽邊