基于多视觉特征融合的激光焊接质量检测与直接式控制方法研究

With the development of high-end manufacturing equipment such as aeronautic industry and etc., the higher demands are placed on the stability and reliability of laser welding quality. On-line quality inspection and control of laser welding is a great challenge due to the uncertainties of the surface of weld seam and complexity of the influence factors of welding quality. Based on multi-vision-feature fusion, this project aims to develop new methodologies and algorithms for quality inspection and control of laser welding. We focus on descript the weld seam using multi-vision-feature for more robustness. Multi-vision-feature fusion is discussed and then be used to recognize and identify the weld defects. According to the quality information, the influence factors of welding quality are analyzed for showing the correlation between the qualities and welding parameters. A direct control model is built on the welding quality for controlling the welding parameters. The project will make the manufacturing process and inspection methods integrated fully, which will advance the development of the theory of manufacturing quality control. In addition, the application will promote the intelligence of laser welding equipment of our country and improve the quality of laser welding and the relevant areas.

随着航空工业等高端制造装备的发展，对激光焊接质量的稳定性和可靠性提出了更高的要求。激光焊接焊缝表面不确定干扰因素的影响以及激光焊接质量影响因素的复杂性等问题决定了激光焊接焊缝质量在线检测和质量控制方法的研究具有极大的挑战性。本项目开展基于多视觉特征融合的激光焊接质量检测与直接式控制方法研究，其核心思想是通过多视觉特征更加鲁棒的进行焊缝的视觉描述和表达，进而准确识别焊缝质量缺陷，并依据焊缝质量信息，深入分析焊缝质量影响因素，从而揭示激光焊接质量和工艺规范之间的变化规律，建立依据焊接质量直接对焊接工艺参数进行控制的方法。项目的研究将产品制造过程和检测手段充分集成，将促进我国制造过程质量控制理论的系统化发展。在应用方面，将直接有利于促进我国激光焊接装备智能化进程，对提高激光焊接等相关领域的制造品质具有重要的现实意义。

为了解决激光焊接拼缝和焊缝表面不确定干扰因素影响下激光焊接拼缝测量和焊缝质量在线检测问题以及激光焊接质量控制问题，本项目主要进行了激光拼焊焊缝图像采集传感器设计及标定方法研究、焊缝图像多视觉特征分析与提取方法研究、基于多视觉特征的焊缝质量检测方法研究、焊接工艺影响因素分析及试验研究、激光拼焊焊接过程建模及控制研究以及上述理论方法与系统的集成与实验验证研究等。设计可应用于激光拼焊焊缝图像采集的结构光视觉传感器，并提出了一种基于支持向量机的直接标定方法，该标定方法标定精度高，能够满足在线测量需要。针对采集获取的拼缝图像融合圆结构光和条形结构光信息并采用曲面拟合实现曲面拼缝的间隙、错配和法矢等参数测量，并针对激光拼焊等厚拼缝间隙窄、仅基于结构光条纹检测时特征点不明显的问题，提出一种融合纹理特征和结构光条纹信息的焊缝跟踪点识别方法。针对焊缝质量检测，通过分析焊缝多视觉特征信息，提出并实现基于焊缝图像纹理特征信息、结构光光纹信息、图像序列信息等多特征信息相结合的焊缝质量检测方法，依据提取的焊缝区和非焊缝区差异明显的纹理特征，训练最小二乘支持向量机模型对焊缝进行粗识别，并采用纹理滤波，通过阈值分割方法精确分割焊缝，分别针对等厚和不等厚焊缝识别焊缝特征点，并依据国际激光焊接质量标准，实现焊缝几何形貌质量检测。搭建实验平台并开展拼缝测量和焊缝质量检测实验以及现场实验，验证了方法的有效性。建立焊缝轮廓模型，进行焊接试验，并对焊缝缺陷进行归纳和总结，分析焊缝成形的工艺影响因素，分别针对不同质量缺陷，研究分析对其影响较大的工艺影响因素。建立焊缝质量信息和工艺参数的关系模型，依据焊缝质量信息实现焊接过程控制。本项目的研究能够为激光焊接焊缝质量在线测量和实现焊接质量智能化控制提供理论方法和技术支持，对促进我国激光焊接装备智能化进程具有重要意义。