CO2激光割切品质的视物感觉检验测定

CO2激光割切品质的视物感觉检验测定 文章来源：中国切割机网

　　　在激光切割中，切割表面粗糙度是衡量切割质量的核心指标。切割面质量的分布特点表明，下缘处是切割面质量的薄弱环节，应以下缘粗糙度作为切割面质量评价的标准。作者曾通过在侧轴安装CCD的方法，避开了切割前沿热辐射的干扰，发现了火花簇射视觉图像特征与低表面粗糙度之间具有良好的对应关系：在无缺陷区，随着切割速度的变化，火花簇射长度以具有极大值的倒U形曲线形式变化，大的火花簇射长度（即火花簇射视觉图像不同亮度带的极大值）对应于低的切割面近下缘粗糙度。
　　上述方法虽然可以获得下缘粗糙度的信息，但无法适应切割方向和切割位置的变化
　　，而且在实际切割现场要从切割板材侧面安装可以观测下部火花簇射的视觉传感器，难度也很大。同轴视觉的技术方案
　　，具有不受切割方向限制的优点，是国际上研究的热点课题。目前，该方案已经实现了对切割缺陷的检测
　　，但对切割面下部粗糙度的检测方面，仍属空白。
　　以实用化为目标，基于火花簇射行为的特征，本文研究同轴视觉图像中低切割面下缘粗糙度的检测方法。
　　实验方法激光切割同轴视觉检测系统在CO2激光切割过程中，激光束首先通过分光镜、ZnSe透镜聚焦后实现切割。切割
　　过程中产生的切割前沿和火花簇射的辐射首先经过ZnSe透镜，再经分光镜水平传出，由聚焦透镜2聚焦成实像A，A是切割前沿和火花簇射视觉图像的水平投影。经过滤光片后，采用CCD实现对实像A的检测，图像信号送入工业PC.
　　切割实验利用一台3KWCO2快轴流激光器完成，其输出模式为TEM00 TEM01，切割过程采用氧气作为辅助气体，焦点位于工件上表面，实验材料为St12钢板。
　　火花簇射的同轴识别切割过程的热辐射源包括切割前沿和火花簇射两部分。在概念上，两者以切割面下缘为分界。因为切割前沿的下缘处和火花簇射的出口处具有相同的温度，所以切割面下缘在同轴视觉图像中很难加以界定。
　　根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，温度越高的物体辐射的出射度也越强，CCD图像中观测到的灰度值越高。高温的熔化金属及其氧化物，在下缘处突然失去切割前沿的物理支撑向下喷射，形成火花簇射。
　　火花簇射在大气中，随着喷射距离的增加温度迅速降低，其热辐射强度迅速减弱，因此可以通过选取合适的热辐射强度计算窗口的方法确定检测对象为火花簇射。坐标轴表示热辐射的强度，左侧强度低，右侧强度高。在坐标轴上，用箭头标出了火花簇射出口处热辐射强度对应的位置，其温度随着工艺参数有一定的变化，变化的温度区间对应的热辐射强度变化带在坐标轴上用虚线标出。在光学参数不变的情况下，到达CCD表面的热辐射照度超过一定阈值会使CCD输出信号饱和，文中称其对应的检测目标热辐射出射度为该光学参数下的CCD饱和阈值。
　　通过调节检测系统的光学参数（光圈和曝光时间），可以改变CCD的饱和阈值，图中CCD饱和阈值已用箭头标出。调节光学参数，使切割下缘辐射带的波动范围位于CCD饱和区，即图中CCD饱和阈值线位于虚线所示区域的左侧。在此设定下，饱和区的图像包含切割前沿和火花簇射根部，其中切割前沿是主体，因此图像中饱和区域仍简称切割前沿图像，饱和区域的图像可用作对切割过程的缺陷检测；CCD非饱和区的亮带为火花簇射的热辐射图像。
　　实验结果和分析激光功率800W，氧气压力5bar，改变切割速度。
　　同轴观察到的火花簇射不同亮度带平均长度LP（fi，fj）与佳切割速度的关系，计算中选取灰度值fifj范围分别为200209、210219、220229、230239、240244、245249和250254.
　　从中可以看出，同轴观测的不同亮度带平均长度LP（fi，fj）具有相似的变化趋势，考察其在无缺陷区域的变化规律（15mm/s55mm/s）。在低速（15mm/s25mm/s）情况下，LP（fi，fj）具有较小的数值；在切割速度为30mm/s时不同亮度带LP（fi，fj）均达到小值；速度在30mm/s55mm/s区间变化过程中，LP（fi，fj）先增加后减小，LP（fi，fj）峰值对应的佳切割速度Ve为45mm/s，此时切割面近下缘粗糙度小。
　　对比同轴和侧面的检测结果，可见各亮度带长度（像素数）随速度变化基本规律一致。不同的是同轴信号随速度变化曲线，在30mm/s时明显存在一个低点。火花的喷射方式和角度变化是造成不同视角下检测信号差异的主要原因。从中可看出，由于切割前沿的存在，只有火花簇射出口处后方火花的辐射才能被同轴视觉系统检测到，这部分区域与CCD视野的交集被称为有效检测范围。
　　从中可以看出，同轴火花检测观察到的是切割过程火花簇射在有效检测范围内的投影。
　　当切割速度在10mm/s25mm/s之间变化时，火花为滴状簇射方式，其角度不断变化，当其摆动到同轴的有效检测范围时，被CCD捕获。由于此参数下，火花簇射各亮度带像素数较小且角度波动，因此同轴观测到的信号数值很小。在30mm/s时，火花簇射方式变为喷射状，喷射角度稳定，且前倾角大，在有效检测范围内的部分少，因此同轴信号小。
　　虽然同轴和侧面信号在低速切割区域的变化略有差异，但具有峰值的倒U形曲线特征仍然存在，峰值对应佳切割速度的特征未变，证明此特征能作为基于同轴寻优控制的特征信号。
　　结论
　　本文以实用化为目标，建立了激光切割过程同轴视觉检测系统，对火花簇射的同轴视觉图像进行了处理和分析。在同轴视觉图像中，以不同亮度带平均长度LP（fi，fj）表示其像素的数量。实验表明：火花簇射的同轴视觉图像中各亮度带的平均长度LP（fi，fj）在无缺陷区存在一个峰值，此时对应的切割面近下缘粗糙度小。
　
　

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