Анотація до роботи:

Шаповалов Є.В. Засоби технічного зору як елемент зворотного зв’язку в системах стеження дугового зварювання

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 «Автоматизація технологічних процесів» – Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2006 р.

Дисертація присвячена розробці засобів технічного зору для систем стеження за стиком без розроблення кромок. Для вирішення цієї проблеми запропоновано метод, що базується на комп’ютерній обробці відеозображень лінії стикового з’єднання, одночасно освітленої джерелами структурованого і розсіяного світла.

Проведені експериментальні і теоретичні дослідження спектрів аргонових дуг дозволили обґрунтовано вибрати оптичні діапазони довжин хвиль видимого і ближнього інфрачервоного спектра, що є найвигіднішими для роботи засобів технічного зору АСУ ТП аргонодугового зварювання.

Розроблено математичну модель розпізнавання образу стикового з’єднання на відеозображеннях із можливістю самонавчання. В моделі реалізований покроковий метод ухвалення рішення про приналежність об’єктів до класів, що дозволяє значно скоротити об’єм обчислень і застосувати розроблену модель в системах реального часу.

1. Аналіз сучасного стану засобів технічного зору показав, що для автоматизації процесу наведення зварювального інструмента на стик при серійному виробництві цистерн, труб великого і малого діаметрів необхідні сенсори, які забезпечують виявлення стику із зазором, близьким до нуля.

2. Розроблено телевізійний метод для автоматичного стеження за стиком без розроблення кромок із зазором, близьким до нуля, що дозволило розширити можливості засобів технічного зору, які використовуються у зварювальному виробництві. Запропонований метод є подальшим розвитком методу світлового перетину і заснований на комп’ютерній обробці відеозображень лінії стикового з’єднання, що одночасно освітлена джерелами структурованого і розсіяного світла.

3. Розроблено спеціалізований контролер для адаптивного управління джерелом розсіяного світла комбінованого сенсора шляхом зміни шпаруватості ШІМ перетворювача мікропроцесора, що дозволило забезпечити інваріантність сенсора до оптичних властивостей поверхонь, що зварюються.

4. Запропоновано спосіб селекції лазерного випромінювання, дифузно відбитого від металевих поверхонь, що зварюються, який дозволив нормалізувати гістограми відеозображень лінії стикового з’єднання. Показано, що дифузно відбите лазерне випромінювання деполяризовано значно сильніше, ніж дзеркальне, що дозволило за допомогою поляризаційного світлофільтра бланкувати попадання дзеркальної складової до об’єктива відеокамери.

5. Вперше запропоновано в оптичному тракті систем технічного зору, заснованих на методах лазерної локації, для збільшення співвідношення сигнал-шум використовувати поляризаційний світлофільтр, встановлений перед об’єктивом відеокамери. Доведено, що співвідношення сигнал-шум підвищується, якщо площина поляризації світлофільтра співпадає з площиною поляризації лазера. Запропонований спосіб дозволяє зменшити потужність випромінювання лазера більш ніж на 20 % без погіршення технічних характеристик системи стеження і, тим самим, зменшити імовірність ураження органів зору персоналу лазерним випромінюванням.

6. На підставі експериментальних і теоретичних досліджень спектрів аргонових дуг визначено оптичні діапазони довжин хвиль видимого і ближнього інфрачервоного спектра, що є найвигіднішими для роботи засобів технічного зору АСУ ТП аргонодугового зварювання. Встановлено, що в діапазоні 500-1000 нм наявність парів заліза і алюмінію в аргоновій дузі істотно не впливає на її спектр. Показано, що при використанні світлофільтрів зі смугою пропускання 625-660 нм, 710-730 нм, 940-960 нм, 990-1040 нм дуга практично не впливає на роботу засобів технічного зору.

7. Запропоновано для виділення на зображенні лінії стикового з’єднання використовувати вибірково-узгоджений фільтр з автоматичною адаптивною перебудовою імпульсної характеристики в процесі стеження, що дозволяє підвищити точність визначення напряму зварювання.

8. Розроблено математичну модель розпізнавання образу стикового з’єднання на відеозображеннях з можливістю самонавчання. Показано, що використання в моделі покрокового методу прийняття рішення про приналежність об’єктів до класів дозволяє значно скоротити кількість обчислень і застосувати розроблену модель в системах реального часу. Експериментально доведено, що розроблена математична модель дозволяє прогнозувати координати лінії стикового з’єднання безпосередньо під зварювальним інструментом.

Основний зміст дисертації опублікований в наступних роботах:

1. Оптический сенсор для слежения за стыком при размерах зазора, близких к нулю /Ф.Н. Кисилевский, Г.А. Бутаков, В.В. Долиненко, Е.В. Шаповалов // Автомат. сварка. – 2003. – №2. – С. 51-52.

2. Шаповалов Е.В. Изучение спектров аргоновых дуг для создания автоматических систем управления процессами плазменно-дуговой плавки и сварки в аргоне // Современная электрометаллургия. – 2003. – №2. – С. 23-25.

3. Кисилевский Ф.Н., Шаповалов Е.В. Определение оптимальной длины волны осветителя в системах технического зрения дуговой сварки // Автомат. сварка. – 2003. – №8. – С.-52-53.

4. Кисилевский Ф.Н., Шаповалов Е.В. Оптические генераторы световой плоскости для средств технического зрения систем автоматизации дуговой сварки // Автомат. сварка. – 2004. – №6. – С. 47-49.

5. Кисилевский Ф.Н., Шаповалов Е.В., Мельник Е.С. Система мониторинга для трубосварочного стана // Автомат. сварка. – 2005. – №10. – С. 56-59.

6. Кисилевский Ф.Н., Шаповалов Е.В., Коляда В.А. Система лазерного слежения за валиком усиления сварного шва // Автомат. сварка. – 2006. – №1. – С. 60-62.

7. Разработка математических методов обнаружения и распознавания элементов сварочного шва на цифровых изображениях. Отчет о НИР (заключ.) // ИЭС им. Е. О. Патона. – Тема 27/8-П; № ГР 0105U001434. – К.: 2006. – 62с.

8. Повышение качества слежения за стыком на основе технического зрения / Ф.Н. Кисилевский, Г.А. Бутаков, В.В. Долиненко, Е.В. Шаповалов // Матер. междунар. науч.-практ. конф. и выст. «Проблемы обеспечения качества в сварочном производстве» (Киев, 3-6 апр. 2001г.). – Киев: 2001. – С. 20-21.

9. Шаповалов Е.В. Исследование оптических свойств поверхностей изделий для синтеза адаптивных алгоритмов обработки сигналов в системах технического зрения (СТЗ), применяемых при управлении дуговой сваркой // І Всеукр. науч.-техн. конф. мол. уч. и спец. «Сварка и родственные технологии» (Ворзель, 22-24 мая 2001 г.). – Ворзель: 2001. – С. 33.

10. Коляда В.А., Шаповалов Е.В. Автоматическое управление режимом сварки при сварке под флюсом стальных конструкций пролетов мостов // Матер. нуч.-техн. семин. «Прогрессивные технологии сварки в промышленности» (Киев, 20-22 мая 2003 г.). – Киев: 2003. – С. 71-74.

11. Technical Vision System for Arc Welding Process Automatic Control Systems in Shipbuilding / V.D. Gorbach, I.V. Souzdalev, E.V. Shapovalov et al. // Lasers for Meaurments and information Transfer, S. Petersburg, 2003, edited by V.E. Privalov. Proc. of SPIE Vol. 5381. – Bellingham (WA), 2004. – P. 110–118.

12. Шаповалов Е.В., Коляда В.А. Разработка алгоритмов выделения изображения сварочной ванны // ІІ Всеукр. наук.-техн. конф. мол. вч. та спец. «Зварювання та суміжні технології» (Ворзель, 25-27 червня 2003р.). – Ворзель: 2003. – С. 90.

13. Шаповалов Е.В., Коляда В.А. Система определения положения и параметров стыка свариваемых конструкций // Матер. третьей пром. конф. с межд. уч.-ем и выст. «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях» (Славское, Карпаты, 24-28 февраля 2003г.). – Славское: 2003. – С. 119-120.