焊接是大型压力容器建造过程中的主要工艺。由于容器壳体的钢板厚度大 ,焊接坡口宽 ,有时还有预热的要求 ,不仅工作量大 ,而且劳动条件恶劣 ,迫切要求实现焊缝的自动跟踪。针对这种情况 ,研制了一种具有视觉功能的焊缝自动跟踪系统。通过 Laser-PSD传感器对坡口的扫描获得坡口横断面的 2维图像 ,成功地实现了以坡口根部或坡口侧面 (程序可选 )为基准的左右跟踪 ,以及工件表面为基准的高低跟踪。系统跟踪精度高 ,抗干扰能力强 ,图像显示直观 ,检测可靠 ,操作方便 ,对生产现场有很强的适应性。系统硬件组成焊缝跟踪系统由传感器、
控制系统、执行机构组成。系统总体结构见图 1。其中传感器导前焊炬图 1 焊缝跟踪系统总装图一段距离 ,两者都固定在执行机构的悬臂上 ,从而保证执行机构能够同时调节焊炬和传感器。除了主控制机箱外 ,控制系统采用带液晶显示的便携式手动控制盒 ,使操作更为方便 ,并能直观显示坡口图像和跟踪状况。1 .1 Laser-PSD视觉传感器Laser-PSD焊缝跟踪系统的传感器采用激光二极管 (LD)作为信号光源 ,1维位敏元件 PSD(position sensitive detector)作为接收器件 ,通过透镜组成光学系统 ,利用步进电机和摆动机构带动光学系统在焊缝坡口上方作横向扫描运动 ,实现坡口截面 2维图像的视觉传感。PSD为一种基于横向光电效应的硅光器件 ,断面结构见图 2。PSD的感光面阻抗均匀一致 ,在图 2 PSD断面结构图其两边各有一个输出电极 ,当光束入射到感光面时 ,产生光电流 I1 、I2 ,并从两个输出电极输出。I1和 I2 的分流关系取决于入射光点的位置到两个电极的等效电阻 ,通过计算可得光点位置与输出电流之间的关系X =I2 -I1 I2 + I1L (1)因此 PSD输出的电流信号经过一定的运算处理后即可得到只与光点位置有关而与光强无关的信号。利用式 (1 )关系获得光点高度位置信息的Laser-PSD传感器检测原理见图 3 a,激光二极管发出的光束经透镜会聚后 ,以一定角度投射到工件 (或坡口面 )上形成光斑 ,光斑反射后经另一透镜成像于位敏元件 PSD上 ,当传感器与工件之间距离发生变化时 ,PSD光敏面上的成像点位置也发生变化 <1 >。利用摆动机构使传感器在坡口上方做横向扫描 ,见图 3 b<1 > ,并定时采样扫描过程中光斑所处的高度位置信号。传感器扫描坡口一次 ,即可得到一幅坡口横截面的真实轮廓。通过信号处理运算 ,即可获得坡口中心和工件表面高度信息 ,计算值与基准值比较 ,就得到焊炬的对中和高低偏差情况。实际跟踪过程中在液晶屏幕上的显示见图 4。1 .2 控制系统本焊缝跟踪系统采用单片机作为中央处理器 ,整个控制系统包括激光光源的驱动、传感器信(a) (b)图 3 PSD检测原理图图 4 跟踪过程中的液晶屏显示号的前置处理电路、单片机控制电路和各个步进电机驱动电路。其原理框图见图 5。由于激光光源采用了调制技术 ,因此 PSD输出的电流信号需要经过 I/ V转换、自动增益控制、高通滤波、解调等信号处理后 ,再经过 A/ D转换输入到单片机 ,最后在液晶屏上实时地显示焊缝坡口形状和左右、高低偏差数值 ,并根据计算出的偏差量向执行机构发出调整指令 ,实现焊缝的实时跟踪。作为由视觉传感器构成的焊缝跟踪系统 ,在实际生产中 ,由于工件的加工方法、表面状态 (如打磨、锈蚀、油污、灰尘等 )的不同 ,其反光性能差别很大 ,反射后的光信号强度相差可达几十倍乃至上百倍 ,这就要求信号前置处理的放大倍数也要相应变化 ,否则信号幅值可能超出系统中各芯片的工作范围而无法正常工作 <2 > 。因此 ,本系统在前置处理电路中加入了自动增益控制环节 ,见图6。图中 ,I1 、I2 为第 1路和第 2路输出电流 ;V1 、V2为第 1路和第 2路转换后电压 ;Vs1 、Vs2 为第 1路和第 2路放大后电压 ;Vc 为自动增益的控制电压。自动增益控制实际上是增益可控的放大器 ,反馈信号控制电路为一个 PI调节器 ,它以 PSD两输图 6 PSD信号的自动增益控制框图出通道的和信号 (Vs1 +Vs2 )与给定信号的差值为输入量 ,输出量 Vc作为控制增益程度的信号 ,其传递函数为G(s) =K (1+ 1τs) (2 )式中 ,τ为积分时间常数 ;K为放大倍数 ;s为拉氏变换复变数。为了解决生产现场的背景光 (如日光、照明光、电弧光等 )对视觉传感器的干扰问题 ,系统采用了激光光源调制 ,信号滤波和解调的方法 ,保证了焊缝跟踪系统工作的有效性和准确性。1 .3 执行机构为了保证焊缝跟踪系统的跟踪精度 ,必须有一套高精度的执行机构来完成位置偏差的调整。系统采用小步距角的步进电机作为执行机构的驱动元件。控制单元输出的调整电压脉冲 ,经过光耦隔离、功放后 ,驱动步进电机分别带动十字滑块进行左右和高低方向的跟踪调节。为了避免系统对偏差过分敏感和振动 ,根据检测精度要求 ,在调节过程中设置了一定的死区 ,只有当偏差量超过死区范围时 ,才控制电机以设定的速度进行纠偏。2 系统软件功能系统软件与硬件配合实现了视觉传感器的扫 描、信号的采集和计算、坡口形状和跟踪标志在液晶屏上的实时显示、十字滑块位置的调节等功能。程序流程见图7<1 >。其中最重要的部分是对采集到的信号进行计算和校核。因为由于焊接现场条件恶劣 ,焊缝坡口加工不规则 ,在自动跟踪过程中 ,会遇到点固点、接缝棱边、坡口及其周围工件表面局部状态异常等情况 ,此时 ,所得到的扫描图形以及计算结果与正常检测的数据就会出现较大的差异 ,在软件中采用了一定的算法对局部异常状况进行判断和修正 ,保证焊缝自动跟踪系统在工业现场的各种复杂条件下均能可靠地工作。3 结论(1 )采用 Laser-PSD视觉传感器的焊缝跟踪系统实现了对大坡口自动焊全过程的有效跟踪 ,并能实时显示坡口断面的 2维图像 ,跟踪精度左右方向小于± 0 .3 mm,高低方向小于±0 .4m m。(2 )利用接收信号的自动增益控制环节 ,使得系统能够自动适应各种焊接工件表面状态 ,解决了光学传感器的一大难题。(3 )集成后的跟踪系统结构紧凑、性能优良 ,已经过焊接现场生产的严格考验 ,并已作为正式产品推出 ,通过用户的验收Laser-PSD视觉焊缝自动跟踪系统的研究@刘春$清华大学
@文晓江$清华大学
@赵琳$清华大学
@陈武柱$清华大学
@车成文$渤海造船厂
@李宪军$渤海造船厂激光;;位敏元件;;自动增益控制;;焊缝自动跟踪设计了一种扫描式 Laser-PSD视觉焊缝自动跟踪系统 ,该系统采用激光二极管作为信号光源、1维位敏元件 (PSD)为接收器件组成视觉传感器 ,并采用单片机作为中央控制器。传感器在坡口上方横向扫描 ,获得坡口的 2维图形 ,经单片机系统处理计算得出高低、左右偏差 ,控制焊炬的高低、左右位置 ,实现了对大坡口埋弧自动焊全过程的有效跟踪。通过使用 ,证明该系统跟踪精度高 ,抗干扰能力强 ,工作可靠 ,能直观显示坡口图像和跟踪状况 ,操作方便 ,对生产现场有很强的适应性<1> 李天亚.多功能无盲区L aser-PSD扫描式焊缝自动跟踪系统的研究:<硕士学位论文>.北京:清华大学,1999.
<2> 陈武柱,王勇,林青松.焊缝自动跟踪技术的现状及新发展.焊管,1992,15(5):1～10中国船舶工业总公司攻关资助项目;;
清华大学 986资助项目 (0 1 2 - 1 0 1 0 5)对采集到的信号进行计算和校核。因为由于焊接现场条件恶劣 ,焊缝坡口加工不规则 ,在自动跟踪过程中 ,会遇到点固点、接缝棱边、坡口及其周围工件表面局部状态异常等情况 ,此时 ,所得到的扫描图形以及计算结果与正常检测的数据就会出现较大的差异 ,在软件中采用了一定的算法对局部异常状况进行判断和修正 ,保证焊缝自动跟踪系统在工业现场的各种复杂条件下均能可靠地工作。3 结论(1 )采用 Laser-PSD视觉传感器的焊缝跟踪系统实现了对大坡口自动焊全过程的有效跟踪 ,并能实时显示坡口断面的 2维图像 ,跟踪精度左右方向小于± 0 .3 mm,高低方向小于±0 .4m m。(2 )利用接收信号的自动增益控制环节 ,使得系统能够自动适应各种焊接工件表面状态 ,解决了光学传感器的一大难题。(3 )集成后的跟踪系统结构紧凑、性能优良 ,已经过焊接现场生产的严格考验 ,并已作为正式产品推出 ,通过用户的验收Laser-PSD视觉焊缝自动跟踪系统的研究@刘春$清华大学
@文晓江$清华大学
@赵琳$清华大学
@陈武柱$清华大学
@车成文$渤海造船厂
@李宪军$渤海造船厂激光;;位敏元件;;自动增益控制;;焊缝自动跟踪设计了一种扫描式 Laser-PSD视觉焊缝自动跟踪系统 ,该系统采用激光二极管作为信号光源、1维位敏元件 (PSD)为接收器件组成视觉传感器 ,并采用单片机作为中央控制器。传感器在坡口上方横向扫描 ,获得坡口的 2维图形 ,经单片机系统处理计算得出高低、左右偏差 ,控制焊炬的高低、左右位置 ,实现了对大坡口埋弧自动焊全过程的有效跟踪。通过使用 ,证明该系统跟踪精度高 ,抗干扰能力强 ,工作可靠 ,能直观显示坡口图像和跟踪状况 ,操作方便 ,对生产现场有很强的适应性<1> 李天亚.多功能无盲区L aser-PSD扫描式焊缝自动跟踪系统的研究:<硕士学位论文>.北京:清华大学,1999.
<2> 陈武柱,王勇,