基于線性CCD的埋弧焊焊縫自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(威海職業(yè)學(xué)院 交通工程系，山東 威海 264210)

埋弧焊機(jī)在船舶預(yù)制焊接中作用重要。實(shí)際生產(chǎn)時，埋弧焊機(jī)的焊炬應(yīng)始終與焊接鋼板間的焊縫位置對中，但由于焊機(jī)小車導(dǎo)軌與焊縫中心位置偏移，以及焊炬電弧在焊劑層下隱蔽不可見等原因，埋弧焊接時容易出現(xiàn)焊炬與焊縫中心偏離現(xiàn)象，造成氣孔、飛濺、焊接不到位等缺陷，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量[1-2]。通常由1～2名操作人員操作1臺埋弧焊機(jī)，檢視焊縫質(zhì)量，并清理工作現(xiàn)場。這種人工操作方式用工多、效率低，特別容易出現(xiàn)因焊縫偏離而造成的焊接缺陷[3-4]。用于焊縫檢測的傳感器種類多樣，目前焊接機(jī)器人及較少的新型埋弧焊機(jī)普遍采用二維面陣圖像傳感器(圖像攝像頭)。采用圖像傳感器的埋弧焊機(jī)對于焊縫形狀檢測非常有效，但需要采用較復(fù)雜的圖像預(yù)處理技術(shù)及圖像識別技術(shù)；同時，處理器芯片、控制電路，以及圖像識別軟件也相對復(fù)雜，成本比較高?，F(xiàn)階段，船舶建造企業(yè)中人工檢視焊縫的傳統(tǒng)埋弧焊機(jī)應(yīng)用廣泛，采用高成本焊縫跟蹤技術(shù)進(jìn)行升級改進(jìn)并非首選。在焊機(jī)前行工作時，線性CCD連續(xù)檢測焊縫，可以檢測到完整的焊縫信息。同時，處理器和外圍控制電路以及圖像識別和控制軟件成本相對較低?？紤]實(shí)現(xiàn)針對傳統(tǒng)埋弧焊機(jī)升級改造的焊縫自動跟蹤系統(tǒng)，選取線性CCD檢測焊縫的一維圖像信息；采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊縫識別，確定焊縫中心位置，計(jì)算焊炬在水平方向的距離偏差；選用伺服系統(tǒng)控制高精度機(jī)械聯(lián)動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)頭與鋼板焊縫對中。

1 系統(tǒng)組成及原理

焊縫自動跟蹤系統(tǒng)組成見圖1。

工作前，手動調(diào)整聯(lián)動機(jī)構(gòu)使機(jī)頭至機(jī)械原點(diǎn)，并與待焊接鋼板的焊縫對中。工作時，安裝于機(jī)頭前方的線性CCD傳感器連續(xù)檢測包含焊縫的單行圖像信息，輸出每行128個像素點(diǎn)的模擬電信號，送至STC15W4K單片機(jī)的ADC端口；通過單片機(jī)的ADC模塊把焊縫模擬電信號轉(zhuǎn)換為128個像素點(diǎn)的數(shù)字信號。軟件確定聯(lián)動機(jī)構(gòu)的機(jī)械原點(diǎn)，即機(jī)頭的位置對應(yīng)于線性CCD像素的中心64、65像素點(diǎn)。通過軟件分析128個像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)，判定焊縫中心像素點(diǎn)的序號。如埋弧焊行走中偏離焊縫，焊縫中心點(diǎn)序號將不與線性CCD中心像素點(diǎn)序號一致。單片機(jī)依據(jù)像素序號差值，輸出調(diào)整指令至伺服系統(tǒng)，控制聯(lián)動機(jī)構(gòu)左右移動，帶動機(jī)頭與焊縫對中。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 跟蹤系統(tǒng)處理器硬件設(shè)計(jì)

處理器采用STC15W4K單片機(jī)。該單片機(jī)電源電壓范圍為2.5～5.5 V，運(yùn)行速度比傳統(tǒng)51單片機(jī)快7～12倍；內(nèi)置高可靠性可設(shè)置門檻電壓復(fù)位電路；時鐘源支持外部晶體或內(nèi)部R_C高精度時鐘；具有8路速度可達(dá)30萬次/s的10位高精度AD轉(zhuǎn)換端口。

處理器系統(tǒng)具體設(shè)置為5 V工作電壓、內(nèi)置22.118 4 MHz 的R_C時鐘、ADC的10 bit精度、4 k字節(jié)的SRAM、40KB的 Flash空間。電路布置見圖2。

2.2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

由于焊縫跟蹤系統(tǒng)作業(yè)于強(qiáng)電磁環(huán)境，綜合考慮處理器、線性CCD模塊、伺服驅(qū)動系統(tǒng)及外圍電路等的電磁兼容性，電源采用15 DCV(3 A)輸入，輸出12 、7.5 V和VCC(5 V)[6]。

電源12 V和7.5 V采用LM2596開關(guān)電源芯片。12 V作為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的輸出端外接電源；7.5 V作為5 V的中間電源。降壓型電源芯片LM 2596需要的最少外圍元器件只有4個，在保證輸出3 A電流的同時，能很好地滿足線性和負(fù)載調(diào)節(jié)性能。12 V電源電路見圖3。7.5 V電源電路見圖4。

為獲得小的電源噪聲，在LM2596的輸出級分別設(shè)置低頻濾波電解電容和高頻濾波瓷片電容；在PCB排版時，電感與Feedback端的連接線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

VCC(5 V)電源提供給處理器電路、線性CCD模塊及其他外圍電路。由于埋弧焊機(jī)處于比較惡劣的電磁環(huán)境，為提供性能良好的電源，減少高低頻噪聲，進(jìn)而考慮電壓穩(wěn)定性和功耗及散熱效果，采用LDO模塊LM1117T-5.0；其輸入為中間電源7.5 V。LM1117T是一種低壓差電壓調(diào)節(jié)線性電源模塊，輸出電壓精度可達(dá)±1%，正常輸出電流為1 200 mA，Dropout Voltage最大值為1.2 V，同時，設(shè)計(jì)了內(nèi)部電流限制和熱保護(hù)電路[7]。電路見圖5。

2.3 線性CCD模塊設(shè)計(jì)

線性CCD是一個集成模塊，由攝像頭、CCD采集模塊、接口電路等構(gòu)成。采用藍(lán)宙電子的第4代基于CCD傳感器TSL1401CL的一維圖像模塊。TSL1401CL線性傳感器陣列由一個128×1的光電二極管陣列、相關(guān)的電荷放大器電路和一個內(nèi)部的像素模擬信號保持器組成。工作時需要一個串行輸入SI信號和時鐘CLK信號進(jìn)行內(nèi)部邏輯控制，輸出像素模擬信號AO。SI和CLK信號連接至單片機(jī)的通用接口，AO連接至單片機(jī)的ADC接口。接口電路見圖6。

2.4 伺服系統(tǒng)

為保證機(jī)頭對焊縫實(shí)時跟蹤的隨動性，采用伺服系統(tǒng)控制聯(lián)動機(jī)構(gòu)。伺服系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)，全部采用歐瑞傳動配套的產(chǎn)品[8]。伺服驅(qū)動器采用單相交流220 V，750 W功率，能耗制動，絕對值編碼器。伺服電機(jī)采用母線電壓300 V，400 W功率，17位絕對值編碼器，制動器，60法蘭，鍵槽帶C孔。伺服系統(tǒng)的動力和伺服驅(qū)動電路見圖7。

2.5 其他電路

系統(tǒng)開始作業(yè)機(jī)頭左右移動至限位開關(guān)時，蜂鳴器報警。電路見圖9。

針對埋弧焊機(jī)工作環(huán)境光亮度差異情況，采用置于機(jī)頭上方的輔助LED光源作為線性CCD檢測的光亮度補(bǔ)償。

3 焊縫自動跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 焊縫自動跟蹤系統(tǒng)程序

系統(tǒng)軟件包括初始化、ADC啟動、讀取128像素點(diǎn)、焊縫中心確定、運(yùn)算控制等模塊[9]。系統(tǒng)流程見圖10。

3.2 運(yùn)算控制模塊程序

運(yùn)算控制模塊包括：分析像素?cái)?shù)據(jù)、判定焊縫中心像素點(diǎn)序號、計(jì)算位置脈沖個數(shù)、控制伺服驅(qū)動等。流程見圖11。

3.3 像素?cái)?shù)據(jù)分析程序設(shè)計(jì)

128個像素?cái)?shù)據(jù)分析是焊縫跟蹤軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。CPU對線性CCD檢測的128個像素點(diǎn)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)存儲于片內(nèi)SRAM中，為判定焊縫中心位置需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序[10]。在威海某船廠預(yù)制加工車間，對直流埋弧焊機(jī)進(jìn)行焊縫跟蹤自動化升級改造，加裝控制系統(tǒng)和聯(lián)動結(jié)構(gòu)部分。分別針對埋弧焊機(jī)改造前、后的6、9、12 m長度的12 mm 厚度低合金鋼船體拼板進(jìn)行焊接對比試驗(yàn)，焊縫采用超聲波UT測試。檢測結(jié)果見表1。

表1 拼板焊縫焊接質(zhì)量合格率 %

通過檢測發(fā)現(xiàn)，使用改造后埋弧焊機(jī)焊接的6 m和9 m鋼板焊縫UT檢測結(jié)果為100%，12 m鋼板焊縫UT檢測結(jié)果為99%，比改造前的焊縫質(zhì)量有明顯提高。對12 m鋼板焊縫質(zhì)量分析發(fā)現(xiàn)，前期加工的坡口有一段不規(guī)則邊界，在線性CCD檢測時，像素?cái)?shù)據(jù)跳動，造成焊縫中心判斷異常，從而控制聯(lián)動機(jī)構(gòu)出現(xiàn)偏差。通過平滑像素?cái)?shù)據(jù)，調(diào)整控制程序，再次進(jìn)行同條件現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，檢測結(jié)果為100%，達(dá)到焊縫焊接質(zhì)量的設(shè)計(jì)要求。埋弧焊機(jī)升級改造后，1名操作人員可以操作2臺埋弧焊機(jī)，降低了生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

1)對傳統(tǒng)埋弧焊機(jī)焊縫自動跟蹤升級改造，采用線性CCD時，為避免外界電磁及開關(guān)電源引起的高低頻干擾，確保提供良好性能電源，采用低壓差線性電源。

2)線性CCD檢測焊縫圖像時，每一幀采集128個像素點(diǎn)，通過軟件判定焊縫中心，確定焊縫與機(jī)頭的偏離位移。

3)單片機(jī)采用位置脈沖模式輸出調(diào)節(jié)指令至伺服系統(tǒng)，控制高精度機(jī)械聯(lián)動機(jī)構(gòu)。

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中，有部分問題需要進(jìn)一步細(xì)化研究，主要是應(yīng)用環(huán)境的光亮度可能影響線性CCD的檢測，雖然增加了LED光源補(bǔ)償，但光的疊加效果仍造成焊縫圖像數(shù)據(jù)的檢測差異；鋼板表面的不規(guī)則情況可能影響焊縫中心的判定。

系統(tǒng)的改進(jìn)主要考慮：實(shí)現(xiàn)環(huán)境光自適應(yīng)優(yōu)化；針對連續(xù)不規(guī)則坡口，通過改進(jìn)程序?qū)崿F(xiàn)異常數(shù)據(jù)的平滑過渡；在工作準(zhǔn)備階段，需要手動設(shè)置伺服驅(qū)動器的初始數(shù)據(jù)，若采用CPU直接對伺服驅(qū)動器進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化，將提高自動化程度。