專利名稱：焊縫路徑軌跡線實(shí)時(shí)檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于非接觸式光電檢測裝置領(lǐng)域，特別涉及適用于球罐多層焊接焊縫路徑的實(shí)時(shí)檢測裝置。
焊接是球罐和輸油管道制造中極為重要的環(huán)節(jié)。隨著石化工業(yè)的發(fā)展，大型球罐、儲罐和輸油管道的建設(shè)越來越多，球罐的容積也越來越大，輸油管道的里程也越來越長。工程建設(shè)急需實(shí)現(xiàn)大型球罐、儲罐和輸油管道焊接的自動化。對于大型球罐、儲罐和輸油管道焊接而言，特別是大型球罐全位置多層焊接，焊縫自動跟蹤是其主要問題，而焊縫自動跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)之一是實(shí)現(xiàn)對焊縫路徑的實(shí)時(shí)檢測。
目前國內(nèi)外對焊縫路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的方法主要有機(jī)械接觸檢測法、電磁檢測法、焊接電弧檢測法、圖像檢測法和結(jié)構(gòu)光檢測法等。
機(jī)械接觸檢測法是利用導(dǎo)前焊炬的機(jī)械機(jī)構(gòu)(如滑輪等)，直接與被焊工件的焊縫相接觸，引導(dǎo)焊炬沿焊道中心線行走，從而實(shí)現(xiàn)焊縫的跟蹤。電磁檢測法是利用差動式電磁鐵機(jī)構(gòu)中導(dǎo)磁回路不同而磁阻不同的原理檢測焊炬的對中程度的。以上兩種焊縫路徑檢測方法可方便快捷的檢測未焊焊縫路徑，但對于球罐多層焊接，由于已焊焊縫破壞了焊縫的原始形貌，上述兩種檢測方法較難檢測到已焊焊縫的路徑。
焊接電弧檢測法是直接提取焊接電弧的電參數(shù)(如焊接電弧電壓、電流等)信號來判別焊炬的對中程度的。其本質(zhì)是根據(jù)焊炬與工件表面的距離變化引起焊接電弧電參數(shù)的變化規(guī)律，提取焊炬與焊縫的偏差信號。焊接電弧檢測法可實(shí)現(xiàn)多層焊接時(shí)打底焊和中間層焊縫的路徑檢測，而對于蓋面焊則無能為力。
結(jié)構(gòu)光檢測法是由光電元件(如光電頭、光敏三極管等)組成的傳感器，依靠輔助結(jié)構(gòu)光投射在焊縫上，然后由接收器件采集反射光信號進(jìn)行檢測。光束照射焊縫坡口位置不同，其反射光在接收器件的光響應(yīng)位置也隨之變化，由此可獲得待焊焊縫坡口的形狀和尺寸信息。此種檢測方法需要附加特殊的結(jié)構(gòu)光源，同時(shí)對傳感器和光源的裝配提出了較為苛刻的要求。
圖像檢測法一般是利用攝像機(jī)得到待焊焊道的圖像，在利用圖像處理的方法提取焊縫、電弧及焊炬的相對位置信息，實(shí)現(xiàn)對焊縫的跟蹤。但焊接的工作環(huán)境對視覺傳感器而言是非常惡劣的，爍亮的弧光干擾、焊接時(shí)的飛濺、工件加工的狀態(tài)不一、工件表面存在的各種油銹等隨機(jī)干擾以及多層焊中已焊焊縫的不規(guī)則表面都為位置信息的提取帶來困難。
本實(shí)用新型的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種對焊縫路徑進(jìn)行非接觸式光電檢測的裝置，可進(jìn)行球罐多層焊接中焊縫路徑的實(shí)時(shí)檢測，且結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)容易，檢測精度高；可廣泛應(yīng)用于造船、石油化工等領(lǐng)域大型金屬構(gòu)件的焊接、切割等加工過程的路徑軌跡線實(shí)時(shí)跟蹤。尤其適用于焊接等惡劣工況條件下的現(xiàn)場應(yīng)用。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的焊縫路徑軌跡線實(shí)時(shí)檢測裝置，其特征在于，包括由線陣CCD芯片及其驅(qū)動電路構(gòu)成的線陣CCD傳感器，與該線陣CCD芯片共軸并依次設(shè)置在一鏡筒內(nèi)的由透鏡、濾光片、光源與遮光罩組成的光學(xué)系統(tǒng)，以及對該線陣CCD傳感器采集的信號進(jìn)行處理的光電信號處理電路。
本實(shí)用新型所說的光電信號處理電路包括將CCD傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)化為二值化信號的二值化電路模塊；將該二值化信號捕獲得到CCD幀同步信號的幀同步信號捕獲電路模塊；將該二值化信號捕獲得到表征焊縫路徑的軌跡線左、右邊緣信號的焊縫軌跡線邊緣捕獲電路模塊；通過所說的CCD幀同步信號和左、右邊緣信號獲取左右邊緣量的焊縫軌跡線左、右邊緣計(jì)量電路，對該左右邊緣量進(jìn)行鎖存的鎖存器電路，對該鎖存的左右邊緣量進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的D/A轉(zhuǎn)換器；對D/A轉(zhuǎn)換后的信號計(jì)算出軌跡線中心位置偏差，并以模擬量的形式輸出的軌跡線中心位置運(yùn)算電路模塊；以及直接對該鎖存的左右邊緣量計(jì)算出軌跡線中心位置偏差，以數(shù)字量的形式輸出的軌跡線中心位置運(yùn)算電路。
本實(shí)用新型具有以下性能和優(yōu)點(diǎn)1、本檢測裝置由自帶光源的線陣CCD傳感器和實(shí)用可靠的光電信號處理系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)新穎、緊湊，易于安裝。
2、本檢測裝置能夠識別工件表面的不同焊縫路徑軌跡線，能夠?qū)崟r(shí)檢測出焊縫路徑軌跡線相對于線陣CCD傳感器中心的偏差量，并可以根據(jù)焊縫跟蹤控制器的要求以模擬信號或數(shù)字信號輸出，檢測精度可達(dá)0.013mm/像素。
3、本裝置具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可在一定范圍內(nèi)自動適應(yīng)由于照明條件發(fā)生變化所產(chǎn)生的干擾，可排除球罐焊接時(shí)電弧光和電磁場的干擾，能夠可靠地檢測其偏離表征焊縫路徑的軌跡線中心偏差量，尤其適用于焊接等惡劣工況條件下的現(xiàn)場應(yīng)用。
4、本檢測裝置可廣泛應(yīng)用于造船、石油化工等領(lǐng)域大型金屬構(gòu)件的焊接、切割等加工過程的路徑軌跡線實(shí)時(shí)跟蹤。
附圖簡要說明圖1為本實(shí)用新型焊縫路徑軌跡線實(shí)時(shí)光電檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型在球罐焊接多層焊縫跟蹤系統(tǒng)中的實(shí)施例簡圖。
圖3為本實(shí)用新型焊縫路徑軌跡線檢測裝置檢測原理示意圖。
圖3a為焊接機(jī)器人向右偏離焊縫路徑軌跡線中心時(shí)CCD的二值化輸出；圖3b為焊接機(jī)器人和焊縫路徑軌跡線中心對中時(shí)CCD的二值化輸出；圖3c為焊接機(jī)器人向左偏離焊縫路徑軌跡線中心時(shí)CCD的二值化輸出。
圖4為本實(shí)用新型光電信號處理單元原理框圖。
圖5為本實(shí)用新型光電信號處理單元工作時(shí)序圖。
圖6為本實(shí)用新型光電信號處理電路圖。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種焊縫路徑軌跡線實(shí)時(shí)檢測裝置實(shí)施例結(jié)合
如下本實(shí)施例的焊縫路徑軌跡線檢測裝置主要由線陣CCD傳感器Ⅰ與光電信號處理單元Ⅱ兩部分組成，如圖1所示。線陣CCD傳感器Ⅰ包括線陣CCD芯片12、線陣CCD驅(qū)動電路11，以及由透鏡14、光源16、濾光片15、鏡筒13與遮光罩17組成的光學(xué)系統(tǒng)。光電信號處理單元Ⅱ由信號處理電路18組成。
圖2為本實(shí)用新型在球罐焊接多層焊縫跟蹤系統(tǒng)中的實(shí)施例簡圖。通常球罐表面涂有均勻一致的紅色防銹漆，本實(shí)施例利用待焊工件21(球罐)表面的一條和焊縫中心線22平行的黑色軌跡線23，在工程應(yīng)用中采用此軌跡線的中心來間接表征焊縫路徑中心。將本實(shí)施例焊縫路徑軌跡線檢測裝置固定于球罐焊接機(jī)器人上，由于機(jī)器人中心和本檢測裝置傳感器中心位置相對固定，所以傳感器中心位置相對于表征焊縫路徑的軌跡線中心偏差即為焊接機(jī)器人偏離焊縫路徑中心的偏差量。因此，當(dāng)光線24照射在球罐表面21和軌跡線23時(shí)，軌跡線23和球罐表面21所成像包含了軌跡線23與CCD傳感器的偏差，檢測CCD傳感器與軌跡線的偏差即為焊縫路徑中心和焊縫路徑軌跡線檢測裝置的偏差。
本實(shí)用新型的焊縫路徑偏差檢測工作原理說明如下在光源16的照射下，表征焊縫路徑中心的軌跡線通過濾光片15和透鏡14在線陣CCD芯片12表面成像，成像電荷與CCD芯片表面感光強(qiáng)度成正比。由于黑色軌跡線反射光強(qiáng)較紅色球罐表面弱，所以軌跡線在CCD芯片表面成像處的像元信號電壓較球罐表面的弱。像元信號經(jīng)過信號處理電路18的二值化模塊處理后得到如圖3中二值化信號，其中高電平代表紅色球罐表面處，低電平代表黑色軌跡線處。低電平形成的負(fù)脈沖中心代表軌跡線中心，整個(gè)一幀信號的中心代表CCD的中心位置。二值化信號低電平的寬度正比于軌跡線的實(shí)際寬度。信號處理電路18將此二值化信號進(jìn)行信號處理、計(jì)算及D/A轉(zhuǎn)換，可以獲得一個(gè)正比于軌跡線和CCD中心偏差的模擬量信號電壓輸出，也可以獲得一個(gè)正比于軌跡線和CCD中心偏差的數(shù)字量信號輸出。由于軌跡線中心即代表焊縫路徑中心位置，所以焊縫路徑軌跡線檢測裝置的輸出即為此檢測裝置偏離焊縫路徑中心位置的偏差量。圖3(a)為焊接機(jī)器人向右偏離焊縫路徑中心時(shí)CCD的二值化輸出信號，此信號經(jīng)信號處理電路18作用，輸出表征偏差的模擬量us和數(shù)字量ud與CCD中心和焊縫軌跡線中心的偏差量Δx之間滿足如下關(guān)系式us=2.5-ksΔx (1)ud=1080-kdΔx(2)其中ks、kd為通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的比例系數(shù)。圖3(b)為焊接機(jī)器人和焊縫路徑中心對中時(shí)CCD的二值化輸出信號，此時(shí)，CCD中心和焊縫軌跡線中心的偏差量Δx為0，表征偏差的模擬量us為2.5V，數(shù)字量ud為1080。圖3(c)為焊接機(jī)器人向左偏離焊縫路徑中心時(shí)CCD的二值化輸出信號，此信號經(jīng)信號處理電路18作用，輸出表征偏差的模擬量us和數(shù)字量ud與CCD中心和焊縫軌跡線中心的偏差量Δx之間滿足如下關(guān)系式us=2.5+ksΔx (3)us=1080+kdΔx(4)其中us、ud為通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的比例系數(shù)。
根據(jù)焊縫路徑檢測裝置輸出的us或ud，焊接機(jī)器人可判斷自身偏離焊縫路徑中心的大小和方向，由此進(jìn)行機(jī)器人自身位置的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人在球罐焊接時(shí)的焊縫路徑跟蹤。
本實(shí)施例的線陣CCD芯片、光學(xué)系統(tǒng)、光電信號處理單元的具體電路詳細(xì)說明如下1．線陣CCD芯片線陣CCD芯片的型號為東芝公司TCD1206，有效像元數(shù)為2160，像元信號頻率1.152MHz，幀同步信號頻率500Hz，光敏面有效長度28mm。
2．光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)包括透鏡、濾光片、光源。
透鏡采用135相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，鏡頭最大相對孔徑F1.4，焦距50mm，鏡頭結(jié)構(gòu)類型七片六組，視場角50，外圓徑Φ51。
濾光片根據(jù)球罐表面防銹漆的顏色而定，本裝置中選用紅片，連接尺寸為M49×0.75。
光源采用對稱放置的兩個(gè)普通9V/2W小燈泡。
3．光電信號處理單元圖4所示為本實(shí)施例的光電信號處理單元原理框圖，光電信號處理單元由二值化電路模塊、幀同步電路捕獲模塊、焊縫路徑信號捕獲電路模塊、軌跡線左、右邊緣計(jì)量電路模塊、鎖存電路模塊、焊縫路徑中心線偏差模擬量運(yùn)算電路模塊和數(shù)字量運(yùn)算電路模塊組成。
圖5為光電信號處理系統(tǒng)產(chǎn)生的信號時(shí)序，幀同步信號為周期2ms的周期信號，高電平脈寬為1ns，高電平脈沖的出現(xiàn)表示了一幀信號的開始；CCD二值化信號低電平表示焊縫路徑軌跡線的位置，其寬度正比與表征焊縫路徑的軌跡線寬度，低電平的中心表示焊縫路徑中心；軌跡線左右邊緣信號中高電平代表CCD二值化信號中低電平的開始和結(jié)束，左邊緣信號高電平和CCD二值化信號的下降沿同步，右邊緣信號高電平和CCD二值化信號的上升沿同步。這些信號用來表征焊縫路徑軌跡線的信息。
本實(shí)施例的CCD光電信號處理電路工作原理結(jié)合圖4、圖5說明如下CCD輸出信號輸送到二值化電路模塊，轉(zhuǎn)化為二值化信號，該二值化信號由幀同步信號捕獲電路模塊得到CCD幀同步信號，由焊縫軌跡線邊緣捕獲電路模塊得到表征焊縫路徑的軌跡線左、右邊緣信號。在這些信號共同作用下，通過焊縫軌跡線左、右邊緣計(jì)量電路獲取左右邊緣量，經(jīng)鎖存器電路鎖存，一方面送軌跡線中心位置運(yùn)算電路模塊經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，計(jì)算出軌跡線中心位置偏差，并以模擬量的形式輸出；另一方面，直接送軌跡線中心位置運(yùn)算電路計(jì)算出軌跡線中心位置偏差，以數(shù)字量的形式輸出。
圖6為圖4中各電路模塊的具體實(shí)現(xiàn)電路，詳細(xì)說明如下電源+5V,0.1A；+12V,0.1A；-12V,0.1A電源各一組；輸入信號CCD輸入信號，CCD像元信號，CCD幀同步信號；輸出信號焊縫路徑偏差模擬量輸出、焊縫路徑數(shù)字量輸出。
各電路模塊分別說明如下二值化電路模塊主要由芯片U01(LM311)、電阻RP01組成，其功能是完成CCD輸入信號的二值化處理；幀同步捕獲電路模塊主要由芯片U31(CD4040)組成，其功能是完成CCD幀同步信號的捕獲，確認(rèn)一幀圖象的開始；焊縫路徑信號捕獲電路模塊主要由芯片U11(CD4528)、U12(CD4528)和電阻R11、R12以及電容C11、C12組成，其功能是捕獲焊縫軌跡線的位置，確定軌跡線左右邊緣位置；軌跡線左、右邊緣計(jì)量電路模塊主要由芯片U11(CD4528)、U12(CD4528)和U31(CD4040)組成，其功能是分別計(jì)量軌跡線左、右邊緣偏離幀同步信號的像元數(shù)；鎖存電路模塊主要由芯片U21(74LS373)、U22(74LS373)、U23(74LS373)和U24(74LS373)組成，其功能是將軌跡線左右邊緣計(jì)量值存儲下來；焊縫路徑中心線偏差模擬量運(yùn)算電路模塊主要由芯片U41(AD7521)、U42(AD7521)、U43(LF353)和U44(LF353)和U45(LF353)以及外圍電阻R13、R14、R15、R16、R17、R18等組成，其功能是完成數(shù)字量的D/A轉(zhuǎn)換和偏差量的計(jì)算；焊縫路徑中心線偏差數(shù)字量運(yùn)算電路模塊主要由芯片U61(74LS283)、U62(74LS283)和U63(74LS283)組成，其功能是完成焊縫路徑中心線的偏差量數(shù)字計(jì)算。
權(quán)利要求1.一種焊縫路徑軌跡線實(shí)時(shí)檢測裝置，其特征在于，包括由線陣CCD芯片及其驅(qū)動電路構(gòu)成的線陣CCD傳感器，與該線陣CCD芯片共軸并依次設(shè)置在一鏡筒內(nèi)的由透鏡、濾光片、光源與遮光罩組成的光學(xué)系統(tǒng)，以及對該線陣CCD傳感器采集的信號進(jìn)行處理的光電信號處理電路。
2.如權(quán)利要求1所述的焊縫路徑軌跡線實(shí)時(shí)檢測裝置，其特征在于，所說的光電信號處理電路包括將CCD傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)化為二值化信號的二值化電路模塊；將該二值化信號捕獲得到CCD幀同步信號的幀同步信號捕獲電路模塊；將該二值化信號捕獲得到表征焊縫路徑的軌跡線左、右邊緣信號的焊縫軌跡線邊緣捕獲電路模塊；通過所說的CCD幀同步信號和左、右邊緣信號獲取左右邊緣量的焊縫軌跡線左、右邊緣計(jì)量電路，對該左右邊緣量進(jìn)行鎖存的鎖存器電路，對該鎖存的左右邊緣量進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的D/A轉(zhuǎn)換器；對D/A轉(zhuǎn)換后的信號計(jì)算出軌跡線中心位置偏差，并以模擬量的形式輸出的軌跡線中心位置運(yùn)算電路模塊；以及直接對該鎖存的左右邊緣量計(jì)算出軌跡線中心位置偏差，以數(shù)字量的形式輸出的軌跡線中心位置運(yùn)算電路。
專利摘要本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的焊縫路徑軌跡線實(shí)時(shí)檢測裝置,包括由線陣CCD芯片及其驅(qū)動電路構(gòu)成的線陣CCD傳感器,與該線陣CCD芯片共軸并依次設(shè)置在一鏡筒內(nèi)的由透鏡、濾光片、光源與遮光罩組成的光學(xué)系統(tǒng),以及對該線陣CCD傳感器采集的信號進(jìn)行處理的光電信號處理電路。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)新穎、緊湊,易于安裝,可能夠識別工件表面的不同焊縫路徑軌跡線,檢測精度可達(dá)0.013mm/像素,具有很強(qiáng)的抗干擾能力。
文檔編號G01N21/88GK2460987SQ0025023
公開日2001年11月21日 申請日期2000年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月15日
發(fā)明者陳強(qiáng), 王軍波, 孫振國, 蔣力培 申請人:清華大學(xué)