CN101055403A

CN101055403A - 用于焊接图像采集的ccd摄像机曝光时序控制器

Info

Publication number: CN101055403A
Application number: CN 200710065244
Authority: CN
Inventors: 刘鹏飞; 孙振国; 陈强; 张文增; 黄操
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2007-04-09
Filing date: 2007-04-09
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2027-04-09
Also published as: CN100520556C

Abstract

本发明公开了属于焊接自动化领域的一种用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器。该曝光时序控制器由CPLD逻辑控制模块分别连接焊接电弧状态检测模块、曝光参数预置模块、CCD摄像机曝光信号隔离变换模块、机械快门线圈驱动模块和电源变换模块构成，并且该曝光时序控制器和普通工业CCD摄像机连接。利用本发明研制的基于普通工业CCD摄像机的焊接图像传感器，可以有效避免弧焊过程中的弧光、烟尘、飞溅等干扰，检测到清晰放大的焊接熔池区域图像，适用于CO₂短路过渡焊接、脉冲GTAW焊接、脉冲MIG焊接等工艺方法。

Description

用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器

技术领域

本发明属于焊接自动化领域，特别涉及一种用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器。

背景技术

在CO₂短路过渡焊接、脉冲MIG焊接、脉冲GTAW焊接中，为了最大限度地降低弧光、飞溅、烟尘等恶劣环境干扰，需要在短路过渡期间的固定时刻(对于短路过渡焊接)或者在焊接基值电流时期的相对固定时刻(对于脉冲电流焊接)检测清晰的焊接熔池区域图像，对普通工业CCD摄像机的曝光时序控制提出了很高的要求。控制普通工业CCD摄像机曝光时序的一种传统方法是采用电子快门，该方法以曝光开始时刻与该场结束时刻之间的时间为曝光时间，其缺点是曝光结束时刻不可控，另外，曝光开始时刻也只能预先设定，不方便随时调节。

另一种已有方法是采用专门的外触发摄像机，该摄像机能够实现曝光开始时刻和曝光结束时刻自由控制，缺点是价格昂贵，难于广泛推广。因此在开发一种能够方便控制普通工业CCD摄像机的曝光开始时刻和结束时刻的时序控制电路具有重要的意义。

曹一鹏、孔文德等(文献[1]：曹一鹏.CO2短路过渡焊接熔池形状视觉检测与控制研究[硕士学位论文].北京：清华大学.2003)针对CO₂短路过渡焊接工艺，采用分立元件设计时序控制电路，控制普通工业CCD摄像机采集焊接熔池区域图像。

陈念等(文献[2]：陈念.火箭发动机喷管延伸段的精密GTAW焊缝跟踪的研究[硕士学位论文].北京：清华大学.2004)则采用分立元件设计了针对脉冲GTAW焊接工艺的时序控制电路，检测到了包含熔池和钨极等特征的焊接图像。

上述两种时序控制电路都是针对特定焊接方法，而且采用分立电子元器件构成，其不足之处是：

(1)适应性差：曝光时序固定，只能针对单一的焊接工艺，无法适应不同焊接工艺方法下检测焊接图像的曝光时序要求；

(2)稳定性差：元件数量多，电路复杂，转接线多，受到电磁干扰和环境温度影响大，现场长期工作稳定性差；

(3)可达性差：集成度低，体积大，导致整个传感器系统的可达性差。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提出一种用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器。

本发明采用如下技术方案：一种用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器，其特征在于，CPLD逻辑控制模块分别连接焊接电弧状态检测模块、曝光参数预置模块、CCD摄像机曝光信号隔离变换模块、机械快门线圈驱动模块和电源变换模块，并且该曝光时序控制器的CCD摄像机曝光信号隔离变换模块、电源变换模块分别和普通工业CCD摄像机的控制信号接口和电源插口连接，机械快门线圈驱动模块的一路输出OUT1、OUT2和与CCD摄像机镜头相连接的机械快门的线圈L1连接，另一路输出OUT3、OUT4和与CCD摄像机镜头相连接的机械快门的线圈L2连接。

所述CPLD逻辑控制模块用于实现曝光时序逻辑；所述CPLD为复杂可编程逻辑器件。

所述CPLD逻辑控制模块采用VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)描述不同焊接工艺的曝光时序逻辑。

所述曝光参数预置模块采用拨码开关设定稳定延时时间T₀和曝光延时时间T₁。

所述机械快门线圈驱动模块的两个线圈的驱动芯片L298N分别和机械快门的两个驱动线圈L1和L2连接，其中线圈L1用于关闭机械快门并保证机械快门处于关闭状态，线圈L2用于打开机械快门并保证机械快门处于打开状态。

所述CPLD的型号为EPM570T100C5。

本发明有益效果是该时序控制器仅需要控制普通工业CCD摄像机的光敏区电荷清除信号SUB_B和光学系统中的机械快门即可实现曝光灵活可控功能，对CCD摄像机改动小，且成本低，易于推广应用。核心技术是：(1)CPLD逻辑控制模块—采用VHDL描述不同曝光时序逻辑，并通过CPLD实现；(2)曝光参数预置模块—采用拨码开关设定稳定延时时间T₀和曝光延时时间T₁；(3)机械快门线圈驱动模块—采用型号为L298N的芯片驱动，一路输出OUT1、OUT2和与CCD摄像机镜头相连接的机械快门的线圈L1连接，另一路输出OUT3、OUT4和与CCD摄像机镜头相连接的机械快门的线圈L2连接；(4)CCD摄像机曝光信号隔离变换模块—采用比较器和高速光耦控制CCD芯片原来的光敏区电荷信号SUB_A，变为光敏区电荷清除信号SUB_B；采用高速光耦隔离CCD摄像机的场同步信号V1、光敏区电荷清除信号SUB_B和图像有效信号I_VALID；(5)电源变换模块—采用型号为LT1376-5的芯片将+12V电压变换为+5V电压；采用型号为AS1117-3.3的芯片将+5V电压变换为+3.3V电压；采用型号为MAX765的芯片将+5V电压变换为为-12V电压。该时序控制器可用于各种需要灵活控制曝光的焊接图像视觉检测场合，如在CO₂短路过渡焊、脉冲MIG焊、脉冲GTAW焊等过程中获取焊接熔池区域焊接图像。

附图说明

图1为用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器与普通工业CCD摄像机连接框图。

图2为时序控制器的机械快门线圈驱动模块的电路原理图。

图3为时序控制器的曝光参数预置模块电路原理图。

图4为普通工业CCD摄像机与时序控制器的电路连接示意图。

图5为时序控制器的CCD摄像机曝光信号隔离变换模块中产生光敏区电荷清除信号SUB_B的电路原理图。

图6时序控制器的CCD摄像机曝光信号隔离变换模块中产生场同步正脉冲信号V1_IN的电路原理图。

图7为时序控制器的CCD摄像机曝光信号隔离变换模块中将图像有效信号I_VALID隔离为I_Valid信号的电路原理框图。

图8为时序控制器的焊接电弧状态检测模块的电路原理图。

图9为时序控制器的电源变换模块电路原理图。

图10为普通工业CCD摄像机曝光时间控制原理图。

图11为时序控制器控制普通工业CCD摄像机实现曝光控制原理图。

图12为机械快门控制信号作用原理图。

图13为针对CO2气体短路过渡焊接方法设计的同步控制逻辑流程图。

具体实施方式

本发明提出一种用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器。下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明工作原理。

图1所示为用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器与普通工业CCD摄像机连接框图。在图1中，用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器是CPLD逻辑控制模块6分别连接焊接电弧状态检测模块8、曝光参数预置模块5、CCD摄像机曝光信号隔离变换模块4、机械快门线圈驱动模块7和电源变换模块9。并且该曝光时序控制器6的CCD摄像机曝光信号隔离变换模块4、电源变换模块9分别和普通工业CCD摄像机3的控制信号接口和电源插口连接。曝光时序控制器的机械快门线圈驱动模块7由两个线圈的驱动芯片L298N构成，如图2所示的时序控制器的机械快门线圈驱动模块的电路原理图中，由L298N A通道产生的一路输出OUT1、OUT2和与CCD摄像机镜头1相连接的机械快门2的线圈L1连接，线圈L1用于关闭机械快门并保证机械快门处于关闭状态；由L298N B通道产生的另一路输出OUT3、OUT4和与CCD摄像机镜头1相连接的机械快门2的线圈L2连接，线圈L2用于打开机械快门并保证机械快门处于打开状态。L298N的控制信号A_ENB、B_ENB、A_CTRL0、A_CTRL1、B_CTRL0和B_CTRL1和CPLD逻辑控制模块6连接。

所说的曝光参数预置模块5，采用拨码开关设定稳定延时时间T₀和曝光延时时间T₁，如图3所示的时序控制器的曝光参数预置模块电路原理图，图中CD[4:0]分别与CPLD的IO口相连，ED[4:0]分别与CPLD的IO口相连。其中稳定延时T0＝CD[4:0]×K0，曝光延时T1＝ED[4:0]×K1，K0和K1的值在CPLD的程序中设定，其单位都为ms。

上述CPLD为复杂可编程逻辑器件；所选型号为EPM570T100C5。

图4所示为普通工业CCD摄像机与曝光时序控制器的电路连接示意图。普通工业CCD摄像机的时序驱动芯片CXD1267AN的第17个引脚输出的信号为CCD芯片原来的光敏区电荷清除信号SUB_A，CXD1267AN的第14个引脚输出的信号为场同步信号V1，SUB_A、V1和曝光时序控制器连接，作为时序控制器的输入信号，时序控制器根据同步控制逻辑，控制光敏区电荷清除信号SUB_B，SUB_B与CCD芯片的光敏区电荷清除电路连接。对普通工业CCD摄像机的改造过程是：首先断开SUB_A与CCD芯片的光敏区电荷清除电路中的电容C0连接，而以时序控制器输出的SUB_B信号与C0相连，其次将普通工业CCD摄像机的原有的曝光时间设定为10us。

图5所示为时序控制器的CCD摄像机曝光信号隔离变换模块中产生光敏区电荷清除信号SUB_B的电路原理图。高速光耦6N137的控制端SUB_CTRL连接到时序控制器的CPLD逻辑控制模块6。图中的SUB_B即为图2中时序控制器的输出端SUB_B。图中的SUB_A为图2中时序控制器的输入端SUB_A。光敏区电荷清除信号SUB_B产生的原理是：SUB_CTRL控制高速光耦6N137，6N137的输出连接到三极管MMBT3904，信号经反向放大后，作为比较器LM111的正相输入，而比较器的反向输入由SUB_A经分压后给出。比较器LM111的输出端对-12V_C下拉后，作为SUB_B信号。

图6所示的时序控制器的CCD摄像机曝光信号隔离变换模块中产生场同步正脉冲信号V1_IN的电路原理图中，二极管1N4148的正向输入端信号V1为图2中的场同步信号V1。高速光耦的输出端输出的信号为场同步正脉冲信号V1_IN，与CPLD逻辑控制模块6连接。电路工作的过程是，场同步信号V1经过二极管1N4148正向隔离后，用三极管MMBT3904反向放大，由高速光耦6N137隔离，产生场同步正脉冲信号V1_IN。

图7所示的时序控制器的CCD摄像机曝光信号隔离变换模块中将图像有效信号I_VALID隔离为I_Valid信号的电路原理框图。图像有效信号I_VALID与CPLD逻辑控制模块6连接，I_Valid信号作为时序控制器的输出，与其他图像采集设备连接，其中I_Valid的高电平表示场内曝光所检测到的焊接图像有效。电路工作的过程是：信号I_VALID通过限流电阻驱动高速光耦6N137，高速光耦输出端通过5.1K上拉电阻与5.0V连接，则在逻辑上I_Valid＝NOT(I_VALID)，并且使I_Valid与I_VALID隔离。

在图8所示的时序控制器的焊接电弧状态检测模块的电路原理图中，二极管1N4148的作用是保护光耦6N137，防止光耦被反向击穿，3.3V稳压管的作用是限制光耦发光管的电流。而可变电阻R的值需要根据C_RED的幅值确定，其中C_RED的“地”为WELD_N。当C_RED的峰值为焊接电压的峰值或者焊接电流的峰值的时候，则标识电弧状态的信号PHOTO_N的高电平表示焊接过程中的弧光较弱阶段。PHOTO_N与CPLD逻辑控制模块6连接。C_RED和WELD_N和检测电弧状态的设备连接。

图9所示为时序控制器的电源变换模块电路原理图。电源变换电路主要实现的功能是：模拟12V电压(用“+12V_C”表示)变换为数字12V电压(用“+12.0V”表示)，实现方法是用磁珠隔离；数字12V电压变换为数字5V电压(用“+5.0V”表示)，采用的芯片为LT1376-5；数字5V电压变换为数字3.3V电压(用“+3.3V”表示)，采用的芯片为AS1117-3.3，数字5V电压变换为模拟5V电压(用“+5.0V_C”表示)，实现方法是用磁珠隔离；模拟5V电压变换为模拟-12V电压(用-12V_C表示)，采用的芯片为MAX765。

图10所示的普通工业CCD摄像机曝光时间控制原理图，场同步信号V1的正脉冲标识奇场的结束、偶场的开始或者偶场的结束、奇场的开始。在某一场中，电子快门通过控制CCD芯片原来的电荷清除信号SUB_A的最后一个脉冲的时刻而控制曝光开始时刻，通过V1的正脉冲到来的时刻控制曝光结束时刻。由于V1的周期是固定的，因此曝光开始时刻和曝光时间耦合，二者中只能对其中的一个进行调节，因而不能应用于曝光开始时刻和结束时刻需要灵活控制的场合。

图11所示的时序控制器控制普通工业CCD摄像机实现曝光控制原理图，以场同步正脉冲信号V1_IN标识的场中，CCD芯片原来的电荷清除信号SUB_A清除CCD光敏区积累电荷，当机械快门2完全打开后，在焊接电弧状态检测模块8检测的标识焊接电弧状态变化的信号PHOTO_N的有效值到来(上升沿)后，开始稳定延时T0、曝光延时T1，此段时间为允许拍摄时间，在此段时间之后，电荷清除信号SUB_B清除CCD光敏区积累电荷，由机械快门线圈驱动模块7驱动线圈L1关闭机械快门2并保证机械快门处于关闭状态，如果PHOTO_N的有效值(高电平)持续时间大于图中所示的拍摄时间，且在稳定延时T0、曝光延时T1和快门关闭过程中，场同步正脉冲信号V1_IN的高电平没有出现，则拍摄有效，其中的稳定延时时间和曝光延时时间可调，从而实现了曝光开始时刻可控、曝光时间可控、曝光结束时刻可控。

图12所示的机械快门控制信号作用原理图，A_CTRL1＝NOT(A_CTRL0)＝B_CTRL1＝NOT(B_CTRL0)，B_ENB＝NOT(A_ENB)。当A_CTRL0为高电平，A_ENB为高电平时，关闭机械快门，经过时间T2后，机械快门完全关闭，此时控制信号不变，保证机械快门处于关闭状态；当A_CTRL0为低电平，A_ENB为低电平时，打开机械快门，经过时间T3后，机械快门完全打开，此时控制信号不变，维持机械快门处于打开状态。A_CTRL0、A_CTRL1、B_CTRL0、B_CTRL1、A_ENB和B_ENB都由CPLD给出。

图13为针对二氧化碳气体短路过渡焊接方法设计的同步控制逻辑流程图。在图13所示的针对二氧化碳气体短路过渡焊接方法设计的同步控制逻辑流程图中，当CCD场同步信号到来后，一场开始，进行初始化，CCD芯片原来的电荷清除信号SUB_A清除CCD光敏区积累电荷，打开机械快门(图中有时简称为“快门”)，等待拍摄时机的到来，同时清除CCD的光敏区积累的电荷，如果机械快门完全打开，允许拍摄时间到达，稳定延时T0，停止清除光敏区电荷积累，标识焊接电弧状态变化的信号PHOTO_N的有效值(如二氧化碳气体短路过渡焊接的焊接过程中的弧光、电压或者电流信号，判断焊接电弧状态)到来，根据曝光参数预置模块设置的曝光参数稳定延时和曝光延时，对焊接熔池区域曝光，CCD摄像机对焊接熔池区进行图像信息采集。然后关闭机械快门，切断光路。在整个拍摄过程中，都要检测允许拍摄时间是否结束。如果机械快门完全关闭之前允许拍摄时间没有结束，且该场时间没有结束，则认为拍摄是有效的，发出图像有效信号，本场结束后保存图像；如果在拍摄过程中，允许拍摄时间结束或者该场时间结束，则认为图像是无效的图像，重新打开机械快门，等待新的拍摄时机的到来，直到检测到有效图像或者该场结束，然后开始下一场中的图像检测。

该时序控制器利用VHDL语言描述曝光时序逻辑，并利用复杂可编程逻辑器件CPLD实现曝光时序逻辑，达到自由控制普通工业CCD摄像机曝光开始时刻和结束时刻的目的。利用本发明研制的焊接图像CCD视觉传感器，可以有效避免弧焊过程中的弧光、烟尘、飞溅等干扰，获得清晰一致的焊接熔池区域图像，适用于CO₂短路过渡焊、GTAW焊、MIG焊等多种弧焊方法。

Claims

1.一种用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器，其特征在于，CPLD逻辑控制模块分别连接焊接电弧状态检测模块、曝光参数预置模块、CCD摄像机曝光信号隔离变换模块、机械快门线圈驱动模块和电源变换模块，并且该曝光时序控制器的CCD摄像机曝光信号隔离变换模块、电源变换模块分别和普通工业CCD摄像机的控制信号接口和电源插口连接，机械快门线圈驱动模块的一路输出OUT1、OUT2和与CCD摄像机镜头相连接的机械快门的线圈L1连接，另一路输出OUT3、OUT4和与CCD摄像机镜头相连接的机械快门的线圈L2连接。

2.根据权利要求1所述用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器，其特征在于，所述CPLD逻辑控制模块用于实现曝光时序逻辑；所述CPLD为复杂可编程逻辑器件。

3.根据权利要求1所述用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器，其特征在于，所述CPLD逻辑控制模块采用VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)描述不同焊接工艺的曝光时序逻辑。

4.根据权利要求1所述用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器，其特征在于，所述曝光参数预置模块采用拨码开关设定稳定延时时间T₀和曝光延时时间T₁。

5.根据权利要求1所述用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器，其特征在于，所述机械快门线圈驱动模块的两个线圈的驱动芯片L298N分别和机械快门的两个驱动线圈L1和L2连接，其中线圈L1用于关闭机械快门并保证机械快门处于关闭状态，线圈L2用于打开机械快门并保证机械快门处于打开状态。

6.根据权利要求1所述用于焊接图像采集的CCD摄像机曝光时序控制器，其特征在于，所述CPLD的型号为EPM570T100C5。