CN1021028C

CN1021028C - 焊头自动跟踪焊缝的方法和装置

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Publication number: CN1021028C
Application number: CN 89109277
Authority: CN
Inventors: 高宽; 张益民; 谷力伟; 赵洁; 郭翔; 孙其琴; 朱伟柱; 李钧; 彭治国; 段乙; 王开元; 高宝明; 赖利民
Original assignee: Jianghan Petroleum Administration Shashi Steel Tube Factory; Tianjin Institute Of Tv Technology
Current assignee: Jianghan Petroleum Administration Shashi Steel Tube Factory; Tianjin Institute Of Tv Technology
Priority date: 1989-12-18
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1993-06-02
Anticipated expiration: 2004-12-18
Also published as: CN1044912A

Abstract

焊头自动跟踪焊缝的方法和装置是采用电视图象传感器直接检测焊缝信号，经多重过滤信号处理和计算机分析，确定焊头偏移量，由计算机按照增量式PID数学模型计算调节量，依此计算调节脉冲，由计算机分时驱动内、外焊回路，实时控制焊头对准焊缝。本发明装置包括：由内焊光源(16)与内焊摄象头(17)刚性连接并固定在内焊摄象头传动部分(18)上的内焊电视图像传感器(1)，采用外焊光纤窥镜的外焊电视图象传感器(2)，由视频信号检测器、标志线发生器、窗口发生器组成的多重过滤信号处理单元(3)，内焊双回路同步控制单元(5)，故障自动检测与报警单元(7)。它适用于螺旋缝钢管焊接的自动跟踪。

Description

本发明为焊头自动跟踪焊缝的方法和装置，是应用电视和计算机技术直接提取焊缝的数字特征信息和对焊头直接数字控制的跟踪方法和装置。

现有的焊头自动跟踪焊缝的方法和装置（参见日本公开专利公报昭和59-120375）采用图象传感器摄象机检测焊缝，其输出信号分两路，一路输入计算焊缝宽度的信号处理器，由此产生与焊缝宽度成一定比例的模拟电压，通过伺服机构控制油压装置，从而控制焊缝大小;另一路输入计算焊缝位置的信号处理器，由此产生与焊缝中心位置成一定比例的模拟电压，通过伺服机构控制油压装置，从而控制焊头对准焊缝中心位置。其装置包括：用作图象传感器的摄象机、平行光源、驱动平行光源的直流电源、焊缝宽度计算回路、焊缝中心计算回路、数字延迟回路、D/A转换器、伺服控制装置和油压控制装置。

另一种已知的焊头自动跟踪焊缝的方法的装置（参见美国《NITS Tech Notes》1985May）使用了一个数字式电视摄象机和一个微处理器，摄象机和焊炬都装在一个垂直于焊缝的传动装置上，它们一道在焊缝上面移动，微处理器对数字化的光信号电平进行分析，确定哪种电平对应周围的金属（亮面）哪种电平对应焊缝（黑线），并以象元为单位计算焊缝和参考象元之间的距离，作为跟踪的误差，微处理器通过驱动马达控制器直接驱动焊炬对准焊缝。

上述焊头自动跟踪焊缝的方法和装置存在以下缺点：

1、上述两种方法对摄象机摄取焊缝图象的方式均不适用于小口径钢管的焊接。

2、对跟踪对象要求苛刻，如日本公开专利公报昭和59-120375-文所述，必须保证焊缝宽度固定不变，（又如美国《NITS Tech Notes》1985May-文所述，必须保证焊缝是笔直的或者近乎笔直的）。

3、上述日本公开专利公报昭和59-120375一文，由于采用模拟量控制执行机构，限制了跟踪精度的提高。

4、对钢管表面出现缺陷时（如接触班点，金属瘤和其它光干扰），上述装置没有诊断措施，故抗干扰稳定性差。

本发明的目的，在于克服上述方法和装置的缺点，提高跟踪精度，增强抗干扰稳定性及扩大适用范围，能用于大小不同直径、不同拼缝形状钢管的焊接，并在应用难度最大的场合即螺旋缝钢管焊接中应用本发明方法和装置，达到内、外焊头自动跟踪焊缝的目的。

本发明采用电视图象传感器直接检测焊缝信号，经信号处理器处理和计算机分析，确认并检出有效焊缝信号，确定焊头偏移量，由计算机分时驱动内、外焊回路，实时控制焊头对准焊缝的焊头自动跟踪焊缝的方法，其特征在于采用下列步骤：

-内焊电视图象传感器中，与内焊摄象头刚性连接并固定在内焊摄象头传动部分上的内焊光源从上而下地照射摄象区，摄象区靠近内焊点，内焊摄象头从下而上地摄取成型啮合点前的一段上卷钢板和递送钢板的阴影以及它们之间透光的内焊递送边图象，外焊电视图象传感器中，与外焊头刚性连接并固定在外焊光纤窥镜前上的外焊光源从上而下摄取外焊拼缝图象，分别产生内、外焊缝的电视图象信号;

-由计算机发出以十二场为周期，其中内焊选通时间占六场，外焊选通时间占六场的分时脉冲控制内、外焊缝的电视图象信号，即将该信号分时送入多重过滤信号处理单元，经双窗口采样后，进行滤波、限幅、二值化、数字化处理，形成内、外焊缝位置数据;

-内外焊缝位置数据分时送入数字计算机及其接口，完成异常值剔除、数字滤波，得到目标数据平均值，然后经过缝宽判别、偏差判别、双窗口识别和非线性补偿，确认并检出有效焊缝位置数据，确定偏差值;

-数字计算机及其接口根据偏差值，按增量式比例积分微分（PID）数学模型，分时算出内、外焊调节量，并变换为调节脉冲;

-在内焊跟踪期间，计算机将内焊调节脉冲输入内焊双回路同步控制单元，使内焊头移动，对准内焊递送边，在外焊跟踪期间，外焊调节脉冲驱动外焊控制单元，使外焊头移动，对准外焊拚缝;

-本装置在运行过程中发生故障和传动越限时，由故障和越限检测器发出故障信号，该信号汇集给计算机，当故障连续发生三次，计算机以声、光方式发出故障和越限报警，从而完成螺旋缝钢管焊接的自动跟踪。

为使用上述焊头自动跟踪焊缝方法所设计的专用装置，包括内焊电视图象传感器、外焊电视图象传感器、信号处理单元、数字计算机及其接口、内焊控制单元、外焊控制单元、操作指示控制电路及面板单元、手控器、监视器、内焊视频混合和分配器、外焊视频混合和分配器电源控制和分配器，其内焊电视图象传感器中，内焊光源与内焊摄象头刚性连接并固定在内焊摄象头传动部分上，摄取内焊递送边图象的内焊电视图象传感器输出的全电视信号一路传输到由视频信号检测器、标志线发生器和窗口发生器组成的多重过滤信号处理单元的输入端，另一路传输到内焊视频混合和分配器的输入端，内焊视频混合和分配器将此全电视信号与标志线信号，窗口信号混合后分配给监视器组显示，采用了外焊光纤窥镜并与外焊头刚性连接的外焊电视图象传感器摄取外焊拼缝图象，其输出的全电视信号一路传输到多重过滤信号处理单元的输入端，另一路传输到外焊视频混合和分配器的输入端，外焊视频混合和分配器将此全电视信号与标志线信号，窗口信号混合后，分配给监视器组显示，多重过滤信号处理单元将输入的全电视信号进行钳位放大、窗口采样、滤波、限幅、二值化及数字化处理，然后送至数字计算机及其接口进行数字过滤和识别，同时进行误差计算和增量式比例积分微分（PID）调节量计算，形成相应的调节脉冲，内焊调节脉冲输出至内焊双回路同步控制单元同步控制内焊电视图象传感器和内焊头，外焊调节脉冲输出至外焊控制单元控制外焊头及相连的外焊电视图象传感器，数字计算机及其接口还和故障自动检测与报警单元，操作指示控制电路及面板单元，手动调节脉冲发生器及手控器单元并行双向连接，当数字计算机及其接口接收到来自故障自动检测与报警单元的故障信号后，发出报警电平信号并分别送至操作指示控制电路及面板单元和故障自动检测与报警单元，发出报警声光指示，手动调节脉冲发生器及手控器单元将自动/手动开关命令送到数字计算机及其接口，命令计算机将调节脉冲输出接口的输出信号转给手动调节脉冲发生器及手控器单元，然后，由手动调节脉冲发生器及手控器单元产生的手动调节脉冲经数字计算机及其接口分别送到内焊控制单元和外焊控制单元，从而驱动内焊头及外焊头移动。

本发明与现有焊头自动跟踪焊缝的方法与装置比较具有以下优点：

（1）由于内焊电视图象传感器采用外部摄取钢板递送边图象方式，克服了小直径钢管内部可供安装空间太小的局限，即使在小直径钢管时，也可实现板边自然形状的非接触检测跟踪，可使系统适用于大、中、小不同直径、不同拼缝形状钢管的焊接。

（2）由于外焊电视图象传感器采用外焊光纤窥镜，其优点是解决了视场，倍率与摄象距离的矛盾;光纤窥镜体积小，占用空间小，适于现场连接;耐温较高，不需要高温防护措施;没有磁场干扰问题。

（3）本系统采用固体摄象机，具有抗强磁干扰、寿命长、可靠性高、体积小、没有扫描非线性，不需要特殊校正措施，并均匀性好。

（4）由于采用数字计算机控制的多重过滤信号处理方法和装置，提高了系统的抗干扰稳定性，尤其是采用了双窗口技术，使跟踪系统对于递送边或拼缝形状和拼缝宽度无严格要求，不受什么限制。同时大大提高了对氧化铁皮、焊剂等异物所形成的伪信号的识别能力，受到短时间干扰时，焊头正常跟踪，受到长时间干扰时，焊头停在干扰前位置上不动，干扰过后，自动恢复跟踪。外焊跟踪遇到内焊焊穿形成的孔洞，焊接瘤等严重干扰时，可使焊头记忆原位置保持不动，干扰过后，自动恢复跟踪。

本发明采用直接数字式位置信号检测，与信号的形状无关，仅与扫描非线性等图象失真有关，由于采用固体摄象机，无扫描非线性问题，又采用浮动二值化法，使焊缝位置与其前后沿好坏及信号强度关系不大，整个系统没有直流漂移问题。

（5）由数字计算机实现内、外焊分时采样和坛量式比例积分微分（PID）数字调节的直接数字控制方法和装置，比采用模拟量控制执行机构具有更高的控制精度，实验结果表明使用数字计算机作为比较器、调节器、数据处理器和功能控制器，提高了位置控制精度和增强功能控制的灵活性，使系统达到以下技术指标：

（5.1）适用钢管直径φ25-φ1620毫米，

（5.2）适用焊接工艺：内焊和外焊、埋弧焊，

（5.3）最大视场宽度：±25毫米，

（5.4）适用最大焊接速度：2.5米/分钟，

（5.5）递送边形状：不修整，

（5.6）最窄拼缝：0.3毫米，

（5.7）跟踪精度（最大值）：±1毫米，

（5.8）最大跟踪速度：0.5米/分钟，

（5.9）具有内、外焊分时采样控制、自动/手动切换、视场自动标定、伪信号双窗口识别与记忆、故障自动检测与报警、驱动自动定相等功能。

（6）由于采用内焊双回路同步控制方法和装置，并在执行机构中采用滚动丝杠的传动部分和小步距角的步进电机拖动，减小了传动间隙和磨损，提高传动精度，延长使用寿命。

（7）本系统备有故障自动检测与报警方法和装置，由此确保焊头自动跟踪焊缝的生产过程的安全，使本发明增强了实用性。

（8）精度高，本系统自动跟踪总误差为±1毫米，是最大值。国内外报导一般的指标也是±1毫米，但其值是标准方差，而不是最大值。

（9）本系统为了初始调整和紧急处理（如排除自动跟踪故障）设有手动跟踪功能，致使焊接生产不停产，当长时间失踪或焊接间断后，经手动对准即可转入自动跟踪。

（10）由于采用了双窗口技术，可在自动跟踪运行过程中进行擦试摄象光学镜头和光源而不破坏跟踪，便于正常运行中的维护。

附图说明如下：

图1：焊头自动跟踪系统方框图。

（1）内焊电视图象传感器，

（2）外焊电视图象传感器，

（3）多重过滤信号处理单元，

（4）数字计算机及其接口，

（5）内焊双回路同步控制单元，

（6）外焊控制单元，

（7）故障自动检测与报警单元，

（8）操作指示控制电路及面板单元，

（9）手动调节脉冲发生器及手控器单元，

（10）监视器组，

（11）内焊视频混合和分配器，

（12）外焊视频混合和分配器，

（13）电源控制和分配器，

（14）内焊头，

（15）外焊头，

图2：内焊电视图象传感器。

（16）内焊电源，

（17）内焊摄象头，

（18）内焊摄象头传动部分，

（19）钢管，

（20）递送边，

（21）内焊摄象头水平视场中心线，

（22）内焊信号线，

（23）内焊上、下窗口。

图3：外焊电视图象传感器。

（24）外焊光源，

（25）外焊光纤窥镜，

（26）外焊摄象头，

（27）外焊头传动部分，

（28）外焊拼缝，

（29）内焊溶池，

（30）外管面，

（31）外焊摄象头水平视场中心线，

（32）外焊信号线，

（33）外焊上、下窗口。

图4：视频信号检测器。

（34）内、外焊行同步信号时分器，

（35）钳位脉冲发生器，

（36）内、外焊视频信号时分放大器，

（37）钳位放大器，

（38）窗口时分器，

（39）窗口采样器，

（40）滤波限幅放大器，

（41）正常/标定设定电平选择器，

（42）峰值检波器，

（43）标定基准电平发生器，

（44）正常基准电平发生器，

（45）正常/标定基准电平选择器，

（46）二值化的电平比较器，

（47）前后沿脉冲发生器，

（48）内焊光源/摄象头故障检测器，

（49）外焊光源/摄象头故障检测器，

（50）门控信号发生器，

（51）前沿计数器，

（52）后沿计数器，

（53）视场中心计数器，

（54）10MHz时钟发生器，

（55）5MHz时钟发生器，

（56）清零脉冲发生器，

（57）内、外焊场波门时分器。

H：行同步

V;场同步

V85;全电视信号

图5：内焊或外焊标志线和窗口发生器。

（58）可予置行同步计数器，

（59）窄脉冲发生器，

（60）电平识别器，

（61）窄脉冲发生器，

（62）水平波门发生器，

（63）可予置场计数器，

（64）窄脉冲发生器，

（65）电平识别器，

（66）窄脉冲发生器，

（67）垂直波门发生器，

（68）采样窗口合成器，

（69）显示窗口合成器，

（70）标志线和显示窗口合成器，

（71）信号线可予置计数器，

（72）信号线脉冲发生器，

（73）中心线可予置计数器，

（74）中心线脉冲发生器，

（75）分段脉冲发生器，

（76）内焊采样窗故障检测器，

（77）外焊采样窗故障检测器，

（78）上、下窗口分离器。

图6：标志线和窗口屏幕显示。

（79）递送钢板，

（80）上卷钢板。

图7：数字计算机及其接口。

（81）数字计算机TP-86，

（82）采样脉冲发生器，

（83）分时脉冲发生器，

（84）数据输入接口，

（85）操作指示和故障报警输入输出接口，

（86）故障判定和指示报警自动发送器，

（87）内焊或外焊标志线和窗口发生器数据输出接口，

（88）调节脉冲发生器，

（89）调节脉冲输出接口。

图8：计算机功能图。

（90）异常值剔除，

（91）数字滤波，

（92）缝宽判别，

（93）偏差判别，

（94）双窗口识别，

（95）非线性补偿，

（96）增量式比例积分微分（PID）数字调节器，

（97）原点修正，

（98）初始调整。

a：采入数据

b;标定值

c;修正值

d;上窗口

e;下窗口

f;自动/手动

V;场同步

图9：采样分时脉冲波形和检测波形图。

（99）场同步脉冲，

（100）采样脉冲，

（101）分时脉冲，

（102）检测信号脉冲。

图10：内焊双回路同步控制单元。

（103）内焊摄象头驱动电源，

（104）内焊摄象头步进电机，

（105）内焊摄象头反馈元件增量式光电编码盘，

（106）二分频器，

（107）内焊头驱动电源，

（108）内焊头步进电机，

（109）内焊头传动部分，

（110）内焊头反馈元件增量式光电编码盘，

（111）内焊摄象头码盘脉冲检测计数器，

（112）内焊头码盘脉冲检测计数器。

图11：故障自动检测与报警单元。

（113）光电编码盘脉冲检测计数器故障检测器，

（114）内焊驱动电源和步进电机故障检测器，

（115）外焊驱动电源和步进电机故障检测器，

（116）程序运行故障检测器，

（117）内焊摄象头传动越限检测器，

（118）内焊头传动越限检测器，

（119）外焊头传动越限检测器，

（120）现场声光报警器，

图12：计算机伺服程序流程图。

下面结合附图介绍本发明实施例：

-内焊电视图象传感器（1）中，与内焊摄象头（17）刚性连接并固定在内焊摄象头传动部分（18）上的内焊光源（16）从上而下地照射摄象区，摄象区靠近内焊点，内焊摄象头（17）从下而上地摄取成型啮合点前的一段上卷钢板和递送钢板的阴影以及它们之间透光的内焊递送边（20）图象，外焊电视图象传感器（2）中，与外焊头（15）刚性连接并固定在外焊光纤窥镜（25）前端上的外焊光源（24）从上而下摄取外焊拼缝（28）图象，分别产生内、外焊缝的电视图象信号;

-由计算机发出以十二场为周期，其中内焊选通时间占六场，外焊选通时间占六场的分时脉冲（101）控制内、外焊缝的电视图象信号，即将该信号分时送入多重过滤信号处理单元（3），经双窗口采样后，进行滤波、限幅、二值化、数字化处理，形成内、外焊缝位置数据;

-内、外焊缝位置数据分时送入数字计算机及其接口（4），完成异常值剔除（90），数字滤波（91），得到目标数据平均值，然后经过缝宽判别（92）、偏差判别（93）、双窗口识别（94）和非线性补偿（95），确认并检出有效焊缝位置数据，确定偏差值;

-数字计算机及其接口（4）根据偏差值，按增量式比例积分微分（PID）数学模型，分时算出内、外焊调节量，并变换为调节脉冲;

-在内焊跟踪期间，计算机将内焊调节脉冲输入内焊双回路同步控制单元（5），使内焊头（14）移动，对准内焊递送边（20），在外焊跟踪期间，外焊调节脉冲驱动外焊控制单元（6），使外焊头（15）移动，对准外焊拼缝（28）;

-本装置在运行过程中发生故障的传动越限时，由故障和越限检测器发出故障信号，该信号汇集给计算机，当故障连续发生三次，计算机以声、光方式发出故障和越限报警，从而完成螺施缝钢管焊接的自动跟踪。

上述内焊电视图象传感器（1）初始调整时，内焊光源（16）、内焊摄象头（17）对准递送边（20），在标定物距下，使电视水平扫描方向与递送边正交，同时，通过手控器使内焊头（14）对准递送边（20），内焊头（14）位置用内焊摄象头（17）位置表示，其电视屏幕图象内焊摄象头水平视场中心线（21）表示内焊摄象头（17）的瞄准方向，经初始调整后，表示内焊头（14）对准方向，当递送边（20）偏离内焊摄象头（17），即偏离内焊头（14），则内焊信号线（22）偏离内焊摄象头水平视场中心线（21），表示发生偏差，需要调整。

上述外焊电视图象传感器（2）初始调整时，焊丝对准外焊拼缝（28）的中心，在标定物距下使电视水平扫描方向与外焊拼缝（28）正交，其电视屏幕图象中外焊摄象头水平视场中心线（31）表示外焊光纤窥镜水平视场中心，即表示外焊头（15）的对准方向，外焊信号线（32）表示外焊拼缝（28）的中心，当外焊拼缝（28）偏离外焊光纤窥镜（25）中心时，表示外焊头（15）偏离外焊拼缝（28），出现偏差，需要调整。

上述增量式比例积分微分（PID）数学模型：

设△C_n为增量式比例积分微分（PID）数字调节量（即第n次采样得到的）

△C_n＝K_p〔（ C_n- C_n-1）+ (T_S)/(T₁) C_n〕微分时间T_D＝0

其中

内焊

公式中：

K_p：比例常数，

T_s：采样周期，

T_I：积分常数，

C_n：第n次采样得到的误差平均值

C_（n-1）：第n-1次采样得到的误差平均值，

i：每场采样的行数，

j：计算机每次采样的场数，

m：每场采样的总行数，

p：计算机每次采样的总场数，

C_n：第n次采样得到的某场某行的误差值，

C_（n-1）：第n-1次采样得到的某场某行的误差值，

N₁：内焊递送边位置数据，

N₁₀：内焊摄象机水平视场中心数据，

N_a：内焊跟踪修正量，

N₂：外焊拼缝中心数据，

N₂₀：外焊摄象机水平视场中心数据，

N_b：外焊跟踪修正量，

t₁：电视水平扫描到内焊递送边的时间，

T_1H：内焊摄象机行扫描正程时间，

N_1H：对应于内焊摄象头水平视场的数字量，

l_1H：内焊摄象头光栅宽度，

X₁：从视场左端到内焊递送边的距离，

N₂₁：外焊拼缝左边缘位置数据，

N₂₂：外焊拼缝右边缘位置数据，

t₂₁：电视扫描到外焊拼缝左边缘的时间，

t₂₂：电视扫描到外焊拼缝右边缘的时间，

T_2H：外焊摄象机行扫描正程时间，

N_2H：对应于外焊摄象头水平视场的数字量，

l_2H：外焊摄象面水平尺寸，

X₂₁：从视场左端到外焊拼缝左边缘的距离，

X₂₂：从视场左端到外焊拼缝右边缘的距离，

展开并代入得到内焊或外焊增量式比例积分微分（PID）数字调节量△C_n

内焊增量式比例积分微分（PID）数字调节量

外焊增量式比例积分微分（PID）数字调节量

其中：比例常数K_p，取为8.5

采样周期T_s，取为0.2秒

积分常数T_I，取为13.6秒。

由上述数学模型计算出焊头跟踪增量式比例积分微分（PID）数字调节量△Cn，该调节量通过调节脉冲发生器（88）和调节脉冲输出接口（89）直接驱动内焊双回路同步控制单元（5）或外焊控制单元（6）。

为使用上述焊头自动跟踪焊缝的方法所设计的专用装置包括内焊电视图象传感器、外焊电视图象传感器、信号处理单元、数字计算机及其接口、内焊控制单元、外焊控制单元、操作指示控制电路及面板单元、手控器、监视器、内焊视频混合和分配器、外焊视频混合和分配器、电源控制和分配器，如图1所示，内焊电视图象传感器（1）中，内焊电源（16）与内焊摄象头（17）刚性连接并固定在内焊摄象头传动部分（18）上，摄取内焊递送边（20）图象的内焊电视图象传感器（1）输出的全电视信号一路传输到由视频信号检测器、标志线发生器和窗口发生器组成的多重过滤信号处理单元（3）的输入端，另一路传输到内焊视频混合和分配器（11）的输入端，内焊视频混合和分配器（11）将此全电视信号与标志线信号，窗口信号混合后分配给监视器组（10）显示，采用了外焊光纤窥镜（25）并与外焊头（15）刚性连接的外焊电视图象传感器（2）摄取外焊拚缝（28）图象，其输出的全电视信号一路传输到多重过滤信号处理单元（3）的输入端，另一路传输到外焊视频混合和分配器（12）的输入端，外焊视频混合和分配器（12）将此全电视信号与标志线信号，窗口信号混合后，分配给监视器组（10）显示，多重过滤信号处理单元（3）将输入的全电视信号进行钳位放大，窗口采样、滤波、限幅、二值化及数字化处理，然后送至数字计算机及其接口（4）进行数字过滤和识别，同时进行误差计算和增量式比例积分微分（PID）调节量计算，形成相应的调节脉冲，内焊调节脉冲输出至内焊双回路同步控制单元（5），同步控制内焊电视图象传感器（1）和内焊头（14），外焊调节脉冲输出至外焊控制单元（6），控制外焊头（15）及相连的外焊电视图象传感器（2），数字计算机及其接口（4）还和故障自动检测与报警单元（7）、操作指示控制电路及面板单元（8）、手动调节脉冲发生器及手控器单元（9）并行双向连接，当数字计算机及其接口（4）接收到来自故障自动检测与报警单元（7）的故障信号后，发出报警电平信号并分别送至操作指示控制电路及面板单元（8）和故障自动检测与报警单元（7），发出报警声光指示，手动调节脉冲发生器及手控器单元（9）将自动/手动开关命令送到数字计算机及其接口（4），命令计算机将调节脉冲输出接口（89）的输出信号转给手动调节脉冲发生器及手控器单元（9），然后，由手动调节脉冲发生器及手控器单元（9）产生的手动调节脉冲经数字计算机及其接口（4）分别送到内焊双回路同步控制单元（5）和外焊控制单元（6），从而驱动内焊头（14）及外焊头（15）移动。

上述视频信号检测器如图4所示，是由内、外焊行同步信号时分器（34）、钳位脉冲发生器（35）、内、外焊视频信号时分放大器（36）、钳位放大器（37）、窗口时分器（38）、窗口采样器（39）、滤波限幅放大器（40）、正常/标定设定电平选择器（41）、峰值检波器（42）、标定基准电平发生器（43）、正常基准电平发生器（44）、正常/标定基准电平选择器（45）、二值化的电平比较器（46）、前后沿脉冲发生器（47）、门控信号发生器（50）、前沿计数器（51）、后沿计数器（52）、视场中心计数器（53）、10MHz时钟发生器（54）、清零脉冲发生器（56）、内、外焊场波门时分器（57）构成，其中内、外焊行同步信号时分器（34）输出端接钳位脉冲发生器（35）和门控信号发生器（50）的输入端，钳位脉冲发生器（35）输出端接钳位放大器（37）输入端，内、外焊视频信号时分放大器（36）输出端接钳位放大器（37）输入端，钳位放大器（37）输出端接窗口采样器（39）输入端，窗口时分器（38）输出端接窗口采样器（39）输入端，窗口采样器（39）输出端接滤波限幅放大器（40）输入端，滤波限幅放大器（40）输出端接二值化的电平比较器（46）输入端，同时接峰值检波器（42）输入端，二值化的电平比较器（46）输出端接前后沿脉冲发生器（47）输入端，前后沿脉冲发生器（47）输出端接门控信号发生器（50）输入端，门控信号发生器（50）输出端分别连接前沿计数器（51）、后沿计数器（52）和视场中心计数器（53）的输入端，内、外焊场波门时分器（57）输出端接门控信号发生器（50）和5MHz时钟发生器（55）的输入端，10MHz时钟发生器（54）和清零脉冲发生器（56）的输出端分别连接前沿计数器（51）、后沿计数器（52）和视场中心计数器（53）的计数输入端，正常/标定设定电平选择器（41）输出端连接峰值检波器（42）输入端，峰值检波器（42）输出端接标定基准电平发生器（43）输入端，标定基准电平发生器（43）输出端接正常/标定基准电平选择器（45）的输入端，其另一输入端连接正常基准电平发生器（44）的输出端，正常/标定基准电平选择器（45）输出端接二值化的电平比较器（46）输入端。内焊电视图象传感器（1）或外焊电视图象传感器（2）输出的全电视信号，经由数字计算机的分时脉冲（101）控制的内、外焊视频信号时分放大器（36）输出六场交替的内、外焊全电视信号串，送至钳位放大器（37），钳位脉冲发生器（35）产生延迟时间可调1μs宽度的钳位脉冲也送至钳位放大器（37），钳位电平可调，将此经过钳位处理的视频信号六场视频脉冲串送至窗口采样器（39），由内、外焊窗口进行采样，内、外焊窗口信号来自采样窗口合成器（68），内、外焊窗口信号在窗口时分器（38）中由数字计算机的分时脉冲（101）选通，在窗口时间内选通视频信号，在窗口时间外，将信号短路，被选通的视频信号经滤波限幅放大器（40）滤波、限幅和二值化电平比较器（46）的二值化处理，每六场形成与上、下窗口相对应的两组各为60个数据（102），再经计数器（51）、（52）、（53）数字化处理，分时输出内焊递送边图象前沿数据，内焊水平视场中心数据和外焊拼缝图象的前沿与后沿数据，外焊水平视场中心数据以及内焊传动反馈的光电编码盘数据，上述目标数据依次为前、后六场采样窗口内共60行的采样数据，如图5所示，内焊或外焊标志线和窗口发生器，其中标志线发生器由信号线可予置计数器（71）、中心线可予置计数器（73）、信号线脉冲发生器（72）、中心线脉冲发生器（74）和分段脉冲发生器（75）构成，信号线可予置计数器（71）输出端接信号线脉冲发生器（72）输入端，中心线可予置计数器（73）输出端接中心线脉冲发生器（74）输入端，分段泳冲发生器（75）输出端分别接信号线脉冲发生器（72）和中心线脉冲发生器（74）的输入端，信号线脉冲发生器（72）和中心线脉冲发生器（74）的输出端分别连接标志线和显示窗合成器（70）。上述分段脉冲发生器（75）产生分段脉冲以显示虚线效果。

窗口发生器由采样窗口发生器和显示窗口发生器组成，采样窗口发生器由可予置行同步计数器（58）、电平识别器（60）、窄脉冲发生器（59）（61）、水平波门发生器（62）、可予置场计数器（63）、电平识别器（65）、窄脉冲发生器（64）（66）、垂直波门发生器（67）和采样窗口合成器（68）构成。显示窗口发生器由水平波门发生器（62）、垂直波门发生器（67）和显示窗口合成器（69）构成。其中可予置行同步计数器（58）输出端，一路接窄脉冲发生器（59）输入端，另一路接电平识别器（60）输入端，窄脉冲发生器（59）输出端接水平波门发生器（62）输入端，电平识别器（60）输出端接窄脉冲发生器（61）输入端，窄脉冲发生器（61）输出端接水平波门发生器（62）输入端，水平波门发生器（62）输出端分别连接显示窗口合成器（69）、采样窗口合成器（68）、内焊采样窗故障检测器（76）和外焊采样窗故障检测器（77）的输入端，显示窗口合成器（69）输出端连接标志线和显示窗合成器（70）输入端，采样窗口合成器（68）输出端接上、下窗口分离器（78）输入端，可予置场计数器（63）输出端分三路连接电平识别器（65）、窄脉冲发生器（64）和上、下窗口分离器（78）的输入端，窄脉冲发生器（64）输出端接垂直波门发生器（67）输入端，电平识别器（65）输出端接窄脉冲发生器（66）输入端，窄脉冲发生器（66）输出端接垂直波门发生器（67）输入端，垂直波门发生器（67）输出端分别连接显示窗口合成器（69）、采样窗口合成器（68）、内焊采样窗故障检测器（76）和外焊采样窗故障检测器（77）的输入端。

窗口发生器在行同步脉冲期间将数字计算机给定的水平起始位置数据予置给可予置行同步计数器（58），在行同步脉冲之外，该计数器在已予置的数据基础上计数，计满时发出进位脉冲，经窄脉冲发生器（59）变换成窄脉冲去触发水平波门发生器（62），使其翻转，该进位脉冲还给可予置行同步计数器（58）清零，从零开始计数，当计数器输出八个电平与电平识别器（60）予置的窗口宽度数据对应的八个电平相同时，电平识别器（60）发出高电平，经窄脉冲发生器（61）形成窄脉冲去触发水平波门发生器（62），使之再翻转，产生一个起点与窗口宽度与予置数据对应的水平波门，同理，在场同步脉冲期间，将数字计算机给定的垂直起始位置数据予置给可予置场计数器（63），在场同步脉冲之外，该计数器在已予置的数据基础上计数，计到最高位为“1”时，即计到128时，由最高位输出，经窄脉冲发生器（64）形成窄脉冲去触发垂直波门发生器（67），使其翻转，形成第一垂直波门的前沿，同时，该触发脉冲给可予置场计数器（63）清零，从零开始计数，当计到10行对应的予定数时，其八位输出电平与电平识别器（65）予定的八个电平相一致时，电平识别器（65）输出高电平，经窄脉冲发生器（66）形成窄脉冲去触发垂直波门发生器（67），使之再翻转，形成第一垂直波门的后沿，产生第一垂直波门，即上窗口的垂直波门，当可予置场计数器继续计数到最高位为“1”时，即计到128时，由最高位输出，经窄脉冲发生器（64）形成窄脉冲去触发垂直波门发生器（67），使之翻转，形成第二垂直波门的前沿，同时，该触发脉冲给可予置场计数器（63）清零，并从零开始计数，计到与10行相对应的数时，其八位输出电平与电平识别器（65）予定电平相比较，对应电平相同时，电平识别器（65）输出高电平，经窄脉冲发生器（66）形成窄脉冲去触发垂直波门发生器（67），使之再翻转，形成第二垂直波门的后沿，获得上、下两个垂直波门，水平波门发生器（62）与垂直波门发生器（67）经采样窗口合成器（68）合成双窗口信号，该信号经上、下窗口分离器（78）分离出上、下两个窗口信号，并送至数字计算机（81），作为处理上、下窗口采样数据的中断请求信号。水平波门发生器（62）与垂直波门发生器（67）通过显示窗口合成器（69）由前、后沿窄脉冲合成框式双窗口信号，该可编程双窗口当窗口宽度、高度和垂直位置数据固定，而水平位置数据循环时，形成水平方向扫描的自动搜索窗或者操作按键改变窗口的宽度和位置进行手动搜索。

由图5和图6可知，空间采样窗口是窗口发生器根据数字计算机提供的窗口水平起始位置和宽度、垂直起始位置和宽度、双窗口间距等数据，作用于予置计数器而产生的，窗口结构为水平起始位置相同垂直起始位置固定，开口大小相同，上、下相距半场宽度的双窗口。

按其选通功能，选通窗口设有标定窗和采样窗;按其检测功能，采样窗口设有检测窗和显示窗;按其跟踪功能，检测窗口设有跟踪窗和识别窗。

标定窗是在系统进行初始调整时用于视场标定的长双窗口，以便套上专用测试卡图形进行视场采样;采样窗是系统跟踪时，对递送边或拼缝采样的短双窗口。检测窗是由水平波门和垂直波门构成的实心窗，是送到视频信号检测器对视频信号进行空间采样用的。显示窗是送到监视器上显示的空心窗（即框式窗口），窗口四个边框由水平波门和垂直波门的前、后沿处理形成的，“空心”可以显示所要选中的递送边或拼缝的图象。

上窗口检测的目标数据用于跟踪，它随着内焊摄象头（内焊头）或外焊光纤窥镜（外焊头）移动而移动，施行对目标的跟踪，也即随着中心线移动而移动，施行对信号线的跟踪，所以上窗口也叫跟踪窗。下窗口检测的目标数据用于与上窗口的检测目标数据相比较，以便判别进入下窗口的目标是真目标还是假目标，下窗口里的目标经过0.45秒即进入上窗口。得用双窗口可以提前20场识别目标的真、伪性，从而提前决定应付措施，当上窗口落入异物时，也能用双窗口识别跟踪目标。

如图7、图8、图9所示，在数字计算机内由电视场同步脉冲（99）经采样脉冲发生器（82）和分时脉冲发生器（83）两级分频产生分时脉冲（101），其周期为十二场（0.2秒），选通时间为0.1秒，其波形为方波，该分时脉冲呈低电平时，进行内焊视频处理，双窗口采样、二值化、计数的信号检测，数据输入接口（84）从第一场开始采集，每场每窗口10行数据，连采六场，窗口内共60行，在最后一场采集后，进行数据加工处理，算出调节量，分时脉冲呈高电平时，进行外焊视频处理、双窗口采样、二植化、计数的信号检测，数据输入接口（84）从第七场开始采集，每场每窗口10行数据，连采六场，窗口内共60行，在最后一场采集后，进行数据加工处理，算出调节量，当分时脉冲由低电平转为高电平的那一时刻，于外焊采样开始前，根据转换前算出的内焊调节量，计算形成内焊调节脉冲，并送至内焊驱动电源，分时脉冲由高电平转为低电平的那一时刻，于内焊采集开始前，根据转换前算出的外焊调节量，计算形成外焊调节脉冲，并送至外焊驱动电源，即内焊采样处理和外焊重新调节，外焊采样、处理和内焊重新调节，如此周而复始，由数字计算机实现内、外焊头实时跟踪的分时采样。

内焊双回路同步控制单元（5），如图10所示，它由内焊摄象头驱动电源（103）、内焊摄象头步进电机（104）、内焊摄象头传动部分（18）、内焊摄象头反馈元件增量式光电编码盘（105）、二分频器（106）、内焊头驱动电源（107）、内焊头步进电机（108）、内焊头传动部分（109）、内焊头反馈元件增量式光电编码盘（110）、内焊摄象头（17）、内焊头（14）、内焊摄象头码盘脉冲检测计数器（111）、内焊头码盘脉冲检测计数器（112）和调节脉冲输出接口（89）构成，其中调节脉冲输出接口（89）内焊输出端分别连接内焊摄象头驱动电源（103）和二分频器（106）的输入端，内焊摄象头驱动电源（103）输出端接内焊摄象头步进电机（104）输入端，内焊摄象头步进电机（104）输出端接内焊摄象头传动部分（18）输入端，内焊摄象头传动部分（18）输出端分别连接内焊摄象头反馈元件增量式光电编码盘（105）和内焊摄象头（17）的输入端，内焊摄象头反馈元件增量式光电编码盘（105）输出端接内焊摄象头码盘脉冲检测计数器（111）输入端，二分频器（106）输出端接内焊头驱动电源（107）输入端，内焊头驱动电源（107）输出端接内焊头步进电机（108）输入端，内焊头步进电机（108）输出端接内焊头传动部分（109）输入端，内焊头传动部分（109）输出端分别连接内焊头反馈元件增量式光电编码盘（110）和内焊头（14）的输入端，内焊头反馈元件增量式光电编码盘（110）输出端接内焊头码盘脉冲检测计数器（112）输入端。

内焊跟踪有两个回路，一个是机械上闭环的内焊摄象头跟踪回路，另一个是机械上开环的内焊头跟踪回路，内焊头和内焊摄象头没有机械连接，只有电气连接，两个回路使用内焊摄象头同一参考点，由同一个信号源调节脉冲发生器（88）按内焊摄象头跟踪回路确定的内焊调节脉冲数，通过调节脉冲输出接口（89），一路直接送给内焊摄象头驱动电源（103）形成四项八拍功率脉冲，驱动内焊摄象头步进电机（104），通过内焊摄象头传动部分（18）移动而推动内焊摄象头（17）移动，另一路经二分频器（106）送给内焊头驱动电源（107），驱动内焊头步进电机（108），通过内焊传动部分（109）使内焊头（14）产生同样位移，其中调节脉冲数△P_n的计算公式：

△P_n= (360·l_1H)/(S·β_b·N_1HK₀₁Sinα) ·△C_n

式中：K₀₁：内焊电视摄象机镜头倍率，

α：钢管成型角（deg），

l_1H：内焊摄象头光栅宽度（mm），

N_1H：对应于内焊摄象头水平视场的数字量，

S：传动丝杠的螺距（mm），

β_b：步进电机的步距角（deg），

选定：

内焊电视摄象机镜头倍率K₀₁为0.22，

内焊摄象头光栅宽度l_1H为8mm

对应于内焊摄象头水平视场的数字量N_1H为512，

内焊摄象头传动丝杠螺距S为3mm，

内焊头传动丝杠螺距S为6mm，

步进电机的步距角β_b均为0.9°，四相八拍。

由于内焊头和内焊摄象头的△C_n是一样的，都以内焊摄象头传动而计算的，对于不同的S值，则△P_n不一样，给内焊头的△P_n比给内焊摄象头的△P_n少一倍，故需二分频后给内焊头驱动电源。

故障自动检测与报警单元（7），如图11所示，它由内焊光源/摄象头故障检测器（48）、外焊光源/摄象头故障检测器（49）、内焊采样窗故障检测器（76）、外焊采样窗故障检测器（77）、光电编码盘脉冲检测计数器故障检测器（113）、内焊驱动电源和步进电机故障检测器（114）、外焊驱动电源和步进电机故障检测器（115）、程序运行故障检测器（116）、内焊摄象头传动越限检测器（117）、内焊头传动越限检测器（118）、外焊头传动越限检测器（119）、现场声光报警器（120）、操作指示和故障报警输入输出接口（85）、数字计算机（81）、故障判定和指示报警信号自动发送器（86）和操作指示控制电路及面板单元（8）构成，其中内焊光源/摄象头故障检测器（48）、外焊光源/摄象头故障检测器（49）、内焊采样窗故障检测器（76）、外焊采样窗故障检测器（77）、光电编码盘脉冲检测计数器故障检测器（113）、内焊驱动电源和步进电机故障检测器（114）、外焊驱动电源和步进电机故障检测器（115）、程序运行故障检测器（116）、内焊摄象头传动越限检测器（117）、内焊头传动越限检测器（118）、外焊头传动越限检测器（119）的输出端都连接操作指示和故障报警输入输出接口（85）输入端，操作指示和故障报警输入输出接口（85）输出端分别与数字计算机（81）、故障判定和指示报警信号自动发送器（86）的输入端双向连接，操作指示和故障报警输入输出接口（85）输出端还分别连接现场声光报警器（120）和操作指示控制电路及面板单元（8）的输入端。内焊光源/摄象头故障检测器（48）、外焊光源/摄象头故障检测器（49）、内焊采样窗故障检测器（76）、外焊采样窗故障检测器（77）、光电编码盘脉冲检测计数器故障检测器（113）、内焊驱动电源和步进电机故障检测器（114）、外焊驱动电源和步进电机故障检测器（115）、程序运行故障检测器（116）、内焊摄象头传动越限检测器（117）、内焊头传动越限检测器（118）、外焊头传动越限检测器（119）的输出信号通过操作指示和故障报警输入输出接口（85）送至数字计算机（81）、故障判定和指示报警信号自动发送器（86），计算机接收故障信号，持续0.6秒，由故障判定和指示报警信号自动发送器（86）发出报警电平，并通过操作指示和故障报警输入输出接口（85）送至操作指示控制电路及面板单元（8）和现场声光报警器（120），发出报警信号。

数字计算机是本发明的计算控制中心，它管理整个系统的数据采集、加工、判别、脉冲形成及操作指示转换等。

计算机程序采用电视场同步信号作为中断源，将采集和控制程序放在中断服务子程序中，实现内、外焊数据的分时采集，并将数据采集转换到分时控制。采样窗口大小的控制等均放到主伺服程序中进行，以不影响控制的定时特性。

计算机主程序为伺服程序（即监控程序），其流程如图12所示，通电开机后，进行外围接口的初始化和自检，启动伺服程序，然后，响应各种不同的中断请求，处理对应的中断服务子程序。

当响应“初始调整”中断请求时，主控程序执行初始调整服务子程序，完成后又转入伺服程序，当响应“自动准备”中断请求时，主程序又去执行“自动准备”的程序模块，使系统进入自动跟踪的准备状态。当命令“自动跟踪”时，主程序响应其中断请求，进行目标数据的采集、加工、计算误差量、确定调节量和发出调节脉冲。

执行哪一路程序，由分时脉冲进行自动转换。

在成套数字处理软件中设有以下六种：

（1）数字滤波与平均值的程序：将六场窗口采样的60行数据进行排队甄别、剔除异常值，然后进行数字滤波，经过处理的数据再进行六场平均，得到目标数据平均值。

（2）缝宽判别：连续三次出现超过规定的缝宽容限的缝宽数据时，判为假目标信号。

（3）偏差判别：连续三次出现偏差量大于半个窗口宽度，判为假目标信号。

（4）双窗口识别：上、下两个窗口采样的数据的差值连续三次大于窗宽时，即判为窗口中出现异物或焊瘤。

（5）非线性补偿：对于摄象点与接点不在同一处，可能出现的非线性（例如钢板月牙弯较大时），进行乘法补偿。

（6）原点修正：由于每次更换内焊导电咀后不能保证恢复原点而进行的修正。手动对准后，以手动转自动的命令作为中断请求，计算机响应后，便以此时递送边（信号线）位置作为内焊头位置。

本系统的操作过程：

系统投入自动跟踪运行前，先进行内、外焊摄象装置的初始调整。将内焊摄象头（17）和外焊光纤窥镜（25）及外焊摄象头（26）调整到使其电视图象符合图2、图3所示对准情况，也就是使递送边（20）或外焊拼缝（28）的图象处于屏幕垂直方向，并分别与水平视场中心线（21）（31）重合，调整摄象距离，使内、外焊水平视场分别为±40毫米和±30毫米。

计算机初始化后，进行相应的“垂直重合校正”、“视场标定”并进入“自动跟踪准备”状态，等待自动命令以转入自动跟踪。

先以内焊跟踪回路为例，加以说明，如图2所示，内焊电视图象传感器产生内焊递送边电视图象，其电视信号在内焊视频混合和分配器（11）中进行同步分离，产生行、场同步脉冲用于各电路所需要的基准脉冲信号;另一方面将分离出来的视频信号送到多重过滤信号处理单元（3），由视频信号检测器（图4）和内焊或外焊标志线和窗口发生器（图5）进行空间采样，每场上、下窗口分别获得10行递送边信号，该信号经过滤波限幅、二值化、数字化处理，形成内焊递送边位置数据，同时形成内焊水平视场中心数据，由于数字计算机每隔十二场采集一次（见图9），其中内焊选通时间（0.1秒）占六场，外焊选通时间（0.1秒）占六场，因此内焊选通时间内六场累积60行位置数据，通过数据输入接口（84）送给数字计算机（81），计算机接收60行位置数据并在六场内完成异常值剔除（90）、数字滤波（91）得到目标数据平均值，然后经过缝宽判别（92）、偏差判别（93）、双窗口识别（94）、非线性补偿（95）等过滤和识别，进行误差计算、坛量式比例积分微分（PID）数字调节量计算和调节脉冲的形成，并经调节脉冲输出接口（89）送至内焊双回路同步控制单元（5）。

位置原点设在行扫描起始点，即行同步前沿。递送边或水平视场中心的位置，均以相对于行同步前沿的时间差即空间距离表示，由计算机算出递送边与视场中心的距离，即偏差值、也即误差。然后按照焊头跟踪坛量式比例积分微分（PID）数字模型计算调节量，按此调节量计算调节脉冲数，并由计算机形成以240Hz、480Hz、720Hz、960Hz频率配比的一定数量的调节脉冲，经调节脉冲输出接口（89）进行自动/手动选择，在“自动”状态下送往内焊摄象头执行机构和内焊头执行机构，带动内焊摄象头（17）和内焊头（14）同时移动，从而对准递送边（20）。同时通过内焊双回路同步控制单元的内焊摄象头反馈元件坛量式光电编码盘（105）和内焊头反馈元件坛量式光电编码盘（110），将表示内焊摄象头（17）和内焊头（14）位置的光栅脉冲送到内焊摄象头码盘脉冲检测计数器（111）和内焊头码盘脉冲检测计数器（112），形成反馈的内焊摄象头（17）和内焊头（14）位置数据，经数据输入接口（84）送给数字计算机（81）处理形成内焊头位置线起始数据，这个反馈的内焊头位置线起始数据由计算机中内焊或外焊标志线和窗口发生器数据输出接口（87）送至内焊或外焊标志线和窗口发生器（图5）产生内焊头位置的信号线，以判别内焊头（14）是否移动，而且是否与内焊摄象头（17）同步移动。

内焊视频混合和分配器（11）将内焊电视图象传感器输出信号与内焊标志线和窗口发生器输出信号混合后分三路，供给自控室、手控室、现场的三个监视器显示。

外焊跟踪回路与内焊跟踪回路相似，如图3所示，外焊电视图象传感器产生外焊拼缝的电视信号，在外焊视频混合和分配器（12）中进行同步分离，形成行、场同步脉冲信号，同时将图象信号送至多重过滤信号处理单元（3），由视频信号检测器（图4）和内焊或外焊标志线和窗口发生器（图5）进行空间采样，每场上、下窗口分别获得10行外焊拼缝信号，该信号经滤波限幅、二值化、数字化处理，形成左右边缘（焊缝脉冲前后沿）的位置数据，经数据输入接口（84）送给数字计算机（81），计算机每隔十二场采样一次，接收这两组60行数据，与内焊数据采集不同的是时间上相差六场的时延。计算机对外焊采样时间内采集的数据与内焊相似进行计算机一系列过滤和识别，误差计算，坛量式比例、积分微分（PID）数字调节量计算以及调节脉冲的形成，并经调节脉冲输出接口（89）送至外焊控制单元（6），带动外焊头（15）移动，对准外焊拼缝（28）。外焊跟踪误差是指外焊拼缝中心与光纤窥镜电视水平视场中心的偏差，调节脉冲是以240Hz、480Hz、720Hz、960Hz频率配比输出的。

当内焊焊穿出现孔洞和焊瘤或摄象区钢管表面有划伤、油污、氧化铁皮、焊剂时，计算机通过双窗口判别等上述一系列过滤处理，判定摄取信号的真、伪。一旦是伪信号，在异物到达上窗口之前在通过下窗口时即被判别出，计算机对以前跟踪位置的记忆，保证了焊头不动，并发出失踪报警，当伪信号消失时，自动恢复跟踪。当长时间失踪或焊接间断后，经手动对准即可转入自动跟踪。

本系统在手动跟踪时，由计算机外部调节脉冲发生器（88）产生正反向调节脉冲，由自动/手动开关命令计算机将调节脉冲输出接口（89）转给手动调节脉冲发生器及手控器单元（9）。手动控制正反向、调节脉冲数量、自动/手动转换等均由各路手控器（内焊摄象头手控器、内焊头手控器和外焊头手控器）操作。此外，也可由操作控制台利用计算机内部形成的调节脉冲，进行手动跟踪。

内焊摄象头手控器主要作为初始调整时内焊摄象头对准用。完成初始调整进入准备自动状态后，只使用内焊头手控器，由它同时控制二套执行机构。所以内焊摄象头手控器只有单控功能，即只能控制内焊摄象头，而内焊头手控器不但有单控功能即控制内焊头，还有全控功能即同时控制内焊摄象头和内焊头。

由于采用双窗口技术，可以在自动跟踪运转中擦试摄象光学镜头和光源。

当重要环节发生故障和传动越限时，由各自故障或越限检测器发出故障信号，汇集给计算机，连续发生三次，计算机以声、光方式发出故障或越限报警。视故障性质的不同，内、外焊两路可对出现故障的一路在手控状态下排除故障，而另一路仍可进行自动跟踪。当影响两路时，也可在手动跟踪状态下排除故障，而不影响焊接生产。

Claims

1、一种采用电视图象传感器直接检测焊缝信号，经信号处理器处理和计算机分析，确认并检出有效焊缝信号，确定焊头偏移量，由计算机分时驱动内，外焊回路，实时控制焊头对准焊缝的焊头自动跟踪焊缝的方法，其特征在于采用下列步骤：

-内焊电视图象传感器(1)中，与内焊摄象头(17)刚性连接并固定在内焊摄象头传动部分(18)上的内焊光源(16)从上而下地照射摄象区，摄象区靠近内焊点，内焊摄象头(17)从下而上地摄取成型啮合点前的一段上卷钢板和递送钢板的阴影以及它们之间透光的内焊递送边(20)图象，外焊电视图象传感器(2)中，与外焊头(15)刚性连接并固定在外焊光纤窥镜(25)前端上的外焊光源(24)从上而下摄取外焊拼缝(28)图象，分别产生内、外焊缝的电视图象信号；

-由计算机发出以十二场为周期，其中内焊选通时间占六场，外焊选通时间占六场的分时脉冲(101)控制内、外焊缝的电视图象信号，即将该信号分时送入多重过滤信号处理单元(3)，经双窗口采样后，进行滤波、限幅、二值化、数字化处理、形成内、外焊缝位置数据；

-内、外焊缝位置数据分时送入数字计算机及其接口(4)，完成异常值剔除(90)、数字滤波(91)，得到目标数据平均值，然后经过缝宽判别(92)、偏差判别(93)、双窗口识别(94)和非线性补偿(95)，确认并检出有效焊缝位置数据，确定偏差值；

-数字计算机及其接口(4)根据偏差值，按增量式比例积分微分(PID)数学模型，分时算出内、外焊调节量，并变换为调节脉冲；

-在内焊跟踪期间，计算机将内焊调节脉冲输入内焊双回路同步控制单元(5)，使内焊头(14)移动，对准内焊递送边(20)，在外焊跟踪期间，外焊调节脉冲驱动外焊控制单元(6)，使外焊头(15)移动，对准外焊拼缝(28)；

-本装置在运行过程中发生故障和传动越限时，由故障和传动越限检测器发出故障信号，该信号汇集给计算机，当故障连续发生三次，计算机以声、光方式发出故障和越限报警，从而完成螺旋缝钢管焊接的自动跟踪。

2、按照权利要求1所述的焊头自动跟踪焊缝的方法，其特征在于所说的增量式比例积分微分（PID）数学模型：

△C_n＝K_p[（ C_n- C_n-1）+ (T₃)/(T₁) C_n] 微分时间T_D＝0

其中

公式中 K_p：比例常数，

T_s：采样周期，

T_I：积分常数，

C_n：第n次采样得到的误差平均值，

C_n-1：第n-1次采样得到的误差平均值，

i：每场采样的行数，

j：计算机每次采样的场数，

m：每场采样的总行数，

p：计算机每次采样的总场数，

：第n次采样得到的某场某行的误差值，

：第n-1次采样得到的某场某行的误差值，

N₁：内焊递送边位置数据，

N₁₀：内焊摄象机水平视场中心数据，

N_a：内焊跟踪修正量，

N₂：外焊拼缝中心数据，

N₂₀：外焊摄象机水平视场中心数据，

N_b：外焊跟踪修正量，

t₁：电视水平扫描到内焊递送边的时间，

T_1H：内焊摄象机行扫描正程时间，

N_1H：对应于内焊摄象头水平视场的数字量，

l_1H：内焊摄象头光栅宽度，

X₁：从视场左端到内焊递送边的距离，

N₂₁：外焊拼缝左边缘位置数据，

N₂₂：外焊拼缝右边缘位置数据，

t₂₁：电视扫描到外焊拼缝左边缘的时间，

t₂₂：电视扫描到外焊拼缝右边缘的时间，

T_2H：外焊摄象机行扫描正程时间，

N_2H：对应于外焊摄象头水平视场的数字量，

l_2H：外焊摄象面水平尺寸，

X₂₁：从视场左端到外焊拼缝左边缘的距离，

X₂₂：从视场左端到外焊拼缝右边缘的距离，

展开并代入得到内焊或外焊增量式比例积分微分（PID）数字调节量△C_n：

内焊增量式比例积分微分（PID）数字调节量

外焊增量式比例积分微分（PID）数字调节量

其中：比例常数K_p，取为8.5

采样周期T_s，取为0.2秒

积分常数T_I，取为13.6秒。

3、一种按照权利要求1所述的焊头自动跟踪焊缝方法的专用装置，包括内焊电视图象传感器、外焊电视图象传感器、信号处理单元、数字计算机及其接口、内焊控制单元、外焊控制单元、操作指示控制电路及面板单元、手控器、监视器、内焊视频混合和分配器、外焊视频混合和分配器、电源控制和分配器，其特征在于：

内焊电视图象传感器（1）中，内焊光源（16）与内焊摄象头（17）刚性连接并固定在内焊摄象头传动部分（18）上，摄取内焊递送边（20）图象的内焊电视图象传感器（1）输出的全电视信号一路传输到由视频信号检测器、标志线发生器和窗口发生器组成的多重过滤信号处理单元（3）的输入端，另一路传输到内焊视频混合和分配器（11）的输入端，内焊视频混合和分配器（11）将此全电视信号与标志线信号，窗口信号混合后分配给监视器组（10）显示，采用了外焊光纤窥镜（25）并与外焊头（15）刚性连接的外焊电视图象传感器（2）摄取外焊拼缝（28）图象，其输出的全电视信号一路传输到多重过滤信号处理单元（3）的输入端，另一路传输到外焊视频混合和分配器（12）的输入端，外焊视频混合和分配器（12）将此全电视信号与标志线信号，窗口信号混合后，分配给监视器组（10）显示，多重过滤信号处理单元（3）将输入的全电视信号进行钳位放大、窗口采样、滤波、限幅、二值化及数字化处理，然后送至数字计算机及其接口（4）进行数字过滤和识别，同时进行误差计算和增量式比例积分微分（PID）调节量计算，形成相应的调节脉冲，内焊调节脉冲输出至内焊双回路同步控制单元（5）同步控制内焊电视图象传感器（1）和内焊头（14），外焊调节脉冲输出至外焊控制单元（6）控制外焊头（15）及相连的外焊电视图象传感器（2），数字计算机及其接口（4）还和故障自动检测与报警单元（7），操作指示控制电路及面板单元（8），手动调节脉冲发生器及手控器单元（9）并行双向连接，当数字计算机及其接口（4）接收到来自故障自动检测与报警单元（7）的故障信号后，发出报警电平信号并分别送至操作指示控制电路及面板单元（8）和故障自动检测与报警单元（7），发出报警声光指示，手动调节脉冲发生器及手控器单元（9）将自动/手动开关命令送到数字计算机及其接口（4），命令计算机将调节脉冲输出接口（89）的输出信号转给手动调节脉冲发生器及手控器单元（9），然后，由手动调节脉冲发生器及手控器单元（9）产生的手动调节脉冲经数字计算机及其接口（4）分别送到内焊控制单元（5）和外焊控制单元（6），从而驱动内焊头（14）及外焊头（15）移动。

4、按照权利要求3所述的专用装置，其特征在于所说的视频信号检测器是由内、外焊行同步信号时分器（34）钳位脉冲发生器（35）、内、外焊视频信号时分放大器（36）、钳位放大器（37）、窗口时分器（38）、窗口采样器（39）、滤波限幅放大器（40）、正常/标定设定电平选择器（41）、峰值检波器（42）、标定基准电平发生器（43）、正常基准电平发生器（44）、正常/标定基准电平选择器（45）、二值化的电平比较器（46）、前后沿脉冲发生器（47）、门控信号发生器（50）、前沿计数器（51）、后沿计数器（52）、视场中心计数器（53）、10MH_z时钟发生器（54）、清零脉冲发生器（56）、内、外焊场波门时分器（57）构成，其中内、外焊行同步信号时分器（34）输出端接钳位脉冲发生器（35）和门控信号发生器（50）的输入端，钳位脉冲发生器（35）输出端接钳位放大器（37）输入端，内、外焊视频信号时分放大器（36）输出端接钳位放大器（37）输入端，钳位放大器（37）输出端接窗口采样器（39）输入端，窗口时分器（38）输出端接窗口采样器（39）输入端，窗口采样器（39）输出端接滤波限幅放大器（40）输入端，滤波限幅放大器（40）输出端接二值化的电平比较器（46）输入端，同时接峰值检波器（42）输入端，二值化的电平比较器（46）输出端接前后沿脉冲发生器（47）输入端，前后沿脉冲发生器（47）输出端接门控信号发生器（50）输入端，门控信号发生器（50）输出端分别连接前沿计数器（51）、后沿计数器（52）和视场中心计数器（53）的输入端，内、外焊场波门时分器（57）输出端接门控信号发生器（50）和5MH_Z时钟发生器（55）的输入端，10MHz时钟发生器（54）和清零脉冲发生器（56）输出端分别连接前沿计数器（51）、后沿计数器（52）和视场中心计数器（53）的计数输入端，正常/标定设定电平选择器（41）输出端连接峰值检波器（42）输入端，峰值检波器（42）输出端接标定基准电平发生器（43）输入端，标定基准电平发生器（43）输出端接正常/标定基准电平选择器（45）的输入端，其另一输入端连接正常基准电平发生器（44）的输出端，正常/标定基准电平选择器（45）输出端接二值化的电平比较器（46）输入端，内焊电视图象传感器（1）或外焊电视图象传感器（2）输出的全电视信号，经由数字计算机的分时脉冲（101）控制的内、外焊视频信号时分放大器（36）输出六场交替的内、外焊全电视信号串，送至钳位放大器（37），钳位脉冲发生器（35）产生延迟时间可调1μs宽度的钳位脉冲也送至钳位放大器（37），钳位电平可调，将此经过钳位处理的视频信号六场视频脉冲串送至窗口采样器（39），由内、外焊窗口进行采样，内、外焊窗口信号来自采样窗口合成器（68），内、外焊窗口信号在窗口时分器（38）中由数字计算机的分时脉冲（101）选通，在窗口时间内选通视频信号，在窗口时间外，将信号短路，被选通的视频信号经滤波限幅放大器（40）滤波、限幅和二值化电平比较器（46）的二值化处理，每六场形成与上、下窗口相对应的两组各为60个数据（102），再经计数器（51）、（52）、（53）数字化处理，分时输出内焊递送边图象前沿数据，内焊水平视场中心数据和外焊拼缝图象的前沿与后沿数据，外焊水平视场中心数据以及内焊传动反馈的光电编码盘数据，上述目标数据依次为前、后六场采样窗口内共60行的采样数据。

5、按照权利要求3所述的专用装置，其特征在于所说的窗口发生器是由采样窗口发生器和显示窗口发生器组成，采样窗口发生器由可予置行同步计数器（58）、电平识别器（60）、窄脉冲发生器（59）（61）、水平波门发生器（62）、可予置场计数器（63）、电平识别器（65）、窄脉冲发生器（64）（66）、垂直波门发生器（67）、采样窗口合成器（68）构成，显示窗口发生器由水平波门发生器（62）、垂直波门发生器（67）和显示窗口合成器（69）构成，其中可予置行同步计数器（58）输出端，一路接窄脉冲发生器（59）输入端，另一路接电平识别器（60）输入端，窄脉冲发生器（59）输出端接水平波门发生器（62）输入端，电平识别器（60）输出端接窄脉冲发生器（61）输入端，窄脉冲发生器（61）输出端接水平波门发生器（62）输入端，水平波门发生器（62）输出端分别连接显示窗口合成器（69）、采样窗口合成器（68）、内焊采样窗故障检测器（76）和外焊采样窗故障检测器（77）的输入端，显示窗口合成器（69）输出端连接标志线和显示窗口合成器（70）输入端，采样窗口合成器（68）输出端接上、下窗口分离器（78）输入端，可予置场计数器（63）输出端分三路连接电平识别器（65）、窄脉冲发生器（64）和上、下窗口分离器（78）的输入端，窄脉冲发生器（64）输出端接垂直波门发生器（67）输入端，电平识别器（65）输出端接窄脉冲发生器（66）输入端，窄脉冲发生器（66）输出端接垂直波门发生器（67）输入端，垂直波门发生器（67）输出端分别连接显示窗口合成器（69）、采样窗口合成器（68）、内焊采样窗故障检测器（76）和外焊采样窗故障检测器（77）的输入端，窗口发生器在行同步脉冲期间将数字计算机给定的水平起始位置数据予置给可予置行同步计数器（58），在行同步脉冲之外，该计数器在已予置的数据基础上计数，计满时发生进位脉冲，经窄脉冲发生器（59）变换成窄脉冲去触发水平波门发生器（62），使其翻转，该进位脉冲还给可予置同步计数器（58）清零，从零开始计数，当计数器输出八个电平与电平识别器（60）予置的窗口宽度数据对应的八个电平相同时，电平识别器（60）发出高电平，经窄脉冲发生器（61）形成窄脉冲去触发水平波门发生器（62）使之再翻转，产生一个起点与窗口宽度与予置数据对应的水平波门，同理，在场同步脉冲期间，将数字计算机给定的垂直起始位置数据予置给可予置场计数器（63），在场同步脉冲之外，该计数器在已予置的数据基础上计数，计到最高位为“1”时，由最高位输出，经窄脉冲发生器（64）形成窄脉冲去触发垂直波门发生器（67），使其翻转，形成第一垂直波门的前沿，同时，该触发脉冲给可予置场计数器（63）清零，从零开始计数，当计到10行对应的予定数时，其八位输出电平与电平识别器（65）予定的八个电平相一致时，电平识别器（65）输出高电平，经窄脉冲发生器（66）形成窄脉冲去触发垂直波门发生器（67），使之再翻转，形成第一垂直波门的后沿，产生第一垂直波门，即上窗口的垂直波门，当可予置场计数器继续计数到最高位为“1”时，由最高位输出，经窄脉冲发生器（64）形成窄脉冲去触发垂直波门发生器（67），使之翻转，形成第二垂直波门的前沿，同时，该触发脉冲给可予置场计数器（63）清零，并从零开始计数，计到与10行相对应的数时，其八位输出电平与电平识别器（65）予定电平相比较，对应电平相同时，电平识别器（65）输出高电平，经窄脉冲发生器（66）形成窄脉冲去触发垂直波门发生器（67），使之再翻转，形成第二垂直波门的后沿，获得上、下两个垂直波门，水平波门发生器（62）与垂直波门发生器（67）经采样窗口合成器（68）合成双窗口信号，该信号经上、下窗口分离器（78）分离出上、下两个窗口信号，并送至数字计算机（81），作为处理上、下窗口采样数据的中断请求信号，水平波门发生器（62）与垂直波门发生器（67）通过显示窗口合成器（69）由前、后沿窄脉冲合成框式双窗口信号，该可编程双窗口当窗口宽度、高度和垂直位置数据固定，而水平位置数据循环时，形成水平方向扫描的自动搜索窗或者操作按键改变窗口的宽度和位置进行手动搜索。

6、按照权利要求3所述的专用装置，其特征在于所说的内焊双回路同步控制单元（5），它由内焊摄象头驱动电源（103）、内焊摄象头步进电机（104）、内焊摄象头传动部分（18）、内焊摄象头反馈元件增量式光电编码盘（105）、二分频器（106）、内焊头驱动电源（107）、内焊头步进电机（108）、内焊头传动部分（109）、内焊头反馈元件增量式光电编码盘（110）、内焊摄象头（17）、内焊头（14）、内焊摄象头码盘脉冲检测计数器（111）、内焊头码盘脉冲检测计数器（112）和调节脉冲输出接口（89）构成，其中调节脉冲输出接口（89）内焊输出端分别连接内焊摄象头驱动电源（103）和二分频器（106）的输入端，内焊摄象头驱动电源（103）输出端接内焊摄象头步进电机（104）输入端，内焊摄象头步进电机（104）输出端接内焊摄象头传动部分（18）输入端，内焊摄象头传动部分（18）输出端分别连接内焊摄象头反馈元件增量式光电编码盘（105）和内焊摄象头（17）的输入端，内焊摄象头反馈元件增量式光电编码盘（105）输出端接内焊摄象头码盘脉冲检测计数器（111）输入端，二分频器（106）输出端接内焊头驱动电源（107）输入端，内焊头驱动电源（107）输出端接内焊头步进电机（108）输入端，内焊头步进电机（108）输出端接内焊头传动部分（109）输入端，内焊头传动部分（109）输出端分别连接内焊头反馈元件增量式光电编码盘（110）和内焊头（14）的输入端，内焊头反馈元件增量式光电编码盘（110）输出端接内焊头码盘脉冲检测计数器（112）输入端，内焊跟踪有两个回路，一个是机械上闭环的内焊摄象头跟踪回路，另一个是机械上开环的内焊头跟踪回路，内焊头和内焊摄象头没有机械连接，只有电气连接，两个回路使用内焊摄象头同一参考点，由同一个信号源调节脉冲发生器（88）按内焊摄象头跟踪回路确定的内焊调节脉冲数，通过调节脉冲输出接口（89），一路直接送给内焊摄象头驱动电源（103）形成四相八拍功率脉冲，驱动内焊摄象头步进电机（104），通过内焊摄象头传动部分（18）移动而推动内焊摄象头（17）移动，另一路经二分频器（106）送给内焊头驱动电源（107），驱动内焊头步进电机（108），通过内焊头传动部分（109）使内焊头（14）产生同样位移，其中调节脉冲数△P_n的计算公式：

△P_n= (360·l_1H)/(S·β_b·N_1H·K₀₁·Sinα) ·△C_n

式中K₀₁：内焊电视摄象机镜头倍率，

α：钢管成型角（deg），

l_1H：内焊摄象头光栅宽度（mm），

N_1H：对应于内焊摄象头水平视场的数字量，

S：传动丝杠的螺距（mm），

β_b：步进电机的步距角（deg）

选定：

内焊电视摄象机镜头倍率K₀₁为0.22，

内焊摄象头光栅宽度l_1H为8mm，

对应于内焊摄象头水平视场的数字量N_1H为512，

内焊摄象头传动丝杠螺距S为3mm，

内焊头传动丝杠螺距S为6mm，

步进电机的步距角β_b均为0.9°，四相八拍。

7、按照权利要求3所述的专用装置，其特征在于所说的故障自动检测与报警单元（7），它由内焊光源/摄象头故障检测器（48）、外焊光源/摄象头故障检测器（49）、内焊采样窗故障检测器（76）、外焊采样窗故障检测器（77）、光电编码盘脉冲检测计数器故障检测器（113）、内焊驱动电源和步进电机故障检测器（114）、外焊驱动电源和步进电机故障检测器（115）、程序运行故障检测器（116）、内焊摄象头传动越限检测器（117）、内焊头传动越限检测器（118）、外焊头传动越限检测器（119）、现场声光报警器（120）、操作指示和故障报警输入输出接口（85）、数字计算机（81）、故障判定和指示报警信号自动发送器（86）和操作指示控制电路及面板单元（8）构成，其中内焊光源/摄象头故障检测器（48），外焊光源/摄象头故障检测器（49）、内焊采样窗故障检测器（76）、外焊采样窗故障检测器（77）、光电编码盘脉冲检测计数器故障检测器（113）、内焊驱动电源和步进电机故障检测器（114）、外焊驱动电源和步进电机故障检测器（115）、程序运行故障检测器（116）、内焊摄象头传动越限检测器（117）、内焊头传动越限检测器（118）、外焊头传动越限检测器（119）的输出端都连接操作指示和故障报警输入输出接口（85）输入端，操作指示和故障报警输入输出接口（85）输出端分别与数字计算机（81）、故障判定和指示报警信号自动发送器（86）的输入端双向连接，操作指示和故障报警输入输出接口（85）输出还分别连接现场声光报警器（120）和操作指示控制电路及面板单元（8）的输入端，内焊光源/摄象头故障检测器（48）、外焊光源/摄象头故障检测器（49）、内焊采样窗故障检测器（76）、外焊采样窗故障检测器（77）、光电编码盘脉冲检测计数器故障检测器（113）、内焊驱动电源和步进电机故障检测器（114）、外焊驱动电源和步进电机故障检测器（115）、程序运行故障检测器（116）、内焊摄象头传动越限检测器（117）、内焊头传动越限检测器（118）、外焊头传动越限检测器（119）的输出信号通过操作指示和故障报警输入输出接口（85）送至数字计算机（81）、故障判定和指示报警信号自动发送器（86），计算机接收故障信号，持续0.6秒，由故障判定和指示报警信号自动发送器（86）发出报警电平，并通过操作指示和故障报警输入输出接口（85）送至操作指示控制电路及面板单元（8）和现场声光报警器（120），发出报警信号。