CN107738023B - 基于线阵ccd的焊缝自动跟踪装置及方法 - Google Patents

基于线阵ccd的焊缝自动跟踪装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置及方法，其解决了现有基于视频检测处理的焊缝跟踪技术控制滞后，对中准确度低，定位误差比较大，无法快速地纠偏机头的技术问题，其包括线阵CCD模块、主控制器、伺服驱动器、联动机构、行走机构、焊剂盒和机头；联动机构包括机架、工作台、机头安装架、丝杠副、伺服电机，伺服电机与机架连接，丝杠副与伺服电机的输出轴连接，工作台的内侧面与丝杠副上的螺母连接，机头安装架与工作台的外侧面连接；机架固定连接在行走机构上；机头连接于机头安装架上，焊剂盒连接于机头安装架上，线阵CCD模块连接于焊剂盒上；本发明广泛用于埋弧焊等其他焊接技术领域。

Description

基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置及方法
技术领域
本发明涉及埋弧焊技术领域，具体而言，涉及一种基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置及方法。
背景技术
众所周知，埋弧焊具有自动化程度高、生产效率高、焊缝成形好，没有弧光辐射等优点。高技术工业生产对厚板焊接的质量要求越来越高，使埋弧焊具有日益广阔的应用前景。
在埋弧焊作业过程中，埋弧焊的焊炬应始终与焊缝位置对应，但由于焊接小车导轨与焊缝位置偏移、电弧在焊剂层下不可见等原因,经常出现机头与焊缝偏离的现象,严重影响了焊接质量。为了保证机头对准焊缝中心，焊前必须认证调整机头的位置。在焊接作业过程中，也需要采取措施保证机头对准焊缝中心，从而提高焊接生产率和焊缝质量。
目前，焊缝跟踪技术是保证机头对准焊缝中心的有效手段。所谓焊缝跟踪，是指以焊炬为被控对象，焊炬相对于焊缝中心位置的偏差作为被调量，通过机械、视频、激光等传感测量手段，控制焊炬使其在整个焊接过程中始终与焊缝对口。基于视频检测处理的跟踪技术应用越来越多，比如专利号为201410820791.2，名称为“基于视频分析的焊缝检测与跟踪方法”的中国发明专利公开了采用PID算法的焊缝跟踪方法，然而，该焊缝跟踪技术存在以下技术问题：
(1)控制滞后，对中准确度低，定位误差比较大；
(2)调整机头移动时，机头的位移量精度低；
(3)无法快速地纠偏机头；
(4)导致最终焊接质量低。
发明内容
本发明就是为了解决现有基于视频检测处理的焊缝跟踪技术控制滞后，对中准确度低，定位误差比较大，无法快速地纠偏机头的技术问题，提供了一种控制过程无滞后，对中准确度高，定位误差小，能够快速纠偏的基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置及方法。
本发明的技术方案是，包括线阵CCD模块、主控制器、伺服驱动器、联动机构、行走机构、焊剂盒和机头；
联动机构包括机架、电机支架、工作台、机头安装架、上导轨组件、下导轨组件、丝杠副、伺服电机和联轴器，电机支架与机架连接，伺服电机与电机支架连接；机架包括支撑梁、底座、上安装梁、下安装梁、左头安装板和丝杠支撑座安装板，下安装梁与支撑梁的上端连接，上安装梁和下安装梁平行设置，左头安装板与下安装梁的左端垂直连接，丝杠支撑座安装板与下安装梁的右端垂直连接；上安装梁的左端与左头安装板垂直连接，上安装梁的右端与丝杠支撑座安装板垂直连接；
上导轨组件与上安装梁连接，下导轨组件与下安装梁连接；上导轨组件和下导轨组件分别设有滑块；
丝杠支撑座安装板上连接有丝杠支撑座，丝杠副的左端通过联轴器与伺服电机的输出轴连接，丝杠副的右端与丝杠支撑座连接；
工作台的内侧面垂直连接有螺母座，丝杠副上的螺母与螺母座连接，上导轨组件和下导轨组件上的滑块分别与工作台的内侧面连接；机头安装架与工作台的外侧面连接；
底座固定连接在行走机构上；机头连接于机头安装架上，焊剂盒连接于机头安装架上，线阵CCD模块连接于焊剂盒上；
线阵CCD模块与主控制器电连接，主控制器的输出端与伺服驱动器的输入端连接，伺服驱动器的输出端与伺服电机连接。
优选地，主控制器为STC15W4K单片机，STC15W4K单片机与伺服驱动器之间设有光耦，STC15W4K单片机的第1引脚与伺服驱动器的
Figure BDA0001486958240000021
端口连接，STC15W4K单片机的第2引脚与伺服驱动器的
Figure BDA0001486958240000022
端口连接，伺服驱动器的使能端口与光耦的集电极连接，光耦的发射极接地，光耦的阳极通过电阻接电源VCC，光耦的阴极与STC15W4K单片机的第5引脚连接；STC15W4K单片机采用位置脉冲模式控制伺服驱动器；
按照行走机构的行进方向，线阵CCD模块上的镜头位于机头的前方，机头与线阵CCD模块对齐，机头的位置对应于线阵CCD模块的中心。
本发明还提供一种基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置的焊缝自动跟踪方法，包括以下步骤：
(1)系统初始化；
(2)通过联动机构调整机头至机械原点，使机头与待焊接工件的焊缝对中，线阵CCD模块上的镜头检测的扫描线与焊缝方向垂直；线阵CCD模块本身具有N个像素点，定义第N/2像素点为线阵CCD模块的中心；
(3)启动行走机构对工件进行焊接作业；
(4)安装于机头前方的线阵CCD模块连续检测焊缝的单行图像信息，输出每行n个像素点的模拟电信号，送至STC15W4K单片机的ADC端口；
(5)STC15W4K单片机的ADC模块把焊缝模拟电信号转换为n个像素点的数字信号；
(6)STC15W4K单片机设定线阵CCD模块中心的像素点的序号N/2为中心基准阈值；STC15W4K单片机将每个像素数据与前后相邻像素数据相加后求平均值，再对计算出的n个平均值从大到小排列，取最小值，这个最小值对应的像素就是焊缝中心点，相应的序号为Nmid；
判断Nmid是否大于中心基准阈值N/2，如果是，则通过公式(Nmid-N/2)*a/b计算输出给伺服驱动器的脉冲个数，进入步骤(7)；否则通过公式(N/2-Nmid)*a/b计算输出给伺服驱动器的脉冲个数，进入步骤(8)；脉冲个数计算公式中a/b表示伺服驱动器电子齿轮比；
(7)STC15W4K单片机发送脉冲串给伺服驱动器，伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令控制伺服电机正转，从而带动机头向右位移与焊缝对中；
(8)STC15W4K单片机发送脉冲串给伺服驱动器，伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令控制伺服电机反转，从而带动机头向左位移与焊缝对中。
优选地，步骤(2)中，线阵CCD模块本身具有的像素点个数N为128，步骤(4)中，n为128。
本发明还提供一种基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置，包括线阵CCD模块、超声波距离传感器、主控制器、伺服驱动器、联动机构、行走机构、焊剂盒、第二伺服驱动器和机头；
联动机构包括机架、电机支架、工作台、机头安装架、上导轨组件、下导轨组件、水平方向丝杠副、水平方向伺服电机、联轴器、垂直方向伺服电机、垂直方向丝杠副、左导轨组件和右导轨组件，电机支架与机架连接，水平方向伺服电机与电机支架连接；机架包括支撑梁、底座、上安装梁、下安装梁、左头安装板和丝杠支撑座安装板，上安装梁、下安装梁、左头安装板和丝杠支撑座安装板连接在一起形成矩形框架，垂直方向伺服电机通过垂直方向伺服电机安装座与支撑梁固定连接；垂直方向丝杠副的上端与垂直方向伺服电机的输出轴连接，下端通过丝杠支撑座与底座连接，左导轨组件和右导轨组件分别连接于垂直方向伺服电机安装座和底座之间，左导轨组件上设有第三滑块，右导轨组件上设有第四滑块；上安装梁、下安装梁、左头安装板和丝杠支撑座安装板组成的矩形框架的内侧与垂直方向丝杠副上的螺母连接，第三滑块以及第四滑块与该矩形框架的内侧连接；
上导轨组件与上安装梁连接，下导轨组件与下安装梁连接；上导轨组件和下导轨组件分别设有滑块；
丝杠支撑座安装板上连接有丝杠支撑座，水平方向丝杠副的左端通过联轴器与水平方向伺服电机的输出轴连接，水平方向丝杠副的右端与丝杠支撑座安装板上的丝杠支撑座连接；
工作台的内侧面垂直连接有螺母座，水平方向丝杠副上的螺母与螺母座连接，上导轨组件和下导轨组件上的滑块分别与工作台的内侧面连接；机头安装架与工作台的外侧面连接；
底座固定连接在行走机构上；机头连接于机头安装架上，焊剂盒连接于机头安装架上，线阵CCD模块和超声波距离传感器分别连接于焊剂盒上；
线阵CCD模块、超声波距离传感器分别与主控制器电连接，主控制器的输出端与两个伺服驱动器的输入端连接，水平方向伺服电机与伺服驱动器的输出端连接，垂直方向伺服电机与第二伺服驱动器的输出端连接。
优选地，主控制器为STC15W4K单片机，STC15W4K单片机与伺服驱动器之间设有光耦，STC15W4K单片机的第1引脚与伺服驱动器的
Figure BDA0001486958240000051
端口连接，STC15W4K单片机的第2引脚与伺服驱动器的
Figure BDA0001486958240000052
端口连接，伺服驱动器的使能端口与光耦的集电极连接，光耦的发射极接地，光耦的阳极通过电阻接电源VCC，光耦的阴极与STC15W4K单片机的第5引脚连接；STC15W4K单片机采用位置脉冲模式控制伺服驱动器；
按照行走机构的行进方向，线阵CCD模块上的镜头位于机头的前方，机头与线阵CCD模块对齐，机头的位置对应于线阵CCD模块的中心；
按照行走机构的行进方向，超声波距离传感器位于机头的前方。
本发明还提供一种基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置的焊缝自动跟踪方法，包括以下步骤：
(1)系统初始化；
(2)通过联动机构调整机头至机械原点，使机头与待焊接工件的焊缝对中，线阵CCD模块上的镜头检测的扫描线与焊缝方向垂直；线阵CCD模块本身具有N个像素点，定义第N/2像素点为线阵CCD模块的中心；
(3)启动行走机构对工件进行焊接作业；
(4)安装于机头前方的线阵CCD模块连续检测焊缝的单行图像信息，输出每行n个像素点的模拟电信号，送至STC15W4K单片机的ADC端口；
(5)STC15W4K单片机的ADC模块把焊缝模拟电信号转换为n个像素点的数字信号；
(6)STC15W4K单片机设定线阵CCD模块中心的像素点的序号N/2为中心基准阈值；STC15W4K单片机将每个像素数据与前后相邻像素数据相加后求平均值，再对计算出的n个平均值从大到小排列，取最小值，这个最小值对应的像素就是焊缝中心点，相应的序号为Nmid；
判断Nmid是否大于中心基准阈值N/2，如果是，则通过公式(Nmid-N/2)*a/b计算输出给伺服驱动器的脉冲个数，进入步骤(7)；否则通过公式(N/2-Nmid)*a/b计算输出给伺服驱动器的脉冲个数，进入步骤(8)；脉冲个数计算公式中a/b表示伺服驱动器电子齿轮比；
(7)STC15W4K单片机发送脉冲串给伺服驱动器，伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令控制伺服电机正转，从而带动机头向右位移与焊缝对中；
(8)STC15W4K单片机发送脉冲串给伺服驱动器，伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令控制伺服电机反转，从而带动机头向左位移与焊缝对中；
(9)超声波距离传感器实时检测工件的焊缝与超声波距离传感器之间的距离H；
(10)STC15W4K单片机接收超声波距离传感器发送的距离数据H；
(11)STC15W4K单片机定义机头至超声波距离传感器的距离为L，STC15W4K单片机计算机头到工件的焊缝的距离h，h＝H-L；
(12)STC15W4K单片机设定机头到工件的焊缝的基准距离阈值为Q；
(13)STC15W4K单片机判断h是否大于Q，如果是，则通过公式(h-Q)*e/f计算输出给第二伺服驱动器的脉冲个数，进入步骤(14)；否则通过公式(Q-h)*e/f计算输出给第二伺服驱动器的脉冲个数，跳转到步骤(15)；
(14)STC15W4K单片机发送脉冲串给第二伺服驱动器，第二伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令，控制垂直方向伺服电机正转，从而带动机头向下位移；
(15)STC15W4K单片机发送脉冲串给第二伺服驱动器，第二伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令，控制垂直方向伺服电机反转，从而带动机头向上移动。
优选地，步骤(2)中，线阵CCD模块本身具有的像素点个数N为128，步骤(4)中，n为128。
本发明的有益效果是：
(1)控制过程无滞后，对中准确度高，定位误差很小；
(2)上下左右调整机头移动时，机头的位移量精度高，移动过程稳定可靠；
(3)能够快速地纠偏，使机头快速对中焊缝；
(4)焊炬在焊接过程中始终跟踪焊缝，大幅提高了焊接质量。
本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。
附图说明
图1是联动机构的主视图；
图2是联动机构的俯视图；
图3是图1中A-A方向剖视后的侧视图；
图4是机架的主视图；
图5是机架的俯视图；
图6是机架的左视图；
图7是图5中B方向的视图；
图8是左头的主视图；
图9是左头的左视图；
图10是右端的主视图；
图11是右端的俯视图；
图12是右端的左视图；
图13是电机支架主视图；
图14是电机支架的俯视图；
图15是电机支架的右视图；
图16是工作台的主视图；
图17是工作台的俯视图；
图18是工作台的左视图；
图19是基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置的原理图；
图20是主控制器的电路原理图；
图21是伺服驱动器的电路原理图；
图22是基于线阵CCD的焊缝自动跟踪方法的流程图；
图23是主控制器中程序流程图；
图24是基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置的使用状态图；
图25是图24所示结构的俯视图；
图26是图24所示结构的左视图；
图27是焊缝自动跟踪装置的联动机构能够进行上下移动的结构示意图；
图28是图27中B-B方向的剖视图；
图29是图27所示结构的俯视图；
图30是超声波距离传感器与机头之间的垂直距离以及超声波距离传感器与工件的焊缝之间的垂直距离的示意图；
图31是控制机头上下移动的流程图。
图中符号说明：
1.机架，101.支撑梁，102.底座，103.上安装梁；104.下安装梁，105.左头安装板，106.丝杠支撑座安装板；2.左头，3.机头安装架，310.工作台连接板，311.安装孔，320.机头连接板，330.安装板；4.电机支架，401.第一连接板，402.第二连接板，403.电机安装板；5.工作台，501.右端安装孔，502.上安装孔，503.下安装孔，504.螺母座；505.矩形槽；6.上导轨组件，601.第一滑块，602.第二滑块；7.下导轨组件，701.第三滑块；8.丝杠副，9.伺服电机，10.联轴器；20.线阵CCD模块，30.主控制器，40.伺服驱动器，50.机头，60.行走机构，70.焊丝盘，80.焊剂盒，81.出料口，90.工件，100.控制箱；11.垂直方向伺服电机，11-1.垂直方向伺服电机安装座，12.垂直方向丝杠副，13.左导轨组件，14.右导轨组件，1401.第四滑块；15.超声波距离传感器。
具体实施方式
以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1-3所示，联动机构包括机架1、左头2、机头安装架3、电机支架4、工作台5、上导轨组件6、下导轨组件7、丝杠副8、伺服电机9、联轴器10，电机支架4与机架1连接，伺服电机9与电机支架4连接；上导轨组件6、下导轨组件7分别与机架1连接；丝杠副8的左端通过联轴器10与伺服电机9的输出轴连接，丝杠副8的右端通过丝杠支撑座与机架1的右端连接；工作台5的内侧面与丝杠副8上的螺母连接，上导轨组件6、下导轨组件7上的滑块分别与工作台5的内侧面连接；机头安装架3与工作台5的外侧面连接；左头2与机架1的左端连接。
如图4-7所示，机架1包括支撑梁101、底座102、上安装梁103、下安装梁104、左头安装板105和丝杠支撑座安装板106，底座102与支撑梁101的下端连接，下安装梁104与支撑梁101的上端连接，上安装梁103和下安装梁104并排平行设置，左头安装板105与下安装梁104的左端垂直连接，丝杠支撑座安装板106与下安装梁104的右端垂直连接；上安装梁103的左端与左头安装板105垂直连接，上安装梁103的右端与丝杠支撑座安装板106垂直连接。上安装梁103的左部设有两个电机支架安装孔，右部设有四个上导轨组件安装孔。下安装梁104的左部设有两个电机支架安装孔，右部设有四个下导轨组件安装孔。
上导轨组件6安装在上安装梁103上，下导轨组件7安装在下安装梁104上。上导轨组件6上设有第一滑块601和第二滑块602，下导轨组件7设有第三滑块701和第四滑块。
丝杠支撑座安装板106上连接有丝杠支撑座。
如图13-15所示，电机支架4包括第一连接板401、第二连接板402、电机安装板403，第一连接板401与电机安装板403垂直连接，第二连接板402与电机安装板403垂直连接。第一连接板401和第二连接板402并排设置。第一连接板401上设有两个安装孔，第二连接板402上设有两个安装孔。电机安装板403设有圆孔，圆孔的四周设有四个安装孔。
第一连接板401上的两个安装孔与上安装梁103左部的两个电机支架安装孔匹配，用螺钉连接。第二连接板402上的两个安装孔与下安装梁104左部的两个电机支架安装孔匹配，用螺钉连接。伺服电机9的前端盖上的安装孔与电机安装板403上的四个安装孔用螺钉连接，伺服电机9的输出轴穿过电机安装板403上的圆孔。
丝杠副8上设有螺母，丝杠副8的右端与丝杠支撑座安装板106上的丝杠支撑座连接。丝杠副8的左端通过联轴器10与伺服电机9的输出轴连接。丝杠副8与上导轨组件6、下导轨组件7平行设置。
如图16-18所示，工作台5的右下角设有四个右端安装孔501，工作台5的上部设有八个上安装孔502，工作台5的下部设有八个下安装孔503，工作台5的左部内侧中间位置垂直连接有螺母座504；工作台5的右部内侧面设有矩形槽505。
工作台5上部左侧的四个安装孔502与第一滑块601上的安装孔匹配，通过螺钉连接。工作台5上部右侧的四个安装孔502与第二滑块602上的安装孔匹配，通过螺钉连接。工作台5下部左侧的四个安装孔503与第三滑块701上的安装孔匹配，通过螺钉连接。工作台5下部右侧的四个安装孔503与第四滑块上的安装孔匹配，通过螺钉连接。
螺母座504与丝杠副8上的螺母连接。
如图10-12所示，机头安装架3包括工作台连接板310和机头连接板320，机头连接板320与工作台连接板310垂直连接，工作台连接板310上设有四个安装孔311。机头连接板320上连接有安装板330。
工作台连接板310上的四个安装孔311与工作台5上的四个右端安装孔501匹配，通过螺钉连接。
如图8-9所示，左头2包括圆筒部201和连接板202，圆筒部201与连接板202连接。连接板202上设有四个安装孔，该四个安装孔与左头安装板105上的四个安装孔匹配，用螺钉连接。圆筒部201内可安装伺服驱动器和主控制器以及相应线路。
机头安装在机头安装架3的机头连接板320上，伺服电机9驱动丝杠副8转动，从而带动工作台5和机头安装架3移动，机头安装架3带动机头移动，这样，联动机构调整机头移动时，机头的位移量精度高，机头移动过程稳定可靠。
如图19所示，基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置包括线阵CCD模块20、主控制器30、伺服驱动器40、机头50以及前述的联动机构，以及焊剂盒和各模块的供电设备。线阵CCD模块20作为图像采集装置用于采集焊缝的图像；主控制器30一方面控制线阵CCD模块20工作，另一方面对线阵CCD模块20发送的图像信号进行计算处理算出机头与焊缝的实际偏移量，从而发送驱动信号给伺服驱动器40，伺服驱动器40再向伺服电机9发出脉冲驱动信号，使伺服电机9动作带动机头50移动对准焊缝中心。
如图20所示，主控制器30采用STC15W4K单片机，该单片机以工作电压宽、运行速度快、可靠性高、功耗低见长；时钟源可以选择外部晶体或内部集成高精度R_C时钟；内置复位电路；具有8路高速10位精度AD转换端口。
STC15W4K单片机工作时的工作电压为5V，采用内部R_C时钟，时钟设置为22.1184MHz；10bitADC精度；Flash使用40KB。
线阵CCD模块20包括图像采集卡和CCD摄像头，CCD摄像头与图像采集卡连接，图像采集卡上设有接口。线阵CCD模块20可采用芜湖蓝宙电子科技有限公司生产的基于CCD传感器TSL1401CL模块，其为一维图像采集产品。TSL1401CL模块由一个128×1的光电二极管阵列、相关的电荷放大器电路，一个内部的像素数据保持单元以及接口电路组成，它提供了同时集成起始和停止时间的所有像素。接口电路设有串行输入端SI和时钟端CLK，以及模拟视频信号输出端AO。SI连接至STC15W4K单片机的第17引脚，CLK连接至STC15W4K单片机的第19引脚，模拟视频信号输出端AO端连接至STC15W4K单片机的第9引脚(ADC接口)。STC15W4K单片机通过SI、CLK对TSL1401CL模块进行控制。
如图21所示，伺服驱动器40采用欧瑞传动电气股份有限公司生产的SD20-G751T2M1F0D7B3N型号产品，伺服电机9采用SMSA-401S32BDM1型号产品。SD20-G751T2M1F0D7B3N型号伺服驱动器的L1、L3端口与接触器KM1连接，QF断路器与接触器KM1连接，交流单相220V电源接入QF断路器，手动电源开关与接触器KM1连接。SD20-G751T2M1F0D7B3N型号伺服驱动器的三相交流输出端U、V、W与伺服电机连接。STC15W4K单片机的第1引脚与SD20-G751T2M1F0D7B3N型号伺服驱动器的
Figure BDA0001486958240000121
端口(第15端口)连接，STC15W4K单片机的第2引脚与SD20-G751T2M1F0D7B3N型号伺服驱动器的
Figure BDA0001486958240000122
端口(第27端口)连接。SD20-G751T2M1F0D7B3N型号伺服驱动器的使能
Figure BDA0001486958240000123
端口与光耦U1的集电极连接，光耦U1的发射极接地，光耦U1的阳极通过电阻R1接电源VCC，光耦U1的阴极与STC15W4K单片机的第5引脚连接。
STC15W4K单片机采用位置脉冲模式控制伺服驱动器，使用
Figure BDA0001486958240000124
Figure BDA0001486958240000125
信号线发送位置脉冲控制伺服电机转动，(正转或反转)；使用外接的
Figure BDA0001486958240000126
和
Figure BDA0001486958240000127
按钮实现紧急停止和报警复位功能；使用安装于机械轨道的F-INH和R-INH限位开关实现焊接头机械部分前进和后退中的限制机械位置；使用FORWARD和BACK按键实现手动调整焊接头机械装置前进和后退动作。
给STC15W4K单片机、线阵CCD模块及伺服驱动器的外围电路供电的电源模块采用LM2596系列开关电源芯片，DC15V(3A)输入，输出VCC(5V)、PWR(+5V)和12V三路。
如图24-26所示，将联动机构的底座102固定安装在行走机构60上，机头50安装在机头安装架3上，焊剂盒80安装在机头安装架3上，焊剂盒80的出料口81位于机头50的末端处。线阵CCD模块20安装在焊剂盒80上，线阵CCD模块20位于机头50的前方位置(参考图25和26，箭头表示行走机构60的行进方向，线阵CCD模块20的镜头位于机头50的前方)。焊丝盘70安装在联动机构的支撑梁101上，焊丝盘70上的焊丝引到机头50上；控制箱100设置在联动机构旁边，主控制器30、伺服驱动器40放置在控制箱100中。
待焊接的工件90位于机头50的下方。线阵CCD模块20上镜头检测的扫描线与工件90的焊缝方向垂直。
机头50与线阵CCD模块20对齐，机头50的位置对应于线阵CCD模块20的中心。
基于线阵CCD的焊缝自动跟踪方法包括以下步骤：
步骤1，系统初始化。
步骤2，通过联动机构调整机头50至机械原点，使机头50与工件90的焊缝对中，这样机头50、线阵CCD传感器TSL1401CL模块和工件90的焊缝三者同时对中，线阵CCD传感器TSL1401CL模块上的镜头检测的扫描线与工件90的焊缝方向垂直；线阵CCD传感器TSL1401CL模块本身具有128个像素点，定义第64像素点为线阵CCD传感器TSL1401CL模块的中心。
步骤3，启动行走机构60按照图25中的箭头方向行进对工件90进行焊接作业。
步骤4，安装于机头50前方的线阵CCD传感器TSL1401CL模块连续检测包含焊缝的单行图像信息，输出每行128个像素点的模拟电信号，送至STC15W4K单片机的ADC端口。
步骤5，STC15W4K单片机的ADC模块把焊缝模拟电信号转换为128个像素点的数字信号。
步骤6，STC15W4K单片机设定线阵CCD传感器TSL1401CL模块中心的像素点的序号64为中心基准阈值。STC15W4K单片机将每个像素数据与前后相邻像素数据相加后求平均值，再对计算出的128个平均值从大到小排列，取最小值，这个最小值对应的像素就是焊缝中心点，相应的序号就为Nmid。平均值的计算公式是：X1＝(n1+n2)/2，X2＝(n1+n2+n3)/3，X3＝(n2+n3+n4)/3，以此类推，X127＝(n126+n127+n128)/3，X128＝(n127+n128)/2，n1,n2,…,n127,n128表示第1个像素数据，第2个像素数据，……，第127个像素数据，第128个像素数据。
如果机头行走中偏离焊缝，焊缝中心像素点的序号将不与线阵CCD传感器TSL1401CL模块的中心第64像素点序号一致。因此，可以计算两个序号的差值作为焊缝偏移值，再根据焊缝偏移值计算出控制量，具体过程是：判断Nmid是否大于阈值64，如果是，则通过公式(Nmid-64)*a/b计算输出给伺服驱动器的脉冲个数，进入步骤7；否则通过公式(64-Nmid)*a/b计算输出给伺服驱动器的脉冲个数，跳转到步骤8。脉冲个数计算公式中a/b表示伺服驱动器电子齿轮比。
脉冲的数量决定伺服电机转动后，机头左右移动的距离。
步骤7，STC15W4K单片机的第2引脚输出高电平，STC15W4K单片机的第1引脚发送脉冲串给伺服驱动器，伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令，控制伺服电机正转，从而带动机头向右位移与焊缝对中；
步骤8，STC15W4K单片机的第2引脚输出低电平，STC15W4K单片机的第1引脚发送脉冲串给伺服驱动器，伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令，控制伺服电机反转，从而带动机头向左位移与焊缝对中。
这样，机头50产生的焊炬在焊接过程中始终跟踪焊缝，保证焊接的质量。该控制过程中，机头的位移量精度高，对中准确度高。
前述步骤2中，机械原点是第64像素点只是举例，需要说明的是，线阵CCD模块本身的像素是N的话，中心基准阈值就是N/2。
同理，前述例子中的机械原点可以是第65像素点，中心基准阈值是65，那么，可以得出，如果线阵CCD模块本身的像素是M的话，中心基准阈值就是M/2+1。
实施例2
为了能够使机头50在垂直方向上调整位置，在前述实施例1的基础上进行进一步改进，使机架1上的上安装梁103、下安装梁104、左头安装板105和丝杠支撑座安装板106组成的矩形框架与支撑梁101滑动连接。具体结构如图27-29所示，通过垂直方向伺服电机11、垂直方向丝杠副12、左导轨组件13和右导轨组件14来实现。
垂直方向伺服电机11通过垂直方向伺服电机安装座11-1与支撑梁101固定连接，垂直方向丝杠副12的上端与垂直方向伺服电机11的输出轴连接，垂直方向丝杠副12的下端通过丝杠支撑座与底座102连接，左导轨组件13和右导轨组件14分别连接于垂直方向伺服电机安装座11-1和底座102之间，左导轨组件13上设有第三滑块，右导轨组件14上设有第四滑块1401。上安装梁103、下安装梁104、左头安装板105和丝杠支撑座安装板106组成的矩形框架的内侧与垂直方向丝杠副12上的螺母连接，第三滑块以及第四滑块1401与该矩形框架的内侧连接。垂直方向伺服电机11的输入端与相应的第二伺服驱动器的输出端连接。
因此，当垂直方向伺服电机11驱动上安装梁103、下安装梁104、左头安装板105和丝杠支撑座安装板106组成的矩形框架上下移动时，工作台5随之上下移动，从而带动机头50上下移动。超声波距离传感器15安装在焊剂盒80上，正对着工件90的焊缝。按照行走机构的行进方向，超声波距离传感器15位于机头的前方。超声波距离传感器15的信号输出端与STC15W4K单片机连接。
基于使机头50可上下移动的结构，控制机头50沿垂直方向上下移动的过程是：
步骤(1)，超声波距离传感器15实时检测工件90的焊缝与超声波距离传感器15之间的距离H。
步骤(2)，STC15W4K单片机接收超声波距离传感器发送的距离数据H。
步骤(3)，STC15W4K单片机定义机头50至超声波距离传感器15的距离为L，STC15W4K单片机计算机头50到工件90的焊缝的距离h，h＝H-L。
步骤(4)，STC15W4K单片机设定机头50到工件90的焊缝的基准距离阈值为Q。
步骤(5)，STC15W4K单片机判断h是否大于Q，如果是，则通过公式(h-Q)*e/f计算输出给第二伺服驱动器的脉冲个数，进入步骤(6)；否则通过公式(Q-h)*e/f计算输出给第二伺服驱动器的脉冲个数，跳转到步骤(7)。脉冲个数计算公式中e/f表示第二伺服驱动器电子齿轮比。
脉冲的数量决定第二伺服电机转动后，机头上下移动的距离。
步骤(6)，STC15W4K单片机发送脉冲串给第二伺服驱动器，第二伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令，控制垂直方向伺服电机11正转，从而带动机头50向下位移；
步骤(7)，STC15W4K单片机发送脉冲串给第二伺服驱动器，第二伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令，控制垂直方向伺服电机11反转，从而带动机头50向上移动。
以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。

Claims (4)

1.一种应用基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置的焊缝自动跟踪方法，其特征在于，所述基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置包括线阵CCD模块、主控制器、伺服驱动器、联动机构、行走机构、焊剂盒和机头；
所述联动机构包括机架、电机支架、工作台、机头安装架、上导轨组件、下导轨组件、丝杠副、伺服电机和联轴器，所述电机支架与机架连接，所述伺服电机与电机支架连接；所述机架包括支撑梁、底座、上安装梁、下安装梁、左头安装板和丝杠支撑座安装板，所述下安装梁与支撑梁的上端连接，所述上安装梁和下安装梁平行设置，所述左头安装板与下安装梁的左端垂直连接，所述丝杠支撑座安装板与下安装梁的右端垂直连接；所述上安装梁的左端与左头安装板垂直连接，所述上安装梁的右端与丝杠支撑座安装板垂直连接；
所述上导轨组件与上安装梁连接，下导轨组件与下安装梁连接；所述上导轨组件和下导轨组件分别设有滑块；
所述丝杠支撑座安装板上连接有丝杠支撑座，所述丝杠副的左端通过联轴器与伺服电机的输出轴连接，所述丝杠副的右端与丝杠支撑座连接；
所述工作台的内侧面垂直连接有螺母座，所述丝杠副上的螺母与螺母座连接，所述上导轨组件和下导轨组件上的滑块分别与工作台的内侧面连接；所述机头安装架与工作台的外侧面连接；
所述底座固定连接在行走机构上；所述机头连接于机头安装架上，焊剂盒连接于机头安装架上，所述线阵CCD模块连接于焊剂盒上；
所述线阵CCD模块与主控制器电连接，所述主控制器的输出端与伺服驱动器的输入端连接，伺服驱动器的输出端与伺服电机连接；
所述主控制器为STC15W4K单片机，STC15W4K单片机与伺服驱动器之间设有光耦，STC15W4K单片机的第1引脚与伺服驱动器的
Figure FDA0004064976470000011
端口连接，STC15W4K单片机的第2引脚与伺服驱动器的
Figure FDA0004064976470000012
端口连接，伺服驱动器的使能端口与光耦的集电极连接，光耦的发射极接地，光耦的阳极通过电阻接电源VCC，光耦的阴极与STC15W4K单片机的第5引脚连接；STC15W4K单片机采用位置脉冲模式控制伺服驱动器；
按照行走机构的行进方向，线阵CCD模块上的镜头位于机头的前方，机头与线阵CCD模块对齐，机头的位置对应于线阵CCD模块的中心；
所述焊缝自动跟踪方法包括以下步骤：
(1)系统初始化；
(2)通过联动机构调整机头至机械原点，使机头与待焊接工件的焊缝对中，线阵CCD模块上的镜头检测的扫描线与焊缝方向垂直；线阵CCD模块本身具有N个像素点，定义第N/2像素点为线阵CCD模块的中心；
(3)启动行走机构对工件进行焊接作业；
(4)安装于机头前方的线阵CCD模块连续检测焊缝的单行图像信息，输出每行n个像素点的模拟电信号，送至STC15W4K单片机的ADC端口；
(5)STC15W4K单片机的ADC模块把焊缝模拟电信号转换为n个像素点的数字信号；
(6)STC15W4K单片机设定线阵CCD模块中心的像素点的序号N/2为中心基准阈值；STC15W4K单片机将每个像素数据与前后相邻像素数据相加后求平均值，再对计算出的n个平均值从大到小排列，取最小值，这个最小值对应的像素就是焊缝中心点，相应的序号为Nmid；
判断Nmid是否大于中心基准阈值N/2，如果是，则通过公式(Nmid-N/2)*a/b计算输出给伺服驱动器的脉冲个数，进入步骤(7)；否则通过公式(N/2-Nmid)*a/b计算输出给伺服驱动器的脉冲个数，进入步骤(8)；脉冲个数计算公式中a/b表示伺服驱动器电子齿轮比；
(7)STC15W4K单片机发送脉冲串给伺服驱动器，伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令控制伺服电机正转，从而带动机头向右位移与焊缝对中；
(8)STC15W4K单片机发送脉冲串给伺服驱动器，伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令控制伺服电机反转，从而带动机头向左位移与焊缝对中。
2.根据权利要求1所述的焊缝自动跟踪方法，其特征在于，所述步骤(2)中，线阵CCD模块本身具有的像素点个数N为128，所述步骤(4)中，n为128。
3.一种应用基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置的焊缝自动跟踪方法，其特征在于，基于线阵CCD的焊缝自动跟踪装置包括线阵CCD模块、超声波距离传感器、主控制器、伺服驱动器、联动机构、行走机构、焊剂盒、第二伺服驱动器和机头；
所述联动机构包括机架、电机支架、工作台、机头安装架、上导轨组件、下导轨组件、水平方向丝杠副、水平方向伺服电机、联轴器、垂直方向伺服电机、垂直方向丝杠副、左导轨组件和右导轨组件，所述电机支架与机架连接，所述水平方向伺服电机与电机支架连接；所述机架包括支撑梁、底座、上安装梁、下安装梁、左头安装板和丝杠支撑座安装板，所述上安装梁、下安装梁、左头安装板和丝杠支撑座安装板连接在一起形成矩形框架，垂直方向伺服电机通过垂直方向伺服电机安装座与支撑梁固定连接；垂直方向丝杠副的上端与垂直方向伺服电机的输出轴连接，下端通过丝杠支撑座与底座连接，左导轨组件和右导轨组件分别连接于垂直方向伺服电机安装座和底座之间，左导轨组件上设有第三滑块，右导轨组件上设有第四滑块；上安装梁、下安装梁、左头安装板和丝杠支撑座安装板组成的矩形框架的内侧与垂直方向丝杠副上的螺母连接，第三滑块以及第四滑块与该矩形框架的内侧连接；
所述上导轨组件与上安装梁连接，下导轨组件与下安装梁连接；所述上导轨组件和下导轨组件分别设有滑块；
所述丝杠支撑座安装板上连接有丝杠支撑座，所述水平方向丝杠副的左端通过联轴器与水平方向伺服电机的输出轴连接，所述水平方向丝杠副的右端与丝杠支撑座安装板上的丝杠支撑座连接；
所述工作台的内侧面垂直连接有螺母座，所述水平方向丝杠副上的螺母与螺母座连接，所述上导轨组件和下导轨组件上的滑块分别与工作台的内侧面连接；所述机头安装架与工作台的外侧面连接；
所述底座固定连接在行走机构上；所述机头连接于机头安装架上，焊剂盒连接于机头安装架上，所述线阵CCD模块和超声波距离传感器分别连接于焊剂盒上；
所述线阵CCD模块、超声波距离传感器分别与主控制器电连接，所述主控制器的输出端与两个伺服驱动器的输入端连接，水平方向伺服电机与伺服驱动器的输出端连接，垂直方向伺服电机与第二伺服驱动器的输出端连接；
所述主控制器为STC15W4K单片机，STC15W4K单片机与伺服驱动器之间设有光耦，STC15W4K单片机的第1引脚与伺服驱动器的
Figure FDA0004064976470000041
端口连接，STC15W4K单片机的第2引脚与伺服驱动器的
Figure FDA0004064976470000042
端口连接，伺服驱动器的使能端口与光耦的集电极连接，光耦的发射极接地，光耦的阳极通过电阻接电源VCC，光耦的阴极与STC15W4K单片机的第5引脚连接；STC15W4K单片机采用位置脉冲模式控制伺服驱动器；
按照行走机构的行进方向，线阵CCD模块上的镜头位于机头的前方，机头与线阵CCD模块对齐，机头的位置对应于线阵CCD模块的中心；
按照行走机构的行进方向，超声波距离传感器位于机头的前方；
所述焊缝自动跟踪方法包括以下步骤：
(1)系统初始化；
(2)通过联动机构调整机头至机械原点，使机头与待焊接工件的焊缝对中，线阵CCD模块上的镜头检测的扫描线与焊缝方向垂直；线阵CCD模块本身具有N个像素点，定义第N/2像素点为线阵CCD模块的中心；
(3)启动行走机构对工件进行焊接作业；
(4)安装于机头前方的线阵CCD模块连续检测焊缝的单行图像信息，输出每行n个像素点的模拟电信号，送至STC15W4K单片机的ADC端口；
(5)STC15W4K单片机的ADC模块把焊缝模拟电信号转换为n个像素点的数字信号；
(6)STC15W4K单片机设定线阵CCD模块中心的像素点的序号N/2为中心基准阈值；STC15W4K单片机将每个像素数据与前后相邻像素数据相加后求平均值，再对计算出的n个平均值从大到小排列，取最小值，这个最小值对应的像素就是焊缝中心点，相应的序号为Nmid；
判断Nmid是否大于中心基准阈值N/2，如果是，则通过公式(Nmid-N/2)*a/b计算输出给伺服驱动器的脉冲个数，进入步骤(7)；否则通过公式(N/2-Nmid)*a/b计算输出给伺服驱动器的脉冲个数，进入步骤(8)；脉冲个数计算公式中a/b表示伺服驱动器电子齿轮比；
(7)STC15W4K单片机发送脉冲串给伺服驱动器，伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令控制伺服电机正转，从而带动机头向右位移与焊缝对中；
(8)STC15W4K单片机发送脉冲串给伺服驱动器，伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令控制伺服电机反转，从而带动机头向左位移与焊缝对中；
(9)超声波距离传感器实时检测工件的焊缝与超声波距离传感器之间的距离H；
(10)STC15W4K单片机接收超声波距离传感器发送的距离数据H；
(11)STC15W4K单片机定义机头至超声波距离传感器的距离为L，STC15W4K单片机计算机头到工件的焊缝的距离h，h＝H-L；
(12)STC15W4K单片机设定机头到工件的焊缝的基准距离阈值为Q；
(13)STC15W4K单片机判断h是否大于Q，如果是，则通过公式(h-Q)*e/f计算输出给第二伺服驱动器的脉冲个数，进入步骤(14)；否则通过公式(Q-h)*e/f计算输出给第二伺服驱动器的脉冲个数，跳转到步骤(15)；
(14)STC15W4K单片机发送脉冲串给第二伺服驱动器，第二伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令，控制垂直方向伺服电机正转，从而带动机头向下位移；
(15)STC15W4K单片机发送脉冲串给第二伺服驱动器，第二伺服驱动器根据STC15W4K单片机的指令，控制垂直方向伺服电机反转，从而带动机头向上移动。
4.根据权利要求3所述的焊缝自动跟踪方法，其特征在于，所述步骤(2)中，线阵CCD模块本身具有的像素点个数N为128，所述步骤(4)中，n为128。
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