CN2460987Y - 焊缝路径轨迹线实时检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型设计的焊缝路径轨迹线实时检测装置,包括由线阵CCD芯片及其驱动电路构成的线阵CCD传感器,与该线阵CCD芯片共轴并依次设置在一镜筒内的由透镜、滤光片、光源与遮光罩组成的光学系统,以及对该线阵CCD传感器采集的信号进行处理的光电信号处理电路。本实用新型结构新颖、紧凑,易于安装,可能够识别工件表面的不同焊缝路径轨迹线,检测精度可达0.013mm/像素,具有很强的抗干扰能力。
Description
本实用新型属于非接触式光电检测装置领域，特别涉及适用于球罐多层焊接焊缝路径的实时检测装置。
焊接是球罐和输油管道制造中极为重要的环节。随着石化工业的发展，大型球罐、储罐和输油管道的建设越来越多，球罐的容积也越来越大，输油管道的里程也越来越长。工程建设急需实现大型球罐、储罐和输油管道焊接的自动化。对于大型球罐、储罐和输油管道焊接而言，特别是大型球罐全位置多层焊接，焊缝自动跟踪是其主要问题，而焊缝自动跟踪的关键技术之一是实现对焊缝路径的实时检测。
目前国内外对焊缝路径进行实时检测的方法主要有机械接触检测法、电磁检测法、焊接电弧检测法、图像检测法和结构光检测法等。
机械接触检测法是利用导前焊炬的机械机构(如滑轮等)，直接与被焊工件的焊缝相接触，引导焊炬沿焊道中心线行走，从而实现焊缝的跟踪。电磁检测法是利用差动式电磁铁机构中导磁回路不同而磁阻不同的原理检测焊炬的对中程度的。以上两种焊缝路径检测方法可方便快捷的检测未焊焊缝路径，但对于球罐多层焊接，由于已焊焊缝破坏了焊缝的原始形貌，上述两种检测方法较难检测到已焊焊缝的路径。
焊接电弧检测法是直接提取焊接电弧的电参数(如焊接电弧电压、电流等)信号来判别焊炬的对中程度的。其本质是根据焊炬与工件表面的距离变化引起焊接电弧电参数的变化规律，提取焊炬与焊缝的偏差信号。焊接电弧检测法可实现多层焊接时打底焊和中间层焊缝的路径检测，而对于盖面焊则无能为力。
结构光检测法是由光电元件(如光电头、光敏三极管等)组成的传感器，依靠辅助结构光投射在焊缝上，然后由接收器件采集反射光信号进行检测。光束照射焊缝坡口位置不同，其反射光在接收器件的光响应位置也随之变化，由此可获得待焊焊缝坡口的形状和尺寸信息。此种检测方法需要附加特殊的结构光源，同时对传感器和光源的装配提出了较为苛刻的要求。
图像检测法一般是利用摄像机得到待焊焊道的图像，在利用图像处理的方法提取焊缝、电弧及焊炬的相对位置信息，实现对焊缝的跟踪。但焊接的工作环境对视觉传感器而言是非常恶劣的，烁亮的弧光干扰、焊接时的飞溅、工件加工的状态不一、工件表面存在的各种油锈等随机干扰以及多层焊中已焊焊缝的不规则表面都为位置信息的提取带来困难。
本实用新型的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种对焊缝路径进行非接触式光电检测的装置，可进行球罐多层焊接中焊缝路径的实时检测，且结构简单、实现容易，检测精度高；可广泛应用于造船、石油化工等领域大型金属构件的焊接、切割等加工过程的路径轨迹线实时跟踪。尤其适用于焊接等恶劣工况条件下的现场应用。
本实用新型设计的焊缝路径轨迹线实时检测装置，其特征在于，包括由线阵CCD芯片及其驱动电路构成的线阵CCD传感器，与该线阵CCD芯片共轴并依次设置在一镜筒内的由透镜、滤光片、光源与遮光罩组成的光学系统，以及对该线阵CCD传感器采集的信号进行处理的光电信号处理电路。
本实用新型所说的光电信号处理电路包括将CCD传感器的输出信号转化为二值化信号的二值化电路模块；将该二值化信号捕获得到CCD帧同步信号的帧同步信号捕获电路模块；将该二值化信号捕获得到表征焊缝路径的轨迹线左、右边缘信号的焊缝轨迹线边缘捕获电路模块；通过所说的CCD帧同步信号和左、右边缘信号获取左右边缘量的焊缝轨迹线左、右边缘计量电路，对该左右边缘量进行锁存的锁存器电路，对该锁存的左右边缘量进行数模转换的D/A转换器；对D/A转换后的信号计算出轨迹线中心位置偏差，并以模拟量的形式输出的轨迹线中心位置运算电路模块；以及直接对该锁存的左右边缘量计算出轨迹线中心位置偏差，以数字量的形式输出的轨迹线中心位置运算电路。
本实用新型具有以下性能和优点：
1、本检测装置由自带光源的线阵CCD传感器和实用可靠的光电信号处理系统组成，结构新颖、紧凑，易于安装。
2、本检测装置能够识别工件表面的不同焊缝路径轨迹线，能够实时检测出焊缝路径轨迹线相对于线阵CCD传感器中心的偏差量，并可以根据焊缝跟踪控制器的要求以模拟信号或数字信号输出，检测精度可达0.013mm/像素。
3、本装置具有很强的抗干扰能力，可在一定范围内自动适应由于照明条件发生变化所产生的干扰，可排除球罐焊接时电弧光和电磁场的干扰，能够可靠地检测其偏离表征焊缝路径的轨迹线中心偏差量，尤其适用于焊接等恶劣工况条件下的现场应用。
4、本检测装置可广泛应用于造船、石油化工等领域大型金属构件的焊接、切割等加工过程的路径轨迹线实时跟踪。
附图简要说明：
图1为本实用新型焊缝路径轨迹线实时光电检测装置结构示意图。
图2为本实用新型在球罐焊接多层焊缝跟踪系统中的实施例简图。
图3为本实用新型焊缝路径轨迹线检测装置检测原理示意图。
图3a为焊接机器人向右偏离焊缝路径轨迹线中心时CCD的二值化输出；
图3b为焊接机器人和焊缝路径轨迹线中心对中时CCD的二值化输出；
图3c为焊接机器人向左偏离焊缝路径轨迹线中心时CCD的二值化输出。
图4为本实用新型光电信号处理单元原理框图。
图5为本实用新型光电信号处理单元工作时序图。
图6为本实用新型光电信号处理电路图。
本实用新型设计的一种焊缝路径轨迹线实时检测装置实施例结合附图说明如下：
本实施例的焊缝路径轨迹线检测装置主要由线阵CCD传感器Ⅰ与光电信号处理单元Ⅱ两部分组成，如图1所示。线阵CCD传感器Ⅰ包括：线阵CCD芯片12、线阵CCD驱动电路11，以及由透镜14、光源16、滤光片15、镜筒13与遮光罩17组成的光学系统。光电信号处理单元Ⅱ由信号处理电路18组成。
图2为本实用新型在球罐焊接多层焊缝跟踪系统中的实施例简图。通常球罐表面涂有均匀一致的红色防锈漆，本实施例利用待焊工件21(球罐)表面的一条和焊缝中心线22平行的黑色轨迹线23，在工程应用中采用此轨迹线的中心来间接表征焊缝路径中心。将本实施例焊缝路径轨迹线检测装置固定于球罐焊接机器人上，由于机器人中心和本检测装置传感器中心位置相对固定，所以传感器中心位置相对于表征焊缝路径的轨迹线中心偏差即为焊接机器人偏离焊缝路径中心的偏差量。因此，当光线24照射在球罐表面21和轨迹线23时，轨迹线23和球罐表面21所成像包含了轨迹线23与CCD传感器的偏差，检测CCD传感器与轨迹线的偏差即为焊缝路径中心和焊缝路径轨迹线检测装置的偏差。
本实用新型的焊缝路径偏差检测工作原理说明如下：
在光源16的照射下，表征焊缝路径中心的轨迹线通过滤光片15和透镜14在线阵CCD芯片12表面成像，成像电荷与CCD芯片表面感光强度成正比。由于黑色轨迹线反射光强较红色球罐表面弱，所以轨迹线在CCD芯片表面成像处的像元信号电压较球罐表面的弱。像元信号经过信号处理电路18的二值化模块处理后得到如图3中二值化信号，其中高电平代表红色球罐表面处，低电平代表黑色轨迹线处。低电平形成的负脉冲中心代表轨迹线中心，整个一帧信号的中心代表CCD的中心位置。二值化信号低电平的宽度正比于轨迹线的实际宽度。信号处理电路18将此二值化信号进行信号处理、计算及D/A转换，可以获得一个正比于轨迹线和CCD中心偏差的模拟量信号电压输出，也可以获得一个正比于轨迹线和CCD中心偏差的数字量信号输出。由于轨迹线中心即代表焊缝路径中心位置，所以焊缝路径轨迹线检测装置的输出即为此检测装置偏离焊缝路径中心位置的偏差量。图3(a)为焊接机器人向右偏离焊缝路径中心时CCD的二值化输出信号，此信号经信号处理电路18作用，输出表征偏差的模拟量us和数字量ud与CCD中心和焊缝轨迹线中心的偏差量Δx之间满足如下关系式：
us=2.5-ksΔx (1)
ud=1080-kdΔx (2)其中ks、kd为通过实验标定的比例系数。图3(b)为焊接机器人和焊缝路径中心对中时CCD的二值化输出信号，此时，CCD中心和焊缝轨迹线中心的偏差量Δx为0，表征偏差的模拟量us为2.5V，数字量ud为1080。图3(c)为焊接机器人向左偏离焊缝路径中心时CCD的二值化输出信号，此信号经信号处理电路18作用，输出表征偏差的模拟量us和数字量ud与CCD中心和焊缝轨迹线中心的偏差量Δx之间满足如下关系式：
us=2.5+ksΔx (3)
us=1080+kdΔx (4)其中us、ud为通过实验标定的比例系数。
根据焊缝路径检测装置输出的us或ud，焊接机器人可判断自身偏离焊缝路径中心的大小和方向，由此进行机器人自身位置的调整，从而实现焊接机器人在球罐焊接时的焊缝路径跟踪。
本实施例的线阵CCD芯片、光学系统、光电信号处理单元的具体电路详细说明如下：
1．线阵CCD芯片
线阵CCD芯片的型号为东芝公司TCD1206，有效像元数为2160，像元信号频率1.152MHz，帧同步信号频率500Hz，光敏面有效长度28mm。
2．光学系统
光学系统包括透镜、滤光片、光源。
透镜采用135相机标准镜头，镜头最大相对孔径F1.4，焦距50mm，镜头结构类型七片六组，视场角50，外圆径Φ51。
滤光片根据球罐表面防锈漆的颜色而定，本装置中选用红片，连接尺寸为M49×0.75。
光源采用对称放置的两个普通9V/2W小灯泡。
3．光电信号处理单元
图4所示为本实施例的光电信号处理单元原理框图，光电信号处理单元由二值化电路模块、帧同步电路捕获模块、焊缝路径信号捕获电路模块、轨迹线左、右边缘计量电路模块、锁存电路模块、焊缝路径中心线偏差模拟量运算电路模块和数字量运算电路模块组成。
图5为光电信号处理系统产生的信号时序，帧同步信号为周期2ms的周期信号，高电平脉宽为1ns，高电平脉冲的出现表示了一帧信号的开始；CCD二值化信号低电平表示焊缝路径轨迹线的位置，其宽度正比与表征焊缝路径的轨迹线宽度，低电平的中心表示焊缝路径中心；轨迹线左右边缘信号中高电平代表CCD二值化信号中低电平的开始和结束，左边缘信号高电平和CCD二值化信号的下降沿同步，右边缘信号高电平和CCD二值化信号的上升沿同步。这些信号用来表征焊缝路径轨迹线的信息。
本实施例的CCD光电信号处理电路工作原理结合图4、图5说明如下：
CCD输出信号输送到二值化电路模块，转化为二值化信号，该二值化信号由帧同步信号捕获电路模块得到CCD帧同步信号，由焊缝轨迹线边缘捕获电路模块得到表征焊缝路径的轨迹线左、右边缘信号。在这些信号共同作用下，通过焊缝轨迹线左、右边缘计量电路获取左右边缘量，经锁存器电路锁存，一方面送轨迹线中心位置运算电路模块经D/A转换后，计算出轨迹线中心位置偏差，并以模拟量的形式输出；另一方面，直接送轨迹线中心位置运算电路计算出轨迹线中心位置偏差，以数字量的形式输出。
图6为图4中各电路模块的具体实现电路，详细说明如下：
电源：+5V,0.1A；+12V,0.1A；-12V,0.1A电源各一组；
输入信号：CCD输入信号，CCD像元信号，CCD帧同步信号；
输出信号：焊缝路径偏差模拟量输出、焊缝路径数字量输出。
各电路模块分别说明如下：
二值化电路模块：主要由芯片U01(LM311)、电阻RP01组成，其功能是完成CCD输入信号的二值化处理；
帧同步捕获电路模块：主要由芯片U31(CD4040)组成，其功能是完成CCD帧同步信号的捕获，确认一帧图象的开始；
焊缝路径信号捕获电路模块：主要由芯片U11(CD4528)、U12(CD4528)和电阻R11、R12以及电容C11、C12组成，其功能是捕获焊缝轨迹线的位置，确定轨迹线左右边缘位置；
轨迹线左、右边缘计量电路模块：主要由芯片U11(CD4528)、U12(CD4528)和U31(CD4040)组成，其功能是分别计量轨迹线左、右边缘偏离帧同步信号的像元数；
锁存电路模块：主要由芯片U21(74LS373)、U22(74LS373)、U23(74LS373)和U24(74LS373)组成，其功能是将轨迹线左右边缘计量值存储下来；
焊缝路径中心线偏差模拟量运算电路模块：主要由芯片U41(AD7521)、U42(AD7521)、U43(LF353)和U44(LF353)和U45(LF353)以及外围电阻R13、R14、R15、R16、R17、R18等组成，其功能是完成数字量的D/A转换和偏差量的计算；
焊缝路径中心线偏差数字量运算电路模块：主要由芯片U61(74LS283)、U62(74LS283)和U63(74LS283)组成，其功能是完成焊缝路径中心线的偏差量数字计算。
Claims (2)
1、一种焊缝路径轨迹线实时检测装置，其特征在于，包括由线阵CCD芯片及其驱动电路构成的线阵CCD传感器，与该线阵CCD芯片共轴并依次设置在一镜筒内的由透镜、滤光片、光源与遮光罩组成的光学系统，以及对该线阵CCD传感器采集的信号进行处理的光电信号处理电路。
2、如权利要求1所述的焊缝路径轨迹线实时检测装置，其特征在于，所说的光电信号处理电路包括将CCD传感器的输出信号转化为二值化信号的二值化电路模块；将该二值化信号捕获得到CCD帧同步信号的帧同步信号捕获电路模块；将该二值化信号捕获得到表征焊缝路径的轨迹线左、右边缘信号的焊缝轨迹线边缘捕获电路模块；通过所说的CCD帧同步信号和左、右边缘信号获取左右边缘量的焊缝轨迹线左、右边缘计量电路，对该左右边缘量进行锁存的锁存器电路，对该锁存的左右边缘量进行数模转换的D/A转换器；对D/A转换后的信号计算出轨迹线中心位置偏差，并以模拟量的形式输出的轨迹线中心位置运算电路模块；以及直接对该锁存的左右边缘量计算出轨迹线中心位置偏差，以数字量的形式输出的轨迹线中心位置运算电路。
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