专利名称：焊接自动跟踪系统中焊炬高度的自适应控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及焊接工艺中焊炬在水平方向和垂直方向的自动跟踪系统，尤其涉及在线阵CCD视觉跟踪系统中对焊炬高度的控制方法及装置，属于焊接工艺及设备自动化技术领域。
国内外对用于埋弧焊的自动跟踪系统进行了大量的研究，产生了几代跟踪用的传感器。第一代焊接跟踪用的传感器是触杆式传感器，其工作原理基本是机械式的。第二代焊接跟踪用的传感器是用分立元件组成的光电传感器，其信号接收屏是由分立的光敏元件构成的矩阵。而第三代焊接跟踪用的传感器对光电信号的接收使用了高度集成的电荷耦合器件(又称为CCD器件)，又分为面阵CCD(即摄象机)和线阵CCD。面阵CCD视觉跟踪系统其信息量大，通过对信号的处理，容易获得三维信息，不但可以实现焊缝的自动跟踪，而且还可以对焊接过程实现智能化控制。但是其信号处理时间较长，且设备费用较高，使系统的成本提高。而线阵CCD视觉跟踪系统虽然只有一维信息，但是对于在一个方向上的跟踪(如左右方向)则完全够用。而其价格低廉，信息处理的时间短，因此实时性强。总体来说线阵视觉跟踪系统具有较高的性能价格比。
在焊接过程中进行自动跟踪包括在两个方向上的跟踪。一是在水平方向即左右方向上的跟踪，它直接关系到焊丝是否与焊缝对中，因此对保证焊接质量有最为重要的关系。除此之外，在焊接过程中始终保持焊炬距离工件表面的高度基本不变，也与焊接质量密切相关。因为在电路参数确定的条件下，如果保持焊炬距离工件表面的高度基本不变，则焊接的电流及电压也能保持稳定，这样就能保证焊接质量。再者如果在焊接过程中不对焊炬的高度作出相应的调整，在焊接大直径的罐体时，罐体在转动的过程中其径向的跳动足以使焊炬与工件短路，因此在焊接过程中保持焊炬与工件表面的高度距离基本不变也是使焊接过程能正常进行的前提。所以在焊接过程中在两个方向上的跟踪对于保证焊接质量是同样重要的。对于应用线阵CCD的视觉跟踪系统来说，在焊接过程中对焊缝的跟踪包括两个方向，即在水平(左右)和垂直两个方向上的跟踪。线阵CCD视觉跟踪系统是用在水平方向的跟踪，而对于在垂直方向上的跟踪，则是通过一个接近开关来实现的。接近开关的作用就是将焊炬和CCD传感器稳定在一个确定的高度上。对于在水平方向的跟踪，当使用线阵CCD做接收器件时，其光路原理是采用了激光结构光从前方倾斜入射，线阵CCD在垂直方向接收散射光信号的工作方式。由于采用了这种光路结构和使用了高强度的半导体激光器作为光源，使得当工件表面较暗时(例如表面有锈的钢板)，线阵CCD上也能接收到较好的信号，可以通过计算机处理后实现对焊缝的跟踪。但是当工件表面的光洁度变化较大，例如打磨的较亮时，线阵CCD上所接收到的信号就趋于饱和，从而无法对其进行处理，无法进行跟踪。参见“胡铁军等，半导体激光器在CCD焊缝跟踪系统中的应用，电焊机，2002年3月”。
本发明的目的和任务是通过如下技术方案实现的一种焊接自动跟踪系统中焊炬高度的自适应控制装置，该装置包括对坡口图象进行信号处理的计算机，通过A/D接口电路与计算机相连的线阵CCD传感器，分别通过I/O接口电路与计算机相连的用于控制高低位置的一个接近开关、水平位置执行机构以及高低位置执行机构，其特征在于该装置还包括与所述一个接近开关安装在同一高度上的另一接近开关以及储存在所述计算机内且对两个接近开关进行选择的软件控制程序。
实施上述焊接自动跟踪系统中焊炬高度的自适应控制方法，该方法包括如下步骤(1)将线阵CCD传感器所获取的焊缝坡口图象信号，经A/D接口电路送入计算机进行图象处理，并求出左右方向偏差值和垂直方向的特征值；(2)根据所得左右方向的偏差值，计算机通过I/O接口电路驱动水平位置执行机构对焊炬进行左右方向的跟踪；(3)计算机利用储存在其内的软件控制程序，将所得到的垂直方向的特征值与其临界值进行比较判断，发出指令决定使用接近开关1或接近开关2来控制焊距高度；(4)确定接近开关后，判断当前焊距的位置是“高”还是“低”，如果是高，则驱动高低位置执行机构使焊炬下降一个单位步长；如果是低，则驱动高低位置执行机构使焊炬上升一个单位步长，从而实现焊炬高度的自适应控制。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果采用本发明，不仅其价格低廉，信息处理的时间短，而且在工件表面的光洁度发生较大变化时也能够实现左右和垂直两个方向对焊缝的自动跟踪，有效保证了焊接质量，从而使自动跟踪系统具有更强的抗干扰能力和在实际焊接生产中更具有实用性。
图2为线阵CCD接收散射光而输出的焊缝坡口图象。
图3为线阵CCD高度发生变化时，所接收的散射光来自结构光带的不同位置示意图。
图4为结构光带中的光强度分布规律图。
图5为线阵CCD视觉传感器、接近开关和焊炬通过连接板与十字滑块刚性连接结构示意图。
图6为图5的F向视图。
图7为图5的N-N剖视图。
图8为焊接自动跟踪系统原理框图。
图9为焊炬高度自适应控制软件流程框图。
图10为垂直高度调整软件流程框图。
在图1中，传感器的发射部分发出的结构光带，随着坡口处位置高度的变化，在工件表面和坡口内部将形成一条空间曲线ABCDE，该曲线在垂直方向的投影也为一个空间曲线，形状与工件上的光带对应成比例关系。当圆透镜7的焦距足够大时，该光学系统的景深也相应较长，可认为成像在一个平面(像平面)上，即认为像曲线为一平面曲线abcde。将线阵CCD放置在像平面上，使其感光部分与像曲线的直线部分ab和de重合，这样，来自工件表面的光能落在CCD上并使其感光，而坡口处的光带BC和CD所成的像bc和cd落在CCD的感光部分之外，不能使CCD对应的位置感光，由此可以提取焊缝坡口位置信息。焊缝坡口内的部分与工件表面高度差别越大的点所成的像离CCD相应的感光部分越远，CCD所能接收到的光也就越少，甚至接收不到光。
在跟踪过程中，CCD上的象素接收来自工件表面及坡口内的散射光而输出的焊缝坡口图象如图2所示。与工件表面对应的ab和de段上的象素所接收到的光强足够大，因此所对应的象素达到饱和，其对应的辉度值为最大值255。而与坡口内对应的bc和cd段上的象素所接收到的光强随各点距工件表面高度不同而变化，其中c点的辉度最低。显然如图2所示的焊缝坡口图象很容易进行处理，从而可以进行跟踪。在实际焊接过程中，与工件表面对应的ab和de段上的象素，其辉度值不一定达到饱和。但是只要图象中的U形曲线部分有一定深度，就易于进行图象处理。
在跟踪过程中，发现坡口两侧钢板表面的亮度对传感器所接收的信号有直接的影响。当控制焊炬为一定高度进行跟踪时，如果工件未经打磨表面较暗而此时CCD上所接收到的信号很好时，一旦到了打磨的很亮的工件上，收到的信号就较强而使线阵CCD上的象素几乎全部饱和，(具体体现在图2的图象中的U形曲线部分其深度很浅)从而无法进行图象处理，因而无法进行自动跟踪。分析其原因可能是当坡口两侧的钢板表面很亮时，较强的散射光使线阵CCD中间部分的象素也被感光。在这种情况下发现如果将传感器的高度提高一点，信号就会变好。分析其原因为在图3中，工件表面的激光光带，其宽度约为1mm，光带中的光强度满足以正态分布的形式向外衰减的规律，如图4中的两条曲线X1和X2所示。在光带中心约0.2mm宽的范围光强最大，向外逐渐减弱。在图4中，曲线X1与平面M1对应，曲线X2与平面M2对应。其横坐标P表示在结构光带宽度方向上的坐标值，纵坐标表示光的强度，同时纵坐标所在的位置也就是线阵CCD接收散射光的位置。
现在如果假设在图3中，工件表面M1所对应的是有锈的暗钢板，而工件表面M2所对应的是经过打磨的亮钢板。那么此时线阵CCD上所接收的光信号的情况就如图4所示。由于平面M2的散射光强大于平面M1，因此在图4中两条曲线的幅值不同。但是正如图4中所示，当工件表面为M1时，线阵CCD上所接收的光信号来自结构光带的中心，对应图4中曲线X1上的Q1点。当将传感器的高度提高一点，工件表面变为M2时，线阵CCD上所接收的光信号来自结构光带的边缘，对应图4中曲线X2上的Q2点。由于平面M1和平面M2之间的高度差，而使Q1和Q2两点重合于一点。所以在工件表面的光洁度(又称亮度)发生变化的情况下，通过改变传感器的高度，可以使线阵CCD上所接收的光信号的强度基本保持不变。
通过对以上现象的分析，在系统中设置了两个控制焊炬高度的接近开关，为了保证焊炬在垂直方向基本稳定，两个接近开关的检测距离值相差1.5～2.5mm，并将两个开关安装在同样高度。
在自动跟踪过程中，计算机通过对线阵CCD所输出的焊缝坡口图象的处理及判断，来决定选用开关1或开关2来控制焊炬的高度。对于如图2所示的焊缝坡口图象的处理及判断过程为被处理的整个图象的宽度方向(由a至d)为400个象素。从两侧各向中间方向取20个象素，将此40个象素的辉度值相加后除以40得到Y1；再从中心线分别向两侧各取20个象素，将此40个象素的辉度值相加后除以40得到Y2。在图2中，各象素的最大辉度值为255，此时象素达到饱和。即使光强再增加，辉度值也不可能再增大。因此当光强很强时，在最高点255处为一水平线。在传感器中，由于使用了高强度的半导体激光器作为光源及采用了如上所述的光路结构，当选用接近开关1来控制焊炬的高度时，即使是表面有锈的暗钢板，在线阵CCD上与坡口两侧的钢板表面对应的ab段和de段所接收到的光强也接近饱和。但是当将焊炬位置提高，改用接近开关2来控制焊炬的高度时，如果工件是表面有锈的暗钢板，则Y1值将较低。现设定Y1的临界值为230，Y2的临界值为130。
在焊接过程中传感器的高度的自动调整过程如下在焊接开始前，选定焊接的起始位置。为了避免不必要的干扰，起始位置处的坡口斜面及钢板表面都应是平滑的，没有凸起。首先选用接近开关1来控制焊炬的高度。用传感器获取焊缝坡口图象。计算机通过对图象的处理，计算出Y1和Y2的值。如果Y2小于或等于130时，确定选用接近开关1来控制焊炬的高度；如果Y2大于130时，则选用接近开关2来控制焊炬的高度，然后开始焊接。如果在开始焊接时选用了接近开关1来控制焊炬的高度，那么在焊接进行过程中，当出现有Y2大于130时，表明此时的工件表面较亮，则改用接近开关2来控制焊炬的高度。对于正常的情况，当改用接近开关2来控制焊炬的高度之后，线阵CCD所输出的焊缝坡口图象又将恢复到Y2小于或等于130的情况。但是此时并不需要再进行接近开关的切换，而是继续保持使用接近开关2来控制焊炬的高度。而当在焊接过程中又出现Y1小于230时，表明此时的工件表面较暗，计算机通过判断又将选取接近开关1来控制焊炬的高度。直到再次出现Y2大于130时，则再次改用接近开关2来控制焊炬的高度。
反之如果在开始焊接时选用了接近开关2来控制焊炬的高度，那么在焊接进行过程中，当出现Y1小于230时，表明此时的工件表面较暗，计算机通过判断将改选接近开关1来控制焊炬的高度。其余过程与上述相同。
为了避免由于干扰而引起系统的误动作，以上所述的情况中，当每次计算机通过对图象处理及判断，需要改换接近开关时，必须是连续3幅图象的处理结果都一致时，计算机才发出切换接近开关的指令。通过跟踪工件表面亮度对焊炬高度所进行的这种自适应控制，实现了对不同工件表面亮度的坡口的自动跟踪，从而使自动跟踪系统具有更强的抗干扰能力和在实际焊接生产中更具有实用性。
图5为线阵CCD传感器、接近开关和焊炬通过连接板与十字滑块刚性连接的结构示意图。图中10为焊炬，它与十字滑块20刚性连接。当十字滑块20的垂直轴或水平轴被步进电机带动转动时，带动焊炬与传感器一起移动，实现对焊缝在左右及垂直两个方向上的跟踪。焊炬10的位置就做上下或左右调整，用于在水平方向跟踪的线阵CCD传感器11及用于在垂直方向跟踪的接近开关都与焊炬刚性连接。线阵CCD传感器11通过连接板12和连接板13与焊炬10刚性连接。接近开关15和接近开关16为通过连接板14和连接板13与焊炬刚性连接。但是在焊接开始前，当焊炬高度确定后，线阵CCD视觉传感器及接近开关距离工件表面的高度都应能够分别调整。只有在所有的高度都调整好后，再紧固实现刚性连接。十字滑块的设计要满足系统调节范围和机械刚度的要求，同时应尽量减小机构尺寸和重量。
图6为图5中的F向视图，在图6中的黑色粗实线K1与K2的连线即是焊缝坡口所在的位置。焊接时的前进方向是由K1向K2的方向。线阵CCD传感器11相对工件表面的高度可以通过调整连接板12的上下位置来实现，接近开关15和接近开关16安装在同样的高度，它们相对工件表面的高度可以通过调整连接板14的上下位置来实现。
图8为焊接自动跟踪系统原理框图。系统包括线阵CCD传感器，两个接近开关，计算机，A/D及I/O接口电路，垂直位置执行机构和水平位置执行机构。由线阵CCD传感器所获取的焊缝坡口图象信号，经A/D接口电路送入计算机进行图象处理和判断后，计算机发出指令决定使用接近开关1或接近开关2来控制焊炬的高度。然后系统运行进入高度调节过程。接近开关所输出的信号电平，经I/O接口电路送入计算机进行判断，判断当前接近开关的位置是“高”还是“低”。如果是高，则驱动步进电机使焊炬下降一个单位步长0.2mm。然后再扫描端口，如果还是高则继续下降一个步长，直到接近开关所输出的信号电平由高变低为止。此时表示接近开关的位置已经低了，所以后面的调整又是把焊炬的位置向高调整。因此在整个跟踪过程中，实际上焊炬的位置是在接近开关的控制高度值的上下震荡。但是因为其震幅小，频率低，所以对焊接过程没有影响。依照以上的控制方法，在主程序工作的每一个循环周期都将进行一次对接近开关的选择判断和调节一次焊炬的高度，因此在焊接过程中能够实时的将焊炬的高度控制在设定的高度值附近，每次的调节量及调节时间都很短。下面对照图9和图10进一步加以说明图9为焊炬高度自适应控制模块的流程图。CCD在摄取坡口图像后，向计算机申请中断。计算机接收中断申请后，采集坡口图像并屏蔽中断。然后对图像进行处理，求出特征值Y1及Y2。然后判断此时是否是接近开关1在工作。(1)如果是接近开关1在工作，则判断Y2值是否大于临界值(130)。如果大于，则改选接近开关2来工作；如果不大于则仍然保持用接近开关1工作。然后就转入垂直高度调整模块进行高度调整，最后返回。(2)如果是接近开关2在工作，则判断Y1值是否小于临界值(230)。如果小于，则改选接近开关1来工作；如果不小于则仍然保持用接近开关2工作。然后就转入垂直高度调整模块进行高度调整，最后返回。
图10为垂直高度调整模块流程图。在主程序运行的每一个循环周期都要调用焊炬高度自适应控制模块以便对接近开关做出选择。而在焊炬高度自适应控制模块运行时都要调用垂直高度调整模块。首先采样接近开关的输出信号，看此时焊炬的位置是偏高还是偏低。(1)如果是偏高，则驱动垂直位置执行机构向下调整一个单位步长，再采样接近开关的输出信号，如果还高则再向下调整一个单位步长。直至接近开关的输出信号变低时才返回。(2)如果是偏低，则驱动垂直位置执行机构向上调整一个单位步长。再采样接近开关的输出信号，如果还低则再向上调整一个单位步长。直至接近开关的输出信号变高时才返回。
权利要求
1.一种焊接自动跟踪系统中焊炬高度的自适应控制装置，该装置包括对坡口图象进行信号处理的计算机，通过A/D接口电路与计算机相连的线阵CCD传感器，分别通过I/O接口电路与计算机相连的用于控制高低位置的一个接近开关、水平位置执行机构以及高低位置执行机构，其特征在于该装置还包括与所述一个接近开关安装在同一高度上的另一接近开关以及储存在所述计算机内且对两个接近开关进行选择的软件控制程序
2.按照权利要求1所述的焊接自动跟踪系统中焊炬高度自适应控制装置，其特征在于所述的两个接近开关的检测距离值相差1.5～2.5mm。
3.按照权利要求1或2所述的焊接自动跟踪系统中焊炬高度的自适应控制装置，其特征在于所述的线阵CCD传感器、两个接近开关及焊炬通过连接板与十字滑块刚性连接。
4.实施如权利1所述焊炬高度自适应控制装置的方法，该方法按如下步骤进行(1)将线阵CCD传感器所获取的焊缝坡口图象信号，经A/D接口电路送入计算机进行图象处理，并求出左右方向偏差值和垂直方向的特征值；(2)根据所得左右方向的偏差值，计算机通过I/O接口电路驱动水平位置执行机构对焊炬进行左右方向的跟踪；(3)计算机利用储存在其内的软件控制程序，将所得到的垂直方向的特征值与其临界值进行比较判断，发出指令决定使用接近开关1或接近开关2来控制焊距高度；(4)确定接近开关后，判断当前焊距的位置是“高”还是“低”，如果是高，则驱动高低位置执行机构使焊炬下降一个单位步长；如果是低，则驱动高低位置执行机构使焊炬上升一个单位步长，从而实现焊炬高度的自适应控制。
全文摘要
焊接自动跟踪系统中焊炬高度的自适应控制方法及装置,涉及一种在埋弧焊工艺中利用线阵CCD传感器和接近开关对焊炬高度进行控制的方法。本发明包括对坡口图象处理的计算机,A/D和I/O接口电路、线阵CCD传感器,水平位置执行机构和高低位置执行机构和安装在同一高度的两个接近开关及储存在计算机内对两个接近开关进行选择的软件控制程序。当工件表面的光洁度发生较大变化时,计算机依据对坡口图象处理结果自动选取某一接近开关来控制焊接高度;再通过判断当前焊距的位置是“高”还是“低”,来驱动高低位置执行机构使焊炬下降或上升一个步长,从而实现焊炬高度的自适应控制。本发明不仅有效保证了焊接质量,而且具有较高的性能价格比。
文档编号B23K9/12GK1380158SQ02120799
公开日2002年11月20日 申请日期2002年5月31日 优先权日2002年5月31日
发明者王克争, 何方殿 申请人:清华大学