专利名称：机械扫描式焊缝跟踪光电传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于焊接过程自动控制领域的光电传感器。
焊接过程中保证电弧与焊接坡口的自动对中是焊接自动化的一个前沿课题，也是当前生产中迫切要求解决的实际问题。十多年来，在焊缝自动跟踪研究方面取得了很大的进展，出现了各种形式的跟踪传感器及跟踪系统，其中以光电传感器发展最为迅速。但由于现场焊接条件恶劣，要求苛刻，工件表面光学性能差异很大，现有跟踪传感器在可靠性、小型化、实用化及性能价格比等方面还有很多问题，真正达到工业应用阶段的还极少。
在中国专利85100074.6号中介绍了一种监测焊缝坡口的光电传感器。在该传感器中，由光源发出的入射光线经工件表面反射，被由三个分离光电管组成的接收器所接收。传感器对焊缝进行横向扫描，根据光电管组接收到的信号经去除干扰处理后和所设定的阈值进行比较，来确定焊缝棱边水平方向和高度方向上的位置。但在实际生产中，由于材料种类、加工方法(热轧或冷轧)和现场条件(是否打磨，有否锈蚀、油污、灰尘等)不同，焊件表面反光性能差别很大，在同样入射光情况下，反射信号强度相差可达几十倍甚至几百倍，这就要求根据焊接工件的实际情况事先人为合理地调节信号接收回路中的增益或阈值的大小，这是很难满足现场生产的要求的。
另外，由于上述传感器采用三个分离的光电管做为接收器，而且为了保证高度方向跟踪的灵敏度，入射光与反射光之间的夹角要求较大，使整个传感器尺寸和重量都较大，小型轻型化困难，这必然使机械扫描时的冲击、振动较大，动态响应差，扫描频率受限制，大大降低了实时检测的精度和可靠性，这也是该传感器的一个严重缺点。
本发明的目的是研制一种能自动适应表面反光性能不同的焊件以及动态响应灵敏的光电传感器。
本发明的技术解决方案是传感器由光电头，扫描机构，前置处理电路三部分所组成，所说的光电头由脉冲发生器，信号光源，信号光接收元件所组成，所说的前置处理电路由高通滤波器，放大器，解调器，加法器，减法器，低通滤波器和比例积分器组成，其特征是前置处理电路的放大器中以结型场效应管代替一固定电阻，并以加法器的输出信号经低通滤波器及比例积分器后控制场效应管的栅极，所说的信号光接收元件是差分式光电管。
说明附图如下图1为本发明光电头组成图。
图2为在横向扫描时光电管接收的信号经前置处理后所输出的电压波形图。
图3为高度方向检测原理图。
图4为跟踪系统工作原理图。
图5为跟踪系统控制流程图。
图6为前置处理电路原理图。
图7为自动增益控制的效果。
结合
本发明光电头的工作原理如下图1中半导体光源(1)发出的信号光经透镜(3)投射到工件(4)的表面形成一个光斑，经反射后又经聚焦成象于差分光电管(2)的光敏面上。后者有两个互相隔离而又间隔很小的光敏区S1、S2。发射光与反射光轴线之间成一角度α，整个光电头(5)由扫描机构带动，横过焊件接缝或坡口进行扫描。
如果用US1和US2分别表示差分光电管两光敏区S1、S2接收的信号并经前置处理(前置处理见下面说明)后得到的电压值;则(US1+US2)表示差分光电管所接收的信号总强度。由图2可见，当入射光斑扫描到工件(4)的接缝或坡口内时，反射信号明显减弱，扫描波形两转拆点A，B的中心即表示坡口中心Xo，当Xo与扫描中心线0-0′重合时，即表示电弧对准坡口中心，如Xo与扫描中心线0-0′有偏离时(如图中的虚线所示)则表示电弧偏离坡口中心。
当光电头与工件之间在高度上的位置发生变化时(见图3)，入射光束的投射点由P1分别变为P2、P3(不考虑投射点进入接缝和坡口内的情况)，则差分光电管上的信号光的成象中心位置从差分光电管(2)的光敏面中心偏向S1或S2。因此，(US1-US2)的数值和符号就反映了传感器高度变化(亦反映焊炬高度变化)的大小和方向。根据坡口中心Xo与扫描中心线0-0′的相对位置数值及(US1-US2)的数值和符号即可知道电弧是否对准坡口中心及其高度是否合适，并可依此数据进行反馈控制，来调整电弧的位置。
本发明的跟踪系统工作原理如下(见图4)信号光源(1)被脉冲发生器(6)发生的方波脉冲调制，发出高频矩形脉冲光，差分光电管(2)两光敏区接收到的信号经光电转换后输出电压US1′、US2′，在前置处理电路(7)中分别经高通滤波、放大、解调后以两者之和(US1+US2)及差(US1-US2)输出，经A/D(8)输入微型计算机(9)，微型计算机(9)在控制扫描机构(15)带动光电头扫描的同时，不断采样(US1+US2)和(US1-US2)两个数字信号，并在单程扫描一次后在校核和修正所得数据的基础上算出水平方向和高度方向的位置偏差。若有偏差存在时则输出相应电压脉冲分别驱动水平方向调节机构(13)和高度方向的调节机构(14)带动光电头与扫描机构整体(图中虚框所示，它与焊炬固定在一起)运动，使光电头和焊炬在水平方向和高度方向上都处于正确位置。计算机还有两个接口，一个外接双数码管(12)用于动态显示水平方向和高度方向的位置偏差，另一个接口通过D/A(10)与示波器(11)相连，可以实时显示扫描图形、扫描中心位置0-0′以及焊缝的中心位置Xo，直观地看到检测和跟踪的过程。
跟踪系统控制流程图如图5所示。
前置处理电路的工作原理如下(见图6)差分光电管两光敏区接收的信号，经光电转换得两电压US1′和US2′分别经高通滤波器(16)、放大器(17)、解调器(18)、加法器(19)或减法器(20)后，输出(US1+US2)和(US1-US2)。
放大器(17)的增益是可以根据接收信号输入量的平均值自适应控制的。具体方案是采用一个结型场效应管做为阻值可控制的电阻，代替放大器中任一个固定电阻，其栅极的控制电压Uo来自前置处理器的输出端，即将(US1+US2)与一参考电压Uf(2～4V)进行比较后经低通滤波器(21)得其平均值，再经比例积分器(22)后做为Uo，当Uo发生变化时，将改变场效应管的耗尽区宽度，使其等效电阻RDS变化，从而控制了放大器的增益K。
其自适应调节过程如下当输入信号发生变化时
上述US1′、US2′、(US1+US2)均为一定时间内的平均值，所选取的时间常数(由低通滤波器(21)和比例积分器(22)的时间常数决定)要处于合适的范围内。太小，调节响应过快，影响扫描图形的检测;太大，遇到工件表面亮度变化时，需要较长时间才能完成调节过程，也会影响检测精度。一般取0.5～8秒。
比例积分器(22)的使用是使前置处理电路成为一个无静差系统。
高频滤波器(16)允许信号通过而将弧光及其它背景光的干扰消除。
由于以结型场效应管为可变电阻做成自动增益控制放大器，用前置处理电路加法器输出的信号电压一定时间内的平均值反馈控制其增益，可以简单、经济地实现跟踪系统自动适应反光性能差异极大的各种焊接工件。
由于接收管采用了差分(二象限)光电管，不仅本身尺寸小，而且由于两光敏区间距很小，可以在入射光-反射光夹角α很小的情况下仍能保证具有较高的高度方向的跟踪精度，成功地实现了双向跟踪光电传感器小型化。
通过上述传感器的机械扫描，获得了整个坡口的图象。由于传感器轻巧，机械扫描稳定性好，图象质量高，动态响应好，跟踪系统兼备了低成本、高精度、高可靠性的特点。
做为实施例，信号光源采用GaAlAs红外发光二极管，接收管用差分光电二极管，用小型步进电机执行扫描运动，用3DJ6场效应管做为自动增益控制放大器的可控电阻。高通滤波器为赛伦-凯式滤波器，所用运算放大器均为324，解调器用的电子开关为4016，计算机用MCS-51单片机。
传感器外形尺寸 44×19×57mm3
重量 80g扫描范围 28mm扫描频率 4HZ(往复各调整一次，每秒可跟踪调整8次)跟踪精度 水平方向±0.5mm高度方向±0.7mm对各种工件表面状态自适应能力如图7表示。其中横坐标US1′(US2′)表示差分光电管光敏区S1(或S2)接收脉冲信号光经光电转换后得到的脉冲峰值电压平均值，纵坐标为前置处理电路加法器输出的电压(US1+US2)的平均值。
图中表明，当工件表面的亮度发生变化时，只要差分光电管的接收信号在25mV～6.5V的范围内，前置处理电路就会自动调节其增益，使其输出电压的平均值保持不变，其调节范围达260倍，故可以适应一般工程中所遇到的各种工件表面状况。
权利要求
1.一种机械扫描式焊缝跟踪光电传感器，由光电头，扫描机构，前置处理电路三部分所组成，所说的光电头由脉冲发生器，信号光源，信号光接收元件所组成，所说的前置处理电路由高通滤波器，放大器，解调器，加法器，减法器，低通滤波器和比例积分器所组成，其特征是前置处理电路的放大器中以结型场效应管代替一个固定电阻，并以加法器的输出信号，经低通滤波器及比例积分器后控制场效应管的栅极，所说光电头中的信号光接收元件是差分式光电管。
全文摘要
一种机械扫描式焊缝跟踪光电传感器，属于自动控制领域的光电传感器。本传感器由光电头，扫描机构，前置处理电路三部分组成。光电头中的接收元件采用差分光电管，所以可使光电头的体积缩小，便于进行扫描。由于光电头对焊缝区进行扫描，所以可以对焊缝区作整体监测避免误报。在前置处理电路中采用了自增益反馈电路，可以适应表面反光性能差异很大的各种焊件。
文档编号G05D3/12GK1055686SQ91103380
公开日1991年10月30日 申请日期1991年5月29日 优先权日1991年5月29日
发明者陈武柱, 阎炳义, 林青松, 吴敏生, 高俊华, 王勇 申请人:清华大学