基于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)

林憲旗

【摘 要】當(dāng)前，在生產(chǎn)大口徑焊管過程中，焊接跟蹤主要是采取的是手工調(diào)整方式，使用濾光鏡，用肉眼直接觀察焊接熔池與焊縫的位置，人工調(diào)整焊槍或工件，最終實(shí)現(xiàn)焊管焊縫偏差控制，控制焊接質(zhì)量。采取手工調(diào)整的方式進(jìn)行焊縫跟蹤勞動(dòng)強(qiáng)度大，主觀性強(qiáng)，容易出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題。為提高大口徑鋼管焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，本文提出基于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊槍對(duì)焊縫的實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤。【關(guān)鍵詞】FPGA 大口徑 焊管焊縫 實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】 P755.1【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0202-01

一、基于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的工作原理及主要構(gòu)造

（一）基于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的工作原理

采取手工調(diào)整的方式進(jìn)行焊縫跟蹤，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，主觀性強(qiáng)，且焊接質(zhì)量與操作人員的的經(jīng)驗(yàn)有著直接的關(guān)系，難以保證焊接質(zhì)量，且降低了生產(chǎn)效率。為此，提出建立于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊槍對(duì)焊縫的實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤，可以極大提高生產(chǎn)效率，保證焊接質(zhì)量。

FPGA為英文Field-Programmable Gate Array的縮寫，譯為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。建立于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的主要構(gòu)造包括激光傳感器、離子焊機(jī)、顯示器、焊管旋轉(zhuǎn)調(diào)整升降機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、焊槍高度跟蹤機(jī)構(gòu)、滾輪架及控制系統(tǒng)，其機(jī)構(gòu)可以用下圖來展示：

基于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

激光傳感器位于焊槍前面位置，負(fù)責(zé)大口徑焊管焊縫圖像的獲取工作；通過系統(tǒng)軟件完成對(duì)大口徑焊管焊縫圖像的分析、處理、識(shí)別，獲取焊縫偏差及寬度等數(shù)據(jù)信息；采取二維實(shí)時(shí)跟蹤方式進(jìn)行系統(tǒng)跟蹤，二維實(shí)時(shí)跟蹤包括焊槍相對(duì)于焊縫進(jìn)行左右跟蹤與高低跟蹤。基于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，最為關(guān)鍵的技術(shù)就是確保焊槍相對(duì)于焊縫左右位置跟蹤的精確度。

在本實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)中，不同于其他焊接跟蹤系統(tǒng)所采取的滑塊帶動(dòng)焊槍完成對(duì)焊縫左右方向上的跟蹤，而是采取了焊槍保持左右位置不變動(dòng)，焊管圍繞中心軸進(jìn)行偏轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)焊接追蹤。由于焊管長達(dá)6m，而焊接錯(cuò)邊有時(shí)候可能達(dá)到30mm，如果采取滑塊帶動(dòng)焊槍對(duì)焊縫進(jìn)行左右跟蹤，是無法真正保證焊槍與焊縫對(duì)接的精確度，容易引起焊接質(zhì)量問題。所以在建立于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)中采取了焊槍圍繞焊管中心軸偏轉(zhuǎn)的形式保證焊槍與焊縫對(duì)接的精確度。在焊接過程中，為保證焊接質(zhì)量，需要對(duì)焊炬高度進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)針對(duì)焊炬高低方向進(jìn)行跟蹤，實(shí)現(xiàn)焊炬高度的控制，需要保證橫向跟蹤的準(zhǔn)確性。相對(duì)橫向跟蹤，焊炬高度的控制手段更為容易，焊接工藝精確要求降低，橫向跟蹤主要是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的滑塊機(jī)構(gòu)組成，設(shè)計(jì)跟蹤精度為±0.2mm，最大高度調(diào)節(jié)范圍為±50mm。

（二）基于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)主要構(gòu)造

1.激光傳感器

激光傳感器位于焊槍前面，負(fù)責(zé)測(cè)量焊縫表面輪廓、確定條紋內(nèi)焊縫位置。由于激光條紋是通過一定的角度進(jìn)行投射，當(dāng)傳感器與工件距離較遠(yuǎn)時(shí)，工件表面中的激光條紋就會(huì)相對(duì)靠后；當(dāng)傳感器與工件距離較近時(shí)，工件表面的激光條紋就相對(duì)較前。通過攝像機(jī)確定激光條紋位置，通過激光條紋的位置經(jīng)傳感器測(cè)量出傳感器與工件之間的垂直距離，從激光條紋上，獲取工件焊縫圖像，并分析出焊縫寬度、焊縫偏差等數(shù)據(jù)信息，還可以對(duì)傳感器與焊縫的橫向距離進(jìn)行測(cè)量。為確保在焊接過程中傳感器中心線與焊槍中心保持一致，可以將傳感器安裝于微型十字滑架上，在焊槍位置發(fā)生變動(dòng)后，通過激光條紋及焊縫位置，對(duì)十字滑架進(jìn)行微調(diào)保證精度。

2.焊管定位與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

通過四套自調(diào)試滾輪架進(jìn)行焊管定位，滾輪采取組合式，摩擦力較大，外包橡膠，傳動(dòng)力平穩(wěn)，有利于保證焊接精確度。通過交流伺服電機(jī)與減速器對(duì)主動(dòng)滾輪進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，并通過主動(dòng)管輪與焊管之間存在的摩擦力，推動(dòng)焊管旋轉(zhuǎn)，滾輪的滾動(dòng)線的速度在0.2—5.0m/min范圍中。

3.升降機(jī)構(gòu)

因焊槍在高度方向上只能沿滑塊作小范圍的調(diào)整，為保障不同規(guī)格的焊管能夠在焊管能夠在進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)基本保持在同一高度上，于滾輪架下放設(shè)計(jì)升降機(jī)構(gòu)。在升降機(jī)構(gòu)中使用蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)，通過一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為四套蝸輪蝸桿提供動(dòng)力，在蝸輪蝸桿頂升力作用下，對(duì)滾輪架進(jìn)行升降控制。使用編碼器可以有效控制滾輪架升降高度的精確性，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，在觸摸屏中設(shè)定好焊管型號(hào)，實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確定位操作。

二、基于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)

（一）基于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

Altera公司的EP4CE55芯片在集成度、容量和速度方面都達(dá)到了較高的水平，內(nèi)部具有嵌入式處理器，能夠完成復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，F(xiàn)PGA 能在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)硬件并行和流水線技術(shù)，且具有很強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)需要進(jìn)行重構(gòu)配置，有較強(qiáng)的通用性，適用于模塊化設(shè)計(jì)。同時(shí)適合實(shí)時(shí)的信號(hào)處理，能夠大大提高圖像數(shù)據(jù)的處理速度，達(dá)到系統(tǒng)跟蹤的實(shí)時(shí)性要求。

（二）基于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)激光傳感器的掃描，信號(hào)采集分析、焊管焊縫與焊槍位置的調(diào)整、焊接速度調(diào)整、控制升降精度等功能。在整個(gè)系統(tǒng)程序中，包含焊管焊縫對(duì)焊槍高低方向上的實(shí)時(shí)跟蹤、焊管焊縫對(duì)焊槍左右方向上的實(shí)時(shí)跟蹤、升降機(jī)構(gòu)精確度控制及焊接速度調(diào)整四個(gè)子程序。其中，焊接速度調(diào)整與焊管焊縫對(duì)焊槍左右方向上的實(shí)時(shí)跟蹤屬于整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心。

在實(shí)際焊接作業(yè)中，會(huì)面對(duì)焊縫寬度不一的現(xiàn)象，為保證焊縫熔深及焊接速度，需要依據(jù)焊接寬度對(duì)焊接速度進(jìn)行調(diào)整。為此，需要在通知實(shí)際試驗(yàn)，計(jì)算出一定焊縫寬度下良好的焊縫熔深可以采取的最大焊接速度，并將獲取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫之中，在實(shí)際操作中，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行焊接速度調(diào)整。焊管焊縫對(duì)焊槍左右方向上的實(shí)時(shí)跟蹤的關(guān)鍵在于通過激光傳感器獲取焊縫偏差，驅(qū)動(dòng)焊縫對(duì)準(zhǔn)焊槍，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)焊接。

三、結(jié)束語

在大口徑焊管生產(chǎn)過程中，采取傳統(tǒng)的人工手工調(diào)整方式，作業(yè)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量難以控制。本文提出建立于FPGA的大口徑焊管焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，快速、精確的實(shí)現(xiàn)焊接，可以有效保證焊接質(zhì)量，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，可以為企業(yè)收獲良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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