基于線性CCD的埋弧焊焊縫自動跟蹤系統設計

(威海職業學院 交通工程系，山東 威海 264210)

埋弧焊機在船舶預制焊接中作用重要。實際生產時，埋弧焊機的焊炬應始終與焊接鋼板間的焊縫位置對中，但由于焊機小車導軌與焊縫中心位置偏移，以及焊炬電弧在焊劑層下隱蔽不可見等原因，埋弧焊接時容易出現焊炬與焊縫中心偏離現象，造成氣孔、飛濺、焊接不到位等缺陷，嚴重影響焊接質量[1-2]。通常由1～2名操作人員操作1臺埋弧焊機，檢視焊縫質量，并清理工作現場。這種人工操作方式用工多、效率低，特別容易出現因焊縫偏離而造成的焊接缺陷[3-4]。用于焊縫檢測的傳感器種類多樣，目前焊接機器人及較少的新型埋弧焊機普遍采用二維面陣圖像傳感器(圖像攝像頭)。采用圖像傳感器的埋弧焊機對于焊縫形狀檢測非常有效，但需要采用較復雜的圖像預處理技術及圖像識別技術；同時，處理器芯片、控制電路，以及圖像識別軟件也相對復雜，成本比較高。現階段，船舶建造企業中人工檢視焊縫的傳統埋弧焊機應用廣泛，采用高成本焊縫跟蹤技術進行升級改進并非首選。在焊機前行工作時，線性CCD連續檢測焊縫，可以檢測到完整的焊縫信息。同時，處理器和外圍控制電路以及圖像識別和控制軟件成本相對較低。考慮實現針對傳統埋弧焊機升級改造的焊縫自動跟蹤系統，選取線性CCD檢測焊縫的一維圖像信息；采用單片機技術實現焊縫識別，確定焊縫中心位置，計算焊炬在水平方向的距離偏差；選用伺服系統控制高精度機械聯動機構，實現機頭與鋼板焊縫對中。

1 系統組成及原理

焊縫自動跟蹤系統組成見圖1。

工作前，手動調整聯動機構使機頭至機械原點，并與待焊接鋼板的焊縫對中。工作時，安裝于機頭前方的線性CCD傳感器連續檢測包含焊縫的單行圖像信息，輸出每行128個像素點的模擬電信號，送至STC15W4K單片機的ADC端口；通過單片機的ADC模塊把焊縫模擬電信號轉換為128個像素點的數字信號。軟件確定聯動機構的機械原點，即機頭的位置對應于線性CCD像素的中心64、65像素點。通過軟件分析128個像素點的數據，判定焊縫中心像素點的序號。如埋弧焊行走中偏離焊縫，焊縫中心點序號將不與線性CCD中心像素點序號一致。單片機依據像素序號差值，輸出調整指令至伺服系統，控制聯動機構左右移動，帶動機頭與焊縫對中。

2 系統硬件設計

2.1 跟蹤系統處理器硬件設計

處理器采用STC15W4K單片機。該單片機電源電壓范圍為2.5～5.5 V，運行速度比傳統51單片機快7～12倍；內置高可靠性可設置門檻電壓復位電路；時鐘源支持外部晶體或內部R_C高精度時鐘；具有8路速度可達30萬次/s的10位高精度AD轉換端口。

處理器系統具體設置為5 V工作電壓、內置22.118 4 MHz 的R_C時鐘、ADC的10 bit精度、4 k字節的SRAM、40KB的 Flash空間。電路布置見圖2。

2.2 系統電源設計

由于焊縫跟蹤系統作業于強電磁環境，綜合考慮處理器、線性CCD模塊、伺服驅動系統及外圍電路等的電磁兼容性，電源采用15 DCV(3 A)輸入，輸出12 、7.5 V和VCC(5 V)[6]。

電源12 V和7.5 V采用LM2596開關電源芯片。12 V作為伺服驅動系統的輸出端外接電源；7.5 V作為5 V的中間電源。降壓型電源芯片LM 2596需要的最少外圍元器件只有4個，在保證輸出3 A電流的同時，能很好地滿足線性和負載調節性能。12 V電源電路見圖3。7.5 V電源電路見圖4。

為獲得小的電源噪聲，在LM2596的輸出級分別設置低頻濾波電解電容和高頻濾波瓷片電容；在PCB排版時，電感與Feedback端的連接線應盡量遠離。

VCC(5 V)電源提供給處理器電路、線性CCD模塊及其他外圍電路。由于埋弧焊機處于比較惡劣的電磁環境，為提供性能良好的電源，減少高低頻噪聲，進而考慮電壓穩定性和功耗及散熱效果，采用LDO模塊LM1117T-5.0；其輸入為中間電源7.5 V。LM1117T是一種低壓差電壓調節線性電源模塊，輸出電壓精度可達±1%，正常輸出電流為1 200 mA，Dropout Voltage最大值為1.2 V，同時，設計了內部電流限制和熱保護電路[7]。電路見圖5。

2.3 線性CCD模塊設計

線性CCD是一個集成模塊，由攝像頭、CCD采集模塊、接口電路等構成。采用藍宙電子的第4代基于CCD傳感器TSL1401CL的一維圖像模塊。TSL1401CL線性傳感器陣列由一個128×1的光電二極管陣列、相關的電荷放大器電路和一個內部的像素模擬信號保持器組成。工作時需要一個串行輸入SI信號和時鐘CLK信號進行內部邏輯控制，輸出像素模擬信號AO。SI和CLK信號連接至單片機的通用接口，AO連接至單片機的ADC接口。接口電路見圖6。

2.4 伺服系統

為保證機頭對焊縫實時跟蹤的隨動性，采用伺服系統控制聯動機構。伺服系統包括伺服驅動器和伺服電機，全部采用歐瑞傳動配套的產品[8]。伺服驅動器采用單相交流220 V，750 W功率，能耗制動，絕對值編碼器。伺服電機采用母線電壓300 V，400 W功率，17位絕對值編碼器，制動器，60法蘭，鍵槽帶C孔。伺服系統的動力和伺服驅動電路見圖7。

2.5 其他電路

系統開始作業機頭左右移動至限位開關時，蜂鳴器報警。電路見圖9。

針對埋弧焊機工作環境光亮度差異情況，采用置于機頭上方的輔助LED光源作為線性CCD檢測的光亮度補償。

3 焊縫自動跟蹤系統軟件設計

3.1 焊縫自動跟蹤系統程序

系統軟件包括初始化、ADC啟動、讀取128像素點、焊縫中心確定、運算控制等模塊[9]。系統流程見圖10。

3.2 運算控制模塊程序

運算控制模塊包括：分析像素數據、判定焊縫中心像素點序號、計算位置脈沖個數、控制伺服驅動等。流程見圖11。

3.3 像素數據分析程序設計

128個像素數據分析是焊縫跟蹤軟件系統的關鍵部分。CPU對線性CCD檢測的128個像素點進行AD轉換后，數據存儲于片內SRAM中，為判定焊縫中心位置需要對數據進行排序[10]。在威海某船廠預制加工車間，對直流埋弧焊機進行焊縫跟蹤自動化升級改造，加裝控制系統和聯動結構部分。分別針對埋弧焊機改造前、后的6、9、12 m長度的12 mm 厚度低合金鋼船體拼板進行焊接對比試驗，焊縫采用超聲波UT測試。檢測結果見表1。

表1 拼板焊縫焊接質量合格率 %

通過檢測發現，使用改造后埋弧焊機焊接的6 m和9 m鋼板焊縫UT檢測結果為100%，12 m鋼板焊縫UT檢測結果為99%，比改造前的焊縫質量有明顯提高。對12 m鋼板焊縫質量分析發現，前期加工的坡口有一段不規則邊界，在線性CCD檢測時，像素數據跳動，造成焊縫中心判斷異常，從而控制聯動機構出現偏差。通過平滑像素數據，調整控制程序，再次進行同條件現場實驗，檢測結果為100%，達到焊縫焊接質量的設計要求。埋弧焊機升級改造后，1名操作人員可以操作2臺埋弧焊機，降低了生產成本。

4 結論

1)對傳統埋弧焊機焊縫自動跟蹤升級改造，采用線性CCD時，為避免外界電磁及開關電源引起的高低頻干擾，確保提供良好性能電源，采用低壓差線性電源。

2)線性CCD檢測焊縫圖像時，每一幀采集128個像素點，通過軟件判定焊縫中心，確定焊縫與機頭的偏離位移。

3)單片機采用位置脈沖模式輸出調節指令至伺服系統，控制高精度機械聯動機構。

在本系統的設計和調試過程中，有部分問題需要進一步細化研究，主要是應用環境的光亮度可能影響線性CCD的檢測，雖然增加了LED光源補償，但光的疊加效果仍造成焊縫圖像數據的檢測差異；鋼板表面的不規則情況可能影響焊縫中心的判定。

系統的改進主要考慮：實現環境光自適應優化；針對連續不規則坡口，通過改進程序實現異常數據的平滑過渡；在工作準備階段，需要手動設置伺服驅動器的初始數據，若采用CPU直接對伺服驅動器進行數據初始化，將提高自動化程度。