长春工业大学硕士学位论文焊缝跟踪系统的研究

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长春工业大学硕士学位论文焊缝跟踪系统的研究

姓名：程岩申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置

指导教师：付虹

20060301

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摘要

在金属制造业中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业。然而，目前９０％

的焊接工作都是手工完成的。焊接过程中存在着强烈的热、烟尘和弧光，工作环境非常恶劣，对工人的体能消耗很大。据统计，工人实际焊接的时间不足其工作时间的３０％，

因而效率很低。另外，手工作业导致焊接质量差，许多工艺需要进行二次加工。因此，

为了提高焊接质量，提高生产率，节省人力，国内外焊接工作者一直在不断地采取各种方法进行研究，以实现焊接过程的自动化。

实现焊接过程的自动化关键是研制一套高效率的焊缝跟踪系统。所谓焊缝跟踪系统，就是焊枪沿焊缝自动导向，使电弧中心实时的自动瞄准焊缝中心，也称为自动对中，是实现电弧焊接自动化的重要环节。焊缝跟踪系统由三部分组成：传感器、控制系统、执行机构。焊缝跟踪系统中传感器是最重要的组成部分，目前国内外对焊缝跟踪系统的研究也都是基于传感器的选择方面。主要包括：电子式传感器、光学式传感器、电弧式传感器和电磁感应式传感器。

本文概述了焊缝跟踪系统的发展状况和趋势，从生产实际对焊缝跟踪系统的技术要求出发，详细分析和比较了几种典型焊接用传感器的基本功能和特点，并对焊缝跟踪系统设计中需解决的关键性问题进行了研究。在这些工作基础之上，最终选择了以ＣＣＤ传感器作为焊缝跟踪系统的检测元件，结合合理的软硬件配置，设计了一套ＣＣＤ传感器微机控制焊缝识别与跟踪系统。

论文的主要工作有：ＣＣＤ传感器焊缝跟踪系统硬件平台的分析和设计、ＣＣＤ传感器光路的分析和设计，焊缝图像处理及焊缝中心位置的定位。

结尾部分，进行了焊缝跟踪实验。实验数据基本符合要求，比较圆满地达到了本课题的预期目标。

关键词：焊接自动化、焊缝跟踪系统、ＣＣＤ、图像处理

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第一章绪论

１．１研究背景及目的

随着科学技术和生产力的发展，工业领域对焊接技术和焊接质量要求越来越高，

同时又要求改善工作环境降低焊接工人的劳动强度。因此，焊接自动化是发展方向。

在长期的生产实践中，人们已制作了各种各样的自动焊接装置。但是，如不采用自动跟踪系统，许多零件要求二次加工才能满足自动焊接的要求，从而提高了成本。由于焊接作业的特殊性一焊接变形，许多场合没有焊缝跟踪系统就不能实现自动焊接。为此，人们研制了多种焊缝跟踪系统。

所谓焊缝跟踪，就是焊枪沿焊缝自动导向，使电弧中心实时自动瞄准焊缝中心，

也称为自动对中，是实现焊接自动化的重要环节【ｌｌ。焊缝跟踪系统一般指的是弧焊焊缝跟踪系统，由三部分组成：传感器、控制系统、执行机构。

在焊接过程中首先应该使电弧与焊缝对中，这是保证焊接质量的关键Ｉｌｌ。焊缝自动跟踪系统能够保证在自动焊接生产过程中，当电弧偏离焊缝时，及时而准确地将电弧调整回到焊缝中心位置。

在这一领域里，长期以来，国内外的焊接专家研制了各种各样的弧焊跟踪系统。

从控制方式来看，这些系统大都是程序控制系统１２ｌ。所谓程序控制系统，就是焊炬运动轨迹在焊接前根据坡口形状预先设定好，而在焊接过程中不加任何调节，这种方式简单易行，上世纪８０年代以前大多采用这种方法。但这种方法对坡口的加工、工件的装配精度要求很高，浪费了大量的人力物力，而且有些焊缝的形状很难用数学方法表示出来。因此．进入上世纪８０年代以后，焊接工作者纷纷致力于实时跟踪系统的研制。

一个典型的实时跟踪系统一般由焊缝偏差信号传感器、控制器和跟踪执行机构三部分组成【２｝。传感器获取焊炬偏离焊缝的位置信息，并把该信息转换为相应大小的数据。控制器通过一定的算法将获得的偏差信号转化成控制信号，然后把控制信号送给执行机构，由执行机构实施相应的纠偏动作，从而达到精确跟踪的目的。

目前，我国的绝大部分工厂的焊缝自动跟踪技术还很落后，基本上停留在直线焊缝的程序控制阶段１３１。国外的研究成果要远大于国内，而且焊缝跟踪系统在自动焊机中的应用也比我们更普及、更广泛。现在，欧美等国正在进一步研究新的焊缝跟踪系统来适应各种类型的自动焊机和各种不同的焊接作业环境。因此，国内急需运行稳定、

工作可靠的焊缝跟踪系统。本文研制的光学式传感器焊缝跟踪系统即是为了满足这种要求。

１．２国内外焊缝跟踪技术发展综述

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１．２．１焊缝跟踪控制系统概述

焊缝自动跟踪控制系统由传感器、信号处理和伺服装置三部分组成。传感器获取所需要的物理量并将其转化为相应的电信号，然后传送给信号处理器。信号处理器对传来的信号进行处理，包括去除噪声干扰，将调制信号解调、放大及运算，最后经过功率放大部分输出驱动信号给伺服装置，由伺服装置对焊枪进行适时调整川，实现焊接过程的自动跟踪。

信号处理器根据传感器的种类、所能提供的信息量的大小及所需要的处理速度分别采用模拟电路、数字控制电路直至微型计算机进行信号处理。

伺服装置是一个小型的电动伺服控制系统。它可以采用普通的直流伺服电动机、

步进电机，中、低惯量的力矩电机以及无刷电机川等，其驱动控制可采用模拟控制或数字控制。

１．２．２焊缝跟踪技术的研究

焊缝跟踪技术起源于２０世纪７０年代，是随着焊接机器人的产生而发展起来的［Ｓｌ。

在焊接过程中，焊接机器人必须能够实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，这样才能保证焊接质量。人们为了使机器人在焊接过程中能实时地检测出焊缝的实际位置，开始了焊缝自动跟踪技术的研究。经过几十年的研究和探索，焊缝跟踪技术已经取得了可喜的成绩，特别是发达国家，在这一领域处于领先地位。近代，由于模糊控制理论的出现，使焊缝跟踪这一复杂的不确定性的非线性系统踏入一个崭新的时代一智能焊缝跟踪时代垆１。随着焊接机器人在我国的应用，国内也开始重视对焊缝跟踪的研究。清华大学、华东船舶工业学院、华南理工大学、天津大学、哈尔滨工业大学等国内高等院校先后对焊缝跟踪系统中的传感器和其中的控制系统进行了研究，详尽论述了焊缝跟踪系统的原理和结构，并取得了一系列科研成果。例如：清华大学的《基于焊缝ＣＣＤ图像模式特征的焊缝轨迹识别的新算法》。华东船舶工业学院的

《微处理器控制的焊缝跟踪系统》。华南理工大学的‘一种基于自适应共振理论神经网络的焊缝跟踪算法》。天津大学研制了一种非接触超声传感埋弧焊焊缝跟踪系统，通过计算声波信号从发射到接收的声程时间可以得到传感器与焊件之间的垂直距离，从而进行控制。

１．２．３焊缝跟踪技术的现状

焊缝跟踪的实质就是使焊接电弧对准接缝位置从而保证焊接接头成型和焊接质量。它通过传感器检测电弧偏离焊缝的信息，通过自动控制系统和伺服装置调节电弧与焊缝的帽对位置，使偏离减小，直到消失。因此研究一套结构简单、工作可靠、灵敏度高的焊缝跟踪传感器至关重要。到目前为止已研究了多种焊缝跟踪传感器。根据传感器的特性，焊缝跟踪传感器可以分为以下几种类型【６ｌ：电弧传感器、射流式传感

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器、电磁感应式传感器、光电式传感器、超声式传感器、机械式传感器、电容式传感器、气动式传感器等。

１．机械传感器

机械式传感器是目前提出较早且较成熟的接触式传感器。它以导杆或导轮在焊缝前方探测焊缝位置，可分为机械式和电子式两种【”。前者是靠焊缝形状对导杆的强制力来导向；后者是当焊枪与焊缝中心发生偏离时，导杆经电子装置发出信号（它能表示偏离的大小和方向）再控制驱动装置使焊枪及传感器恢复正确位置，此时传感器输

出信号为零，实现自动跟踪。

机械传感器结构简单，抗磁、光、烟尘和飞溅等干扰，性能好，工作可靠，价格便宜，维护方便，已应用于生产实际。但若坡口或缝隙的加工装配不均匀，机械传感器的导杆或导轮与工件接触时，容易失去跟踪点。为避免此类情况，焊接速度不能太快，此外导杆或导轮的磨损也影响传感器的精度。所以在现代焊接技术中，已逐渐被非接触式传感器替代。

２．电磁式传感器

电磁式传感器是一种非接触式传感器。可分为普通频率式（简称电磁传感器）和高频式（简称涡流传感器）两种【７１。电磁传感器的频率低于ｌＯｋＨｚ，涡流传感器的频率则为３０～１６０ｋＨｚ。电磁传感器适用于对接、搭接和角焊缝，其体积较大，使用灵活性差，且对磁场干扰和工件装配条件比较敏感。一般应用于对精度要求不太严格的场合。

涡流传感器体积小，所有金属材料焊接时都能采用，但是焊接非铁磁材料时灵敏度降低。

３．超声波传感器

超声波传感器可分为接触式和非接触式两种。接触式超声波传感器利用超声波在金属内传播时的界面反射现象，由探头接受反射波脉冲；由入射一反射波脉冲的行程，

测得界面位置嗍。当探头离钢板接缝边缘的位置发生左右变化时，接受到的反射波脉冲的时间就要发生变化，当焊枪偏离平衡位置时，其获得的声程与平衡位置时的标准声程之差为左右跟踪的信号。一般采用横波探头作焊缝跟踪传感器。

非接触式超声波传感器通过气体介质传播超声波，采用纵波形式。由于超声波在气体介质中传播损耗大，所以必须加入匹配层进行声、电匹配，利用聚焦声透镜技术提高空气超声波传感器的灵敏度。目前，空气超声波传感器已应用于二氧化碳气体保护焊和埋弧焊。

４．电弧特性传感器

电弧特性传感器是利用焊接电弧本身（电弧电压、电弧电流、弧光辐射、电弧声等）提供有关电弧轴线是否偏离焊接对缝的信息，实时控制焊接电弧始终跟踪焊缝１９Ｉ。

为了能从与电弧现象有关的参数变化中，得到电弧轴线与焊缝相对位置的信息，必须创造两个条件：一是使电弧相对焊缝产生周期性的横穿运动，即使电弧相对焊缝产生

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一定频率的横向摆动时，与电弧现象有关的参数可以产生足够大的变化，方可能用来判断电弧轴线与焊缝相对位置的偏差，得到电弧轴线与焊缝偏离的信息；二是控制执行机构调节电弧与焊缝的相对位置，使偏离减少，直至消失。

电弧传感器焊缝跟踪在非熔化极气体保护电弧焊中虽然也曾经被采用过，但是，

由于必须使电弧产生横向摆动，结构较复杂、成本较高，与其他焊缝位置跟踪方法相比没有优势，故没有得到发展（但仍然有用作焊枪高度控制的）。对于熔化极气体保护电弧焊，虽然也有横向摆动机构的麻烦，但由于这种方法在技术可靠性及经济性方面与其他方法相比有较大的优势，所以在实际中被广泛应用。

电弧传感器的基本原理是利用焊枪与工件距离变化而引起的焊接电流变化来探测距离高度和左右偏离。焊缝跟踪一般都是上下和左右二维跟踪。上下跟踪可以直接利用导电嘴与工件间距离的变化而引起的电流变化信号，调节机头高低位置达到目的。

５．射流式传感器

射流式传感器是一个气动射流反射型位移传感器【”。根据焊接工件的坡口形式，

可采用不同形状的气体射流位移传感器进行焊缝跟踪，此种跟踪尤其适用于窄间隙气体保护焊。缺点是传感器的耗气量大，提高了跟踪成本。

６．光电式传感器

光电式传感器是目前研究最多的也最有前途的一种焊缝自动跟踪传感器，光学传感器精度高、再现性好，不仅可以用于焊缝跟踪，而且可以用于检测坡口形状、宽度和截面，为焊接参数的自适应控制提供依据。

光学传感器是焊缝跟踪系统中比较理想的传感器１８１。考虑检测原理、对象、光源种类等因素，光学传感器大致可以分为以下几种：

（１）单光点式传感器

利用简单的光电元件检测坡口棱边或白线，以激光、红外线、可见光，或弧光为光源。它的跟踪基准是在焊缝一侧与焊缝平行的宽为ｌ～２ｍｍ的白线，光电元件接收屏上安装了两只光电接收管。当工件上的白线位于光斑中心位置时，两个光电接收管的受光面积相等，它们的输出信号也相等。当白线偏向光斑中心一侧时，两只光电接收管的受光面积不等，它们输出的差值可以作为左右跟踪信号。它的检测精度取决于焊炬高度误差和自线与焊缝的平行度。其优点是传感器安装在焊缝侧面能消除附加的导前跟踪误差。这种传感器适用于不同的接头形式和不同的接口形式，适用于碳钢、不锈钢、铜、铝等各种金属的焊接。

（２）ＣＣＤ视觉传感器

在视觉测量系统中，国内外关于结构光视觉的研究较多，并且己进入实用化阶段。

所谓结构光方法（ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄＬｉｇｈｔ）就是将平面光束照射在物体上可以形成光带，光带的偏转数据反映了物体表面的三维形状信息，用这种方法可以精确地获取物体的三维信息ｆＪｏＩ。借助于一组平行的平面光，或将物体置于专门的旋转工作台上通过一束平

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面光，都可以利用偏转数据直接地计算出深度信息，称这种方法为结构光方法。结构光方法适合于限制条件下，局部范围内需要精确测量的情况，用于不规则表面的三维建模。国内对结构光视觉进行了大量的研究，中国科学院自动化所也对结构光视觉进行了探讨，实验结果表明结构光视觉算法简单，实时性好１１ｌＩ。结构光视觉的优点是实现较简单，成本较低，实时性好，但不足之处为精度相对较低。另外，在结构光照射到光洁的金属表面时，会产生强烈的镜面反射，往往会导致视觉的后续处理失败。许多文献标明，结构光视觉是视觉跟踪中最有发展前途的方法。国内在结构光视觉测量方面作了大量的工作。目前，基于位置的视觉伺服、基于图像的视觉伺服和混合视觉伺服这三种方法，在实际生产中得到成功应用的视觉伺服主要是基于位置的视觉伺服，

而基于图像的视觉伺服和混合视觉伺服的实际应用尚未见报道ＩｌＩＪ。

据日本焊接技术学会对在日本使用的弧焊机器人的调查结果显示，领导未来焊缝跟踪传感器的主要是光学传感器，其中以视觉传感器最引人注目【１２ｌ。由于视觉传感器所获得的信息量大，结合计算机视觉和图像处理的最新技术成果，大大增强了焊缝跟踪系统的外部适应能力．视觉传感器采用的光电转换器件最简单的是单元感光器件，

如光电二极管等；其次是一维的感光单元线阵，如线阵ＣＣＤ（电荷耦合器件）；应用最多的是结构最复杂的二维感光单元面阵，如面阵ｃｃＤ，是二维图像的常规感光器件，它代表着目前传感器发展的最新阶段，因而应用日益广泛。在焊缝跟踪系统中，使用何种视觉传感方法是首先需要确定的问题，根据使用的照明光的不同，可以把视觉方法分为“被动视觉”和“主动视觉”两种。这里被动视觉只利用弧光或普通光源和摄像机组成的系统，而主动视觉一般只使用具有特定结构的光源与摄像机组成的视觉传感系统。在大部分被动视觉方法中，电弧本身就是检测位置，所以没有热变形等因素所引起的超前检测误差，并且能够获得接头和熔池的大量信息，这对焊接质量自适应控制非常有利。但是直接观测法易受到电弧的严重干扰，信息的真实性和准确性有待提高。它较难获得接头的三维信息，也不能用于埋弧焊。为获得接头的三维轮廓，人们研究了基于三角测量原理的主动视觉方法吲。由于采用的光源的能量大都比电弧的能量小，一般把这种传感器放在焊枪前面以避开弧光直射的干扰。主动光源一般为单光面或多光面的激光或激光束。为简单起见，分别称之为结构光和激光扫描法。由于光源是可控的，所获得的图像受环境的干扰可除掉，真实性好一些。其图像的底层处理稳定、简单、实时性也较好。用工业电视把电弧、熔池、导电嘴、焊丝伸出和焊接坡口一起摄成图像，并根据电弧附近的图像求得坡口宽度，然后判断焊丝是否对准中心位置及焊丝伸出长度是否合适。

（３）光切割式传感器

所谓光切割法，是采用激光等细长而扁平的光线，以４５度方向斜射在工件上，从而得到与坡口端面形状相似的光线图形，此图形能反映坡口的形状、深度∞Ｉ。摄像机在工件正上方，将此图形摄入并利用计算机进行图象处理可以求出坡口的中心位置，

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坡口宽度等数据。

（４）激光扫描式传感器

利用激光扫描坡口和工件表面，并用一系列光电接收管同步接受反射光，从中检测坡口的位置和形状【”】。由于点光源比线光源更容易达到较高的亮度，激光扫描式比

光切割式具有更高的信噪比和更强的抗弧光干扰能力。

（５）直接拍摄电弧式传感器

将包括电弧、熔池，导电嘴、焊丝伸出头和坡口等的图像，通过适当的光学滤波器，采用工业电视（ＩＴＶ）进行摄像，根据图像求出坡口宽度，然后判断焊丝是否对中及其伸长度是否合适【１３Ｉ。由于光电传感器是非接触式，因此具有良好的再现性及耐久性。该传感器不仅可以跟踪焊缝，还可预测坡口形状和截面积，并能用于焊接过程的自适应控制，可适用于各种坡口形状。

１．２．４焊缝跟踪技术的发展趋势

焊缝跟踪技术是现代焊接技术的一个重要组成部分。随着焊接技术的发展，焊缝跟踪技术也获得了革命性的进展。２１世纪全世界钢产量的５０％要通过焊接成形制成产

品，焊缝跟踪技术将在焊接制造业中起着极为重要的作用１１．Ｉ。

根据先进制造技术的发展趋势，结合焊接技术本身的特点，未来对焊缝跟踪系统的要求是：跟踪过程高精确化、现场使用可靠、性能稳定、抗干扰性强、环境适应性强及连续工作时间长等优点。根据这一系列的要求，我们可以看出，未来的焊缝跟踪系统的检测部分将以视觉传感器为主。跟踪方向及速度的调节将通过对电机的控制来实现，将具有智能性的模糊控制和神经网络等人工智能手段渗透到焊缝跟踪控制中，

会增强对非线性系统控制的准确性，使焊接生产过程更具有智能性。

１．２．５论文研究内容本课题的主要内容是：

１．对焊缝跟踪系统进行基本研究，详细论述其组成结构、工作原理和功能；

２．仔细分析和比较各种焊缝跟踪系统专用传感器，选择其中一种结合更有效的控制程序，并通过控制机构和执行机构来达到我们自己的控制要求；

３．通过比较，选择面阵ｃｃＤ传感器作为焊缝跟踪系统的检测元件，对ｃｃｏ传感器光路部分进行设计，对系统进行总体设计；

４．对焊缝图像进行计算机处理；

５．实验及误差分析。

１．３本章小结

介绍了本课题提出的背景和目的，分析了焊缝跟踪技术的现状及发展趋势。

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第二章系统主要组成机构的分析和选择

２．１系统技术要求

系统参数要求：

１．载重：２５ｋｇ；

２．检测范围：Ｘ－３００ｍｍ，Ｙ—ｌＯＯｍｍ；

３．焊接速度：最大３００ｍｍ／ｍｉｎ；

４．误差范围：±０．５咖；

５．保持转距：０．７Ｎ・ｍ；

６．适用焊接方法：埋弧焊。

系统功能要求：实现对焊枪的上、下、左、右移动控制，系统定点检测、焊缝中心点实时定位，焊缝偏离防止和紧急停止功能。所有功能可编程处理，操作简单、维

护方便，使用可靠。 ^一

２．２系统干扰分析

焊接现场的外部环境是影响焊缝跟踪系统正常工作的主要原因，也是论文研究过程中需解决的一项问题。

本系统所受到的干扰主要是太阳光直射和电弧光的干扰。利用窄带光源和滤光片即可对杂光干扰进行屏蔽。

２．３执行机构的选择

焊缝跟踪系统中一个重要部分为焊炬调节执行机构【ｌ”。一般说来，它是一个电动伺服控制系统。它可以采用各种形式的电机驱动．其驱动控制可以采用模拟控制或数字控制，再结合各种形式的控制算法，以实现焊缝（坡口）的快速、准确的跟踪。它主要由机械执行机构、电机等部分组成。

在焊缝跟踪系统中，跟踪的精度在很大程度上取决于执行机构的性能和响应速度，

其功能是把输入的电压信号转换为电机轴上的机械转矩，带动负载位移和旋转，这些机构的行走控制都是通过电机驱动控制的，属于一个小型的电动伺服控制系统，一般采用直流伺服电动机或步进电机。

直流伺服控制方式的优点是可以事先选一个最佳的跟踪速度，可以避免系统的振荡，还可以获得快速的动态响应，但是系统比较复杂。

步进电机的优点是响应速度快、控制简单、调速范围宽，无自转现象及低速时不容易失步，控制系统具有灵活、功能多样的特点。所以，本文选择步进电机作为执行

机构。 ^，

７

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长存Ｔ业大学硕士学位论文

２．３．１步进电机原理

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件瞰１。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，

加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用，它必须由环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

２．３．２步进电机的特点

１．一般步进电机的精度为步进角的３～５％，且不累积。

２．步进电机外表温度不应过高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，

从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏１３０度以上，有的甚至高达摄

氏２００度以上，所以步进电机外表温度在摄氏８０～９０度完全正常。

３．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

４．步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的作用。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用ｆ“。

２．４控制机构的选择

本系统采用微机作为控制机构。它有以下几方面的特点：

１．提高整个运行过程的可靠性

人工观察进行焊缝跟踪，虽然跟踪精度不能满足要求，但可靠性很高，决不会出现焊炬偏出很远的失控现象。普通的系统控制受错边（错边量较大时）、点固焊道、对缝过紧、对缝棱边缺陷、胎夹具等干扰因素的影响，则有时会出现系统失控现象，使传感器远离焊缝，再也找不到跟踪基准１１６］。而利用计算机进行信号识别控制，使跟踪

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长存工业大学碘十学位论文

系统智能化，就可以克服这种失控现象。

２．控制导前误差

目前研制成功的焊缝跟踪系统，传感器一般都导前于焊炬，这就引起了导前误差１１６１。对于可视传感式跟踪系统，传感器与焊炬位置固定，成一条直线，不妨称这一直线为系统的方向线。如果焊缝存在曲率变化，或者焊接线与方向线不平行，使两者之间存在一角度ａ，则由于系统按传感器的输出进行调整，必然引起导前误差。设传感器与焊炬之间的距离为Ｌ，则导前误差一般可估算为：

△＝Ｌ・ｔｇａＬ越大，ａ越大，则导前误差越大。

所以，采用计算机进行智能化控制，通过算法补偿，滞后调节等手段，可以有效的克服导前误差。

３．为曲线焊缝跟踪奠定基础

将传感器和焊炬分开进行调整，让焊炬按传感器走过的轨迹进行尾随，就可以对曲率变化较大的曲线焊缝进行跟踪。本题采用微机控制，可为以后的曲线跟踪奠定基础。

以上几个原因决定了采用微机控制的必要性。

２．５检测机构的确定

２．５．１检测机构的选择

焊接自动化技术的发展，促进了焊缝自动跟踪系统的快速发展，出现了多种焊缝自动跟踪方法，国内外对各种跟踪方法都进行了大量的研究、探讨和研发工作。根据最新统计资料，目前焊缝跟踪用的传感器使用情况是：光学式占３０％，电弧自身传感式占４９．５％，电磁式占５％，机械式占７％，其它方法占８．５％ｔ”．由此可知，电弧传感器和光学传感器构成了当今弧焊跟踪传感器的发展主流。另外，各种跟踪方法也都具有其特定的适应性与局限性。因此，根据焊接材料，接头型式，焊接方法的不同，出现了各种各样的焊缝自动跟踪方法。但就目前来看，应用较多的主要有以下四种：探针接触式、光学非接触式，电弧自身传感式和电磁式四种ｌ”，它们的特点是：

１．探针接触式：传感器件为触点或光电元件，适应于各种弧焊方法，但只适应于跟踪带坡口的对接接头或角接接头。误差范围为±０．３Ｊｍ，可靠性很高。

２．光学式：传感器件一般采用ｃｃＤ，适应于各种弧焊方法，可用于各种对接接头，

理论误差范围为±Ｏ．１５ｒａｍ，但由于受机械装置的限制，故实际误差范围一般为±０．４姗，

主要干扰形式为弧光和电磁场干扰，系统可靠性较高。

３．电弧自身传感式：传感器件为电弧本身。适应予ＭＩＧ／ＭＡＧ焊，可用于带坡口对接接头或角接接头，误差范围为±０．５ｍｍ，主要干扰形式为错边干扰，点固焊道干扰，

９

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可靠性高。

４．电磁式：传感器件一般采用差动变压器，适应于各种弧焊方法，可用于各种接头型式，误差范围为±ｌｍ，主要干扰形式有点固焊道干扰、错边干扰及电弧磁场干扰，

采用抗干扰措施后，可靠性高。

ＣＣＤ视觉传感器是近年来迅速发展起来的一类焊缝跟踪用传感器。它具有非接触式、获取信息量大、对坡口精度要求低、适应面广、受电磁干扰小，动作准确可靠和智能控制等一系列优点，可以真正称为焊机的“眼睛”１１７１，因而已成为国内外众多焊接科技工作者注目的对象。图２．１是视觉传感式焊缝跟踪系统的一个示例框图【１８】。

视觉传感式焊缝跟踪系统由于其具有的优异性能而获得高度重视和发展。其优点为：

１．获取信息量大，精度高。可以获得接头截面精确的几何形状和空间位置姿态；

２．检测空间范围大误差容限大，焊接之前可以在较大范围内寻找接头；

３．具有智能化特点，可自动监测和选定焊接的起点和终点，判断定位焊点等接头特征；

４．通用性好，适用于各种接头类型的自动跟踪和参数适应控制；

５．实时性能好。在焊接自动化领域中，视觉传感器成为获取信息的重要手段．

图２．１视觉传感式焊缝跟踪系统示例框图

基于以上原因，本文选择ＣＣＤ视觉传感器作为系统检测元件。考虑到系统的主要工作是对焊缝图像进行后续处理。因此我们必须要得到一个信噪比较高的二维图像。

利用ＣＣＤ视觉传感器得到高信噪比的二维图像的方法有：面阵ＣＣＤ结构光法、线阵ＣＣＤ激光扫描法。相对来讲，采用线阵ＣＣＤ激光扫描法会使系统结构复杂、价格昂贵，因此本文采用面阵ＣＣＤ结构光法设计视觉传感器式焊缝跟踪系统。

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长春工业大学硕上学位论文

ｃｃＤ传感器概述

电荷耦合器件（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅＤｅｖｉｃｅ－－ＣＣＤ）是一种以电荷为信号载体的微型图像传感器ｉｔ”，具有光电转换和信号电荷存储、转移及读出的功能，其输出信号通常是符合电视标准的视频信号，可存储于适当的介质或输入计算机，便于进行图像存储、

增强、识别等处理。

自ＣＣＤ于１９７０年在贝尔实验室诞生以来，ＣＣＤ技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展眇１。ＣＣＤ传感器具有光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗，抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小，无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点。所以，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到

了广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。

１．ＣＣＤ传感器的特点

ＣＣＤ是由光敏单元、输入结构和输出结构等部分组成的一体化的光电转换器件，其突出特点是以电荷作为信号载体啪ｌ。

当入射光照射到ＣＣＤ光敏单元上时，光敏单元中将产生光生电荷Ｑ，Ｑ与光子流速率△，ｌ。、光照时间乙、光敏单元面积爿成正比，即：

Ｑ－御△，ｌ∥疋 ^{（２一１）}

其中叩为材料的量子效率，ｑ为电子电荷量。ＣＣＤ图像传感器的光电转换特性如图２．２所示，其中横坐标为照度（Ｌｘ．ｓ），纵坐标为输出电压（Ｖ）。在非饱和区满足：

，Ｄ）一ｄｉｓ７＋ｄ２ ^{（２—２）}

式中，厂Ｏ）为输出信号电压（Ｖ），ｓ为曝光量（Ｉｘ．ｓ），ｄ。为直线段的斜率（ｖ／ｌｘ．ｓ）

表示ＣＣＤ的光响应度，ｆ为光电转换系数（ｆ－１），ｄ，为无光照时ＣＣＤ的输出电压，称为暗输出电压。特性曲线的拐点引行对应的曝光量豇称为饱和曝光量，所对应的输出电压‰称为饱和输出电压。曝光量高于豇后，ＣＣＤ输出信号不再增加。可见，ＣＣＤ图像传感器在非饱和区的光电转换特性接近于线性。因此，应将ＣＣＤ的工作状态控制在

非饱和区。

Ｓ。

ｋ５

图２．２ＣＣＤ光电转换特性

１１

(16)

２．ＣＣＤ的应用状况

ＣＣＤ检测技术作为一种能有效地实现动态跟踪的非接触检测技术，被广泛应用于尺寸、位移、表面形状检测和温度检测等领域【“Ｉ。

（１）尺寸测量

由ＣＣＤ传感器、光学成像系统、数据采集和处理系统构成的尺寸测量装置，具有测量精度高、速度快、应用方便灵活等特点，是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器所无法比拟的。在尺寸测量中，通常采用合适的照明系统使被测物体通过物镜成像在ＣＣＤ靶面上，通过对ＣＣＤ输出的信号进行适当处理，提取测量对象的几何信息，结合光学系统的变换特性，可计算出被测尺寸。

（２）三维表面测量

由于ＣＣＤ传感器能同时获取被测表面的亮度和相位信息，因此，将ＣＣＤ和计算机图像处理技术与传统的三维表面非接触光学测量方法相结合，可实时测量物体形变、

振动和外形。

（３）高温测量

物体的辐射光波长和强度与物体温度有着特定的关系，因此ＣＣＤ作为一种光电转换器件，可用于温度测量。

２．６系统方案确定

整个焊缝跟踪系统由检测机构、执行机构和控制机构组成。选用面阵ＣＣＤ视觉传感器配以合理的软硬件来设计ｃｃＤ传感器焊缝跟踪系统。

系统原理：用一定波长的光源，经光栅形成一定形状的结构光后，照射在焊机机头前方焊缝（或坡口）处，由面阵ＣＣＤ摄取图像信息，经过图像采集，输入计算机，

通过计算机计算、处理，得出机头中心位置与焊缝（或坡口）中心位置的水平偏差及导电嘴与焊件的相对垂直距离偏差，输出纠偏信号，控制两套步进电机，分别带动机械机构调整机头的左右位置与相对于焊件的高度，从而实现对焊缝的自动跟踪，确保焊接质量。

２．７本章小结

对系统主要组成机构进行了详细的分析，选择了ＣＣＤ传感器、步进电机和微机作为相应机构的核心元件。

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长春１＝业大学硕士学位论文

第三章系统总体设计

３．１系统硬件组成

系统硬件由面阵ＣＣＤ传感器、图像采集卡、上位机、步进电机控制卡、步进驱动器、步进电机和光源部分构成，系统框图如图３．１所示。跟踪时，先由光源部分对焊件表面发射一定波长的光，经光栅形成一定形状的结构光后，再由ＣＣＤ传感器摄取焊缝原始图像，通过图像采集卡将焊缝图像采集到上位机上进行图像处理，经过焊缝图像的预处理和边缘检测后，定位出焊缝中心点的位置，然后通过步进电机控制卡及步进驱动器，向步进电机输出相应的脉冲信号以控制其转动，最后由和电机相连的丝杠传动Ｘ和Ｙ滑块，实现对焊枪的移动控制。

图３．１焊缝跟踪系统硬件框图

３．２ＣＣＤ传感器

在本系统中，视觉传感器ＣＣＤ选用了三洋ＶＣＣ一６５７０Ｐ，它采用ＰＡＬ制式，ＣＣＤ芯片规格１／３’，采用隔行传送方式，画面像素总共为７９５ｘ５９６。

３．２．１ｃｃＤ传感器简介

ＣＣＤ是英文（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅｓ）的缩写，意即“电荷耦合器件”［１ｅｌ。ＣＣＤ是固态图像传感器的一种，固态图像传感器是指把布设在半导体衬底上的许多感光小单元的光一电信号，用所控制的时钟脉冲读取出来的一类功能器件。所谓ＣＣＤ就是紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器，它可以用来贮存和转移以电荷包形式出现的信

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号。硅半导体有光电效应，当它受光照射时，产生的自由电子与光强成正比，故由许多光敏单元组成的ＣＣＤ可作为传感元件。

３．２．２ＣＣＤ传感器光路系统设计

根据整个系统对检测机构的要求，即需要具有屏蔽杂光干扰的能力和能够在面阵ＣＣＤ取像面上形成含有双向（水平、垂直）跟踪信息的图像的能力，我们对光路系统进行了设计。整个光路系统分为光源和成像两部分，由这两部分共同完成焊缝跟踪有效图像的摄取任务。

（１）光源设计

由于是对埋弧焊焊缝进行跟踪，现场光线条件对于ＣＣＤ取像来讲，显得暗了些，

因此需要外加光源来改善取像区的照明条件以利于ＣＣＤ更加方便、快速地获取有效的图像信息。

光源部分的结构图如图３．２所示。它主要由发光器件、聚光透镜、光栅等几部分构成。

发光

图３．２光源部分结构图

聚光透镜

（２）发光器件的选择

为了在面阵ＣＣＤ上获取信噪比较高的传感信息，需要对工件表面反光有选择地摄取，我们选择外加光源的反光为有效光，这样其它光就成为干扰源，焊接现场的光线情况较为复杂，杂光干扰多，尤其是周围明弧焊机工作时的电弧干扰，是比较大的。

因此，为了使ＣＣＤ更加有效摄取所需的图像信息，同时也为了便于将此系统移植到其它焊接方法中去，所以需采取一定的屏蔽杂光干扰的措施。

要屏蔽掉杂光干扰，最简单有效的方法就是采用光谱窗口法，只摄取有效的、较窄范围波长的光线形成的图像，这样需要在有效波长范围内的光线有足够的强度。为了达到此目的，在发光器件的选择上有两种方法：１．选用较小功率的窄带光源；２．选用大功率的普通光源。考虑到发光器件体积及散热、功耗等问题，我们决定采用前一

１４

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长春－［业大学硕士学位论文

种方法。由于杂光干扰主要来自焊接电弧，而且电弧光主要由波长较短的光构成，所以有效光最好选择波长较长的光。在考虑了光学器件选用和光路设计方便，以及成本、

功率、体积、耐用性、可靠性等因素后，这里选用了６ｗ砷化镓红外发光二极管。

（３）聚光透镜的选择

聚光透镜的作用是将来自发光器件的散射光聚成准平行光。由于发光器件发出的光是红外光，所以选用一般用于可见光的聚光透镜即可。只是焦距应短些，口径合适，

以避免不必要地增加传感器的体积。这里选用两片口径为５０ｒａｍ、焦距为ＩＯＯｍｍ的凸透镜重叠使用。

（４）成像设计

成像部分由滤光片和成像透镜组成，滤光片是用来屏蔽杂光干扰的，所以它的光谱特性应与发光器件相适应，如图３．３所示。

图３．３成像部分示意图传感器

通过以上的设计步骤，我们可以得到一个比较完整的面阵ＣＣＤ传感器光路图。如图３．４所示，光源垂直入射，ＣＣＤ视觉传感器倾斜接收。

辅助光源

图３．４面阵ＣＣＤ传感器光路Ｉ墨Ｉ

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３．２．３ｃｃＤ传感器测量原理

在本课题所研究的焊缝跟踪中，其三维测量主要是根据ＣＣＤ传感器所得图像求得焊缝中心的深度信息和横向偏差信息。首先来推导焊缝深度信息测量原理，如图３．５所示给出了线结构光测量原理的侧视图。在图３．５中，Ｐ点为条形光照射到物体上所形成的侧视点，ＣＣＤ传感器光轴与光源光轴交于Ｋ点，镜头所处位置在０点，光源和镜头的水平和垂直距离分别为Ｆ和ｄ，在放大了的ＣＣＤ传感器图３．６中ｈ为形成的像偏离主光轴的距离。

图３．６中有：

在三角形ＯＫＰ中有：

Ｆ

图３．５ＣＣＤ传感器深度测量原理图

一ｆ —Ｉ／

／

ｒＬ／１口

韭 ^厶／光中心

３．６ＣＣＤ传感器放大图

．Ｉｌｔａｎ口一一

｜

１６

Ｐ

（３－１）

(21)

—Ｓｌｎ—ａ．皇坐

（３—２）

一

^ｄｌ ^ｄ２ ^{Ｉ＾一￡Ｊ}

由ｒ一卢一口及ｓｉｎｙ。ｓｉｎ卢∞ｓ口一ｃｏｓｐｓｉｎａ得：

ｄ．。——』２墅竺一：—ｄ２ｔａｎａ—／ｓｉｎｆｌ

^１ ^{（３—３）}

ｓｉｎ§ＣＯＳ／／一ＣＯＳ６ｓｉｎａ ^{１一ｃｏｔ} ８ｔａｎａ

将（３—１）代入（３－３）得：

ｄ．；—（ｄ２ｃｓｃ—ｆｌ／ｆ）ｈ（３－４）

^１

１－（ｃｏｔＥ／ｆⅥ 其中ｄ：为已知量，ｄ，为未知量，即深度信息。

焊缝横向偏差信息的测量原理如图３．７所示，Ｐ为被测点，横向信息即求ｘ的值，

由图３．５、３．６和３．７得：

工一（ｄ３／ｆ，括（３－５）

ｆ÷一｜ｌ￥肾（３－６）

ｄ；一ｄ２＋（ｃ＋ｄｌ—Ｆ）２（３－７）

式（３－６）和（３－７）代如（３－５）中得：

工＿占√ｄ２＋（ｃ＋ｄｌ一，）２／√，２＋｜１１２（３－８）

击Ｌ

酉１＼

_＼０ｒ_ｒ

＼ｊ

１丘

＼＼

Ｐ

图３．７ｏｃＤ传感器横向测量原理图

求得ｄ。及ｘ即得被测点深度和横向信息。

３．３图像采集卡

Ｘ

３．３．１ＭａｔｒｏｘＰｕｌｓａｒ图像采集卡简介

本文选用的图像采集卡是ＭａｔｒｏｘＰｕｌｓａｒ，ＭａｔｒｏｘＰｕｌｓａ卡是基于ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ

ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）总线的图像采集卡。ＰＣＩ总线规范是９０年代初由ＩＮＴＥＬ公司提出的，总线数据传输宽度为３２／６４ｂｉｔ，允许系统设备直接或问接连接在ＰＣＩ总线上，设备问可通过局部总线完成数据的快速传输，从而较好地解决了数据传输的瓶颈

１７

(22)

问题。

图像采集卡的硬件结构如图３．８所示。模拟视频信号输入采集卡，通过多路开关、

增益调节、低通滤波、查找表译码和Ｖｉｄｅｏ—ｔｏ—ＰｃＩ桥，转换为３２ｂｉｔ数字信号，一路通过内部ＰＣＩ总线经ＭＧＡ图形加速器、帧存储器送往显示单元，一路通过ＰＣＩ总线送往计算机内存，供软件进行处理。数字信号直接通过查找表译码和Ｖｉｄｅｏ—ｔｏ—ＰＣＩ桥，

转换为３２ｂｉｔ数字信号。

模拟视频信号输入

数字视频信号输入

图３．８图像采集卡结构图

监视器

该图像采集卡具有以下特点：

ａ．可接标准和非标准、４路模拟和一路数字摄像机，有利于系统改造升级；

ｂ．最高刷新率达８５Ｈｚ，最高分辨率可达１６００Ｘ１２００点阵；

Ｃ．采用最新内存技术的ＷＲＡＭ（ｗｉｎｄｏｗｒａｎｄｏｍ－ａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｙ），比普通的ＶＲＡＭ

（ｖｉｄｅｏｒａｎｄｏｍ－ａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｙ）快５０％；

ｄ．具有曝光（定时）输出，以遥控摄像机的曝光设置；

ｅ．具有外部触发输入，可异步复位，用户可完全控制图像采集过程；

ｆ．可编程或自动增益控制；

ｇ．４ＭＢ缓存；

ｈ．集成显卡，可跳线设置为单屏或双屏显示。

ＭＩＬ（Ｍａｔｒｏｘ _{ｉｍａｇｉｎｇ} ｌｉｂｒａｒｙ）是Ｍａｔｒｏｘ公司ＰＣＩ总线系列图像采集卡附带的开发软件包，它提供了一套标准ｃ函数用于摄像机格式设置、内存分配释放、图像连续采集、单帧捕获、传输、显示和保存图像，ＭＩＬ提供了动态链接库供开发程序调用。

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ＭＩＬ把物理对象（图像采集卡、数据缓冲器、显示器等）看成虚拟对象，在操作物理对象前必须进行内存分配，在使用完后进行释放。

３。３．２图像采集卡的调用

为了实现图像的采集，本文采用ｖｃ＋＋进行图像采集系统的开发。

首先，在编程过程中，对ＭＩＬ所带动态链接库采用静态加载的方式引入。ＶＣ＋＋静态加载允许调用模块只包含系统在加载可执行文件时所需的信息，这些信息可以定位导出ＤＬＬ函数代码所在的位置，这是通过一个导入库链接到调用模块来实现的。导入库必须以Ｌｉｂ节点的方式加入到项目中，这可以用ｖｃ＋＋所带ｉｍｐｌｉｂ工具从相应动态链接库（ＤＬＬ）文件获得，命令格式如下：

ＩＭＰＬＩＢＬｉｂＮａｍｅＤＬＬＮａ／ｌｌｅ

上述命令中，ＤＬＬＮａｍｅ为源动态链接库文件名，ＬｉｂＮａｍｅ为目标导入库文件名，从ｍｉｌ．ｄｌｌ、ｍｉｌｐｕｌ．ｄｌｌ等ＭＩＬ动态链接库文件获得相应的ｍｉｌ．１ｉｂ、ｍｉｌｐｕｌ．１ｉｂ等导入库文件，就可以在ＶＣ＋＋下调用相关函数了。

调用程序如下：

ａ．在ＭａｉｎＦｏｒｍ．ｈ文件中，定义Ｍｉｌ变量。

ＭＩＬ－ＩＤＭｉｌＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｌ，／＊Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ．乖／

ＭｉｌＳｙｓｔｅｍ，／＊Ｓｙｓｔｅｍｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ．半／

ＭｉｌＤｉｓｐｌａｙ，／＊ｄｉｓｐｌａｙｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ＊／

ＭｉｉＤｉｇｉｔｉｚｅｒ。／＊Ｄｉｓｐｌａｙｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ．卑｛

ＭｉｌＩｍａｇｅ，／＊Ｉｍａｇｅ ^{ｂｕｆｆｅｒ} ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ＊／

ＧｒａｂＩｍａｇｅ．／＊Ｇｒａｂｌｍａｇｅ ^{ｂｕｆｆｅｒ} ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ＊／

Ｄｉｓｐｌｍａｇｅ：／＊ＤｉｓｐＩｍａｇｅ ^{ｂｕｆｆｅｒ} ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ＊／

ｂ．在ＭａｉｎＦｏｒｍ的ＦｏｒｍＣｒｅａｔｅ事件中进行ＭＩＬ应用程序和硬件采集系统的分配：

ＭａｐｐＡｌｌｏｃ（Ｍ＿ＤＥＦＡＵＬＴ，＆ＭｉｌＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｌ）：

Ａ应用程序配置书／

ＭｓｙｓＡｌｌｏｃ（Ｍ＿ＤＥＦ＿ＳＹＳＴＥＭＴＹＰＥ，Ｍ＿ＤＥＶＯ，Ｍ＿ＤＥＦＡＵＬＴ，＆ＭｉｌＳｙｓｔｅｍ）：

序系统配置｝／

ＭｄｉｓｐＡｌｌｏｃ（ＭｉｌＳｙｓｔｅｍ，Ｍ＿ＤＥＶＯ，”Ｍ＿ＤＥＦＡＵＬＴ’，Ｍ＿ＤＥＦＡＵＬＴ，＆ＭｉｌＤｉｓｐｌａｙ）：

Ａ显示配置｝／

ＭｄｉｇＡｌｌｏｃ（ＭｉｌＳｙｓｔｅｍ，Ｍ＿ＤＥＶＯ—Ｍ

^ＤＥＦＤＩＧＩＴＩＺＥＲ—ＦＯＲＭＡＴ，Ｍ＿ＤＥＦＡＵＬＴ，＆ＭｉｌＤｉｇｉｔｉｚｅｒ）：

／丰采集配置衫ＭｄｉｇＣｈａｎｎｅｌ（ＭｉｌＯｉｇｉｔｉｚｅｒ，Ｍ＿ＣＨ２）：

Ａ定义采集通道宰／

１９

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３．４上位机

普通Ｐｃ机，ＣＰＵ：Ｐ４２．４，内存：２５６Ｍ，显存６４Ｍ。

３．５步进电机控制卡

３．５．１ＭＰＣ０２步进电机控制卡简介

本文选用的步进电机控制卡为ＭＰＣ０２。主要特征：开放式结构、使用简便、功能丰富、运行可靠等。

硬件方面：ＭＰＣ０２卡采用Ｐｃ机的ＰＣＩ总线方式，适用范围广，卡上无需进行任何跳线设置，所有资源自动配置，在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８及Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００操作系统中支持即插即用，使用非常方便；ＭＰＣ０２的接线方式采用ＳＣＳＩ型插头，可使用屏蔽线缆，并且所有的输入、输出信号均用光电隔离，提高了控制卡的可靠性和抗干扰能力，本系统主要用到的引脚及说明见表３．１。

软件方面：ＭＰＣ０２卡提供了丰富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。

表３．Ｉ引脚排列及说明

序号信号定义序号信号

１７ＰＵＬｌ．脉冲ｌ一 ^１８ＰＵＬｌ＋脉冲１＋

１９ＤＩＲｌ－方向卜 ^２０ＤｌＲｌ＋方向１＋

２ｌＰＵＬ２．脉冲２． ^２２ ^{ＰＵＬ２＋} 脉冲“

２３ＤｌＲ２．方向２． ^２４ ^{ＤＩＲ２＋} 方向２＋

２５ＰＵＬ３．脉冲３． ^２６ＰＵＬ３＋

脉冲“

２７ＤＩＲ３．方向３． ^２８ ^{ＤＩＲ３＋} 方向３＋

１７～２８脚的功能为；脉冲，方向信号与步进电机驱动器相连以控制电机转动。脉冲

，方向信号为光电隔离的差分式输出信号，用来提高其抗干扰能力。对于仅需要单端式信号的驱动器，只要接该差分信号的正端即可；对于接收双脉冲信号的驱动器，ＰＵＬ端为正转（ＣＷ）脉冲输出端，ＤＩＲ端为反转（ＣＣＷ）脉冲输出端。

３．５．２步进电机控制卡的调用

ＭＰＣ０２为我们提供了动态链接库，我们只要在程序中对其进行调用就可以实现ＭＰＣ０２步进电机控制卡与系统程序的接口．

这晕我们用Ｖｃ＋＋来开发本课题的步进电机控制系统，图像采集卡的调用程序如下：

２０

(25)

＃ｉｎｃｌｕｄｅ’ｍａｉｎ．ｈ’

＃ｐｒａｇｍａｐａｃｋａｇｅ（ｓｍａｒｔ—ｉｎｉｔ）

＃ｐｒａｇｍａｒｅｓｏｕｒｃｅ”掌．ｄｆｍ。

ＴＦｏｒｍｌ＊Ｆｏｒｍｌ：

ｆａｓｔｃａｌｌＴＦｏｒｍｌ：：ＴＦｏｒｍｌ（ＴＣｏｍｐｏｎｅｎｔ＊Ｏｗｎｅｒ）

：ＴＰｏｒｍ（Ｏｗｎｅｒ）

｛

／／初始化卡ａｕｔｏ—ｓｅｔ０：

ｉｎｉｔ＿ｂｏａｒｄ（）：

／／读取用户设置参数ＧｅｔＰａｒａｍ（）：

｝

ｉｎｔＴＦｏｒｍｌ：：ＧｅｔＰａｒａｍＯ

｛

ｍ＿ＡｘｅｓＮｕｍ＝ＳｔｒＴｏＩｎｔ（ｅｄｔＡｘｅｓＮｕｍ－＞Ｔｅｘｔ）：

ｍ＿ＣｏｎＳｐｅｅｄ＝ＳｔｒＴｏＦｌｏａｔ（ｅｄｔＣｏｎＳｐｅｅｄ一＞Ｔｅｘｔ）：

ｍ＿ＬｏｗＳｐｅｅｄ＝ＳｔｒＴｏＦｌｏａｔ（ｅｄｔＬｏｗＳｐｅｅｄ一＞Ｔｅｘｔ）：

ｍ＿ＨｉｇｈＳｐｅｅｄ＝ＳｔｒＴｏＦｌｏａｔ（ｅｄｔＨｉｇｈＳｐｅｅｄ一＞Ｔｅｘｔ）：

ｍＡｃｃ＝ＳｔｒＴｏＦｌｏａｔ（ｅｄｔｈｃｃ一＞Ｔｅｘｔ）：

ｍ＿Ｏｉｓ＝ＳｔｒＴｏＩｎｔ（ｅｄｔＤｉｓ一＞Ｔｅｘｔ）：

ｒｅｔｕｒｎ０：

）

ｖｏｉｄ—ｆａｓｔｃａｌｌＴＦｏｒｍｌ：：ｂｔｎＣｏｎｐｍｏｖｅＣｌｉｅｋ（ＴＯｂｊｅｃｔ＊Ｓｅｎｄｅｒ）

｛

／／读取用户设置参数ＧｅｔＰａｒａｒａ（）：

／／设置常速度

ｓｅｔ＿ｃｏｎｓｐｅｅｄ（ｍ＿ＡｘｅｓＮｕｍ，ｍ＿ＣｏｎＳｐｅｅｄ）：

∥启动常速点位运动

ｃｏｎ＿ｐｌｌｌｏｖｅ（ｍ＿ＡｘｅｓＮｕｍ，ｍ＿Ｄｉｓ）：

）

ｖｏｉｄｆａｓｔｃａｌｌＴＦｏｒｍｌ：：ｂｔｎＦａｓｔｐｍｏｖｅＣｌｉｃｋ（ＴＯｂｊｅｃｔ＊Ｓｅｎｄｅｒ）

｛

／／读取用户设置参数

２１

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长春工业大学硕Ｐ学位论文

ＧｅｔＰａｒａｍＯ：

／／设置梯形速度

ｓｅｔ＿ｐｒｏｆｉｌｅ（ｍ＿＿ＡｘｅｓＮｕｍ，ｍ＿ＬｏｗＳｐｅｅｄ，ｍＨｉｇｈＳｐｅｅｄ，ｍＡｃｃ）

／／启动快速点位运动

ｆａｓｔ＿ｐｍｏｖｅ（ｍ＿ＡｘｅｓＮｕｍ，ｍ＿Ｄｉｓ）；

｝

ｖｏｉｄｆａｓｔｃａｌｌＴＦｏｒｍｌ：：ｂｔｎＳｕｄｄｅｎＳｔｏｐＣｌｉｃｋ（ＴＯｂｊｅｃｔ＊Ｓｅｎｄｅｒ）

｛

｝｜急售

ｓｕｄｄｅｎ＿ｓｔｏｐ（ｍ＿ＡｘｅｓＮｕｍ）；

）

ｖｏｉｄｆａｓｔｃａｌｌＴＦｏｒｍｌ：：ｂｔｎＤｅｃｅｌＳｔｏｐＣｌｉｃｋ（ＴＯｂｊｅｃｔ＊Ｓｅｎｄｅｒ）

｛

／／缓停

ｄｅｃｅｌ—ｓｔｏｐ（ｍ＿ＡｘｅｓＮｕｍ）；

｝

ｖｏｉｄｆａｓｔｅａｌｌＴＦｏｒｍｌ：：ｔｉｍＳｔａｔｕｓＴｉｍｅｒ（ＴＯｂｊｅｃｔ＊Ｓｅｎｄｅｒ）

｛

ｌｏｎｇｐ：

ｌｏｎｇｓｐｅｅｄ：

／／读取当前绝对位置

ｇｅｔ＿ａｂｓ＿ｐｏｓ（ｍＡｘｅｓＮｕｍ，＆ｐ）；

／／显示当静绝对位置

ｌａｂｈｂｓＰｏｓ一＞Ｃａｐｔｉｏｎ＝ＩｎｔＴｏＳｔｒ（ｐ）：

／／读取当前速度

ｓｐｅｅｄ＝ｇｅｔ—ｒａｔｅ（ｍ＿＿ＡｘｅｓＮｕｍ）：

／／显示当前速度

ｌａｂＣｕｒＳｐｅｅｄ一＞Ｃａｐｔｉｏｎ＝ＦｌｏａｔＴｏＳｔｒ（ｓｐｅｅｄ）：

３．６步迸驱动器

本系统采用的步进驱动器为ＤＭＤ４０２，ＤＭＤ４０２作为步进电机细分驱动器，具有高性能、低价格的特点，适合驱动两相或四相混合式步进电机，细分倍数为８。由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机时可以比其它驱动方式输出更大的功率。其细分功能使步进电机低频振动减小，噪声降低，同时有助于运转精度提高，特

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长存ｔ业大学硕七学位论文

别适合专业焊接设备。ＤＭＤ４０２的引脚功能说明如下；

１．Ｐｕｌ脉冲信号：此光隔输入端导通一次驱动电机一次步进，步进量取决于细分数设置。

２．Ｄｉｒ方向信号：此光隔输入端用于改变电机的转向，实际转向还取决于电机绕组的联接情况。

３．Ｃｏｍ光隔电源：＋５ＶＤＣ为各光隔输入端提供电流，也可用更高的电源电压，但应采取限流措施使流过光隔的电流不超过１５ｍＡ。

４．Ｅｎａ使能信号：此光隔输入端用于使能／禁止驱动器的输出部分，光耦导通时电机相电流被切断，转子处于自由状态（即脱机）；光耦不导通为使能状态。

３．６．Ｉ步进电机控制卡与步进驱动器的接线

由于本文采用的ＤＭＤ４０２为单端式信号驱动器，所以根据３．５．１节中介绍的ＭＰｃ０２卡接步进驱动器的方法，我们将进行差分正端接入，即接入序号为１８、２０、２２、２４、

２６、２８，接线方法如图３・９所示・——一

，

图３．９单端信号接线

３．７步进电机及工作台

为了实现焊缝的横向和纵向跟踪，根据焊接过程中机头调整的范围和系统的载荷要求，本文设计了丝杠传动的十字滑块。滑块参数如下表：

表３．２十字滑块参数表（单位：ｍｍ）

滑块有效行程丝杆直径丝杆螺距

Ｘ ±１５０２０３

Ｙ ±５０ ^１０ ^２．５

步进电机采用的型号为ＫＨ５６ＱＭ２—９５１，步距角１．８。、相电流２．ＯＡ、保持转距

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长存工业大学硕十学位论文

电机标定

步进驱动的标定是要计算出控制卡向每个轴发出一个脉冲时各个轴的当量运动距离。脉冲当量距离值和步进电机的步距角、驱动器的细分选择及丝杠的螺距有关，其计算公式如下：

扣鸯

^。啕’

式中，Ｌ为丝杠的螺距，Ｎ为驱动器细分选择倍数，０为步进电机的步距角，ｄ为对应轴的脉冲当量。

根据上式我们可以计算出Ｘ滑块和Ｙ滑块的脉冲当量，计算如下：

小‘蠢。甄３乩８乃胛

^{（３－－ｏ）}

ｄ，。甄Ｌｙ。甄２．５“ｓ６ｓ朋 ^（Ⅻ）

从（３－１０）和（３—１１）的计算结果可以看出，十字滑块的脉冲当量值非常小，可以满足系统误差范围为±Ｏ．５ｍ的要求。

３．７．１步进电机接线图

下图为Ｋｔｔ５６ＱＭ２—９５１和ＤＭＤ４０２的接线方式。

图３．１０步进电机接线图

３．８系统的软件设计

通常实时软件要有五个主要特征。首先，“时间”是最宝贵的资源。控制系统的各

长春工业大学 硕士学位论文 焊缝跟踪系统的研究