張根元，楊全海，尚于杰

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

集裝箱波紋板折線焊縫跟蹤的研究

張根元，楊全海，尚于杰

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

為了實(shí)現(xiàn)類似于集裝箱波紋板形式的焊縫自動(dòng)焊接，采用了一種四自由度、可在波紋板折線位置處改變焊槍角度的直線軌道式焊接機(jī)器人。設(shè)計(jì)了空間漫反射激光測(cè)距傳感器檢測(cè)波紋板的折彎位置，利用TMS320LF2407A型DSP產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)傳感器芯片線陣CCD，并采集傳感器輸出信號(hào)，通過(guò)串行口傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)。通過(guò)數(shù)字濾波器濾掉傳感器輸出信號(hào)中的雜波信號(hào)得到有效信號(hào)波形，設(shè)計(jì)了兩種分析方案，將濾波得到的信號(hào)波形與理想信號(hào)波形比較，證明了該檢測(cè)方法有效性。

激光傳感器；線陣CCD；焊縫跟蹤

0 前言

集裝箱運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展帶動(dòng)了集裝箱制造業(yè)的繁榮。中國(guó)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)干貨集裝箱占世界產(chǎn)量的95%以上，集裝箱產(chǎn)銷量十多年來(lái)一直保持世界第一。但是，目前集裝箱的生產(chǎn)還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，尤其是作為側(cè)壁的波紋板和上、下側(cè)梁的焊接，仍然使用普通焊條電弧焊和仿形焊接，不利于提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。此類焊縫是短線段、多周期的折線焊縫，需要焊槍在折彎點(diǎn)處不斷地改變姿態(tài)，而且波紋板本身還存在制造誤差，焊接過(guò)程中的焊接變形等也會(huì)影響焊接精度。因此，實(shí)現(xiàn)波紋板自動(dòng)焊接的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)波紋板折彎位置的跟蹤檢測(cè)，這樣才能保證焊接過(guò)程順利進(jìn)行。

1 集裝箱波紋板

試驗(yàn)采用的集裝箱波紋板是30°的波紋板，尺寸如圖1所示。集裝箱的長(zhǎng)度一般是6 m、12 m，因此，每條折線焊縫至少有二十多個(gè)周期，近百個(gè)折彎點(diǎn)。

圖1 波紋板尺寸示意

2 激光傳感器系統(tǒng)

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)和原理

傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括：一個(gè)中心波長(zhǎng)650nm、功率10mW的半導(dǎo)體激光二極管；一片東芝公司的TCD1208AP型線陣CCD；一片高性能窄帶濾波片，中心波長(zhǎng)650 nm，帶寬10 nm，可有效消除弧光的影響；限位孔和接收器。

圖2 傳感器光路原理

當(dāng)半導(dǎo)體激光二極管發(fā)射的光束照射到波紋板表面時(shí)，由于波紋板表面具有一定的粗糙度，激光束在波紋板表面發(fā)生漫反射，漫反射光線經(jīng)過(guò)接收器前端的方形限位孔時(shí)形成光錐，光錐通過(guò)窄帶濾波片后在CCD上形成一定的曝光寬度。當(dāng)傳感器與波紋板之間的距離改變時(shí)，CCD上的曝光寬度也隨之改變，通過(guò)CCD輸出的信號(hào)可以判斷距離的變化。

2.2 線陣CCD的驅(qū)動(dòng)

激光傳感器使用的CCD芯片為T(mén)CD1208AP。TCD1208AP是日本東芝公司生產(chǎn)的線陣CCD，像元總數(shù)2 160個(gè)，像元尺寸14μm×14μm，中心距14μ m，靈敏度高，暗電流低，工作電壓為直流5 V，是兩相輸出的CCD器件[1]。

CCD有多種驅(qū)動(dòng)方式，其中一種是采用DSP驅(qū)動(dòng)。DSP不僅可以產(chǎn)生CCD所需的驅(qū)動(dòng)脈沖，還可以利用DSP強(qiáng)大的計(jì)算能力對(duì)CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。TMS320LF2407A包括兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)事件管理器包括兩個(gè)通用定時(shí)器，三個(gè)帶可編程死區(qū)的比較單元[2]。每個(gè)通用定時(shí)器都可以獨(dú)立地提供一個(gè)PWM輸出，因此，通用定時(shí)器最多可以提供四個(gè)PWM輸出。每個(gè)比較單元可獨(dú)立產(chǎn)生一對(duì)頻率相同、占空比可調(diào)的PWM波形。所以，TMS320LF2407A可以滿足CCD的驅(qū)動(dòng)要求。

將事件管理器EVA的比較單元1產(chǎn)生的PWM1和PWM2作為CCD的復(fù)位脈沖RS和移位時(shí)鐘脈沖φ1、φ2，T2定時(shí)器的T2PWM輸出作為轉(zhuǎn)移脈沖SH。TMS320LF2407A產(chǎn)生的三路PWM波形如圖3所示。因?yàn)閮上嘁莆粫r(shí)鐘脈沖φ1、φ2的頻率范圍是 0.15～1.0 MHz，復(fù)位脈沖 RS 的頻率范圍是0.3～2.0MHz，轉(zhuǎn)移脈沖 SH 為低電平的時(shí)間應(yīng)不小于2 160個(gè) φ1(或 φ2)周期[3]，所以，綜合考慮取PWM1、PWM2的頻率為400 kHz，T2PWM的頻率為174 Hz。圖3中1號(hào)線為T(mén)2PWM(即SH)，2號(hào)線為PWM2(即時(shí)鐘脈沖 φ1，φ2)，3 號(hào)線為 PWM1(即 RS)。TCD 1208AP驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖4所示。

圖3 DSP輸出脈沖波形

圖4 TCD1208AP驅(qū)動(dòng)時(shí)序

由圖4可知，兩相時(shí)鐘脈沖φ1、φ2是一組周期、頻率相同，相位相反的脈沖，因此，可由PWM2經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器二分頻得到。PWM2的頻率是400 kHz，二分頻之后是200kHz，所以φ1、φ2的頻率為200kHz，滿足φ 的頻率是RS頻率0.5倍的要求。由于TMS320 LF2407A輸出的PWM波形的峰值電壓只有3.3 V，而TCD1208AP的驅(qū)動(dòng)脈沖電壓是5 V，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。解決方法是采用一組反相器對(duì)所有PWM輸出進(jìn)行反相處理，電路如圖5所示。

圖5 CCD驅(qū)動(dòng)電路

DSP的三路PWM輸出經(jīng)過(guò)分頻、反相電路的處理之后，輸出波形如圖6所示。圖6中1～4號(hào)線分別是 SH、φ1、φ2、RS，與圖4 對(duì)比可知，這四路 PWM波形與CCD所需要的驅(qū)動(dòng)脈沖波形一致，滿足CCD的工作要求。

圖6 DSP輸出CCD驅(qū)動(dòng)波形

3 試驗(yàn)與分析

3.1 傳感器特性

CCD的信號(hào)輸出端OS輸出的電壓波形具有一定的周期性，其周期與CCD移位脈沖SH的周期相關(guān)，為一定值。這一點(diǎn)可以從圖7得到驗(yàn)證，圖中OS輸出波形的周期為6.5 ms。接收器與波紋板之間距離的改變，反映在波形上表現(xiàn)為波形波峰和波谷的比例的變化。如圖7所示，波峰對(duì)應(yīng)的是未被激光照射的CCD片段，其電壓為一定值；波谷對(duì)應(yīng)的是被激光照射的CCD片段，其電壓大小與光照強(qiáng)度有關(guān)。在整個(gè)CCD上都存在弧光和自然光的影響，但是高性能濾波片可以有效消除弧光和環(huán)境光對(duì)CCD的影響，使影響可以忽略不計(jì)。

圖7 CCD的OS輸出信號(hào)波形

圖8 OS端輸出電壓信號(hào)示意

設(shè)OS輸出波形(見(jiàn)圖8)的波峰電壓為U1，波谷電壓為U2，一個(gè)波形周期T內(nèi)波峰電壓和波谷電壓所對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為t1和t2，U為平均電壓。則存在以下關(guān)系

由上式可以推得

由于 U1、U2、T 均為常量，且 U1≥U2，所以 U 是t2的減函數(shù)，且呈線性。又t2與CCD被照亮的寬度S有關(guān)，S 越寬，t2越長(zhǎng)，即 t2＝f(S)是 S 的增函數(shù)。故 U＝g(t2)＝g[f(S)]是 S 的減函數(shù)。

將波紋板與接收器限位孔之間的距離設(shè)為L(zhǎng)，當(dāng)激光照射在波紋板上的光斑在接收器的軸線上時(shí)，線陣CCD被照亮的寬度最長(zhǎng)，此時(shí)光斑到限位孔的距離設(shè)為 L0。分兩種情況討論：(1)當(dāng) L＞L0時(shí)，激光在波紋板上的光斑位于接收器軸線的下方，此時(shí)，光錐在CCD所在平面內(nèi)上移；(2)當(dāng)L＜L0時(shí)，激光在波紋板上的光斑位于接收器軸線的上方，此時(shí)，光錐在CCD所在平面內(nèi)下移。當(dāng)光錐上移或下移時(shí)，CCD的曝光寬度都將變短。根據(jù)上述，可以得到接收器與波紋板之間的距離L和平均電壓U之間的關(guān)系：

(1)當(dāng) L＜L0時(shí)，L 增大，S增大，則 U 減??；

(2)當(dāng) L＝L0時(shí)，S 為最大值，U 為最小值；

(3)當(dāng) L＞L0時(shí)，L 增大，S減小，則 U 增大。

試驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)傳感器與工件之間的距離從5 mm逐漸增大到35 mm時(shí)，OS端輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)巴特沃茲濾波器濾波后得到的傳感器特性曲線如圖9所示。從圖9可知，當(dāng)13.5mm≤L≤19 mm 時(shí)，特性曲線較為平滑，呈遞減趨勢(shì)；當(dāng)24.5 mm≤L≤31 mm時(shí)，特性曲線呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。因此，實(shí)際測(cè)量過(guò)程中可以選擇該兩個(gè)區(qū)間段作為測(cè)量范圍。

圖9 激光傳感器特性曲線

3.2 跟蹤試驗(yàn)方案一

由于激光傳感器的測(cè)量范圍較小，而波紋板頂面與槽面間的垂直距離大于激光傳感器的測(cè)量范圍，因此，激光傳感器進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)必須隨著波紋板的起伏而跟進(jìn)或退出。為了不增添新的運(yùn)動(dòng)軸，激光傳感器安裝在y軸上，并前置于焊槍，運(yùn)動(dòng)軌跡與焊槍末端運(yùn)動(dòng)軌跡相同。根據(jù)傳感器的特性曲線設(shè)計(jì)了兩種跟蹤方案，首先，選取傳感器特性曲線下降特性段，設(shè)置傳感器滯后于當(dāng)前波紋位置9.69mm，距離波紋板14 mm。實(shí)際測(cè)得的波紋板尺寸、激光傳感器跟蹤路徑如圖10所示。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

圖10 滯后9.69 mm狀態(tài)下激光傳感器跟蹤路徑

數(shù)據(jù)采集可由TMS320LF2407A的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC實(shí)現(xiàn)，采樣頻率為500 Hz，采樣原始數(shù)據(jù)波形如圖11所示。由圖11可見(jiàn)，信號(hào)波形十分混亂，雜波信號(hào)完全掩蓋了波紋板的信息，必須進(jìn)行濾波。首先對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，獲取目標(biāo)信號(hào)頻率范圍。由圖12可見(jiàn)，能量最高的頻率小于1Hz，所以，目標(biāo)信號(hào)的頻率范圍為0～1 Hz，可通過(guò)數(shù)字濾波器濾掉高頻雜波信號(hào)。數(shù)字濾波可以通過(guò)Matlab設(shè)計(jì)的巴特沃茲濾波器實(shí)現(xiàn)，巴特沃茲濾波器的特點(diǎn)是具有通帶內(nèi)最大平坦的振幅特性，而且隨著頻率的升高而單調(diào)下降。濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)為：采樣頻率 fs＝500 Hz，通帶邊界頻率 Wp＝2 Hz，阻帶邊界頻率 Ws＝5 Hz，通帶波動(dòng)設(shè)置為 0.1dB，最小阻帶衰減設(shè)置為25dB。通過(guò)巴特沃茲濾波器濾波后獲得的數(shù)據(jù)波形如圖13所示。

圖11 方案一原始數(shù)據(jù)波形

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該跟蹤方案的正確性，可以根據(jù)傳感器特性曲線下降段繪制出跟蹤方案下的理想信號(hào)波形，如圖14所示。

圖12 方案一原始數(shù)據(jù)FFT變換頻譜圖

圖13 方案一濾波后數(shù)據(jù)波形

圖14 方案一理想信號(hào)波形

傳感器從波紋板直線段開(kāi)始檢測(cè)，由于檢測(cè)距離不變，因此，信號(hào)表現(xiàn)為平直線段。由于傳感器滯后于波紋板周期，在1號(hào)參考線位置處傳感器提前進(jìn)入圓弧和斜線插補(bǔ)動(dòng)作，傳感器到波紋板的距離經(jīng)歷從圓弧到斜線方式的減小，傳感器信號(hào)逐漸增大。當(dāng)傳感器到達(dá)2號(hào)傳感器位置時(shí)，傳感器到波紋板之間距離減小到傳感器測(cè)量范圍之外，即盲區(qū)，傳感器信號(hào)達(dá)到最大。隨后兩者距離繼續(xù)減小，傳感器信號(hào)保持最大，到達(dá)3號(hào)參考線位置處時(shí)，兩者距離達(dá)到最小，接著保持距離不變運(yùn)動(dòng)到4號(hào)參考線處。從4號(hào)參考線到5號(hào)參考線，傳感器到波紋板之間距離的變化與2號(hào)參考線到3號(hào)參考線恰恰相反，傳感器信號(hào)一直保持為最大值。過(guò)5號(hào)參考線后，兩者距離進(jìn)入傳感器測(cè)量范圍，且不斷增大，傳感器輸出信號(hào)逐漸減小。到達(dá)6號(hào)參考線位置后，距離開(kāi)始保持不變，信號(hào)輸出大小也不再變化，一直持續(xù)到7號(hào)參考線位置。從7號(hào)參考線位置到10參考線位置，傳感器的軌跡從圓弧過(guò)渡到斜線，傳感器與波紋板之間的距離逐漸增大到最大，但仍在傳感器測(cè)量范圍之內(nèi)，因此傳感器信號(hào)輸出隨之減小到最小值。隨后，兩者距離保持不變直到11號(hào)參考線處，信號(hào)輸出也保持不變。11號(hào)參考線到14號(hào)參考線之間，傳感器與波紋板之間距離的變化是7號(hào)參考線到10號(hào)參考線之間兩者距離變化的逆過(guò)程。過(guò)14號(hào)參考線后，兩者距離再次保持穩(wěn)定，輸出信號(hào)穩(wěn)定表現(xiàn)為直線。

在圖13 中，a，b，c，d，e，f，g，h 點(diǎn)為波形跳變點(diǎn)，利用跳變點(diǎn)將整個(gè)波形標(biāo)識(shí)成段：起點(diǎn)→a，a→b，b→c，c→d，d→e，e→f，f→g，g→h，h→終點(diǎn)。在圖14中，用參考線將理想波形標(biāo)識(shí)成段：起點(diǎn)→1，1→2，2→5，5→6，6→7，7→10，10→11，11→14，14→終點(diǎn)。將圖13與圖14中標(biāo)識(shí)的各段按照從起點(diǎn)到終點(diǎn)的順序逐段進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)各段存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，且各段吻合較好，說(shuō)明該跟蹤方案是正確可行的。

3.3 跟蹤試驗(yàn)方案二

選取傳感器特性曲線上升特性段，設(shè)計(jì)了跟蹤方案二。設(shè)置傳感器超前于當(dāng)前檢測(cè)波紋位置12.28 mm，距離波紋板30 mm。實(shí)際測(cè)得的波紋板尺寸、激光傳感器跟蹤路徑如圖15所示。

圖15 超前12.28 mm狀態(tài)下激光傳感器跟蹤路徑

方案二的數(shù)據(jù)采集、處理方法與方案一相同，其原始數(shù)據(jù)波形如圖16所示。經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換得到頻譜圖如圖17所示。使用與方案一相同參數(shù)的巴特沃茲濾波器進(jìn)行濾波，得到信號(hào)波形，如圖18所示。

圖16 方案二原始數(shù)據(jù)波形

圖17 方案二原始數(shù)據(jù)FFT變換頻譜圖

圖18 方案二波后數(shù)據(jù)波形

利用傳感器特性曲線上升特性段繪制方案二的理想波形，如圖19所示。使用方案一的比較方法，將圖18濾波后的數(shù)據(jù)波形與圖19中的理想信號(hào)波形比較可知，兩者波形也是一致的，吻合較好，證明該跟蹤方案也是正確可行的。

圖19 方案二理想信號(hào)波形

4 結(jié)論

(1)利用DSP產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的分頻、反相處理后驅(qū)動(dòng)線陣CCD并采集CCD輸出信號(hào)，實(shí)驗(yàn)證明此方法能夠滿足CCD的驅(qū)動(dòng)要求，可以使CCD正常工作并完成信號(hào)采集。

(2)根據(jù)傳感器到波紋板間的距離與傳感器輸出信號(hào)的平均電壓之間的關(guān)系得到傳感器的特性曲線，利用傳感器特性曲線繪制跟蹤路徑下的理想信號(hào)波形，將通過(guò)數(shù)字濾波器得到的信號(hào)波形與理想信號(hào)波形對(duì)比，兩波形吻合較好，證明了分析方法的正確性。

[1]TOSHIBA Corporation.TCD1208AP DATA SHEET[M].[出版地不詳]，1997.

[2]劉和平.TMS320LF240xDSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[3]蔡文貴，李永遠(yuǎn)，許振華.CCD技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1992.

Study on fold-line seam tracking for corrugated plate of container

ZHANG Gen-yuan，YANG Quan-hai，SHANG Yu-jie
(School of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022,China)

In order to achieve automatic welding of container corrugated plate,this paper uses a linear rail－type welding robot which has four degrees of freedom and can change the torch＇s position at the fold position of the corrugated plate.A laser sensor is designed,which can detect the fold position of the corrugated plate.The DSP chip TMS320LF2407A is used to generate PWM signal to drive the linear CCD chip of the sensor and collect the output signal of sensor，the collection signal is transmitted to the top－computer by serial port.The noise signal in the output signal of the sensor is filtered by digital filter then the effective signal is obtained.The effective signal is compared with the desired signal to verify the effectiveness of the detection method.The effectiveness of the detection method is verified by two analysis scheme.

laser sensor；linear CCD；seam tracking

TG441.7

A

1001－2303(2011)03－0005－06

2010－08－09；

2010－11－26

張根元(1963—)，男，江蘇昆山人，副教授，碩士，主要從事焊接過(guò)程智能控制方面的研究工作。