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 機電工程學院，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 機電工程學院，江蘇 常州 213022)

為了實現類似于集裝箱波紋板形式的焊縫自動焊接，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器人。設計了空間漫反射激光測距傳感器檢測波紋板的折彎位置，利用TMS320LF2407A型DSP產生PWM脈沖信號驅動傳感器芯片線陣CCD，并采集傳感器輸出信號，通過串行口傳輸到上位計算機。通過數字濾波器濾掉傳感器輸出信號中的雜波信號得到有效信號波形，設計了兩種分析方案，將濾波得到的信號波形與理想信號波形比較，證明了該檢測方法有效性。

激光傳感器；線陣CCD；焊縫跟蹤

0 前言

集裝箱運輸的迅速發展帶動了集裝箱制造業的繁榮。中國生產的標準干貨集裝箱占世界產量的95%以上，集裝箱產銷量十多年來一直保持世界第一。但是，目前集裝箱的生產還沒有完全實現自動化，尤其是作為側壁的波紋板和上、下側梁的焊接，仍然使用普通焊條電弧焊和仿形焊接，不利于提高生產效率、穩定產品質量。此類焊縫是短線段、多周期的折線焊縫，需要焊槍在折彎點處不斷地改變姿態，而且波紋板本身還存在制造誤差，焊接過程中的焊接變形等也會影響焊接精度。因此，實現波紋板自動焊接的關鍵是實現波紋板折彎位置的跟蹤檢測，這樣才能保證焊接過程順利進行。

1 集裝箱波紋板

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

圖1 波紋板尺寸示意

2 激光傳感器系統

2.1 傳感器結構和原理

傳感器系統結構如圖2所示，主要包括：一個中心波長650nm、功率10mW的半導體激光二極管；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

當半導體激光二極管發射的光束照射到波紋板表面時，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生漫反射，漫反射光線經過接收器前端的方形限位孔時形成光錐，光錐通過窄帶濾波片后在CCD上形成一定的曝光寬度。當傳感器與波紋板之間的距離改變時，CCD上的曝光寬度也隨之改變，通過CCD輸出的信號可以判斷距離的變化。

2.2 線陣CCD的驅動

激光傳感器使用的CCD芯片為TCD1208AP。TCD1208AP是日本東芝公司生產的線陣CCD，像元總數2 160個，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有多種驅動方式，其中一種是采用DSP驅動。DSP不僅可以產生CCD所需的驅動脈沖，還可以利用DSP強大的計算能力對CCD的輸出信號進行處理。TMS320LF2407A包括兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個事件管理器包括兩個通用定時器，三個帶可編程死區的比較單元[2]。每個通用定時器都可以獨立地提供一個PWM輸出，因此，通用定時器最多可以提供四個PWM輸出。每個比較單元可獨立產生一對頻率相同、占空比可調的PWM波形。所以，TMS320LF2407A可以滿足CCD的驅動要求。

將事件管理器EVA的比較單元1產生的PWM1和PWM2作為CCD的復位脈沖RS和移位時鐘脈沖φ1、φ2，T2定時器的T2PWM輸出作為轉移脈沖SH。TMS320LF2407A產生的三路PWM波形如圖3所示。因為兩相移位時鐘脈沖φ1、φ2的頻率范圍是 0.15～1.0 MHz，復位脈沖 RS 的頻率范圍是0.3～2.0MHz，轉移脈沖 SH 為低電平的時間應不小于2 160個 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號線為T2PWM(即SH)，2號線為PWM2(即時鐘脈沖 φ1，φ2)，3 號線為 PWM1(即 RS)。TCD 1208AP驅動時序如圖4所示。

圖3 DSP輸出脈沖波形

圖4 TCD1208AP驅動時序

由圖4可知，兩相時鐘脈沖φ1、φ2是一組周期、頻率相同，相位相反的脈沖，因此，可由PWM2經過D觸發器二分頻得到。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的驅動脈沖電壓是5 V，因此需要進行電平轉換。解決方法是采用一組反相器對所有PWM輸出進行反相處理，電路如圖5所示。

圖5 CCD驅動電路

DSP的三路PWM輸出經過分頻、反相電路的處理之后，輸出波形如圖6所示。圖6中1～4號線分別是 SH、φ1、φ2、RS，與圖4 對比可知，這四路 PWM波形與CCD所需要的驅動脈沖波形一致，滿足CCD的工作要求。

圖6 DSP輸出CCD驅動波形

3 試驗與分析

3.1 傳感器特性

CCD的信號輸出端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，為一定值。這一點可以從圖7得到驗證，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，反映在波形上表現為波形波峰和波谷的比例的變化。如圖7所示，波峰對應的是未被激光照射的CCD片段，其電壓為一定值；波谷對應的是被激光照射的CCD片段，其電壓大小與光照強度有關。在整個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境光對CCD的影響，使影響可以忽略不計。

圖7 CCD的OS輸出信號波形

圖8 OS端輸出電壓信號示意

設OS輸出波形(見圖8)的波峰電壓為U1，波谷電壓為U2，一個波形周期T內波峰電壓和波谷電壓所對應的時間分別為t1和t2，U為平均電壓。則存在以下關系

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，且呈線性。又t2與CCD被照亮的寬度S有關，S 越寬，t2越長，即 t2＝f(S)是 S 的增函數。故 U＝g(t2)＝g[f(S)]是 S 的減函數。

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

(1)當 L＜L0時，L 增大，S增大，則 U 減??；

(2)當 L＝L0時，S 為最大值，U 為最小值；

(3)當 L＞L0時，L 增大，S減小，則 U 增大。

試驗測得，當傳感器與工件之間的距離從5 mm逐漸增大到35 mm時，OS端輸出電壓信號經過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13.5mm≤L≤19 mm 時，特性曲線較為平滑，呈遞減趨勢；當24.5 mm≤L≤31 mm時，特性曲線呈現遞增趨勢。因此，實際測量過程中可以選擇該兩個區間段作為測量范圍。

圖9 激光傳感器特性曲線

3.2 跟蹤試驗方案一

由于激光傳感器的測量范圍較小，而波紋板頂面與槽面間的垂直距離大于激光傳感器的測量范圍，因此，激光傳感器進行信號采集時必須隨著波紋板的起伏而跟進或退出。為了不增添新的運動軸，激光傳感器安裝在y軸上，并前置于焊槍，運動軌跡與焊槍末端運動軌跡相同。根據傳感器的特性曲線設計了兩種跟蹤方案，首先，選取傳感器特性曲線下降特性段，設置傳感器滯后于當前波紋位置9.69mm，距離波紋板14 mm。實際測得的波紋板尺寸、激光傳感器跟蹤路徑如圖10所示。

3.2.1 實驗數據處理

圖10 滯后9.69 mm狀態下激光傳感器跟蹤路徑

數據采集可由TMS320LF2407A的模數轉換模塊ADC實現，采樣頻率為500 Hz，采樣原始數據波形如圖11所示。由圖11可見，信號波形十分混亂，雜波信號完全掩蓋了波紋板的信息，必須進行濾波。首先對原始信號進行快速傅里葉變換，獲取目標信號頻率范圍。由圖12可見，能量最高的頻率小于1Hz，所以，目標信號的頻率范圍為0～1 Hz，可通過數字濾波器濾掉高頻雜波信號。數字濾波可以通過Matlab設計的巴特沃茲濾波器實現，巴特沃茲濾波器的特點是具有通帶內最大平坦的振幅特性，而且隨著頻率的升高而單調下降。濾波器的設計參數為：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，通帶波動設置為 0.1dB，最小阻帶衰減設置為25dB。通過巴特沃茲濾波器濾波后獲得的數據波形如圖13所示。

圖11 方案一原始數據波形

3.2.2 實驗結果分析

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

圖12 方案一原始數據FFT變換頻譜圖

圖13 方案一濾波后數據波形

圖14 方案一理想信號波形

傳感器從波紋板直線段開始檢測，由于檢測距離不變，因此，信號表現為平直線段。由于傳感器滯后于波紋板周期，在1號參考線位置處傳感器提前進入圓弧和斜線插補動作，傳感器到波紋板的距離經歷從圓弧到斜線方式的減小，傳感器信號逐漸增大。當傳感器到達2號傳感器位置時，傳感器到波紋板之間距離減小到傳感器測量范圍之外，即盲區，傳感器信號達到最大。隨后兩者距離繼續減小，傳感器信號保持最大，到達3號參考線位置處時，兩者距離達到最小，接著保持距離不變運動到4號參考線處。從4號參考線到5號參考線，傳感器到波紋板之間距離的變化與2號參考線到3號參考線恰恰相反，傳感器信號一直保持為最大值。過5號參考線后，兩者距離進入傳感器測量范圍，且不斷增大，傳感器輸出信號逐漸減小。到達6號參考線位置后，距離開始保持不變，信號輸出大小也不再變化，一直持續到7號參考線位置。從7號參考線位置到10參考線位置，傳感器的軌跡從圓弧過渡到斜線，傳感器與波紋板之間的距離逐漸增大到最大，但仍在傳感器測量范圍之內，因此傳感器信號輸出隨之減小到最小值。隨后，兩者距離保持不變直到11號參考線處，信號輸出也保持不變。11號參考線到14號參考線之間，傳感器與波紋板之間距離的變化是7號參考線到10號參考線之間兩者距離變化的逆過程。過14號參考線后，兩者距離再次保持穩定，輸出信號穩定表現為直線。

在圖13 中，a，b，c，d，e，f，g，h 點為波形跳變點，利用跳變點將整個波形標識成段：起點→a，a→b，b→c，c→d，d→e，e→f，f→g，g→h，h→終點。在圖14中，用參考線將理想波形標識成段：起點→1，1→2，2→5，5→6，6→7，7→10，10→11，11→14，14→終點。將圖13與圖14中標識的各段按照從起點到終點的順序逐段進行比較，可以發現各段存在一一對應關系，且各段吻合較好，說明該跟蹤方案是正確可行的。

3.3 跟蹤試驗方案二

選取傳感器特性曲線上升特性段，設計了跟蹤方案二。設置傳感器超前于當前檢測波紋位置12.28 mm，距離波紋板30 mm。實際測得的波紋板尺寸、激光傳感器跟蹤路徑如圖15所示。

圖15 超前12.28 mm狀態下激光傳感器跟蹤路徑

方案二的數據采集、處理方法與方案一相同，其原始數據波形如圖16所示。經過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的巴特沃茲濾波器進行濾波，得到信號波形，如圖18所示。

圖16 方案二原始數據波形

圖17 方案二原始數據FFT變換頻譜圖

圖18 方案二波后數據波形

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濾波后的數據波形與圖19中的理想信號波形比較可知，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 方案二理想信號波形

4 結論

(1)利用DSP產生PWM脈沖信號，經過驅動電路的分頻、反相處理后驅動線陣CCD并采集CCD輸出信號，實驗證明此方法能夠滿足CCD的驅動要求，可以使CCD正常工作并完成信號采集。

(2)根據傳感器到波紋板間的距離與傳感器輸出信號的平均電壓之間的關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波形，將通過數字濾波器得到的信號波形與理想信號波形對比，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結構、原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[3]蔡文貴，李永遠，許振華.CCD技術及應用[M].北京：電子工業出版社，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，主要從事焊接過程智能控制方面的研究工作。