基于CCD視覺成像的管-板焊接裝置設計及檢測方法*

梁 為，于復生，嚴高超，朱寶星

（山東建筑大學 機電工程學院，濟南 250101）

0 前 言

在鍋爐、石油、化工、核能等工業部門的熱交換器生產中，熱交換器是重要的熱力設備[1]。我國的壓力容器制造行業與世界工業發達國家相比，無論在產能、生產效率、技術裝備的先進性，還是產品質量控制與管理、技術標準和信息化技術的應用等方面，都存在較大差距[2]。 在整個換熱器的制作過程中，管子和管板接頭的焊接是工序的關鍵部分[3]，如果焊縫的根部沒有焊透，焊縫中存在裂紋、氣孔等缺陷，在檢驗中又未被發現，那么在運行中就會在交變應力的作用下，使缺陷擴展、泄漏通道擴大、從而導致沖蝕、以至泄漏，影響整機的運行安全[4]。 而管-板焊接接頭在運行過程中發生泄漏是換熱器不能正常工作的主要原因[5]，因此管-板焊接接頭的質量將直接影響設備的使用壽命[6]。

在換熱器的生產制造過程中，管子與管板焊接的特點是：接頭數量大，焊接位置苛刻，工作環境惡劣。 近年來，國內開發了多種類型的管-板自動焊機[7-17]，如李敏[11]設計的全位置自動管板氬弧焊機，使焊機結構更加緊湊，提高定位精度，進而提高焊接質量。 又如王振民等[16]研制的全數字管板自動化焊機，具有良好的動靜態性能，焊縫成形美觀，“魚鱗紋” 規則均勻，焊接質量較高，但是在實現整臺換熱器上千個管孔全自動焊接方面仍存在一些問題，因此研發了基于CCD 視覺成像的管－板焊接裝置，并提供了用于該裝置的檢測方法。

1 管-板焊接裝置整體結構設計

圖1 管-板焊接裝置結構示意圖

管－板焊接裝置的結構設計如圖1 所示。 該裝置是由控制系統、移動機構、視覺成像系統和焊接裝置組成的，移動機構包括y 軸旋轉機構、z 軸升降機構、x 軸旋轉機構、CCD 移動機構、焊機移動機構、z 軸旋轉機構和x 軸移動機構，視覺成像系統包括CCD 視覺成像系統、激光測距傳感器和CCD 光源，焊接裝置為焊機，控制系統為PLC 控制器。 x 軸移動機構上方安裝有z 軸旋轉機構，z 軸旋轉機構上方安裝有z 軸升降機構，z 軸升降機構側面安裝有x 軸旋轉機構，x 軸旋轉機構外側安裝有y 軸旋轉結構，y 軸旋轉結構上方安裝有CCD 移動機構和焊機移動機構，CCD移動機構和焊機移動機構后方安裝有PLC 控制器，CCD 移動機構前方安裝有CCD 視覺成像系統、CCD 光源和激光測距傳感器，焊機移動機構前方安裝有焊機。

y 軸旋轉機構、z 軸升降機構、x 軸旋轉機構、CCD 移動機構、焊機移動機構、z 軸旋轉機構和x 軸移動機構采用液壓驅動并配備相應的位移傳感器，z 軸升降機構用于實現y 軸旋轉機構、PLC 控制器、CCD 移動機構、焊機移動機構、CCD 視覺成像系統、激光測距傳感器、CCD 光源和焊機沿z 軸的升降運動； x 軸旋轉機構用于實現y 軸旋轉機構、PLC 控制器、CCD 視覺成像系統、激光測距傳感器、CCD 光源和焊機繞x 軸方向的旋轉運動； z 軸旋轉機構用于實現 y 軸旋轉機構、PLC 控制器、z 軸升降機構、x 軸旋轉機構、CCD 移動機構、焊機移動機構、CCD 視覺成像系統、激光測距傳感器、CCD 光源和焊機繞z 軸方向的旋轉運動； x 軸移動機構用于實現y 軸旋轉機構、PLC控制器、z 軸旋轉機構、z 軸升降機構、x 軸旋轉機構、CCD 移動機構、焊機移動機構、CCD視覺成像系統、激光測距傳感器、CCD 光源和焊機沿x 軸方向的運動； y 軸旋轉機構用于實現 PLC 控制器、CCD 移動機構、焊機移動機構、CCD 視覺成像系統、激光測距傳感器、CCD 光源和焊機繞y 軸的旋轉運動； CCD 移動機構用于實現CCD 視覺成像系統、激光測距傳感器和CCD 光源的伸縮運動； 焊機移動機構用于實現焊機的伸縮運動，旋轉機構和移動機構液壓工作原理如圖2 和圖3 所示。

z 軸升降機構移動的高度位置信息，x 軸移動機構的水平位置信息，x 軸旋轉機構、y 軸旋轉機構和z 軸旋轉機構旋轉的角度信息，CCD 移動機構和焊機移動機構的移動位置信息被記錄下來。

圖2 旋轉機構液壓工作原理

圖3 移動機構液壓工作原理

2 管孔中心坐標檢測方法

管孔中心坐標的檢測方法包括四個步驟：

（1） 將待測工件擺放至焊接裝置前方。 待測工件的板面與焊接裝置所處水平面和垂直面的水平偏角為α 和垂直偏角為β，管排中心連線與水平線間的夾角即管排傾角為θ，如圖4 和圖5所示。

圖4 管-板面檢測點及夾角示意圖

圖5 管排傾斜度示意圖

（2） 確定板面上不共線三點的坐標。 通過PLC 控制器控制z 軸升降機構和x 軸移動機構帶動激光測距傳感器上下左右移動，檢測板面上不共線的三個點分別到傳感器的距離，確定待測工件的板面上不共線三點的坐標。

（3） 求得待測板面的平面方程。 假設不共線的三點 （A、B、C） 坐標分別為 A （xa，ya，za）、B （xb，yb，zb）、C （xc，yc，zc），設平面的一般方程為：

將所得到的三點坐標代入所設平面方程可得

轉化成行列式為

（4） 調整 CCD 視覺成像系統。 根據所得到的平面方程，通過兩平面法向量的夾角計算得到板面與水平面和垂直面所成水平偏角α 和垂直偏角β，利用PLC 控制器控制x 軸旋轉機構和z 軸旋轉機構帶動CCD 視覺成像系統旋轉水平偏角α 和垂直偏角β，使CCD 視覺成像系統與板面垂直，焊機與CCD 視覺成像系統由x 軸旋轉機構和Z 軸旋轉機構同時調整，固此時焊機同樣與板面垂直。 CCD 視覺成像系統與待測工件垂直后，利用CCD 視覺成像系統檢測任意一排中的兩個管孔中心坐標，即可得到該排管孔中心所在的直線，該直線的斜率即為管排傾角θ，控制y 軸旋轉機構帶動CCD 視覺成像系統旋轉抵消掉θ，此時CCD 視覺成像系統與管板面相對水平，便于后續管孔中心坐標的測量。

通過CCD 視覺成像系統獲取管孔坐標，再由PLC 控制器控制整機完成管板焊接工序。

3 結束語

基于CCD 視覺的管－板焊接裝置能實現整臺換熱器上千個管孔的全自動焊接，該檢測方法能夠準確獲取管-板表面管孔中心坐標，為管子管板的全自動焊接工作提供準確數據，保證管－板焊接的質量和速度，降低勞動強度，具有一定的推廣和應用價值。