集装箱波纹板折线焊缝跟踪的研究

张根元，杨全海，尚于杰

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

集装箱波纹板折线焊缝跟踪的研究

张根元，杨全海，尚于杰

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

为了实现类似于集装箱波纹板形式的焊缝自动焊接，采用了一种四自由度、可在波纹板折线位置处改变焊枪角度的直线轨道式焊接机器人。设计了空间漫反射激光测距传感器检测波纹板的折弯位置，利用TMS320LF2407A型DSP产生PWM脉冲信号驱动传感器芯片线阵CCD，并采集传感器输出信号，通过串行口传输到上位计算机。通过数字滤波器滤掉传感器输出信号中的杂波信号得到有效信号波形，设计了两种分析方案，将滤波得到的信号波形与理想信号波形比较，证明了该检测方法有效性。

激光传感器；线阵CCD；焊缝跟踪

0 前言

集装箱运输的迅速发展带动了集装箱制造业的繁荣。中国生产的标准干货集装箱占世界产量的95%以上，集装箱产销量十多年来一直保持世界第一。但是，目前集装箱的生产还没有完全实现自动化，尤其是作为侧壁的波纹板和上、下侧梁的焊接，仍然使用普通焊条电弧焊和仿形焊接，不利于提高生产效率、稳定产品质量。此类焊缝是短线段、多周期的折线焊缝，需要焊枪在折弯点处不断地改变姿态，而且波纹板本身还存在制造误差，焊接过程中的焊接变形等也会影响焊接精度。因此，实现波纹板自动焊接的关键是实现波纹板折弯位置的跟踪检测，这样才能保证焊接过程顺利进行。

1 集装箱波纹板

试验采用的集装箱波纹板是30°的波纹板，尺寸如图1所示。集装箱的长度一般是6 m、12 m，因此，每条折线焊缝至少有二十多个周期，近百个折弯点。

图1 波纹板尺寸示意

2 激光传感器系统

2.1 传感器结构和原理

传感器系统结构如图2所示，主要包括：一个中心波长650nm、功率10mW的半导体激光二极管；一片东芝公司的TCD1208AP型线阵CCD；一片高性能窄带滤波片，中心波长650 nm，带宽10 nm，可有效消除弧光的影响；限位孔和接收器。

图2 传感器光路原理

当半导体激光二极管发射的光束照射到波纹板表面时，由于波纹板表面具有一定的粗糙度，激光束在波纹板表面发生漫反射，漫反射光线经过接收器前端的方形限位孔时形成光锥，光锥通过窄带滤波片后在CCD上形成一定的曝光宽度。当传感器与波纹板之间的距离改变时，CCD上的曝光宽度也随之改变，通过CCD输出的信号可以判断距离的变化。

2.2 线阵CCD的驱动

激光传感器使用的CCD芯片为TCD1208AP。TCD1208AP是日本东芝公司生产的线阵CCD，像元总数2 160个，像元尺寸14μm×14μm，中心距14μ m，灵敏度高，暗电流低，工作电压为直流5 V，是两相输出的CCD器件[1]。

CCD有多种驱动方式，其中一种是采用DSP驱动。DSP不仅可以产生CCD所需的驱动脉冲，还可以利用DSP强大的计算能力对CCD的输出信号进行处理。TMS320LF2407A包括两个事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器包括两个通用定时器，三个带可编程死区的比较单元[2]。每个通用定时器都可以独立地提供一个PWM输出，因此，通用定时器最多可以提供四个PWM输出。每个比较单元可独立产生一对频率相同、占空比可调的PWM波形。所以，TMS320LF2407A可以满足CCD的驱动要求。

将事件管理器EVA的比较单元1产生的PWM1和PWM2作为CCD的复位脉冲RS和移位时钟脉冲φ1、φ2，T2定时器的T2PWM输出作为转移脉冲SH。TMS320LF2407A产生的三路PWM波形如图3所示。因为两相移位时钟脉冲φ1、φ2的频率范围是 0.15～1.0 MHz，复位脉冲 RS 的频率范围是0.3～2.0MHz，转移脉冲 SH 为低电平的时间应不小于2 160个 φ1(或 φ2)周期[3]，所以，综合考虑取PWM1、PWM2的频率为400 kHz，T2PWM的频率为174 Hz。图3中1号线为T2PWM(即SH)，2号线为PWM2(即时钟脉冲 φ1，φ2)，3 号线为 PWM1(即 RS)。TCD 1208AP驱动时序如图4所示。

图3 DSP输出脉冲波形

图4 TCD1208AP驱动时序

由图4可知，两相时钟脉冲φ1、φ2是一组周期、频率相同，相位相反的脉冲，因此，可由PWM2经过D触发器二分频得到。PWM2的频率是400 kHz，二分频之后是200kHz，所以φ1、φ2的频率为200kHz，满足φ 的频率是RS频率0.5倍的要求。由于TMS320 LF2407A输出的PWM波形的峰值电压只有3.3 V，而TCD1208AP的驱动脉冲电压是5 V，因此需要进行电平转换。解决方法是采用一组反相器对所有PWM输出进行反相处理，电路如图5所示。

图5 CCD驱动电路

DSP的三路PWM输出经过分频、反相电路的处理之后，输出波形如图6所示。图6中1～4号线分别是 SH、φ1、φ2、RS，与图4 对比可知，这四路 PWM波形与CCD所需要的驱动脉冲波形一致，满足CCD的工作要求。

图6 DSP输出CCD驱动波形

3 试验与分析

3.1 传感器特性

CCD的信号输出端OS输出的电压波形具有一定的周期性，其周期与CCD移位脉冲SH的周期相关，为一定值。这一点可以从图7得到验证，图中OS输出波形的周期为6.5 ms。接收器与波纹板之间距离的改变，反映在波形上表现为波形波峰和波谷的比例的变化。如图7所示，波峰对应的是未被激光照射的CCD片段，其电压为一定值；波谷对应的是被激光照射的CCD片段，其电压大小与光照强度有关。在整个CCD上都存在弧光和自然光的影响，但是高性能滤波片可以有效消除弧光和环境光对CCD的影响，使影响可以忽略不计。

图7 CCD的OS输出信号波形

图8 OS端输出电压信号示意

设OS输出波形(见图8)的波峰电压为U1，波谷电压为U2，一个波形周期T内波峰电压和波谷电压所对应的时间分别为t1和t2，U为平均电压。则存在以下关系

由上式可以推得

由于 U1、U2、T 均为常量，且 U1≥U2，所以 U 是t2的减函数，且呈线性。又t2与CCD被照亮的宽度S有关，S 越宽，t2越长，即 t2＝f(S)是 S 的增函数。故 U＝g(t2)＝g[f(S)]是 S 的减函数。

将波纹板与接收器限位孔之间的距离设为L，当激光照射在波纹板上的光斑在接收器的轴线上时，线阵CCD被照亮的宽度最长，此时光斑到限位孔的距离设为 L0。分两种情况讨论：(1)当 L＞L0时，激光在波纹板上的光斑位于接收器轴线的下方，此时，光锥在CCD所在平面内上移；(2)当L＜L0时，激光在波纹板上的光斑位于接收器轴线的上方，此时，光锥在CCD所在平面内下移。当光锥上移或下移时，CCD的曝光宽度都将变短。根据上述，可以得到接收器与波纹板之间的距离L和平均电压U之间的关系：

(1)当 L＜L0时，L 增大，S增大，则 U 减小；

(2)当 L＝L0时，S 为最大值，U 为最小值；

(3)当 L＞L0时，L 增大，S减小，则 U 增大。

试验测得，当传感器与工件之间的距离从5 mm逐渐增大到35 mm时，OS端输出电压信号经过巴特沃兹滤波器滤波后得到的传感器特性曲线如图9所示。从图9可知，当13.5mm≤L≤19 mm 时，特性曲线较为平滑，呈递减趋势；当24.5 mm≤L≤31 mm时，特性曲线呈现递增趋势。因此，实际测量过程中可以选择该两个区间段作为测量范围。

图9 激光传感器特性曲线

3.2 跟踪试验方案一

由于激光传感器的测量范围较小，而波纹板顶面与槽面间的垂直距离大于激光传感器的测量范围，因此，激光传感器进行信号采集时必须随着波纹板的起伏而跟进或退出。为了不增添新的运动轴，激光传感器安装在y轴上，并前置于焊枪，运动轨迹与焊枪末端运动轨迹相同。根据传感器的特性曲线设计了两种跟踪方案，首先，选取传感器特性曲线下降特性段，设置传感器滞后于当前波纹位置9.69mm，距离波纹板14 mm。实际测得的波纹板尺寸、激光传感器跟踪路径如图10所示。

3.2.1 实验数据处理

图10 滞后9.69 mm状态下激光传感器跟踪路径

数据采集可由TMS320LF2407A的模数转换模块ADC实现，采样频率为500 Hz，采样原始数据波形如图11所示。由图11可见，信号波形十分混乱，杂波信号完全掩盖了波纹板的信息，必须进行滤波。首先对原始信号进行快速傅里叶变换，获取目标信号频率范围。由图12可见，能量最高的频率小于1Hz，所以，目标信号的频率范围为0～1 Hz，可通过数字滤波器滤掉高频杂波信号。数字滤波可以通过Matlab设计的巴特沃兹滤波器实现，巴特沃兹滤波器的特点是具有通带内最大平坦的振幅特性，而且随着频率的升高而单调下降。滤波器的设计参数为：采样频率 fs＝500 Hz，通带边界频率 Wp＝2 Hz，阻带边界频率 Ws＝5 Hz，通带波动设置为 0.1dB，最小阻带衰减设置为25dB。通过巴特沃兹滤波器滤波后获得的数据波形如图13所示。

图11 方案一原始数据波形

3.2.2 实验结果分析

为了验证该跟踪方案的正确性，可以根据传感器特性曲线下降段绘制出跟踪方案下的理想信号波形，如图14所示。

图12 方案一原始数据FFT变换频谱图

图13 方案一滤波后数据波形

图14 方案一理想信号波形

传感器从波纹板直线段开始检测，由于检测距离不变，因此，信号表现为平直线段。由于传感器滞后于波纹板周期，在1号参考线位置处传感器提前进入圆弧和斜线插补动作，传感器到波纹板的距离经历从圆弧到斜线方式的减小，传感器信号逐渐增大。当传感器到达2号传感器位置时，传感器到波纹板之间距离减小到传感器测量范围之外，即盲区，传感器信号达到最大。随后两者距离继续减小，传感器信号保持最大，到达3号参考线位置处时，两者距离达到最小，接着保持距离不变运动到4号参考线处。从4号参考线到5号参考线，传感器到波纹板之间距离的变化与2号参考线到3号参考线恰恰相反，传感器信号一直保持为最大值。过5号参考线后，两者距离进入传感器测量范围，且不断增大，传感器输出信号逐渐减小。到达6号参考线位置后，距离开始保持不变，信号输出大小也不再变化，一直持续到7号参考线位置。从7号参考线位置到10参考线位置，传感器的轨迹从圆弧过渡到斜线，传感器与波纹板之间的距离逐渐增大到最大，但仍在传感器测量范围之内，因此传感器信号输出随之减小到最小值。随后，两者距离保持不变直到11号参考线处，信号输出也保持不变。11号参考线到14号参考线之间，传感器与波纹板之间距离的变化是7号参考线到10号参考线之间两者距离变化的逆过程。过14号参考线后，两者距离再次保持稳定，输出信号稳定表现为直线。

在图13 中，a，b，c，d，e，f，g，h 点为波形跳变点，利用跳变点将整个波形标识成段：起点→a，a→b，b→c，c→d，d→e，e→f，f→g，g→h，h→终点。在图14中，用参考线将理想波形标识成段：起点→1，1→2，2→5，5→6，6→7，7→10，10→11，11→14，14→终点。将图13与图14中标识的各段按照从起点到终点的顺序逐段进行比较，可以发现各段存在一一对应关系，且各段吻合较好，说明该跟踪方案是正确可行的。

3.3 跟踪试验方案二

选取传感器特性曲线上升特性段，设计了跟踪方案二。设置传感器超前于当前检测波纹位置12.28 mm，距离波纹板30 mm。实际测得的波纹板尺寸、激光传感器跟踪路径如图15所示。

图15 超前12.28 mm状态下激光传感器跟踪路径

方案二的数据采集、处理方法与方案一相同，其原始数据波形如图16所示。经过快速傅里叶变换得到频谱图如图17所示。使用与方案一相同参数的巴特沃兹滤波器进行滤波，得到信号波形，如图18所示。

图16 方案二原始数据波形

图17 方案二原始数据FFT变换频谱图

图18 方案二波后数据波形

利用传感器特性曲线上升特性段绘制方案二的理想波形，如图19所示。使用方案一的比较方法，将图18滤波后的数据波形与图19中的理想信号波形比较可知，两者波形也是一致的，吻合较好，证明该跟踪方案也是正确可行的。

图19 方案二理想信号波形

4 结论

(1)利用DSP产生PWM脉冲信号，经过驱动电路的分频、反相处理后驱动线阵CCD并采集CCD输出信号，实验证明此方法能够满足CCD的驱动要求，可以使CCD正常工作并完成信号采集。

(2)根据传感器到波纹板间的距离与传感器输出信号的平均电压之间的关系得到传感器的特性曲线，利用传感器特性曲线绘制跟踪路径下的理想信号波形，将通过数字滤波器得到的信号波形与理想信号波形对比，两波形吻合较好，证明了分析方法的正确性。

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

[2]刘和平.TMS320LF240xDSP结构、原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3]蔡文贵，李永远，许振华.CCD技术及应用[M].北京：电子工业出版社，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

张根元(1963—)，男，江苏昆山人，副教授，硕士，主要从事焊接过程智能控制方面的研究工作。