无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计.PDFVIP

曹莹瑜等：无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计 无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的设计 曹莹瑜，刘桂林，蒋力培，邓双城 （北京石油化工学院，北京 102617 ） 摘要：本文在参照国内外无导轨焊接机器人视觉跟踪系统的基础上，针对我校重点实验室研发的无导轨焊接机器 人进行了视觉跟踪系统的设计。选取经济可靠的高性能线阵CCD——TCD1206SUP 为核心元件，焊缝图像由线阵 CCD 摄像系统摄取，通过图像采集系统和计算机软件，对检测到的图像进行处理来准确地识别焊缝位置，计算焊 炬和实际焊缝之间的偏差，通过此偏差信号，控制器来控制执行系统运动进行实时跟踪，从而有效地提高焊缝跟 踪精度。实验结果表明所设计的无导轨焊接机器人视觉跟踪系统可以有效识别焊缝位置，并给出偏差信号。 关键词：焊缝跟踪 CCD 传感器 CPLD 软件仿真 1 前言 无导轨焊接机器人是焊接机器人的一种类型，因其无需进行焊接轨道铺设，从而极大提高了焊接效率， 并节约了焊接成本。然而，无导轨焊接机器人不能利用导轨进行焊接过程中的定向，必须配备跟踪系统进 行导向。 上世纪70 年代以前，焊缝跟踪主要是接触式传感器以便获得焊缝跟踪信息，但有跟踪精度低、使用不 便等缺点。从上世纪70 年代起，焊接工作者对非接触式传感器进行了大量的研究工作，但因结构复杂受到 限制。在上世纪80 年代末到90 年代初，国外普通埋弧焊已普遍采用闭环控制和焊缝跟踪技术，提高了焊 接自动控制水平和焊接质量。目前，对于焊缝自动跟踪的研究己经取得了相当的成就，采用激光、光纤、 CCD 传感、摄像、图像处理、计算机控制等当代高新技术使跟踪系统的先进性大大提高。 CCD 图象传感器的出现和迅速发展是成象技术领域中的一个重大的突破，它将微电子加工技术应用于 成像技术领域，结束了以往各种电子束摄像管独占成象领域的局面，与电子束摄像管相比，这种物性型固 体摄像器件具有很多的优势，应用日益广泛。为了提高CCD 传感器的性能及使用范围，人们不断研究新的 器件结构和信号处理方法，赋予CCD 器件更强的功能，以满足各种特殊应用的需要。随着CCD 应用范围 日益广泛，对CCD 器件的要求也越来越多。CCD 传感器的出现使传统的光电技术发生了重大变化，对人 类生活的许多领域有着积极的影响。目前，CCD 应用技术的研究方兴未艾，CCD 产品日新月异，国际上 竞争相当激烈，国内CCD 应用技术也有很大的发展，它的研究受到普遍重视。 本项目利用高性能线阵CCD——TCD1206SUP 为核心元件构成焊缝跟踪系统，此系统可以准确地检测 出焊缝的位置，达到视觉跟踪的效果。 2 焊缝跟踪系统原理 焊缝自动跟踪是焊接自动化的一个重要发展方向之一，是保证焊接质量，实现焊接自动化的重要技术 手段。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 3 部分组成。如图 1 所示。 在该焊缝跟踪系统中，传感器采用 CCD( 电荷耦合器件)获取焊缝偏离焊炬的位置信息，并把该信息转 换为相应大小的数据，控制器通过PI 算法由获得的偏差信号进行PI 计算得到控制信号，然后把控制信号 生成的PWM 波形送给执行机构，执行机构实施相应的纠偏动作，从而达到精确跟踪的目的。 87 第五届全国计算机在焊接中的应用学术与技术交流会论文集，2008 年10 月29 日-11 月3 日，广西南宁 3 系统组成 根据焊缝跟踪原理，本文设计的焊缝跟踪系统主要由以下几个模块组成，如图2 所示： (1)驱动模块 CCD 图像传感器在整个系统中占有重要地位，它获取信息的正确与否，关系到 整个测量系统的精度。 必须要有合适的驱动脉冲与之配合，CCD 才能稳定可靠地工作。所需的驱动脉冲本文由高性能CPLD 编程 产生。 本文采用的驱动芯片为EPM7128 ，EPM7128 是可编程的大规模逻辑器件，为Altera 公司的MAX7000 系列产品，具有高阻抗、电可擦等特点，可用门单元为2500 个，管脚间最大延迟为5ns，工作电压为+5V 。 (2)视频输出信号预处理模块 CCD 输出的信号要经过滤波、放大等处理，才能将其调整到需求的模拟输入范围。本文采用AD8031 和LM393 为预处理核心芯