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0前言

銅包鋁線(xiàn)纜是在鋁芯線(xiàn)上同心地包覆銅皮的雙金屬線(xiàn)纜。它是代替純銅制造同軸射頻電纜的良好內(nèi)導(dǎo)體，由于集膚效應(yīng)的影響，頻率很高的電磁 波信號(hào)僅集中于導(dǎo)體表面很薄的銅層上傳輸，所以 它在電視頻段內(nèi)具有與純銅線(xiàn)纜完全相同的傳輸性 能，與純銅相比，其密度只是純銅線(xiàn)纜的37%? 40%。另外，我國(guó)銅資源較缺乏，隨著信息產(chǎn)業(yè)的 迅速發(fā)展，有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)將不斷興建或更新，并將 發(fā)展電話(huà)、有線(xiàn)電視、計(jì)算機(jī)三網(wǎng)合一的網(wǎng)絡(luò)，因 此釆用優(yōu)質(zhì)的銅包鋁線(xiàn)纜來(lái)代替純銅線(xiàn)纜有廣闊的 應(yīng)用前景口劉。

銅包鋁線(xiàn)纜多通過(guò)將銅皮包覆在鋁桿上并進(jìn) 行焊接的方式生產(chǎn)，TIG焊是其常用的焊接方法， 但受包覆過(guò)程的影響，常出現(xiàn)電極與銅皮對(duì)口縫發(fā) 生偏移而焊偏，如圖1所示，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量和 生產(chǎn)的連續(xù)性，因此實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤控制十分 必要。

近年來(lái)，釆用工業(yè)CCD攝像傳感器的視覺(jué)傳 感方法不斷涌現(xiàn)，人們?cè)赥IG焊接的熔池形貌檢測(cè) 與實(shí)時(shí)控制'4切和焊縫跟蹤四場(chǎng)等方面的研究取得 了很大成功，但在銅包鋁線(xiàn)纜TIG焊生產(chǎn)中尚未見(jiàn) 應(yīng)用實(shí)例在銅包鋁線(xiàn)纜TIG焊接生產(chǎn)中,由于釆用連續(xù) 焊接電流，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)維弧期間取像，而且焊接速度很快（通常大于8 m/min）,釆用圖像處理又會(huì) 降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此，本文研制了一種釆用視 覺(jué)傳感器在近弧區(qū)取像的焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，在連 續(xù)焊接電流下能可靠識(shí)別銅包鋁對(duì)口縫。釆用模擬 電路對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理，減少了信號(hào)處理的時(shí)間， 其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和跟蹤精度達(dá)到了銅包鋁線(xiàn)纜TIG 焊實(shí)際生產(chǎn)的要求。

焊縫視頻信號(hào)處理流程如圖3所示

1視覺(jué)傳感自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的組成視覺(jué)傳感焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)組成如圖2所示, 主要由視頻攝像傳感器、傳感器調(diào)整手動(dòng)滑移臺(tái)、 焊槍調(diào)整電動(dòng)滑移臺(tái)、伺服電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū) 動(dòng)器、視頻信號(hào)處理電路、視頻監(jiān)視器、單片計(jì)算 機(jī)電路、偏差顯示電路、開(kāi)關(guān)設(shè)定電路、穩(wěn)壓電源 等部分組成。

2焊縫視頻信號(hào)處理流程

 

 

2.1圖像釆集

在銅包鋁線(xiàn)纜TIG焊接過(guò)程中，焊接電流為連 續(xù)電流，通常大于200 A,弧光的影響對(duì)電弧及熔 池取像十分困難。另外，考慮焊接速度很快、自動(dòng) 跟蹤系統(tǒng)工作的延時(shí)性，本系統(tǒng)將視覺(jué)傳感器安放 于焊接前方離鈣極20 mm處，以弧光作為光源，在 近弧區(qū)攝取銅皮成形對(duì)口縫（間隙為0.2 mm）圖像， 如圖4所示。圖4中白色條狀部分為銅皮對(duì)口縫放 大圖像，由于鋁線(xiàn)材表面對(duì)弧光的反射作用很強(qiáng)， 因此圖像呈白色；其他部分為包覆銅皮圖像，銅皮 對(duì)弧光的反射作用較弱，圖像特征為顏色較暗。圖 像中銅皮對(duì)口縫邊緣較清楚，根據(jù)這一圖像特征可 進(jìn)一步進(jìn)行圖像信號(hào)分析及處理。

圖4銅皮對(duì)口縫圖像

 

2.2焊縫視頻信號(hào)分析

用示波器測(cè)得的銅皮對(duì)口縫視頻信號(hào)波形如 圖5所示，在視頻信號(hào)中，有對(duì)應(yīng)銅皮對(duì)口縫部分 的視頻信號(hào)，其特征為電壓幅值較高，波形較規(guī)則 （圖5中1所指）；銅皮圖像的視頻信號(hào)（圖5中2所 指），其特征是電壓幅值較低，但銅皮反光處的信號(hào) 幅值較髙；幀同步信號(hào)（圖5中3所指），幀同步信 號(hào)周期為20 ms；波形圖中下面的兩條白亮直線(xiàn)為 密集的行同步信號(hào)。分析結(jié)果表明，銅皮對(duì)口縫的 視頻信號(hào)電平比銅皮視頻信號(hào)電平髙，而且在銅皮 對(duì)口縫邊界處變化較明顯，但因?yàn)橛泻芏嘈型叫?號(hào)的影響，這種電信號(hào)不能直接用于焊縫識(shí)別和偏 差計(jì)算，需對(duì)其做進(jìn)一步處理。

 

2.3視頻信號(hào)的放大、整形

對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行放大、整形' 行同步填補(bǔ)等處 理后，獲得的信號(hào)波形如圖6所示，它由銅皮對(duì)口 縫視頻信號(hào)包絡(luò)線(xiàn)（圖6中1所指）、銅皮視頻信號(hào) 包絡(luò)線(xiàn)（圖6中2所指）、幀同步信號(hào)（圖6中3所指） 等幾部分組成。從圖6中可以看出,視頻信號(hào)經(jīng)處 理后完全消除了雜波和行同步信號(hào)的影響，其信號(hào) 特征為銅皮對(duì)口縫視頻信號(hào)幅值最高，其峰值對(duì)應(yīng) 對(duì)口縫中心，與銅皮視頻信號(hào)幅值有較大的差別， 銅皮對(duì)口縫邊界處仍有較明顯的變化，根據(jù)這一信 號(hào)特征可進(jìn)行焊縫識(shí)別.

2.4焊縫特征提取

獲得如圖6所示的模擬信號(hào)不能直接用單片機(jī)進(jìn)行焊縫識(shí)別，另外，實(shí)際焊接時(shí)由于焊接弧光、 環(huán)境光、銅皮表面狀態(tài)等因素的影響，視頻信號(hào)的 電壓幅值經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，因此本系統(tǒng)采用能完全 反映銅皮表面反射光狀態(tài)的動(dòng)態(tài)平均值對(duì)視頻信號(hào) 進(jìn)行二值化處理，如圖7所示.圖7中曲線(xiàn)1是被 放大、整形、行同步填補(bǔ)等處理后的視頻信號(hào)；曲 線(xiàn)2是能完全反映銅皮表面反射光狀態(tài)的動(dòng)態(tài)平均 值。二值化處理后獲得的方波信號(hào)波形圖如圖8所 示。該二值化處理過(guò)程釆用的是模擬電路，處理時(shí) 延僅為幾納秒，其快速響應(yīng)性是釆用計(jì)算機(jī)圖像處 理方法所無(wú)法比擬的。圖8中方波信號(hào)的上升沿對(duì) 應(yīng)幀同步信號(hào)的上升沿，下降沿對(duì)應(yīng)銅皮對(duì)口縫 邊緣。

圖8二值化獲得的方波波形圖

 

二值化處理獲得的方波信號(hào)與經(jīng)過(guò)處理后的 視頻信號(hào)的時(shí)序關(guān)系如圖9所示。圖9中曲線(xiàn)1為 被放大、整形、行同步填補(bǔ)等處理的視頻信號(hào)；曲 線(xiàn)2為視頻信號(hào)經(jīng)二值化處理后得到方波信號(hào)。從 圖9中可以看出，曲線(xiàn)I和曲線(xiàn)2的對(duì)應(yīng)時(shí)序關(guān)系, 即曲線(xiàn)2上升沿對(duì)應(yīng)幀同步上升沿，下降沿對(duì)應(yīng)于 銅皮對(duì)口縫邊緣。

 

圖9兩種波形的時(shí)序關(guān)系圖

 

2.5焊縫偏差處理

焊接時(shí)視頻攝像傳感器位于焊接電弧的前方， 超前檢測(cè)銅皮對(duì)口縫，通過(guò)傳感器調(diào)整手動(dòng)滑移臺(tái) 及調(diào)節(jié)支架，使對(duì)口縫的影像位于視頻監(jiān)視器幀中 心.視頻攝像傳感器輸出的圖像信號(hào)帔周期為20 ms,以幀中心(從幀同步上升沿后10 ms處)為基準(zhǔn)， 如果焊接時(shí)銅板對(duì)口縫相對(duì)于魯極發(fā)生了偏離，那 么銅皮對(duì)口縫信號(hào)下降沿就會(huì)偏離幀中心，即如圖 9中幀同步的上升沿至對(duì)口縫信號(hào)下降沿的脈沖寬 度將發(fā)生變化，根據(jù)這種變化可以判斷對(duì)口縫的偏 離方向和計(jì)算出偏差的大小。

系統(tǒng)采用51系列單片計(jì)算機(jī)進(jìn)行焊縫偏差方 向判斷及偏差大小計(jì)算，視頻攝像傳感器光學(xué)系統(tǒng) 在垂直于銅皮對(duì)口縫方向視野范圍為10nun,即10 mm范圍對(duì)應(yīng)傳感器幀周期20 ms,銅皮對(duì)口縫位置 變化0.1 mm對(duì)應(yīng)銅皮對(duì)口縫脈沖信號(hào)0.2 ms的變 化，釆用單片計(jì)算機(jī)計(jì)算單位0.2 ms的脈沖寬度變 化是很容易實(shí)現(xiàn)的，因此該系統(tǒng)跟蹤精度可達(dá)到 0.1 mm.

由于視頻攝像傳感器幀周期為20 ms,單片機(jī) 釆集兩幀圖像所用時(shí)間不多于40 ms,程序處理時(shí) 間和伺服電動(dòng)機(jī)響應(yīng)時(shí)間少于20 ms,因此該系統(tǒng) 響應(yīng)周期少于60 ms。

2.6焊縫自動(dòng)跟蹤的實(shí)現(xiàn)

單片計(jì)算機(jī)將焊縫偏差方向信號(hào)和焊縫偏差 大小信號(hào)分別以高低電平信號(hào)方式和脈沖信號(hào)方式 送入交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由交流伺服電動(dòng)機(jī)拖 動(dòng)焊槍進(jìn)行焊縫實(shí)時(shí)糾偏。

3結(jié)論

(1)以弧光為主動(dòng)光源，在銅包鋁線(xiàn)纜TIG焊 接生產(chǎn)中，釆用視頻攝像傳感器檢測(cè)銅皮對(duì)口縫實(shí) 現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤新方法可行。

⑵采用模擬電路對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行放大、整形、 行同步填補(bǔ)及動(dòng)態(tài)平均值二值化等處理，極大地降 低了圖像處理時(shí)間，并準(zhǔn)確獲得了對(duì)口縫脈沖信 號(hào)，實(shí)現(xiàn)了銅皮對(duì)口縫偏差方向的判斷及偏差大小 的計(jì)算。

(3)視覺(jué)傳感銅包鋁線(xiàn)纜TIG焊縫自動(dòng)跟蹤系 統(tǒng)響應(yīng)速度和跟蹤精度滿(mǎn)足生產(chǎn)使用要求。試驗(yàn)證明，每個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)周期工件移動(dòng)9.3 mm,在此焊縫長(zhǎng)度范圍內(nèi)焊接電極(鈣極)與銅皮對(duì)口縫跟蹤精度小于0.1 mm.

 

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