基于CCD視覺成像的管-板焊接裝置設(shè)計(jì)及檢測(cè)方法*

梁 為，于復(fù)生，嚴(yán)高超，朱寶星

（山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

0 前 言

在鍋爐、石油、化工、核能等工業(yè)部門的熱交換器生產(chǎn)中，熱交換器是重要的熱力設(shè)備[1]。我國(guó)的壓力容器制造行業(yè)與世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，無論在產(chǎn)能、生產(chǎn)效率、技術(shù)裝備的先進(jìn)性，還是產(chǎn)品質(zhì)量控制與管理、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和信息化技術(shù)的應(yīng)用等方面，都存在較大差距[2]。 在整個(gè)換熱器的制作過程中，管子和管板接頭的焊接是工序的關(guān)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(yàn)中又未被發(fā)現(xiàn)，那么在運(yùn)行中就會(huì)在交變應(yīng)力的作用下，使缺陷擴(kuò)展、泄漏通道擴(kuò)大、從而導(dǎo)致沖蝕、以至泄漏，影響整機(jī)的運(yùn)行安全[4]。 而管-板焊接接頭在運(yùn)行過程中發(fā)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(zhì)量將直接影響設(shè)備的使用壽命[6]。

在換熱器的生產(chǎn)制造過程中，管子與管板焊接的特點(diǎn)是：接頭數(shù)量大，焊接位置苛刻，工作環(huán)境惡劣。 近年來，國(guó)內(nèi)開發(fā)了多種類型的管-板自動(dòng)焊機(jī)[7-17]，如李敏[11]設(shè)計(jì)的全位置自動(dòng)管板氬弧焊機(jī)，使焊機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高定位精度，進(jìn)而提高焊接質(zhì)量。 又如王振民等[16]研制的全數(shù)字管板自動(dòng)化焊機(jī)，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，焊縫成形美觀，“魚鱗紋” 規(guī)則均勻，焊接質(zhì)量較高，但是在實(shí)現(xiàn)整臺(tái)換熱器上千個(gè)管孔全自動(dòng)焊接方面仍存在一些問題，因此研發(fā)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(cè)方法。

1 管-板焊接裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 管-板焊接裝置結(jié)構(gòu)示意圖

管－板焊接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。 該裝置是由控制系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、視覺成像系統(tǒng)和焊接裝置組成的，移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括y 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、z 軸升降機(jī)構(gòu)、x 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、CCD 移動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)、z 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和x 軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)，視覺成像系統(tǒng)包括CCD 視覺成像系統(tǒng)、激光測(cè)距傳感器和CCD 光源，焊接裝置為焊機(jī)，控制系統(tǒng)為PLC 控制器。 x 軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)上方安裝有z 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，z 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上方安裝有z 軸升降機(jī)構(gòu)，z 軸升降機(jī)構(gòu)側(cè)面安裝有x 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，x 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外側(cè)安裝有y 軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，y 軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上方安裝有CCD 移動(dòng)機(jī)構(gòu)和焊機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，CCD移動(dòng)機(jī)構(gòu)和焊機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)后方安裝有PLC 控制器，CCD 移動(dòng)機(jī)構(gòu)前方安裝有CCD 視覺成像系統(tǒng)、CCD 光源和激光測(cè)距傳感器，焊機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)前方安裝有焊機(jī)。

y 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、z 軸升降機(jī)構(gòu)、x 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、CCD 移動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)、z 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和x 軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)并配備相應(yīng)的位移傳感器，z 軸升降機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)y 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、PLC 控制器、CCD 移動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)、CCD 視覺成像系統(tǒng)、激光測(cè)距傳感器、CCD 光源和焊機(jī)沿z 軸的升降運(yùn)動(dòng)； x 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)y 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、PLC 控制器、CCD 視覺成像系統(tǒng)、激光測(cè)距傳感器、CCD 光源和焊機(jī)繞x 軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； z 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn) y 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、PLC 控制器、z 軸升降機(jī)構(gòu)、x 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、CCD 移動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)、CCD 視覺成像系統(tǒng)、激光測(cè)距傳感器、CCD 光源和焊機(jī)繞z 軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； x 軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)y 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、PLC控制器、z 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、z 軸升降機(jī)構(gòu)、x 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、CCD 移動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)、CCD視覺成像系統(tǒng)、激光測(cè)距傳感器、CCD 光源和焊機(jī)沿x 軸方向的運(yùn)動(dòng)； y 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn) PLC 控制器、CCD 移動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)、CCD 視覺成像系統(tǒng)、激光測(cè)距傳感器、CCD 光源和焊機(jī)繞y 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； CCD 移動(dòng)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)CCD 視覺成像系統(tǒng)、激光測(cè)距傳感器和CCD 光源的伸縮運(yùn)動(dòng)； 焊機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)焊機(jī)的伸縮運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓工作原理如圖2 和圖3 所示。

z 軸升降機(jī)構(gòu)移動(dòng)的高度位置信息，x 軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)的水平位置信息，x 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、y 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和z 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的角度信息，CCD 移動(dòng)機(jī)構(gòu)和焊機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)位置信息被記錄下來。

圖2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓工作原理

圖3 移動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓工作原理

2 管孔中心坐標(biāo)檢測(cè)方法

管孔中心坐標(biāo)的檢測(cè)方法包括四個(gè)步驟：

（1） 將待測(cè)工件擺放至焊接裝置前方。 待測(cè)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(cè)點(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo)。 通過PLC 控制器控制z 軸升降機(jī)構(gòu)和x 軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)激光測(cè)距傳感器上下左右移動(dòng)，檢測(cè)板面上不共線的三個(gè)點(diǎn)分別到傳感器的距離，確定待測(cè)工件的板面上不共線三點(diǎn)的坐標(biāo)。

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

將所得到的三點(diǎn)坐標(biāo)代入所設(shè)平面方程可得

轉(zhuǎn)化成行列式為

（4） 調(diào)整 CCD 視覺成像系統(tǒng)。 根據(jù)所得到的平面方程，通過兩平面法向量的夾角計(jì)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和z 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)CCD 視覺成像系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)水平偏角α 和垂直偏角β，使CCD 視覺成像系統(tǒng)與板面垂直，焊機(jī)與CCD 視覺成像系統(tǒng)由x 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和Z 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同時(shí)調(diào)整，固此時(shí)焊機(jī)同樣與板面垂直。 CCD 視覺成像系統(tǒng)與待測(cè)工件垂直后，利用CCD 視覺成像系統(tǒng)檢測(cè)任意一排中的兩個(gè)管孔中心坐標(biāo)，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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)CCD 視覺成像系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)抵消掉θ，此時(shí)CCD 視覺成像系統(tǒng)與管板面相對(duì)水平，便于后續(xù)管孔中心坐標(biāo)的測(cè)量。

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

3 結(jié)束語

基于CCD 視覺的管－板焊接裝置能實(shí)現(xiàn)整臺(tái)換熱器上千個(gè)管孔的全自動(dòng)焊接，該檢測(cè)方法能夠準(zhǔn)確獲取管-板表面管孔中心坐標(biāo)，為管子管板的全自動(dòng)焊接工作提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，保證管－板焊接的質(zhì)量和速度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。