激光制導(dǎo)自動(dòng)跟蹤焊接系統(tǒng)

　　摘要：為了取代諸如橋面焊接等在巨型結(jié)構(gòu)上實(shí)施的拱焊接傳統(tǒng)工藝，確保焊接施工的精確、高效和安全，英飛凌公司提出了32位微控制器——TriCore TC1797的自動(dòng)跟蹤焊接系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞：激光制導(dǎo);焊接;無刷直流電機(jī)

　　概念

　　基于TriCore TC1797的自動(dòng)跟蹤焊接系統(tǒng)由一個(gè)以固定步長(zhǎng)(1mm)在斜坡滑道上移動(dòng)的模塊以及垂直激光束、攝像頭和焊槍組成。

　　每移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)，攝像頭就會(huì)以待焊接的兩片金屬板的結(jié)合處附近為中心，對(duì)垂直激光束拍照。

　　這會(huì)在照片上形成1個(gè)缺口和2條斷開的激光線(A和B)，圖像處理算法將利用這些數(shù)據(jù)來計(jì)算所需的焊接坐標(biāo)值(X、Y和Z)。

　　當(dāng)模塊在移動(dòng)的同時(shí)，圖像處理算法也會(huì)將計(jì)算得到的焊接坐標(biāo)值保存到一個(gè)先入先出(FIFO)緩沖區(qū)中。焊接系統(tǒng)將利用該FIFO緩沖區(qū)，使焊槍移動(dòng)至正確的位置。這個(gè)過程將不斷重復(fù)，直至到達(dá)滑道末端。

　　這種方法能夠補(bǔ)償焊接過程中出現(xiàn)的任何位置錯(cuò)誤，并且可以在不規(guī)則通道上實(shí)施焊接。

　　實(shí)現(xiàn)

　　激光指針、攝像頭和焊槍都裝在小推車上，小推車沿焊接通道移動(dòng)，焊接通道即為X軸。要精確對(duì)準(zhǔn)焊接坐標(biāo)，可以將焊槍放置在Y軸和Z軸上的任何一點(diǎn)。因此，需要3臺(tái)電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

　　3臺(tái)無刷直流電機(jī)的移動(dòng)均由通用計(jì)時(shí)器陣列(GPTA)控制，因?yàn)镚PTA具備計(jì)時(shí)器、比較和捕獲等功能，可以靈活地組合成信號(hào)測(cè)定單元和信號(hào)生成單元。這種電機(jī)專為執(zhí)行發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和電機(jī)控制應(yīng)用等典型任務(wù)而優(yōu)化，但也可用于生成其他工業(yè)應(yīng)用所需的簡(jiǎn)單的及復(fù)雜的信號(hào)波形。

　　除此之外，諸如溫度傳感器、氣流傳感器等等其他控制傳感器也可連接至TC1797的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)更加精確的控制。

　　無刷直流電機(jī)(推車移動(dòng)X軸)

　　在本項(xiàng)目中，無刷直流電機(jī)連接至控制推車沿X軸移動(dòng)的車輪。GPTA0中的LTC用于實(shí)現(xiàn)三相整流電機(jī)。通用輸入/輸出端口用于輸入霍爾傳感器輸出的信號(hào)。利用脈寬調(diào)制(PWM)來改變線圈的平均電壓，以控制速度。

　　速度范圍設(shè)置為0至1(1表示電機(jī)全速運(yùn)行，而0則表示電機(jī)停止運(yùn)行)。

　　增量式編碼器(推車移動(dòng)距離反饋)

　　本項(xiàng)目使用了一個(gè)Kubler增量式編碼器。濾波和預(yù)分頻單元(FPC)、鑒相邏輯(PDL)和LTC用于測(cè)定距離和確定旋轉(zhuǎn)方向。編碼器每轉(zhuǎn)輸出4096個(gè)脈沖，這相當(dāng)于每轉(zhuǎn)6臺(tái)無刷直流電機(jī)同步整流，無刷直流電機(jī)齒輪比為40:1(齒輪每轉(zhuǎn)240次整流)。所連接的車輪的直徑為75mm，車輪周長(zhǎng)為235.62mm(π × d)。也就是說，每次整流的移動(dòng)距離為0.98mm。演示模型采用了逆時(shí)針方向(CCW)移動(dòng)，以便攝像頭在焊槍前面拍照。

　　增量式編碼器可為無刷直流電機(jī)提供反饋，以計(jì)算出無刷直流電機(jī)和相應(yīng)的車輪轉(zhuǎn)了多少圈。利用這些數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出推車移動(dòng)了多遠(yuǎn)距離。

　　圖像采集

　　攝像頭通過通用輸入/輸出端口連接至TC1797，以連接數(shù)據(jù)和控制并行總線。全局計(jì)時(shí)器0(GT0)和全局計(jì)時(shí)器單元0(GTC0)用于生成攝像頭主時(shí)鐘脈沖，以控制攝像頭幀速率。

　　TriCore TC1797的通用輸入/輸出端口可支持的數(shù)據(jù)率約為296kHz，這表示100×100像素圖像的理想幀速率為29.6fps(1字節(jié)/像素)。圖像應(yīng)保存在一個(gè)10kb的陣列中。平均而言，采集圖像耗時(shí)約200ms。