基于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統

林憲旗

【摘 要】當前，在生產大口徑焊管過程中，焊接跟蹤主要是采取的是手工調整方式，使用濾光鏡，用肉眼直接觀察焊接熔池與焊縫的位置，人工調整焊槍或工件，最終實現焊管焊縫偏差控制，控制焊接質量。采取手工調整的方式進行焊縫跟蹤勞動強度大，主觀性強，容易出現焊接質量問題。為提高大口徑鋼管焊接質量及生產效率，本文提出基于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統，實現焊槍對焊縫的實時自動跟蹤?！娟P鍵詞】FPGA 大口徑 焊管焊縫 實時跟蹤系統

【中圖分類號】 P755.1【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0202-01

一、基于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統的工作原理及主要構造

（一）基于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統的工作原理

采取手工調整的方式進行焊縫跟蹤，人工勞動強度大，主觀性強，且焊接質量與操作人員的的經驗有著直接的關系，難以保證焊接質量，且降低了生產效率。為此，提出建立于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統，實現焊槍對焊縫的實時自動跟蹤，可以極大提高生產效率，保證焊接質量。

FPGA為英文Field-Programmable Gate Array的縮寫，譯為現場可編程門陣列。建立于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統的主要構造包括激光傳感器、離子焊機、顯示器、焊管旋轉調整升降機構與執行機構、焊槍高度跟蹤機構、滾輪架及控制系統，其機構可以用下圖來展示：

基于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統結構示意圖

激光傳感器位于焊槍前面位置，負責大口徑焊管焊縫圖像的獲取工作；通過系統軟件完成對大口徑焊管焊縫圖像的分析、處理、識別，獲取焊縫偏差及寬度等數據信息；采取二維實時跟蹤方式進行系統跟蹤，二維實時跟蹤包括焊槍相對于焊縫進行左右跟蹤與高低跟蹤?；贔PGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統，最為關鍵的技術就是確保焊槍相對于焊縫左右位置跟蹤的精確度。

在本實時跟蹤系統中，不同于其他焊接跟蹤系統所采取的滑塊帶動焊槍完成對焊縫左右方向上的跟蹤，而是采取了焊槍保持左右位置不變動，焊管圍繞中心軸進行偏轉的方式實現焊接追蹤。由于焊管長達6m，而焊接錯邊有時候可能達到30mm，如果采取滑塊帶動焊槍對焊縫進行左右跟蹤，是無法真正保證焊槍與焊縫對接的精確度，容易引起焊接質量問題。所以在建立于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統中采取了焊槍圍繞焊管中心軸偏轉的形式保證焊槍與焊縫對接的精確度。在焊接過程中，為保證焊接質量，需要對焊炬高度進行嚴格控制，同時針對焊炬高低方向進行跟蹤，實現焊炬高度的控制，需要保證橫向跟蹤的準確性。相對橫向跟蹤，焊炬高度的控制手段更為容易，焊接工藝精確要求降低，橫向跟蹤主要是由步進電機驅動下的滑塊機構組成，設計跟蹤精度為±0.2mm，最大高度調節范圍為±50mm。

（二）基于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統主要構造

1.激光傳感器

激光傳感器位于焊槍前面，負責測量焊縫表面輪廓、確定條紋內焊縫位置。由于激光條紋是通過一定的角度進行投射，當傳感器與工件距離較遠時，工件表面中的激光條紋就會相對靠后；當傳感器與工件距離較近時，工件表面的激光條紋就相對較前。通過攝像機確定激光條紋位置，通過激光條紋的位置經傳感器測量出傳感器與工件之間的垂直距離，從激光條紋上，獲取工件焊縫圖像，并分析出焊縫寬度、焊縫偏差等數據信息，還可以對傳感器與焊縫的橫向距離進行測量。為確保在焊接過程中傳感器中心線與焊槍中心保持一致，可以將傳感器安裝于微型十字滑架上，在焊槍位置發生變動后，通過激光條紋及焊縫位置，對十字滑架進行微調保證精度。

2.焊管定位與旋轉機構

通過四套自調試滾輪架進行焊管定位，滾輪采取組合式，摩擦力較大，外包橡膠，傳動力平穩，有利于保證焊接精確度。通過交流伺服電機與減速器對主動滾輪進行無級調速，并通過主動管輪與焊管之間存在的摩擦力，推動焊管旋轉，滾輪的滾動線的速度在0.2—5.0m/min范圍中。

3.升降機構

因焊槍在高度方向上只能沿滑塊作小范圍的調整，為保障不同規格的焊管能夠在焊管能夠在進行焊接作業時基本保持在同一高度上，于滾輪架下放設計升降機構。在升降機構中使用蝸輪蝸桿傳動系統，通過一臺步進電動機為四套蝸輪蝸桿提供動力，在蝸輪蝸桿頂升力作用下，對滾輪架進行升降控制。使用編碼器可以有效控制滾輪架升降高度的精確性，根據實際生產需要，在觸摸屏中設定好焊管型號，實現升降機構的準確定位操作。

二、基于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統的硬件設計及軟件設計

（一）基于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統硬件設計

Altera公司的EP4CE55芯片在集成度、容量和速度方面都達到了較高的水平，內部具有嵌入式處理器，能夠完成復雜的邏輯運算，FPGA 能在設計上實現硬件并行和流水線技術，且具有很強的靈活性，可以根據需要進行重構配置，有較強的通用性，適用于模塊化設計。同時適合實時的信號處理，能夠大大提高圖像數據的處理速度，達到系統跟蹤的實時性要求。

（二）基于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統軟件設計

通過系統硬件設計與軟件設計的結合，實現激光傳感器的掃描，信號采集分析、焊管焊縫與焊槍位置的調整、焊接速度調整、控制升降精度等功能。在整個系統程序中，包含焊管焊縫對焊槍高低方向上的實時跟蹤、焊管焊縫對焊槍左右方向上的實時跟蹤、升降機構精確度控制及焊接速度調整四個子程序。其中，焊接速度調整與焊管焊縫對焊槍左右方向上的實時跟蹤屬于整個系統軟件設計的核心。

在實際焊接作業中，會面對焊縫寬度不一的現象，為保證焊縫熔深及焊接速度，需要依據焊接寬度對焊接速度進行調整。為此，需要在通知實際試驗，計算出一定焊縫寬度下良好的焊縫熔深可以采取的最大焊接速度，并將獲取數據存儲在數據庫之中，在實際操作中，根據數據進行焊接速度調整。焊管焊縫對焊槍左右方向上的實時跟蹤的關鍵在于通過激光傳感器獲取焊縫偏差，驅動焊縫對準焊槍，實現精準焊接。

三、結束語

在大口徑焊管生產過程中，采取傳統的人工手工調整方式，作業效率低，勞動強度大，焊接質量難以控制。本文提出建立于FPGA的大口徑焊管焊縫實時跟蹤系統，快速、精確的實現焊接，可以有效保證焊接質量，提高企業生產效率，可以為企業收獲良好的經濟效益。

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