基于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统
时间：2020-12-08 16:01:25 来源：达达文档网 本文已影响 人 
林宪旗
【摘 要】当前，在生产大口径焊管过程中，焊接跟踪主要是采取的是手工调整方式，使用滤光镜，用肉眼直接观察焊接熔池与焊缝的位置，人工调整焊枪或工件，最终实现焊管焊缝偏差控制，控制焊接质量。采取手工调整的方式进行焊缝跟踪劳动强度大，主观性强，容易出现焊接质量问题。为提高大口径钢管焊接质量及生产效率，本文提出基于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统，实现焊枪对焊缝的实时自动跟踪。【关键词】FPGA 大口径 焊管焊缝 实时跟踪系统
【中图分类号】 P755.1【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0202-01
一、基于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统的工作原理及主要构造
（一）基于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统的工作原理
采取手工调整的方式进行焊缝跟踪，人工劳动强度大，主观性强，且焊接质量与操作人员的的经验有着直接的关系，难以保证焊接质量，且降低了生产效率。为此，提出建立于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统，实现焊枪对焊缝的实时自动跟踪，可以极大提高生产效率，保证焊接质量。
FPGA为英文Field-Programmable Gate Array的缩写，译为现场可编程门阵列。建立于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统的主要构造包括激光传感器、离子焊机、显示器、焊管旋转调整升降机构与执行机构、焊枪高度跟踪机构、滚轮架及控制系统，其机构可以用下图来展示：
基于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统结构示意图
激光传感器位于焊枪前面位置，负责大口径焊管焊缝图像的获取工作；
通过系统软件完成对大口径焊管焊缝图像的分析、处理、识别，获取焊缝偏差及宽度等数据信息；
采取二维实时跟踪方式进行系统跟踪，二维实时跟踪包括焊枪相对于焊缝进行左右跟踪与高低跟踪。基于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统，最为关键的技术就是确保焊枪相对于焊缝左右位置跟踪的精确度。
在本实时跟踪系统中，不同于其他焊接跟踪系统所采取的滑块带动焊枪完成对焊缝左右方向上的跟踪，而是采取了焊枪保持左右位置不变动，焊管围绕中心轴进行偏转的方式实现焊接追踪。由于焊管长达6m，而焊接错边有时候可能达到30mm，如果采取滑块带动焊枪对焊缝进行左右跟踪，是无法真正保证焊枪与焊缝对接的精确度，容易引起焊接质量问题。所以在建立于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统中采取了焊枪围绕焊管中心轴偏转的形式保证焊枪与焊缝对接的精确度。在焊接过程中，为保证焊接质量，需要对焊炬高度进行严格控制，同时针对焊炬高低方向进行跟踪，实现焊炬高度的控制，需要保证横向跟踪的准确性。相对横向跟踪，焊炬高度的控制手段更为容易，焊接工艺精确要求降低，横向跟踪主要是由步进电机驱动下的滑块机构组成，设计跟踪精度为±0.2mm，最大高度调节范围为±50mm。
（二）基于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统主要构造
1.激光传感器
激光传感器位于焊枪前面，负责测量焊缝表面轮廓、确定条纹内焊缝位置。由于激光条纹是通过一定的角度进行投射，当传感器与工件距离较远时，工件表面中的激光条纹就会相对靠后；
当传感器与工件距离较近时，工件表面的激光条纹就相对较前。通过摄像机确定激光条纹位置，通过激光条纹的位置经传感器测量出传感器与工件之间的垂直距离，从激光条纹上，获取工件焊缝图像，并分析出焊缝宽度、焊缝偏差等数据信息，还可以对传感器与焊缝的横向距离进行测量。为确保在焊接过程中传感器中心线与焊枪中心保持一致，可以将传感器安装于微型十字滑架上，在焊枪位置发生变动后，通过激光条纹及焊缝位置，对十字滑架进行微调保证精度。
2.焊管定位与旋转机构
通过四套自调试滚轮架进行焊管定位，滚轮采取组合式，摩擦力较大，外包橡胶，传动力平稳，有利于保证焊接精确度。通过交流伺服电机与减速器对主动滚轮进行无级调速，并通过主动管轮与焊管之间存在的摩擦力，推动焊管旋转，滚轮的滚动线的速度在0.2—5.0m/min范围中。
3.升降机构
因焊枪在高度方向上只能沿滑块作小范围的调整，为保障不同规格的焊管能够在焊管能够在进行焊接作业时基本保持在同一高度上，于滚轮架下放设计升降机构。在升降机构中使用蜗轮蜗杆传动系统，通过一台步进电动机为四套蜗轮蜗杆提供动力，在蜗轮蜗杆顶升力作用下，对滚轮架进行升降控制。使用编码器可以有效控制滚轮架升降高度的精确性，根据实际生产需要，在触摸屏中设定好焊管型号，实现升降机构的准确定位操作。
二、基于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统的硬件设计及软件设计
（一）基于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统硬件设计
Altera公司的EP4CE55芯片在集成度、容量和速度方面都达到了较高的水平，内部具有嵌入式处理器，能够完成复杂的逻辑运算，FPGA 能在设计上实现硬件并行和流水线技术，且具有很强的灵活性，可以根据需要进行重构配置，有较强的通用性，适用于模块化设计。同时适合实时的信号处理，能够大大提高图像数据的处理速度，达到系统跟踪的实时性要求。
（二）基于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统软件设计
通过系统硬件设计与软件设计的结合，实现激光传感器的扫描，信号采集分析、焊管焊缝与焊枪位置的调整、焊接速度调整、控制升降精度等功能。在整个系统程序中，包含焊管焊缝对焊枪高低方向上的实时跟踪、焊管焊缝对焊枪左右方向上的实时跟踪、升降机构精确度控制及焊接速度调整四个子程序。其中，焊接速度调整与焊管焊缝对焊枪左右方向上的实时跟踪属于整个系统软件设计的核心。
在实际焊接作业中，会面对焊缝宽度不一的现象，为保证焊缝熔深及焊接速度，需要依据焊接宽度对焊接速度进行调整。为此，需要在通知实际试验，计算出一定焊缝宽度下良好的焊缝熔深可以采取的最大焊接速度，并将获取数据存储在数据库之中，在实际操作中，根据数据进行焊接速度调整。焊管焊缝对焊枪左右方向上的实时跟踪的关键在于通过激光传感器获取焊缝偏差，驱动焊缝对准焊枪，实现精准焊接。
三、结束语
在大口径焊管生产过程中，采取传统的人工手工调整方式，作业效率低，劳动强度大，焊接质量难以控制。本文提出建立于FPGA的大口径焊管焊缝实时跟踪系统，快速、精确的实现焊接，可以有效保证焊接质量，提高企业生产效率，可以为企业收获良好的经济效益。
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