Следящие системы с оптико-электронными датчиками

В каче­стве чувствительного элемента в этих датчиках применяют фото­диоды, фототранзисторы и телевизионные трубки вакуумного и твердотельного исполнения.

Среди трубок вакуумного исполнения в телевизионных (ТВ) системах используют видиконы и суперортиконы. В датчиках с труб­кой твердотельного исполнения применяют приборы с зарядовой связью (ПЗС-матрицы и ПЗС-линейки).

Матричный ФСИ (МФСИ) — это твердотельный аналог пере­дающей ТВ-трубки, представляет собой двухкоординатный мас­сив светочувствительных элементов, в котором осуществляется электронное самосканирование по обеим координатам и форми­руется двумерное ТВ-изображение объекта.

Простота принципа, заложенного в работу ПЗС, отсутствие в нем множества ρ/n-переходов и индивидуальных контактов позволяет сконструировать твердотельный аналог ТВ-трубки в виде большой интегральной схемы с высокой степенью интеграции. Современный ТВ-датчик на ПЗС представляет собой кремниевую пластинку размером с небольшую почтовую марку (содержащую в себе несколько сотен тысяч миниатюрных МОП-емкостей), на поверхность которой проецируется оптическое изображение. Таким образом, появление ПЗС позволило реализовать идею твердотельного ФСИ, обладающего недостижимыми для вакуумных электронно-лучевых трубок свойствами: жестким растром; отсут­ствием геометрических искажений; безынерционностью; высокой механической прочностью; низким питающим напряжением; малыми габаритными размерами и массой.

Если необходимые для работы ТВ-систем с ПЗС-датчиком светоконтрастные элементы на поверхности изделия отсутствуют, то применяют специальные способы освещения и выделения инфор­мации о положении линии соединения. Так, при сварке угловых швов тавровых соединений проектор 1 (рисунок 4.42) с мощной ксеноновой лампой освещает зону соединения под углом 65° к гори­зонтали, а видеосенсор б направлен на эту же зону под углом 45°. За счет разных углов падения светового потока на вертикальный и горизонтальный свариваемые элементы их освещенности 4 ока­зываются различными. В качестве фотоприемника используют по­лупроводниковую светочувствительную ПЗС-матрицу с числом элементов 50×50. С элементов матрицы получают аналоговый сиг­нал, пропорциональный освещенности, который затем конвер­тируется в 4-цифровой сигнал (уровни освещенности 0—15). Этот сигнал поступает в микроЭВМ, которая обрабатывает и выдает информацию о положении стыка в пространстве. Чтобы опреде­лить положения начала и конца шва, в зону наблюдения с помо­щью проектора 7 проецируют точку 8 диаметром 3 мм. Появление точки 8 в определенном месте зоны наблюдения свидетельствует о наличии шва под сенсором, а ее исчезновение — о проходе конца шва под сенсором. Эта информация используется для вклю­чения и выключения сварки.

1 — проектор; 2 — изображение светового пятна на видеоконтрольном устрой­стве; 3 — зона, в которой находится изображение светового пятна при наличии под ним изделия; 4 — освещенность зоны видимости; 5 — изображение границы участков с различной освещенностью; 6 — ПЗС-приемник (видеосенсор); 7 — проектор световой точки; 8 — световая точка; 9 — линия соединения сваривае­мых элементов; 10 — зона видимости; 11 — зона освещения

Рисунок 4.42 – Схема определения положения линии таврового соединения с помощью видеосенсора на ПЗС-матрице

Другой пример получения контрастных элементов на поверхно­сти стыковых соединений с двусторонней разделкой стыка — это теневой метод (рисунок 4.43). Световое сечение и изображение положе­ния стыка при этом методе получаются от линейного источника света, расположенного параллельно поверхности изделия 4. Свето­вой поток от линейного источника 2 падает под углом α к поверхности свариваемого изделия и частично экранируется шторкой 1, расположенной на расстоянии 10...15 мм от поверхности изделия. Приемник 3 изображения стыка реализован на ПЗС-матрице и рас­положен под углом β к плоскости свариваемого изделия.

1 — шторка; 2 — линейный источник; 3 — приемник изображения стыка; 4 — изделие; Н_т — высота изображения разделки; Н_к — глубина разделки; α — угол падения тени от шторки на поверхность изделия; β — угол наблюдения

Рисунок 4.43 – Теневой метод получения контрастного изображения стыка

Наибольшее увеличение при заданном α получается, если α+β=90°. Сигнал на выходе видеосенсора содержит информацию об изоб­ражении стыка на поверхности ПЗС-матрицы. Обработка сигнала с датчика позволяет отчетливо различать и при необходимости измерять следующие геометрические параметры: площадь сече­ния разделки; зазор или расстояние между поверхностями скоса кромок на заданной глубине; взаимное превышение поверхнос­тей свариваемых элементов. Метод теневого сечения можно использовать для получения информации и адаптивного управле­ния параметрами процесса сварки.

Световое сечение формы разделки стыка можно получить также от сканирующего (поперек стыка) луча точечного источника света (например, светодиода) по схеме, показанной на рисунок 4.44.

ABECD — контрастная линия на поверхности свариваемых элементов; A'B'E'C'D' — изображение линии ABECD; ΔZ’, ΑΥ’, ΔН' — смещения стыка

а — схема; 6 — изображение стыка на экране видеоконтрольного устройства; в — направление освещения и изображения формы стыков при различных типах со­единений свариваемых элементов;

1 — видеосенсор; 2 — светодиод; 3 — матрич­ный ПЗС-приемник; 4 — объектив; 5 — свариваемые элементы; 6 — сканирую­щее зеркало; 7— коллиматор; 8— стыковое соединение с разделкой; 9— стыко­вое соединение с зазором; 10 — тавровое соединение; 11 — нахлесточное соеди­нение;

Рисунок 4.44 – Визуальный анализатор формы и положения стыка со сканируе­мым поперек стыка лучом от точечного источника света

Чтобы проводить измерения в зонах, расположенных перед точкой сварки и после нее, можно осуществлять круговое скани­рование лазерного луча вокруг точки сварки. При этом за один цикл сканирования проводится измерение одного цилиндричес­кого или конического светового сечения соединения, подготов­ленного под сварку, и одного сечения полученного сварного со­единения.

Система, реализующая такой метод измерения, основана на использовании лазерного дальномера с применением принципа триангуляции (рисунок 4.45). В качестве излучателя используется полу­проводниковый лазер 2 из арсенида галлия мощностью 1... 10 Вт в импульсе, работающий на волне длиной 904 нм (ближний инфра­красный свет). Излучение лазера формируется фокусирующей си­стемой 1 в тонкий луч диаметром 2 мм у выхода оптической сис­темы и 0,3 мм — на расстоянии 180 мм. На поверхность изделия 7 проецируется яркое пятно соответствующего диаметра. Положе­ние указанного пятна наблюдается под углом 15... 20° к оси этого луча проецирующей системой 6, которая фокусирует изображе­ние пятна на полупроводниковой линейке 4с зарядной связью. Расстояние между центрами элементов такой линейки может сопоставлять 10...15 мкм, а чувствительность — достаточна для получения различимого импульса в широком диапазоне изменения коэффициента отражения поверхности изделия. Для уменьшения влияния света дуги перед приемником ЛПЗС ставится интерференционный фильтр 5. Описанная оптическая система обеспечивает разрешающую способность 0,3...0,5 мм в зависимости от расстояния случайных помех в диапазоне от l _min=100 мм до l _mах=200 мм от выходного отверстия оптической системы лазерного излучателя. Получаемая информация подвергается предварительной филь­трации, определяется расстояние сварочной горелки до поверх­ности изделия и в результате многократных измерений (пример­но 200 в течение одного поворота датчика вокруг горелки, из ко­торых около 80 % достоверных) формируется полная трехмерная модель свариваемого соединения в зоне вокруг сварки. Из этой модели можно определить угол разделки между свариваемыми элементами; величину превышения кромок; форму наплавленно­го валика; расстояние между горелкой и поверхностью изделия; угол между осью горелки и линией стыка.

а — оптическая схема использования триангуляционного метода в сенсоре с фотоприемником в виде ПЗС-линейки; 6 — схема вращения сенсора вокруг точ­ки сварки; 1 — фокусирующая система; 2 — полупроводниковый лазер; 3 — изображение освещенной точки изделия на фотоприемнике; 4 — ПЗС-линейка; 5 — интерференционный фильтр; 6 — проецирующая система; 7— поверхность изделия; 8 — двигатель кругового сканирования; 9 — видеосенсор; 10 — свароч­ная горелка; 11 — поверхности свариваемых элементов; 12 — сварной шов

Рисунок 4.45 – Видеосенсор с круговым сканированием лазерного луча вокруг точки сварки

Задача оптико-электронного датчика системы слежения за­ключается в распознавании и вычислении координат точки ре­ального положения стыка. Сенсорная часть оптического датчика построена на базе ПЗС.

Одномерные датчики (ПЗС-линейки) в сравнении с двумер­ными (ПЗС-матрицы) имеют ряд преимуществ: скорость сканирования линейки (одно полное измерение) на 1-2 порядка выше, чем у матрицы;

• число светочувствительных элементов линейки может превышать в 10 раз число точек матрицы в одном измерении;

• диапазон воспринимаемых яркостей ПЗС-линейки в 10 раз превосходит значение аналогичного параметра у ПЗС-матрицы;

• ПЗС-линейка имеет сравнительно невысокую стоимость;

• можно применять специализированные ПЗС-линейки, имеющие аппаратные средства фильтрации шумов и защиту от насы­щения ячеек вследствие высокого уровня сигнала.

Недостаток ПЗС-линейки — это невозможность получения за одно измерение всей зоны сканируемого объекта. Подобная задача решается только за счет применения двумерной ПЗС-мат­рицы.

С применением ПЗС-линеек возможна реализация адаптивных алгоритмов поиска и слежения за стыком в процессе сварки. Спе­циальные программные средства позволяют системе хорошо ра­ботать (при условии высококонтрастного изображения стыка) и следить за стыком при сварке изделий из загрязненных или подверженных коррозии материалов. Программные средства позволя­ют селектировать стык на фоне поверхностных дефектов сварива­емого материала.

Структурная схема измерительного тракта датчика показана на рисунок. 3.46. Световой поток Φ направлен на стык 4, образуемый дву­мя деталями J и 5. Отраженное излучение через фокусирующий объектив 6 попадает на чувствительные элементы 1 ПЗС-линейки 8, установленной в корпусе датчика (рисунок 4.47). Отраженный поток, направленный на отдельно взятый чувствительный эле­мент 1 ПЗС-линейки (рисунок 4.46), пропорционален освещенно­сти того участка сканируемого объекта, который отображается на эту ячейку, например участка 2. Основное свойство ПЗС — это способность интегрировать излучение, воздействующее на чувстви­тельные элементы. Таким образом, напряжение, снимаемое с каж­дой ячейки, пропорционально освещенности соответствующей по­верхности объекта, умноженной на время освещения объекта. Блок управляющей логики осуществляет последовательный вывод на­пряжений с элементов линейки на АЦП. Цифровой код измерен­ного напряжения с выхода АЦП передается в память цифрового сигнального процессора для расчета реального положения сва­рочной головки относительно стыка свариваемых деталей. Коор­динаты точки стыка передаются по интерфейсу RS-485 в блок кор­рекции положения сварочной головки.

АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ЦСП — цифровой сигнальный процессор; Φ — световой поток

1 — чувствительные элементы ПЗС-линейки; 2 — участок сканируемого объек­та; 3, 5 — детали; 4 — стык; 6 — объектив; 7— линза; 8 — ПЗС-линейка;

Рисунок 4.46 – Структурная схема измерительного тракта датчика

1 — цифровой блок управления системой слежения с графическим дисплеем; 2 — оптико-электронный датчик (видеосенсор)

Рисунок 4.47 – Внешний вид измерительного и управляющего блоков системы слежения