超声波传感器在波纹板折线焊缝跟踪中的应用

2 超声波传感器和焊接机构
2 . 1 超声波传感器 试验使用美国 Banner公司生产的模拟量输出高 精度超声波传 感器 Q45UR3L I U 64C 71005 , 测量范 围内 ( 80~ 150 mm ) 信号输出单调递增 ( 0~ 10 V ). 2 . 2 焊接机构 焊接机构采用的是自行研制的轨道式波纹板专 用焊接小车, 采用 4 台步进电机驱动 . 1 号电机控制 小车本体在焊缝方向 x 轴 ( 图 2 ) 上直线运动 , 2 号 电机控制焊枪在 y 轴方向随焊缝跟进, 3 号电机控 制焊枪在 z 轴 ( 垂直方向 ) 随动 , 4 号电机控制焊枪
1
杨全海 ,
1
陈丽华
2
(1 . 河海大学 机电工程学院 , 江苏 常州
213022; 2. 常州机电职业技术学院 , 江苏 常州
213022)
要 : 采用 Banner公司生产的超声波传感器 , 分别 在 3 种 速度下 跟踪波纹 板一个 波
纹周期 , 通过 TM S320LF2407A 对传感器输出信号进 行采样 . 采用快速 傅里叶变 换 ( fast four ier transfor m, FFT ) 分析采样数据 , 获取目标信号和干扰 信号频率范 围 . 设 计了 Bu t ter w orth 数字滤波器 , 经滤波后发现 , 3 种速度下波形一致 , 且 在波纹 板槽面与 斜边交 接 处的折弯位置信号变化明显 , 而在顶面与斜边 交接处 的折弯 位置信 号变化会 出现延 迟 或超前现象 . 根据超声波的传 播特性 分析 这一现 象 , 选择 前者 为检测 对象 . 在 500 脉 冲 / s 的速度下从固定起始点重复跟踪该折 弯位置 . 结果 表明 , 信号 突变点即 对应折 弯 位置 , 检测误差范围为 - 0 . 60~ - 0. 04 mm. 关键词 : 超声波传感器 ; 折线焊缝跟踪 ; 快速傅里叶变换 ; 数字滤波 中图分类号: TG 151 文献标识码 : A 文章编号 : 0253- 360X ( 2010) 12- 0097- 04
3. 4 数字滤波 通过 M atlab 设计了巴特沃兹滤波器. 巴特沃兹 滤波器的特点是具有通带内最大平坦的振幅特性 , 而且随着频率的升高而单调下降. 以 500 cts / s为例 , 巴特沃兹滤波器设计如下. 采样频率 f s = 500 H z, 通带边界频率 W p = 2 H z, 阻带边界频率 W s = 5 H z. 通带波动设置为 0 . 1 dB, 最小阻带衰减设置为 25 dB. 滤波器系数为 b = 10
X ( k ) = DFT [ x ( n ) ] =
! x ( n)W
n= 0
kn N
, ( 1)
k = 0 , 1, ∀N - 1
kn N
式中 : W 为傅里叶算子 ; DFT 算法为离散信号的分 析从理论上提供了变换信息 , 但由于 DFT 算法运算 量大 ( 计算量与变化区间长度 N 的平方成正比 ), 运 算时间长 , 很难实现 . FFT 的出现使 DFT 的运算效 率提高 1~ 2个数量级, 为数字信号处理技术应用于 各种信号的实时处理创造了条件 . FFT 算法形式基本上可以分为两大类, 即时间 抽取法和频率抽取法 , 算法思想基本一致 . 取采样 范围长度 N 为 2 的 整数次方, 采样数不足补零 , 根 据 DFT 的 性质, 可以将 N 点 DFT 分解为两个 N /2 点的 DFT. N / 2点的 DFT 又可以再分解成两个 N /4 点的 DFT 变换, 一直分解下去 , 最后 获得 N / 2 个 2 点的 DFT 变换. 3 . 3 . 2 采样数据的 FFT 处理 FFT 可以通过 M atlab 实现 . 采用 M atlab 对 3 个 速度下的传感器输出信号进行 FFT 处理得到的频 谱图如图 4 所示. 由图 4 可以看出, 500 脉冲 / s 速 度下功率谱密度最大的频率均在 0 . 1 H z附近 , 即为 目标信号 , 而 其它杂波信号的 功率谱密度都较 小. 同样处理 800脉冲 / s和 1 000 脉冲 / s速度下的采样 信号 , 目标信号频率非常接近 , 但影响较大的杂波信 号随着速度的提高频率也在提高 . 指令速度为 500 , 800 , 1 000 脉冲 / s时 , 影响较大的杂波信号频率分 别为 5 864 , 9 . 383 , 11 . 42 H z , 这些杂波信号的频率 与速度的大小近似成正比关系, 这说明该杂波信号
1 波纹板
试验采用的波纹板为 30 波纹板, 其具体尺寸
收稿日期 : 2009- 07- 21
98
焊
接
学
报
第 31 卷
在扇形导轨上转动. 整个运动过程中 , 超声波传感 器只沿 x 轴方向运动 . x 轴的驱动采用步进电机驱 动齿轮齿条 . 步进电动机的步进角为 1 . 8 , 电机细 分数为 40 . 电机的控制采用 PMAC2 PC I . 试验测 得焊接小车 在 x 轴上 运动 1 mm 平均 需要 53 ( 脉 冲 ).
0 序
言
如图 1 所示. 波纹板一般长数十米, 每条折线焊缝 有数十个周期 , 近两百个折弯点 . 冲模和板料送进 都存在误差, 如果不进行跟踪 , 折弯位置必然出现偏 差, 使焊缝偏移焊接位置 .
波纹板广泛应用于集装箱、 工业厂房、 展厅屋顶 等 , 但波纹板的焊接主要为焊条电弧焊. 提高波纹 板焊接自动化程度的关键是折线焊缝的跟踪 . 焊缝 跟踪常用传感器主要有电弧、 光学、 声学、 力学传感 器等. 南昌大学江西省焊接机器人重点实验室
第 12 期
田松亚, 等 : 超声波传感器在波纹板折线焊缝跟踪中的应用
99
是由驱动部分振动产生的机械波信号, 完全可以通 过数字滤波器滤去.
4 试验结果与分析
由于波纹板折线焊缝属于短线段、 多周期、 长焊 缝, 考虑到检测所有折弯点的计算量较大, 基于焊缝 折弯位置的周期性 , 每个波纹周期只检测一个折弯 位置 , 通过其几何尺寸推算另 3 个折弯位置, 这样可 以大大降低计算量 . 结合图 3 与图 5 , 可以看出超声 波信号在波纹板斜边与槽面形成的折弯处变化较为 明显 , 而在斜边与顶面形成的折弯处变化比较平缓. 造成这一现象的原因主要为波纹板是冲压成的, 折 弯位置实际上是圆角过渡 . 超声波指向性好, 界面
图 3 指令速度 500脉冲 /s 采样数据波形 Fi g 3 Samp le da ta wave form
3 . 3 快速傅里叶变换 ( FFT) 3 . 3 . 1 FFT 算法思想 离散 傅 里 叶 变 换 ( discrete fourier transfor m,
图 2 焊接机构示意m
第 3 1卷第 12 期 2 0 1 0 年 1 2月
焊
接
学
报
V o. l 3 1 No. 12 December 2010
TRANSACT IONS OF THE CH I NA W ELDING I N ST ITUT ION
超声波传感器在波纹板折线焊缝跟踪中的应用
田松亚 ,
摘
1
史如森 ,
1
朱晓华 ,
DFT )定义为 : 设 x ( n) 是一个长度为 n 的有限序列, 则 x ( n ) 的 N 点离散傅里叶变换为
N- 1
3 试验与分析
3. 1 数据采集过程 数据采集采用 T I 公司的 TM S320LF2407A 试验 板 . 该试验板 CPU 频率为 40 MH z , 有两个时间管理 模块 ( EV) , 每个时间管理模块有两个计数器 ( Tx ) , 数模转换模块 ( ADC ) , 可以 方便的实现模数转换 . 试验采用 T 1 计时器 , 128分频, 连续增计数模式 , 每 中断一次进行一次采样 , 采样频率与驱动速度相匹 配 , 为 1 脉冲距 离采 样一次 , 采样 分辨率 为 0 . 019 mm. ADC 接入超声波传感器输出模拟信号 , 采用级 连模式 , 预定标系数为 9 , 即 500 ns. 超声波传感器 信号输出采用电压模式, 由于 DSP 的最高允许电压 为 3. 3 V, 因此对 DSP输入端接收信号进行分压 , 最 大为 2 . 8 V. 3. 2 采集的数据 在指令速度分别为 500 , 800 , 1 000 脉冲 / s 3 种 情况下 , 使小车从指定位置开始沿 x 轴方向运动 , 位 移超过一个周期, 采用超声波传感器进行跟踪. 每 个速度下重复采样 5次 . 对采集的试验数据绘制波 形图, 通过对比这些波形图可以发现 , 试验重复性效 果良好 . 3 种速度下的试验数据波形 图基本一致 , 其中指令速度为 500 脉冲 / s 数据波形图如图 3 所 示 . 由图 3 可知, 采样数据波形与波纹板的形状相 似 , 但是整个波形中杂波较多, 掩盖了折弯点信息 , 必须进行滤波处理. 首先要分析有效信号和干扰信 号的频率特征.
图 4 指令速度 500脉冲 /s 采样信号频谱图 F ig 4 Freq uency spectrog ram of samp l e da ta a t 500 cts
反射遵循波的反射原理 , 检测斜边时形成盲区, 但由 于波纹板表面并不是一个理想镜面 , 所以实际上斜 边处会有部分超声波发生散射而被传感器检测到, 使得检测信号不断跳变 . 顶面与斜边交接处圆角是 一个凸面 , 超声波传播到该凸面时 , 会被凸面散射, 使得可接收反射信号的范围增大 , 并且声压分布比 较均匀, 所以超声波传感器检测该折弯位置时信号 跳变会延迟发生, 表现为折弯位置处信号缓慢增大; 槽边和斜边的交接处圆角是一个凹面 , 超声波传播 到凹面反射时 , 会被凹面聚焦 , 从而使得可接收反射 信号的范围减小 , 并且聚焦点处声压最大 . 所以选 择从槽面到斜边处的折弯位置进行检测 . 以所选折弯位置为对象, 选择一个包含该折弯 位置的范围, 进行超声波传感器数据采样, 分析波形 的跳变与折弯位置的关系. 由前述试验结果分析可 知, 速度对信号采集的影响主要表现在驱动部分振 动产生的机械波的频率上, 焊接速度越大, 该机械波 的频率越高. 考虑到目标波形频率在 0 . 1 H z左右, 远低于 500 脉冲 / s时的机械波频率. 实际焊接时的 焊接速度为 1 . 2 ~ 1. 5 m /m in, 即 1 062 ~ 1 328 脉 冲 / s. 因此, 为了尽可能多的采集细节信号 , 试验选 择指令速度为 500 脉冲 / s时 , 超声波传感器从指定 起点前进 2 770 脉冲 . 重复采集 5 组试验数据 . 按 照上面的滤波方法对数据滤波. 试验数据重复度较 好, 其中一 组数据 波形图 和滤 波后 数据 波形图 如 图 6 所示. 为了表述方便, 图 6b 中, 波形从平缓突 变下降的点称为跳变点. 5 组试验数据滤波后的跳 变点横坐标数值分别为 1 421 , 1 423 , 1 440 , 1 452 , 1 425 . 试验测得采样的开始点到折 弯位置的位移为 27 . 4 mm, 采样总位移为 52 . 2 mm, 如图 7 所示 . 则 折弯位置对应的采样点为