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).

Формирователи сигнала изображения (ФСИ) на ПЗС подраз­деляют на линейные (одномерные) и матричные (двумерные).

Линейные ФСИ (МФСИ) содержат в себе один ряд фоточув­ствительных элементов, расположенных вдоль линии, обычно строки (однострочные ПЗС). Электронноесамосканирование осу­ществляется в ЛФСИ по одной координате, формируется сиг­нал одномерного изображения объекта. ЛФСИ можно использо­вать при контроле технологических процессов производства, спе­циальном анализе, анализе оптической плотности микро- и мак­роматериалов. Для получения двумерного изображения с помо­щью ЛФСИ необходимо применить механическое сканирование, т. е. перемещать по второй координате ЛФСИ относительно объек­та или объект относительно ЛФСИ. Наличие одного ряда фото­чувствительных элементов в ЛФСИ позволяет реализовать про­стую организацию считывания заряда и достичь высокого разре­шения вдоль оси прибора. Используя механическую развертку совместно с таким прибором, можно получить изображения объекта с высокой разрешающей способностью в малокадровых ТВ-системах.

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 р— 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 с мощной ксеноновой лампой освещает зону соединения под углом 65° к гори­зонтали, а видеосенсор направлен на эту же зону под углом 45°. За счет разных углов падения светового потока на вертикальный и горизонтальный свариваемые элементы их освещенности ока­зываются различными. В качестве фотоприемника используют по­лупроводниковуюсветочувствительную ПЗС-матрицу с числом элементов 50 х 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 проецируют точку диаметром 3 мм. Появление точки 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.

Другой пример получения контрастных элементов на поверхно­сти стыковых соединений с двусторонней разделкой стыка — это теневой метод. Световое сечение и изображение положе­ния стыка при этом методе получаются от линейного источника света, расположенного параллельно поверхности изделия. Свето­вой поток от линейного источникападает под углом а к поверхности свариваемого изделия и частично экранируется шторкой, расположенной на расстоянии 10... 15 мм от поверхности изделия. Приемникизображения стыка реализован на ПЗС-матрице и рас­положен под углом к плоскости свариваемого изделия.

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. В качестве излучателя используется полу­проводниковый лазериз арсенида галлия мощностью 1... 10 Вт в импульсе, работающий на волне длиной 904 нм (ближний инфра­красный свет). Излучение лазера формируется фокусирующей си­стемойв тонкий луч диаметром 2 мм у выхода оптической сис­темы и 0,3 мм — на расстоянии 180 мм. На поверхность изделия проецируется яркое пятно соответствующего диаметра. Положе­ние указанного пятна наблюдается под углом 15...20° к оси этого луча проецирующей системой, которая фокусирует изображе­ние пятна на полупроводниковой линейкес зарядной связью.

Расстояние между центрами элементов такой линейки может составлять 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. 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 _тах = 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.

Для полного использования информации, получаемой при по­мощи сенсора такого типа, СУ должна включать в себя 16-разряд­ный микроконтроллер или компьютер с интерфейсом. Кроме того, СУ должна содержать в себе математическую модель процесса свар­ки, которую можно использовать для управления режимом сварки (в зависимости от геометрических параметров разделки и получае­мого сварного соединения).