Следящие системы с оптоэлектронными датчиками

В этих системах в качестве источника информации используются фотодиоды, фототранзисторы и телеаппаратура твердотельного исполнения – ПЗС-линейки и ПЗС-матрицы. ПЗС устройство представляют собой кремниевую пластинку, содержащую несколько сотен тысяч миниатюрных МОП элементов.

Применение фотодатчиков может быть основано на использовании отраженного света излучения дуги от поверхности, например при сварке тавровых швов. При направлении дуги строго по биссектрисе угла среднестатистическая освещенность в точках, выбранных на некотором удалении от угла на вертикальной и горизонтальной стенках, одинакова. Эта освещенность фиксируется фотодатчиками. Недостаток такой системы - невозможность автоматического выхода на начало шва и зависимость сигнала от состояния поверхности, которое может меняться в пределах одного изделия.

Если светоконтрастные поверхности на изделии отсутствуют, то применяют специальные способы освещения и выделении информации о положении линии соединения. При сварке тавровых соединений проектор 1 (рис. 45) с мощной ксеноновой лампой освещает зону соединения под углом 65^о к горизонтали, а видеосенсор 6 направлен на эту же зону под углом 45^о.

Рис. 45. Схема определения положения линии таврового соединения с помощью видеосенсора на ПЗС-матрице:

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; б – ПЗС-приемник (видеосенсор); 7 – проектор световой точки; 8 – световая точка; 9 – линия соединения свариваемых элементов; 10 – зона видимости; 11 – зона освещения

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 матрицы получают аналоговый сигнал, который преобразуется в цифровой, поступающий в микроЭВМ. Чтобы определить положение начала и конца шва в зону наблюдения проектором проецируют точку 8 диаметром 3 мм. Появление ее в определенном месте зоны наблюдения свидетельствует о наличие шва под сенсором, а её исчезновение – о проходе конца шва под сенсором. Эта информация служит для включения и выключения сварки. Для стыковых соединений используют теневой метод, при котором световое сечение и изображение положения стыка получаются от линейного источника света, расположенного над поверхностью изделия над линией шва. Приемник располагается под углом к плоскости свариваемого изделия также над линией шва.

Чтобы проводить измерения в зонах перед дугой и после неё осуществляют круговое сканирование лазерным лучом вокруг точки сварки. За один цикл сканирования проводится измерение одного цилиндрического или конического светового сечения соединения, подготовленного под сварку, и одного сечения, полученного сварного соединения.

В качестве излучателя (рис. 46, а) используется полупроводниковый лазер 2 мощностью 1…10 Вт в импульсе. 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 пятна наблюдается под углом 15…20^о к оси этого луча проецирующее системой 6, которая фокусирует изображение пятна на полупроводниковой линейке 4. Для уменьшения влияния света дуги перед приемником ставится интерференционный фильтр 5. Видеосенсор 9 двигателем 8 осуществляет круговое сканирование зоны шва 11 вокруг горелки 10. По полученной информации определяется расстояние сварочной горелки до поверхности изделия и формируется полная трехмерная модель свариваемого соединения в зоне вокруг сварки. Отсюда можно определить угол разделки соединения, величину превышения кромок, форму наплавленного валика, расстояние между горелкой и поверхностью изделия, угол между осью горелки и линией стыка. Система должна содержать микроконтроллер или компьютер с интерфейсом, а также математическую модель процесса сварки для управления режимом.

Рис. 46. Видеосенсор с круговым сканированием лазерного луча вокруг

точки сварки: а - оптическая схема использования триангуляционного метода в сенсоре с фотоприемником в виде ПЗС-линейки; б – 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

Другой вариант системы слежения будет рассмотрен в разделе, посвященном применению промышленных роботов при сварке.