梁 為，于復生，嚴高超，朱寶星

（山東建筑大學 機電工程學院，濟南 250101）

0 前 言

在鍋爐、石油、化工、核能等工業(yè)部門的熱交換器生產(chǎn)中，熱交換器是重要的熱力設(shè)備[1]。我國的壓力容器制造行業(yè)與世界工業(yè)發(fā)達國家相比，無論在產(chǎn)能、生產(chǎn)效率、技術(shù)裝備的先進性，還是產(chǎn)品質(zhì)量控制與管理、技術(shù)標準和信息化技術(shù)的應用等方面，都存在較大差距[2]。 在整個換熱器的制作過程中，管子和管板接頭的焊接是工序的關(guān)鍵部分[3]，如果焊縫的根部沒有焊透，焊縫中存在裂紋、氣孔等缺陷，在檢驗中又未被發(fā)現(xiàn)，那么在運行中就會在交變應力的作用下，使缺陷擴展、泄漏通道擴大、從而導致沖蝕、以至泄漏，影響整機的運行安全[4]。 而管-板焊接接頭在運行過程中發(fā)生泄漏是換熱器不能正常工作的主要原因[5]，因此管-板焊接接頭的質(zhì)量將直接影響設(shè)備的使用壽命[6]。

在換熱器的生產(chǎn)制造過程中，管子與管板焊接的特點是：接頭數(shù)量大，焊接位置苛刻，工作環(huán)境惡劣。 近年來，國內(nèi)開發(fā)了多種類型的管-板自動焊機[7-17]，如李敏[11]設(shè)計的全位置自動管板氬弧焊機，使焊機結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高定位精度，進而提高焊接質(zhì)量。 又如王振民等[16]研制的全數(shù)字管板自動化焊機，具有良好的動靜態(tài)性能，焊縫成形美觀，“魚鱗紋” 規(guī)則均勻，焊接質(zhì)量較高，但是在實現(xiàn)整臺換熱器上千個管孔全自動焊接方面仍存在一些問題，因此研發(fā)了基于CCD 視覺成像的管－板焊接裝置，并提供了用于該裝置的檢測方法。

1 管-板焊接裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 管-板焊接裝置結(jié)構(gòu)示意圖

管－板焊接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。 該裝置是由控制系統(tǒng)、移動機構(gòu)、視覺成像系統(tǒng)和焊接裝置組成的，移動機構(gòu)包括y 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、z 軸升降機構(gòu)、x 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、CCD 移動機構(gòu)、焊機移動機構(gòu)、z 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和x 軸移動機構(gòu)，視覺成像系統(tǒng)包括CCD 視覺成像系統(tǒng)、激光測距傳感器和CCD 光源，焊接裝置為焊機，控制系統(tǒng)為PLC 控制器。 x 軸移動機構(gòu)上方安裝有z 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，z 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上方安裝有z 軸升降機構(gòu)，z 軸升降機構(gòu)側(cè)面安裝有x 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，x 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)外側(cè)安裝有y 軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，y 軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上方安裝有CCD 移動機構(gòu)和焊機移動機構(gòu)，CCD移動機構(gòu)和焊機移動機構(gòu)后方安裝有PLC 控制器，CCD 移動機構(gòu)前方安裝有CCD 視覺成像系統(tǒng)、CCD 光源和激光測距傳感器，焊機移動機構(gòu)前方安裝有焊機。

y 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、z 軸升降機構(gòu)、x 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、CCD 移動機構(gòu)、焊機移動機構(gòu)、z 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和x 軸移動機構(gòu)采用液壓驅(qū)動并配備相應的位移傳感器，z 軸升降機構(gòu)用于實現(xiàn)y 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、PLC 控制器、CCD 移動機構(gòu)、焊機移動機構(gòu)、CCD 視覺成像系統(tǒng)、激光測距傳感器、CCD 光源和焊機沿z 軸的升降運動； x 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)用于實現(xiàn)y 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、PLC 控制器、CCD 視覺成像系統(tǒng)、激光測距傳感器、CCD 光源和焊機繞x 軸方向的旋轉(zhuǎn)運動； z 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)用于實現(xiàn) y 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、PLC 控制器、z 軸升降機構(gòu)、x 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、CCD 移動機構(gòu)、焊機移動機構(gòu)、CCD 視覺成像系統(tǒng)、激光測距傳感器、CCD 光源和焊機繞z 軸方向的旋轉(zhuǎn)運動； x 軸移動機構(gòu)用于實現(xiàn)y 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、PLC控制器、z 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、z 軸升降機構(gòu)、x 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、CCD 移動機構(gòu)、焊機移動機構(gòu)、CCD視覺成像系統(tǒng)、激光測距傳感器、CCD 光源和焊機沿x 軸方向的運動； y 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)用于實現(xiàn) PLC 控制器、CCD 移動機構(gòu)、焊機移動機構(gòu)、CCD 視覺成像系統(tǒng)、激光測距傳感器、CCD 光源和焊機繞y 軸的旋轉(zhuǎn)運動； CCD 移動機構(gòu)用于實現(xiàn)CCD 視覺成像系統(tǒng)、激光測距傳感器和CCD 光源的伸縮運動； 焊機移動機構(gòu)用于實現(xiàn)焊機的伸縮運動，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和移動機構(gòu)液壓工作原理如圖2 和圖3 所示。

z 軸升降機構(gòu)移動的高度位置信息，x 軸移動機構(gòu)的水平位置信息，x 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、y 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和z 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)的角度信息，CCD 移動機構(gòu)和焊機移動機構(gòu)的移動位置信息被記錄下來。

圖2 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)液壓工作原理

圖3 移動機構(gòu)液壓工作原理

2 管孔中心坐標檢測方法

管孔中心坐標的檢測方法包括四個步驟：

（1） 將待測工件擺放至焊接裝置前方。 待測工件的板面與焊接裝置所處水平面和垂直面的水平偏角為α 和垂直偏角為β，管排中心連線與水平線間的夾角即管排傾角為θ，如圖4 和圖5所示。

圖4 管-板面檢測點及夾角示意圖

圖5 管排傾斜度示意圖

（2） 確定板面上不共線三點的坐標。 通過PLC 控制器控制z 軸升降機構(gòu)和x 軸移動機構(gòu)帶動激光測距傳感器上下左右移動，檢測板面上不共線的三個點分別到傳感器的距離，確定待測工件的板面上不共線三點的坐標。

（3） 求得待測板面的平面方程。 假設(shè)不共線的三點 （A、B、C） 坐標分別為 A （xa，ya，za）、B （xb，yb，zb）、C （xc，yc，zc），設(shè)平面的一般方程為：

將所得到的三點坐標代入所設(shè)平面方程可得

轉(zhuǎn)化成行列式為

（4） 調(diào)整 CCD 視覺成像系統(tǒng)。 根據(jù)所得到的平面方程，通過兩平面法向量的夾角計算得到板面與水平面和垂直面所成水平偏角α 和垂直偏角β，利用PLC 控制器控制x 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和z 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動CCD 視覺成像系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)水平偏角α 和垂直偏角β，使CCD 視覺成像系統(tǒng)與板面垂直，焊機與CCD 視覺成像系統(tǒng)由x 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和Z 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)同時調(diào)整，固此時焊機同樣與板面垂直。 CCD 視覺成像系統(tǒng)與待測工件垂直后，利用CCD 視覺成像系統(tǒng)檢測任意一排中的兩個管孔中心坐標，即可得到該排管孔中心所在的直線，該直線的斜率即為管排傾角θ，控制y 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動CCD 視覺成像系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)抵消掉θ，此時CCD 視覺成像系統(tǒng)與管板面相對水平，便于后續(xù)管孔中心坐標的測量。

通過CCD 視覺成像系統(tǒng)獲取管孔坐標，再由PLC 控制器控制整機完成管板焊接工序。

3 結(jié)束語

基于CCD 視覺的管－板焊接裝置能實現(xiàn)整臺換熱器上千個管孔的全自動焊接，該檢測方法能夠準確獲取管-板表面管孔中心坐標，為管子管板的全自動焊接工作提供準確數(shù)據(jù)，保證管－板焊接的質(zhì)量和速度，降低勞動強度，具有一定的推廣和應用價值。