（精密仪器及机械专业论文）防火电缆纵包焊接测控系统的研制(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 论文题目：防火电缆纵包焊接测控系统的研制 学科专业：精密仪器及机械 研究生：罗峥嵘 导师：于殿泓副教授 乔卫东副教授 摘要 签名塑望益 签名越 、j 签名勉= 随着入类物质生活水平的提高及其人类科技的发展，对电的需求量也越来越大，因而有 效避免电火灾变得日益重要。采用矿物绝缘防火电缆防止电火灾是有效、方便的方法之一。 然而目前国内生产矿物绝缘防火电缆的纵包焊接工艺并不成熟，有很多地方需要完善，针对 这一问题，本文设计了一套焊接测控系统，该系统通过二个线阵c c d 实现对电缆位置的二 维测量，根据测量结果调整焊枪，使其工作在合适位置，进而完成电缆的高质量焊接。本课 题的主要_ i 作有： 1 ) 在分析目前矿物绝缘电缆在防火中应用的基础上，讨论了电缆制造工艺的发展情况， 针对工艺焊接工序不完善提出了采用焊接测控系统的设计； 2 ) 用西个线阵c c d 实现了二维非接触式测量，来实现电缆位置的二维测量和焊枪的二 维定位。设计了包括由光学系统、c c d 传感器、信号调理电路和单片机数据处理电路等部 分组成的c c d 非接触式测量系统； 3 ) 采用双单片机工作方式使信号采集和电机控制同时进行，一个单片机系统实现对电 缆位置的采集信号进行处理，计算出电缆相对焊枪位置豹偏移量；另个单片系统对电枫运 行状态实行监控，控制电机对= 维工作台进行驱动，来调节焊枪的位置； 4 ) 规划了一个二维工作台，并选用配套电机，设计相关电机控制电路和软件系统，以 满足调节动作的实现。 最后对系统的相关部分进行了调试试验，作了相关标定。本系统经过试验，基本能满足 使蹋要求。 关键词：线阵c c d ；位置测量；矿物绝缘电缆；电机控制 a b s t r a c t t i t l e ：m e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mf o rl o n g i t u d l n a l w e l d l n gi nc a b l ep r o d u c l n g m a j o r ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n t sa n dm a c h i n e r y n a m e ：z h e n g r o n gl u o 一 一 s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f d i a n h o n gy u s i g n a t u r e s i g n a t u r e a s s o c i a t ep r o f w e i d o n gq i a o s i g n a t u r e a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n ti nl e v e lo fh u m a nm a t e r i a ll i v i n ga n dt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , t h e r ea r em o r ea n dm o r ed e m a n d st oe l e c t r i ce n e r g y s oi tb e c o m e si n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tt oa v o i df i r e sm a d eb ye l e c t r i c i t y t bu s eo fm i n e r a li n s u l a t e dc a b l e si so n eo f e f f e c t i v e a n dc o n v e n i e n tm e t h o d so fp r e v e n t i n gf i r e n o w a d a y s ，i ti sn o tp e r f e c ti nt h el o n g i t u d i n a lw e l d i n g t e c h n o l o g yu s e df o rp r o d u c i n gm i n e r a li n s u l a t e dc a b l e s ，w h i c hn e e d st ob ei m p r o v e d i nv i e wo f t h i s ，am e a s u r i n ga n dc o n t r o lw e l d i n gs y s t e mi sd e s i g n e di nt h et h e s i s ，w h i c hg e t s t w o d i m e n s i o n a ll o c a t i o ni n f o r m a t i o no fag i v e nc a b l eb yt h et w ol i n e a rc c d s ，a n da d j u s t st h e p o s i t i o n o fw e l d i n gt o r c hi no r d e rt oa c h i e v et h eh i g hq u a l i t yw e l d i n g a c c o r d i n gt o t h e m e a s u r e m e n tr e s u l t s 。t h em a i nc o n t e n t si n c h d e ： 1 ) a m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da g a i n s tw e l d i n gf a u l t sb a s e do nd i s c u s s i n g t h ed e v e l o p m e n to ft h ec a b l em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n da n a l y z i n gt h ea p p l i c a t i o no fm i n e r a l i n s u l a t e dc a b l e si nf i r e sc u r r e n t l y ； 2 ) 孙i ss y s t e ml o c a t e st h ef i g h tp o s i t i o no ft h ew e l d i n gt o r c hd e p e n d i n go nt h ef i g u r e so ft h e c a b l e sp o s i t i o nw h i c hc o m ef o r mat w o d i m e n s i o n a ln o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n tb yt w ol i n e a r c c d s t oa c h i e v et h eg o a l ，t h ec c dn o n c o n t a c tm e a s u r i n gs y s t e m si sd e s i g n e d ，w h i c hc o n s i s t s o fo p t i c a ls y s t e m ，c c df 汜n s o r s ，s i g n a lp r o c e s sc i r c u i t ( i n c l u d i n gt h ea m p l i f i e r , f i l t e rc i r c u i t sa n d b i n a r yc i r c u i t ) a n ds c md a t ap r o c e s sc i r c u i t ； 3 ) t w os i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r si su s e di n t h i ss y s t e m ，t h eo n ei sf o rp r o c e e d i n gt h e m e a s u r i n gs i g n a lo fc a b l ep o s i t i o na n dc a l c u l a t i n gt h er e l a t i v eo f f s e t t ot h ew e l d i n gt o r c h p o s i t i o n , t h eo t h e ri sf o rm o n i t o r i n gt h er e a l t i m es t a t eo fm o t o ra n dd r i v i n gt h et w o - d i m e n s i o n a l t a b l et or e g u l a t et h ep o s i t i o no fw e l d i n gt o r c hs i m u l t a n e o u s l y ； 4 ) f o rf u l f i l l i n gt h er e g u l a t i o no ft h ew e l d i n gt o r c hp o s i t i o n ，at w o d i m e n s i o n a lt e s t - t a b l ei s p l a n n e d ，m a t c h i n gm o t o ri ss e l e c t e d ，m o t o rc o n t r o lc i r c u i ta n ds o f t w a r es y s t e m sa r ed e s i g n e d 囊i sp r o v e dt om e e tt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fu s eb yt h ed e b u g g i n gt e s tt or e l e v a n tp a r t sa n d r e l e v a n tc a l i b r a t i o n k e yw o r d s ：l i n e a rc c d ，p o s i t i o nm e a s u r e m e n t ，m i n e r a li n s u l a t 礤c a b l e s ，m o t o rc o n t r o l l l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：婆i 鸳蟮加喟年 学位论文使用授权声明 目 本人= ：翌! 釜! b 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，1 q 意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，珏s ：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可| 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括干q 登) 授权强安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：遥堕兰塾：导师签名： 年月日 绪论 1 绪论 1 。1 引言 在现代社会中，电力在国民生活中的作用是无可比拟的的，如果缺少电，哪简直是不敢 想象的，手机成了摆设，金融全部瘫痪，许多交通工具无法运用，工业发展速度变为零。 最直接的例子，是今年年初的雪灾，造成南方大面积停电，结采直接造火车停开，几十万群 众滞留车站无法回家，还不仅仅如此，由于雪灾破坏了电网，矗接造成几百亿的损失。 雪灾造成电网破坏，鄢只是偶然出现的情况，而由火灾造成的电网破坏却时有发生，特 别是近年来电缆火灾事故频繁发生，由于防火措施不完善，着火后蔓延很快，火势凶猛，难 以扑灭，不但直接烧损了大量的电缆和设备，而且停电修复的时间很长，严重影响了工农业 生产和人民生活用电。据有关部门统计，在中国发生的多次电缆火灾事故中直接和间接损失 巨大。因电缆着火延燃造成的事故，遍及发电厂、变电所、工厂企业、高层建筑、邮电局、 铁道、船舶等场所。 关于电缆火灾发生的原因，可归纳为以下2 个方面“： 1 ) 属于电缆本身的情况。如过负荷及短路电流长时间作用下，电缆绝缘老化着火、电 缆接头接触不良局部发热导致着火等。 2 ) 属于外部因素的情况。如含油设备的漏油着火波及电缆，工程作业中的意外失火， 电缆沟散热取防火措施等。 据有关统计资料表明，由于电缆本身原因产生的火灾，在电缆火灾事故总数中，并不占 主要比例，而电缆外部原因是多种多样的，防不胜防。1 9 9 8 年调查的国内多起电缆火灾事 故中由于电缆本身故障起火延燃占总数的2 4 2 ；而由于外界火源引起电缆延燃占7 5 8 ； 所以应设法使电缆火灾蔓延受到抑制减弱或阻熄。 为了预防电缆起火n 1 造成经济损失，主要从两个方面入手。 一方面，制订相关法律和标准，对环境和产品提出限制和约束。最近，公安部发布了强 制性标准g a 3 0 6 - - 2 0 0 1 阻燃及耐火电缆：塑料绝缘阻燃及耐火电缆分级和要求，对耐火 电缆进行了分级，并对耐火电缆的发烟量及烟气毒性作了具体的规定，进一步完善了中国阻 燃及耐火电缆的标准体系，将对推广和应用阻燃、高效、无公害的阻燃、耐火电缆起到一个 推进作用。 另一方面，从技术上讲有几种方法：第一种方法，在电缆敷设环境中设置防火措施。电 缆沟、井、隧道内不应敷设可燃气体或易燃、可燃液体管道，以防互相影响。电缆进出建筑 物( 水平或垂直) 都应用石棉、硅或非燃材料封堵严密，特别要切断通向配电室、开关柜、 控制室以及油区的通道。对于较长的电缆沟，可每隔3 0 - - 5 0 m 在均数电缆沟道中用砖砌起 夹层，夹层中填满砂、或用低标号的水泥封砌( 2 5 撑) ，以防止电缆火灾沿缆蔓延。第二种方 法，对电缆采耿防火措施。比如，在电缆外面涂防火漆，绕耐火、阻燃包带，或者置于不燃 液体中，以阻止电缆在火灾环境中燃烧，或增加其燃烧时间。电缆过于靠近高温热体又缺乏 西安理工大学硕士学位论文 有效隔热措施，将加速电缆绝缘的老化，容易发生电缆绝缘击穿，造成电缆短路着火。高温 管道泄漏、油系统着火及油泄漏到高温管路起火等也将会引起附近电缆着火。因此，要求电 缆与热体管路要保持一定距离，不得在密集敷设电缆的电缆夹层和电缆沟内布置热力管道、 油气管以及其他可能引起着火的管道和设备。第三种方法，电缆采用阻燃或耐火材料制造， 目前，常用的此类电缆主要有：有机绝缘阻燃电缆、有机绝缘耐火电缆和矿物绝缘耐火电缆。 几种不同的防火或阻燃电缆，其性能特点不同，适用场合也有所不同，可从以下几方面 分析： a 线路的安全可靠性 1 ) 矿物绝缘( 相关产品) 电缆是全无机物组成的电缆、不会自燃，也可以长时间保持线 路的完整，按照英国标准b s 6 3 8 7 检测，9 5 0 。c 可以达到3 小时。而且可以经受火灾中喷淋 水和重物坠落的冲击。 2 ) 其他型耐火电缆，只能通过我国标准g b l 2 6 6 6 6 检测9 5 0 * ( 2 保持9 0 m i n ，无法承受喷 淋水和重物坠落的冲击。为了满足承受喷淋水和重物坠落的冲击，需要穿金属管或密封桥架 进行保护，增加了安装辅助费用和安装空间要求。 b 烟雾和毒气性能 我国和国际电工委员会评价电缆散发烟雾和卤素毒气性能的标准有：电线电缆烟雾 特性g b l 2 6 6 6 7 9 0 电线电缆烟雾特性i e c l 0 3 4 电线电缆卤素含量测定i e c 7 5 4 根 据这些标准要求可知： 1 ) 矿物绝缘( 相关产品) 电缆是由无机物组成，没有任何烟雾和毒气。 2 ) 塑料电缆( 包括辐照交联电缆和低烟无卤电缆) 总是会在火灾中释放出烟雾和毒气。 交联电缆的卤素含量较低，烟雾量和聚氯乙烯绝缘( 相关产品) 的电缆相近；低烟无卤的电缆 烟雾量较低，卤素含量极少，但其他的毒气含量并没有减少。因此，对于人员密集的场所， 矿物绝缘( 相关产品) 电缆无毒的特性会在一旦发生火灾时，给人员逃生和消防( 相关产品) 求援创造条件。 c 经济性 在建筑中为达到线路同样安全的保护等级，对于不同的电缆要采取不同的保护方式，例 如，为保证重要消防( 相关产品) 线路达到6 0 m i n 的有效供电时间，一般有三种方式： 1 ) 矿物绝缘( 相关产品) 电缆直接明敷，无需保护，这已通过许多国内外的标准实验和 大型模拟实体火灾试验得到了证实。 2 ) 耐火类电缆在穿管或封闭的桥架中敷设，外涂防火( 相关产品) 涂料。 3 ) 阻燃( 相关产品) 型电缆穿管在非燃烧体内敷设，且保护层厚度不小于3 c m 。 比较各种电缆使用的经济性必须从总体的综合造价( 含线缆本体价、安装附材价、安装 人工费等) 进行分析。据资料介绍北京人民大会堂大礼堂改造项目使用矿物绝缘( 相关产品) 电缆与耐火电缆的造价比较，使用矿物绝缘( 相关产品) 的造价是使用耐火电缆的9 7 5 9 。 同时因为矿物绝缘( 相关产品) 电缆散热性能优良，线缆允许工作温度更高，所以在同样环境 条件下矿物绝缘( 相关产品) 电缆的允许载流量要大于其它类型电缆一二个等级，即如果其 2 绪论 他电缆采用1 2 0 m m 2 时，矿物绝缘( 相关产品) 电缆采用9 5 m m 2 即可，这样在同等供电条件要 求下，采用矿物绝缘( 相关产品) 电缆会更加经济。 d 安装敷设性能 1 ) 电缆敷设弯曲半径要求首先，按照国家标准设计图集矿物绝缘( 相关产品) 电缆敷 设9 9 d 1 6 3 要求，其敷设的弯曲半径为电缆直径的6 倍：而v v 电缆是电缆直径的8 倍；交 联类( 含辐照交联) 为电缆直径的1 0 倍。其次，矿物绝缘( 相关产品) 电缆3 5 m m 2 以上均采用 单芯结构，其所需要的敷设空间将会更小。例如：同样使用1 2 0 m m 2 的电缆，矿物绝缘( 相 关产品) 电缆所需的弯曲半径为1 6 8 m m x 6 = 1 0 0 8 m m ；而3 x 1 2 0 m m 2 的v v 电缆直径是 3 6 m m ，安装所需的半径为3 6 m m x 8 = 2 8 8 m m 。可见总体的安装空间可以节约，施工也更加 方便。 2 ) 电缆的连接和终端矿物绝缘( 相关产品) 电缆与塑料绝缘( 相关产品) 电缆不同，其连 接和终端必须按照9 9 d 1 6 3 标准图集所规定的方法施工，相对塑料绝缘( 相关产品) 电缆多了 些工序，但为了获得良好的使用价值和一劳永逸的使用，多出这些工序也是值得的。 综上所述，可以认为：矿物绝缘( 相关产品) 电缆在我国的应用是新产品和新技术；矿物 绝缘( 相关产品) 电缆在国家重点项目和消防( 相关产品) 设备的供电中的使用符合我国有关 建设规范发展和方向；随着国内制造厂技术的成熟和引进生产线大规模生产能力的形成及工 程应用的推广普及，矿物绝缘( 相关产品) 电缆使用成本将会更加降低，技术将会更加成熟。 很显然，矿物绝缘电缆与其类型电缆相比，具有更好的性能特点，但目前它的制造工艺还不 够完善和成熟，下面简单介绍一下工艺的发展和现状。 1 2 矿物绝缘电缆生产工艺的现状 1 2 1 预制氧化镁瓷柱法 所谓磁柱是氧化镁无机绝缘柱，它是通过把氧化镁粉经过配比、烧制而成的圆筒。预制 氧化镁瓷柱工艺流程框图如图1 一l 所示。 图l l 预制氧化镁瓷柱法生产工艺 f i g 1 1p r e f a b r i c a t e dm g o p o r c e l a i n - c h up r o c e s s 首先，准备原材料，包括铜棒、铜管和无机绝缘磁柱，铜棒、铜管必须经过清洗处理， 氧化镁瓷柱必须经过烘干处理，然后把它进行装配、拉拔和退火处理，直到达到规范要求。 材料的尺寸是经过从成品尺寸开始进行精心推陈出新算出来的，磁柱的尺寸也是根据产品尺 寸及铜管、铜棒尺寸推算出来的，它们的性能必须符合产品工艺要求；然后，把铜棒贯穿过 磁柱，接着把它们穿进铜管；最后进行拉拔、退火、再拉拔、再退火等，直到产品结构尺寸 3 西安理工大学硕士学位论文 满足要求。本方式工艺设计复杂，工序较多，特别是磁柱烧制困难。原材料保管不便，特别 是氧化镁磁柱，易受潮，受潮后性能显著下降。而且，产品质量波动较大，难以实现稳定控 制。 1 2 2 氧化镁粉灌装法 氧化镁粉灌装法工艺流流程如图1 2 所示，准备的原材料包括铜棒、铜管和氧化镁粉。 制造时，先把铜棒和铜管的相应位置固定好，然后把氧化镁粉灌装入固定好的架构中，装实 后，进行拉拔、退火、再拉拔、再退火等直到标准要求产品。本方式工艺设计也较复杂，特 别是灌装工序设计非常复杂，生产容易造成环境污染，但不需要烧制磁柱，一定和程度上降 低了成本和复杂度，质量控制要优于磁柱贯穿式。 图1 - 2 氧化镁灌装法工艺 f i g 1 - 2f i l l i n gm g o p o w d e rp r o c e s s 1 2 3 氩弧焊连续焊接法 采用氩弧焊连续焊接法时，其工艺流程图如图1 3 所示，生产时先用铜皮把绝缘体和铜 棒包覆起来，再把铜皮搭接处焊接起来，再往里灌装氧化镁粉，再进行多次拉拔，然后退火、 挤护套、检验等。该方式最大的优点是铜带的的长度不受限制。因此理论上可生产无限长的 电缆，扩大了它的使用范围，但它以工艺要求很高，特别是焊接工序，如果铜带焊接不好， 就会有氧化镁粉渗出来，同样，水份也容易渗进去，使氧化镁受潮，影响了电缆的质量。 图1 3 氩弧焊连续焊接法 f i g 1 3t i gc o n t u n u ew e l d i n gp r o c e s s 预制氧化镁瓷柱法、氧化镁粉灌装法和氩弧焊连续焊接法“钉这三种生产方式的特征 及性能情况比较：这三种工艺中连续的一次制造长度，最长的是氩弧焊连续焊接法，其 中，1 x 1 5m m 2 截面积的电缆最大制造长度可达6 4 1 0 m ；灌装法约为7 0 0 m ：瓷柱法仅为5 0 0 m 。 因此氩弧焊连续焊接法生产效率最高，最适宜大长度，大批量产品的生产。 氩弧焊相对于其它两种工艺方式来说，优势明显。但其相关技术并不成熟，它的关键技 术之一是焊接，因为对于矿物绝缘电缆来说，焊接后的电缆必须是无缝铜管，防止氧化镁渗 漏出来，也要防止潮气进去，否则就会影响产品质量。但由于焊接工序不够成熟，很难保证 4 绪论 它们的焊接质量，这主要体现在焊枪与铜皮焊缝相对位置很难保持固定。针对这一情况，必 须设计出焊接位置测控系统防火电缆纵包焊接测控系统。 1 3 项目的任务及目标 如上所说，焊接是矿物绝缘电缆的重要工序之一。由于矿物绝缘电缆生产工艺在国内是 新兴的技术，许多方面还不成熟，其中焊接就是其中之一。目前矿物绝缘电缆生产设备基本 上都引进国外设备，国内尚无类似设备，而国外设备在使用时由于技术差距，许多方面无法 完全实现，如焊接方面，不但增加了成本，还浪费了资源。焊接中最关键的一点是保证焊枪 与焊缝相对位置保持固定，在生产中，由于偶然因素会导致焊枪与焊缝相对位置发生偏移， 影响了焊接质量。为了保持固定的相对位置，随时进行焊枪位置调整，一般可以进行手工调 整，但手工调整要求专门安排人员进行，就会增加员工的劳动强度，增加人力，而且质量无 法保证。比较好的办法是通过测量系统把它们的相对位置测量出来，再通过微调机构对焊枪 位置进行调整，就可以实现对焊接位置进行控制，降低成本。由于需要在线测控，采用接触 式测量是比较困难的，一般应采用非接触式测量。非接触测量中，常用的有图像检测，即对 它们的相对位置摄取图像，然后对图像进行分析，从而得出相对位移量。 图1 - 4 系统不意图 f i g 1 - 4s y s t e md i a g r a m 本项目就针对问题所在，提出了防火电缆纵包测控系统的设计，系统框图如图l - 4 所示。 采用一个二维工作台作为驱动台，把焊枪和线阵c c d 传感器成像装置固定在其上，生产时， 通过线阵c c d 对电缆焊缝和焊枪相对位移的偏移量进行测量，当相对偏移超过0 1 m m 时， c c d 能感应出相对位置的变化，并能根据偏移量通过控制电机对焊枪位置进调整。同时它 还具有以下优点： 1 ) 采用独立测控系统，测控方便； 2 ) 采用精密光学元件进行测量，能保持较高的精度，而由于结合虚拟导轨，不需要繁 多信息量，实时性高； 3 ) 带有微位移工作平台，有利于以后对功能的扩展。 如上所述，要完成上述目标，本项目必须实现以下任务：光学系统设计；信号采集及处 理电路设计；微位移调节系统设计；电机驱动控制系统设计。 西安理工大学硕士学位论文 2 项目方案 本系统以焊枪测控系统为研究对象而展开，矿物绝缘电缆生产中，采用纵包焊接方式 时，需要时刻调整焊枪的位置，以保证焊枪能在正确的位置进行焊接，要求在焊枪相对电缆 焊缝相对偏移时超过0 1 m m 时，就对焊枪位置进行调整。为了能实现要求，针对生产中出现 的问题和特点，进行改进和处理，特开发出防火电缆纵包焊接测控系统。 图2 1 所示为应用防火电缆纵包焊 接测控系统后的电缆纵包焊接工序示 意图，可分成四个部分：电缆定位系统、 c c d 位置检测及信号处理系统、焊枪、 两维工作台调节系统四个部分： 1 ) 电缆定位系统，由夹紧轮组成， 使电缆位置固定，不会发生大的编移， 影响生产； 2 ) 信号检测系统，主要由c c d 测 头组成，用于对电缆位置进行测量，以 便于对焊枪调节； 图2 1 焊接工序示意图 3 ) 焊枪，用于实现纵包焊接： f i g 2 - 1w e l d i n gp 。0 c e s 5s k 吼c h 4 ) 焊枪位置调节部分，主要由一个二维工作台组成，用于调节焊枪的位置。 当电缆纵包后，就会沿着竖直方向进行向下行走，为了能够往里灌粉，必须用焊枪对纵 包后的铜带焊缝进行焊接，由于电缆在向下竖直行走时，由于一些偶然因素会发生偏移，就 容易造成焊枪与电缆位置发生，影响焊接质量。这时， 量测量出来，c c d 测头部分如图2 2 所示，光源发 出的光束将电缆投影在两个相互垂直的线阵c c d 表面上，从而获得电缆在相互垂直的两个方向的位 置量，设为x 、y 两个方向，当工作台运动中在x 、y 方向发生偏移时，偏移量的大小就可通过c c d 反映 出来，该偏移量信号经单片机处理后，产生控制信 号，控制电机运动，将两维工作台进行调整，以调 整焊枪的位置，从而保证很高的焊接质量。 可以通过一个c c d 测量把它的偏移 图2 - 2c c d 测头示意图 f i g 2 - 2c c dp r o b es k e t c h 在上述四个部分中，电缆定位装置与焊枪是设备厂家提供的配套产品，一般情况下，焊 接采用氩弧焊。但位置信号检测系统和其焊枪位置调整是需要开发的，生产厂家将不提供， 为了能实现对焊枪实现调整，就必须采用一个调整机构，调整机构一般为一个二维工作台。 还要设计电缆位置检测系统，否则就不能发现电缆与焊枪是否偏移。根据这个要求，可设计 系统方案，如图2 3 所示。 6 项目方案 图2 - 3 项目方案系统图 f i g 2 3p r o j e c tp l a n i n gs k e t c h 从图2 3 可以看出，系统实际分为四个部分：电机及电机测控部分：调节机构；c c d 及 信号采集部分；单片机处理部分。电缆的位置通过两个c c d 传感器检测出来，其信号经过信 号处理电路进行处理后，由单片机l 进行数据处理。单片机对测量信号进行处理后，找出焊 枪位置与电缆焊缝位置的相对偏差，再通过串行通讯把偏差值输入到单片机2 ，单片机2 再 根据偏差值对电机进行控制和速度调节，使焊枪到达一个新的位置。这样就完成了一个工作 周期，如此往复，来实现对焊枪位置的调控。下面就四个成分别进行介绍说明。 2 1 c c d 及其信号采集部分 c c d 及其信号采集部分主要由c c d 传感器及其驱动系统、光学系统和信号处理电路组 成，这部分主要完成对电缆位置的测量，为单片机处理焊枪与电缆的相对偏移提供数据基础。 在图2 1 中，c c d 测头部分指的就是这个部分。在应用中，c c d 传感器与光学系统构成了 信号探测器，如图2 2 所示，由两个c c d 与相应的光学系统构成了二维坐标测量系统。这 样，当电缆在一由c c d 所构成的测量面上发生相对偏移时，系统就可以立即发现。也就是 说，这实际上是一种坐标测量技术。 yf z f - l 斗o l - oxo xx 图2 - 4 三种测量坐标系 f i g 2 - 4t h r e ec o o r d i n a t es y s t e m sf o rm e a s u r e 图2 - 4 所列的是常用的几种常用的测量坐标系“1 。坐标测量历史有几十年了，如其它事 7 西安理工大学硕士学位论文 物一样，从简单到复杂逐渐形成的n 1 ，早期出现的测长机可在一个坐标方向进行工件的测量， 即是单坐标测量机( 图2 - 4 ( a ) ) ，仅完成一维方向的测量。后来出现的万能工具显微镜就是具 有在x 和y 两个坐标方向移动的工作台，可测量平面上各点的坐标位置，即二维测量( 图 2 - 4 ( b ) ) 。目前，三维测量成了热门方向，三维测量主要实现空间坐标( x ，y ，z ) 方向的测 量( 图2 - 4 ( c ) ) ，从理论上讲，三维测量可实现空间上任一点、线、面及相互位置进行测量。 本项目中，电缆沿直线行走，电据了一个方向，所以只需进行二y 维测量，如果以二个c c d 成像系统来构成坐标系统，则可把电缆 看作是坐标系统上点，如图2 - 5 所示。 设开始时，电缆位置为( x ，y ) ，把这一点作为标准位置，当 焊枪偏离电缆的位置后，由于焊枪与c c d 测头是固定在同一个工 o x 作台上，所以电缆在c c d 所组成的坐标轴上的位置也会产生同样 竺2 - 5 。壁像竺标翌苎 偏移的改变，设改变到位置( x ，y ) 。在x 方向和y 方向上， m 。e a s u r i n gi m a g i n g 分别与原来的位置产生一个位置偏差值( a x ，a y ) ，其中， a x = x x ( 2 1 ) 少= y y ( 2 2 ) 式( 2 1 ) 为x 向的偏移量计算，式( 2 2 ) 为y 向的偏移量计算。这样，只要根据电缆的 原始位置，再测出新位置，与原始位置进行比较，得出了偏移值，然后再根据偏移值进行调 整，就能实现焊枪的测控，其中位置的测量是通过c c d 测量出来的。 c c d 全称电荷耦合器件，是7 0 年代发展起来的新型半导体器件，它具有与光电转换、 信息存储等功能，且集成度高功耗小，在影响传感和信号处理领域得到广泛应用。c c d 按 结构类型分，可分为线阵列和面阵类两大类，光敏单元排成一列称为线阵c c d ，而面阵c c d 则是光敏单元排列成的一个平面。无论是线阵c c d 和面阵c c d ，它的基本工作原理基本相 同，主要包括电荷存储和电荷转移。当被检对象元光信息通过光学系统投影或成像在c c d 光敏面阵列上，c c d 把投影或成像在c c d 光敏单元上光信息转变成与光强成正比例的电荷 量，并存储在光敏单元中，然后再转移到c c d 的移位寄存器( 转移电极下的势阱) 中，在 一定频率下的驱动脉冲的作用下顺序地移出c c d 器件，即为视频信号。由此可见，c c d 最 突出的特点在于它是以电荷作为信号，其基本功能是电荷存储、电荷转移。视频信号的每个 离散电压信号的大小对应该光敏单元所接收光强的 强弱，而输出信号的时序则对应c c d 光敏位置的的 u 顺序。c c d 用自身电子扫描方式完成信息从空间域 到时间域的变换。 当一束均匀亮度的光线照射时，由于每个光敏 单元感应到光强相同，每一周期转移出来的电压也 会相同，如果滤除高频信号，则表现为每个周期高 电平是一定值( 如图2 - 6 ( a ) 所示) 。如果有一障碍物 ( a ) u 图2 - 6 有无障碍物时信号的对比 f i g 2 - 6s i g n a ld i f f e r e n c eb e t w e e nw i t h a b s t a c l ea n dw i t h o u ta b s t a c l e 项目方案 挡在中间，在c c d 上的被遮住部分光强就减弱，其感受到的电压也会减少，出现了如图2 - 6 ( b ) 所示情形。图2 - 6 ( b ) q b ，如果能测量出第一个像敏单元的位置，以及输出电压值发生变化时 像敏单元的位置，就可以测量出电缆的相对位置。 为了测量电缆的位置，须知道被测物所成像 相对于c c d 边沿或中心的偏移量，以在x 方向测 ：量它们的位置为例，如图2 7 所示，三1 代表s h 信号下降沿n - 值化信号上升沿之间偏移量，它 反映了c c d 的第一个像元到物体边缘的距离； 图2 7 数据波形图 f i g 2 7d a t aw a v es h a p ec h a r t 三2 代表s h 信号下降沿到二值化信号下降沿之间偏移量，它反映了c c d 的第一个像元到物 体另一边缘的距离；代表两个s h 脉冲之间的距离，但不一定反映c c d 中所有像元的长 度。如采用像元同步脉冲作计数脉冲，则每两个脉冲之间相当于t c d l 4 1 a r c 上每两个像元 信息转移距离，n 1 个脉冲表示1 个象元信息转移的距离，所以它代表的距离是 l 1 = n 1 7 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中“7 指的是t c d l 4 1 a r c 的像元间距为7 岬，所以三1 单位应是g m 。同 理，可计算出n 2 所对应距离( 三2 ) ，n 3 所对应的距离( l 3 ) 。得到这些值后，可通过( 2 4 ) 式计算被测物中心位置相对于c c d 器件边沿的距离 x ：业( 2 一4 ) x = 一 l 珥j 2 这样，完成x 方向的位置测量了，也可用同样方法测量出物体在y 方向的位置值。 2 2 单片机处理部分 由c c d 传感器及信号采集部分采集的信号必须经过单片机进行数据处理，单片机部分要 实现两个部分功能：第一个部分是对电缆位置信号进行处理；另一部分是对电机进行测控。 为了实现电缆位置信号采集与电机控制可以同时进行，须采用两个单片机，其中一个单片机 对电缆位置进行采集和处理时，另一个单片机可以同时对电机运行状态进行控制，它们之间 可通过串口异步通讯方式来进行联系，就可以在生产中对焊枪位置实现实时监控和调节。由 于针对的对象不同，单片机的数据处理方法也会不同。电缆位置进行数据处理时，主要根据 上一节的计算计算公式进行处理，处理完后，计算出相对偏移，再通过异步通讯口把偏传送 全另一单片机。电机的运行控制主要实现两点：第一，根据信号处理部分传来的偏移量决定 电机的启停和方向；第二，在电机运行时进行速度调节，保证运行的稳定性。速度调节主要 应用p i d 调节方法。本系统中使用电机来进行驱动，电机在运行时容易出现不稳定现象，为 了保证电机运行的稳态精度和动态性能，必须对电机的速度进行控制和调节。工程设计一般 可分为两步：第一步，为保证稳态度和动态性能要求，确定选用何种典型系统；第二步，为 满足所需要的动态品质指标，计算和确定调节器参数。一般情况下，对于单环控制的各种速 率电机系统8 1 的基本结构为 9 两安理工大学硕士学位论文 器= 爱万焘2 而 ( s )s 2 + 2 勿。s + 缈： 或为 ( s ) 一= u ( s )( 五s + 1 ) ( 乏s + 1 ) ( 2 。5 ) ( 2 6 ) 这是一个二阶系统或为两个一阶环节的串联，但显然不是i 型系统。为了使电机的系统 结构满足i 型系统要求，中间需要加入调节环节( 如式( 2 7 ) ) 。调节环节可采用p i 调调节 或p i d 调节。焉p i 调节器的传递参数为 彬( s ) ：k 一型 ( 2 7 ) 如聚令f 以。则进行校正后的传递参数为 p 矽( 芦) = 氍) ( 菩) 2 百丢；百 ( 2 8 ) 式中k ：k p k a ，仁如。 f 2 。3 调节机构部分 调节机构主要由工作台、丝杆副、导轨副及基座组成，它主要是在电机的驱动下完成对 焊枪位置的调整。本系统中采用了微位移机构( 二维坐标系统) ，这一机构由四个运动副构 成，包括两个螺旋转动幅如图2 - 9 和两个平面移动幅，螺旋转动幅幽丝杆和螺母组成，平面 移动幅由导轨副组成。螺旋传动秘是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它 主要用于来将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。根据螺杆和螺母的相对运动 关系，螺旋传动的常用运动形式，主要有以下两种：一种是螺杆转动，螺母移动；另一种是 螺母固定，螺杆转动并移动。 ( a )( b ) 图2 - 9 三构件螺旋机构 f i g 2 9t h r e e c o m p o n e ts p i r a lm a c h i n e 图2 - 9 所示为最简单的三构件螺旋机构。其中构件l 为螺杆，构件2 为螺母，构件3 为 机架。在图( 鑫) 中，b 为螺旋幅，其导程为z ；a 为转动副，c 为移动幅。当螺杆1 转动矿 角时，螺母2 的位移为 l o 项目方案 s = 1o 2 n ( 2 9 ) 如果将图2 - 9 ( a ) 中的转动副a 也换成螺旋副，便得到图2 - 9 ( b ) 所示的结构，设a 、 b 段螺旋的导程分别为t , 4 、如，则 ， s = ( z j | - 7 - i b ) 兰 ( 2 1 0 ) z 刀 式中，“一号用于两螺旋旋向相同时，“+ 号用于两螺旋旋向相反时。 本系统中采用的是图2 - 9 ( a ) 所示的结构，所以相关计算应以式( 2 9 ) 为准。导轨副 主要起一个支撑作用，它主要保证工作台在运动时平稳和运动精度，常用的导轨副有滑动导 轨副和滚动导轨副，相对而言，滚动导轨副具有长寿命、高精度、平稳可靠的优点，所以本 系统中采用滚动导轨副。 2 4 电机及电机测控驱动部分 电机及电机测控部分主要包括电机的选用，并且为选用的电机设计合适的测控和驱动电 路。控制电机主要包括电机的启停、方向和速度调节，电机什么时候启动，什么时候停止， 以及运转的方向，在系统中，都是由单片机根据信号采集部分的传输过来数据来决定。 速度调节主要采用p i d 调节方式，由单片机软件系统来实现，所以不需要设计复杂的电 路系统，简化了许多调试。为了对速度进行调节，就必须把电机速度信号反馈到单片机里面 去，所以电机测控驱动部分中必须有速度采集电路，速度采集电路把电机的速度信号采集后， 再通过a d 转换变换成数字信号，交由单片机处理。单片机对其进行调节后就转换成控制电 压，再通过电机驱动电路驱动电机转动。实际上，电机测控是一个很复杂的系统，一般都采 用三环调节，包括速度环、位置环及电流环。由于本系统用电机是小功率电机，应用时电流 非常小，如果对电流进行调节，会增加电路复杂性，并且由于系统中对电机运行速度不是非 常严格，所以系统中只实现了速度调节。 2 5 本章小结 本章提出了矿物绝缘电缆纵包焊接测量控制系统的设计方案，并分别简述了c c d 及其 信号采集部分、单片机部分、调节机构部分和电机及电机测控驱动部分的工作原理和实现方 法，如p i d 原理、测量原理及机械运动原理等。 西安理工大学硕士学位论文 3 光学系统设计 所谓光学系统t l o l 指的是由一组光学元件组成的能把物空间的物体成像在像空间的共 轭位置上的系统，它主要由光源和各种不同的形状的曲面( 平面) 和不同的介质( 玻璃、晶 体等) 光学零件。 在防火电缆纵包焊接系统中，光学系统对c c d 的成像质量有着十分重要的意义，它担 负着传递目标光学信息的作用，直接影响着c c d 成像系统n 的工作距离，视场、分辨率、 灵敏度和几何畸变等性能参数，c c d 成像系统对光学系统的基本要求是：成像清晰；透光 力强；杂散光少；像面照度分布均匀；图像几何畸变小；足够的相对孔径；焦距可调等。 3 1 光学系统方案 c c d 应用系统主要两种“幻：一种是摄像系统；另一种光学测量系统。光学测量系统也 包括两种：一种是通过测量被检测物体所成的像来测量物体的某些特征；另一种是通过测量 被检测物体的空间频谱分布确定被检物体的某些特征参数。不同的系统对光学系统和光源要 求不一样，例如，对摄像系统来说，要求得到物体的形状、尺寸、颜色等信息；针对一个光 学测量系统来说，前一种只要光感元件上能得到照度均匀的光线就可，后一种则要反映相应 的波长。因此光学系统的设计也必有所不同。本系统只是通过测量被检测物体所成的像来测 量物体的某些特征，所以，光学系统的主要任务有两点：第一，保证c c d 元件上能得到照 度均匀的光能；第二，c c d 能得到全面的、高精度的尺寸信息。即光学系统是针对c c d 而 设计。因此本系统拟采用如下图3 1 所示的光学系统光路图1 钉。 厶只上： 图3 1 光学系统光路图 f i g 3 - 1o p t i c a lg e o m t r i cm a pi no p t i c a ls y s t e m 系统由两部分组成：照明部分和成像部分。成像部分采用物方远心光路，这样可以保证 物体在c c d 上成像的尺寸不变。为了配合成像部分的物方远心光路，照明采用柯拉照明。 为了能充分地了解这两原