基于结构光视觉的爬行式弧焊机器人控制系统设计

摘要

在工业生产中，大量的焊接工作需要在现场进行，对于大型工件的现场焊接，人工焊接具有效率低、质量得不到保证等缺点。为此，本文设计了一种针对大型钢结构工件现场焊接的爬行式弧焊机器人控制系统。它能很好地适应现场条件，高质量的完成焊接任务。
　　本文以结构光视觉传感器作为检测装置设计了爬行式弧焊机器人控制系统。控制系统包括视觉传感器、图像采集卡、运动控制卡和工业用控制计算机。结构光视觉传感器通过摄像机进行焊缝信息采集，图像采集卡负责将采集到的信息上传到工控机，工控机通过对焊缝图像进行处理得到实际的焊缝特征信息。经过一系列的算法处理后工控机将特征信息送到运动控制器控制机器人进行调整。
　　本文首先从硬件层面上对控制系统各部分进行了介绍；其次，从视觉控制角度对系统进行了分析和讨论；然后针对实际焊接过程中遇到的问题提出了相应的解决方法；最后讨论了焊接应用程序相关的算法设计并给出了了相关的应用程序流程图。
　　研究主要内容如下：首先，针对实际需要选择了以结构光视觉作为传感器的轮式爬行机器人控制方案，并给出了控制系统的总体设计思路。其次，针对机器人视觉控制系统，阐述了结构光视觉测量所依据的三角测量原理。通过分析两种不同的视觉控制方式并结合自身条件给出了基于图像的弧焊机器人视觉控制方案并对弧焊机器人的视觉控制过程进行了动态分析。
　　然后，基于实际的焊缝跟踪要求并结合弧焊机器人实际的机械结构，提出了具有针对性的问题解决方案。对焊缝跟踪过程的分析中发现的三个影响焊缝跟踪精度的实际问题分别给出了相应的切实可行的解决方法。在偏差调整环节，为了达到较好的稳定性和较快的响应速度采用了基于偏差和偏差变化率的模糊偏差调整控制方法。
　　最后，依据现场焊接工艺的实际要求，利用已有的软硬件条件提出了一种在Windows平台下基于多媒体定时器的焊枪摆动控制方法并编制了实际的焊接应用程序。本文设计的基于结构光视觉的弧焊机器人控制系统很好地应用于实际现场焊接，取得不错的焊接效果。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 爬行式弧焊机器人的发展历程及研究现状

1.3 本课题主要的研究内容和结构安排

第2章 爬行式弧焊机器人系统组成

2.1 弧焊机器人的行走机构

2.2 弧焊机器人的传感器选择

2.3 弧焊机器人控制架构选择

2.4 弧焊机器人总体设计方案

2.5 本章小结

第3章 机器人视觉控制系统

3.1 机器人视觉的基本概念

3.2 机器人视觉系统的分类

3.3 结构光视觉

3.4 视觉控制

3.5 弧焊机器人视觉控制分析

3.6 本章小结

第4章 焊缝跟踪控制系统分析与算法设计

4.1 机器人本体运动学建模

4.2 焊缝跟踪过程分析

4.3 焊缝精确跟踪方法设计

4.4 偏差调整控制算法设计

4.5 本章小结

第5章 焊接应用程序算法分析与软件设计

5.1 焊枪摆动控制系统软件设计

5.2 焊接参数存储管理系统设计

5.3 焊接应用程序总体设计

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢