弧焊机器人多层多道激光视觉焊缝跟踪技术研究

摘要

厚板结构件在焊接过程中受到焊接熔敷率的影响，不能够一次完成焊接，多层多道焊是常用的焊接方法之一。现阶段，这种焊接工艺在实际生产过程中多采用手工焊或半自动焊完成，劳动强度大，焊接质量不稳定。因此本文针对基于激光单目视觉的弧焊机器人多层多道焊缝跟踪技术展开了研究工作，对保证大型钢结构件焊接工程质量、提高生产效率，提升工程单位自动化水平具有重大的科研价值和实际意义。全文主要成果如下: 分析中厚板多层多道焊接试验条件，搭建整体多层多道激光视觉焊缝跟踪试验系统。重点对激光视觉传感器各元器件进行设计，确定了激光斜射，CCD摄像机垂直接收的传感方式，相对夹角为27°;传感器与焊枪之间的距离为80mm;传感器与工件之间的距离为160mm等关键参数，并对激光视觉传感器中的视觉传感系统和滤光遮光系统中各关键部件进行选型。 通过分析多层多道焊接图像噪声的特点，制定了激光条纹图像处理方法。采用中值滤波方法对焊接图像进行初步去噪，滤除了图像中弧光、烟尘等噪声。对二值化后的图像进行ROI提取，有效的去除了图像外围由焊接飞溅带来的噪声，并缩短图像处理时间，提高了焊缝跟踪的实时性。对激光条纹进行形态学膨胀得到了边缘平滑，连通性较好的激光条纹曲线。采用细化算法提取激光条纹中心线，并提出了改进的基于距离检测的多层多道特征点检测方法，处理出激光条纹特征点。结合激光视觉传感器各视觉元件的标定，实现焊缝特征信息的三维定位。经过试验验证，坡口边界和底部跟踪定位误差最大值不超过0.5mm。可以满足实际焊接的需要。 实现了基于激光视觉的焊缝起始点导引。利用图像处理得到的焊缝特征点位置信息，对焊枪进行轨迹规划，提出了一种焊枪末端位姿实时调整算法，在实现多层多道焊缝定位的基础上，提高焊接工艺。采用Visual Studio结合ABB机器人内置的Interface模块，实现了机器人与工控机之间的数据通信。并进行了中厚板多层多道焊缝跟踪试验，进一步验证了算法的可行性，可以满足实际焊接要求。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1课题研究的背景及意义

1．2智能化焊接机器人发展现状

1．3焊缝跟踪技术研究现状

1．3．1视觉传感器的分类

1．3．2多层多道焊缝跟踪图像处理技术研究现状

1．3．3焊缝跟踪控制方法研究现状

1．4中厚板自动化焊接技术研究现状

1．4．1中厚板焊接工艺研究现状

1．4．2多层多道焊接路径规划研究现状

1．5主要研究内容

第二章机器人智能化焊接系统

2．1试验系统的整体结构

2．2弧焊机器人系统

2．3激光视觉传感部件的选择与安装

2．3．1传感器的结构

2．3．2光学元件的选择

2．3．3遮光滤光系统

2．3．4图像处理部分

2．4本章小结

第三章视觉系统的标定

3．1摄像机标定

3．1．1摄相机成像模型

3．1．2摄相机标定原理

3．1．3摄像机标定试验与结果

3．2手眼标定

3．2．1手眼标定原理

3．2．2手眼标定试验与结果

3．3激光平面参数标定

3．3．1线结构光标定原理

3．3．2激光平面参数标定试验与结果

3．4本章小结

第四章激光条纹图像采集与处理

4．1多层多道激光条纹图像预处理

4．1．1图像去噪

4．1．2图像二值化

4．1．3获取ROI区域

4．1．4形态学膨胀

4．1．5图像预处理结果

4．2激光条纹中心线提取

4．3多层多道激光条纹特征点识别

4．3．1距离滤波的基本原理

4．3．2改进的特征点识别方法

4．4多层多道焊接图像处理结果

4．5本章小结

第五章多层多道焊缝跟踪的实现

5．1焊接起始点自动导引技术

5．1．1摄像机坐标系的姿态调整

5．1．2光轴方向的导弓

5．1．3系统控制策略

5．1．4试验分析

5．2焊枪末端位姿实时调整

5．2．1多层多道焊道排布策略及焊接工艺

5．2．2焊枪位姿调整算法

5．3机器人-工控机之间的通信

5．4多层多道焊接试验

5．5本章小结

第六章结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢