基于环形激光视觉的焊缝3D建模与跟踪

摘要

机器人与计算机技术的迅速发展使焊接自动化程度日益提高.影响自动化焊接质量的因素不仅包括被焊工件的厚度、接头形式、表面状态、焊接材料的化学成分等焊接的结构因素,还包括焊接方法、焊接速度、焊矩路径规划、工件位置检测等工艺因素.特别是被焊工件的三维位置检测,一直是焊接自动化所面临的一个重要问题.焊接过程提升到自动化和人工智能化水平需要焊缝信息识别、定位与跟踪技术的相应发展.没有精确、高效且反应快速的传感器,焊接自动化的目标就无法实现. 为了实现焊接自动化,实时自动地获得焊缝的位置信息,已经开发了许多传感技术,其中,视觉传感器由于具有非接触、反应快速、抗干扰能力强等特点而受到广泛关注.由于熔池强光的干扰作用,主动光技术无法用于焊接熔池的信息传感,焊接熔池的自动控制通常采用被动视觉传感方法,该方法不能直接提取焊缝的深度信息,仅能通过摄像机标定、阴影恢复法、光度立体等技术实现焊缝深度信息的提取.主动光传感技术采用结构光法或光学扫描方法产生一定的激光轨迹并将其投射到待焊接的区域,利用激光三角测量原理,计算焊缝空间位置.目前,已有点状激光、单线激光、双线激光、五线激光和基于线状CCD摄像机的环形激光作为焊缝位置视觉传感的应用研究,而且其中部分已经进入了产品化阶段,取得了很大的成功,但其对复杂形状构件自动识别、焊缝自动跟踪时,存在着信息量少；解释模糊；跟踪精度差和仅能一维或二维方向跟踪等问题.利用线阵CCD作为接收器的环形激光视觉传感器由于同样采用三角测量方法,要求传感器各部件的空间位置符合Scheimpflug条件,所以测量效率较低,而面阵CCD的出现,使得研究工作者开发

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第一章绪论

1.1引言

1.2焊缝传感技术研究

1.2.1电弧电流传感

1.2.2弧压传感

1.2.3激光传感系统

1.2.4接触传感系统

1.2.5超声波传感

1.2.6电磁传感

1.2.7视觉传感器

1.3机器视觉及其应用

1.3.1机器视觉理论的研究

1.3.2机器视觉在焊接中的应用

1.4基于机器视觉的深度计算技术研究

1.4.1光度立体恢复深度

1.4.2纹理恢复深度

1.4.3明暗恢复深度

1.4.4双目视觉方法及多基线立体视觉

1.4.5离焦恢复深度

1.4.6同心拼图恢复深度

1.5基于视觉传感焊缝识别与跟踪技术的研究

1.5.1激光视觉传感器研究现状

1.5.2主动视觉传感技术在汽车与造船中的应用

1.6本文的研究内容

第二章环形激光视觉传感器设计及系统分析

2.1设计条件及要求

2.2环形激光的形成原理

2.2.1环形结构激光

2.2.2环形扫描激光

2.2.3基于正负组合透镜的环形扫描激光

2.3系统动态响应分析

2.4试验结果

2.5本章小节

第三章激光视觉机器人系统平台及标定

3.1基于激光视觉的焊接机器人系统平台

3.1.1硬件系统

3.1.2坐标系定义

3.2摄像机内参数标定原理及结果

3.2.1激光法主点标定及试验结果

3.2.2显式(Explicit method)标定原理

3.3激光锥体坐标系原点标定及试验结果

3.3.1锥体坐标系原点标定

3.3.2原点标定试验结果

3.4分离角标定原理及试验结果

3.5摄像机放大系数计算方法

3.5.1目标成像原理及试验结果

3.5.2物距像距比例原理及试验结果

3.6本章小结

第四章环形激光图像处理技术研究

4.1图像预处理及试验结果

4.1.1小波去噪

4.1.2光线弱化解决方案

4.1.3图像去噪试验结果

4.2图像分割及试验结果

4.2.1最大类间方差分割技术

4.2.2模糊簇聚分割技术

4.2.3基于灰度最大值统计与分区两步法自适应阈值分割技术

4.3图像细化及试验结果

4.4本章小节

第五章焊接接头3D信息建模及计算

5.1三维计算模型中的角度定义

5.2三维计算模型

5.2.1基于三角测量原理的环形激光3D计算模型

5.2.2基于“半径-深度关系”和空间投影关系的3D计算模型

5.2.3基于“半径-深度关系和摄像机放大系数”的3D计算模型

5.3焊缝3D计算试验

5.3.1焊缝3D值与离轴角γ之间的关系

5.3.2焊缝3D模型计算结果

5.4本章小结

第六章焊缝图像分析与特征点搜寻试验结果

6.1环形激光轨迹形态

6.2梯度算法

6.3模板方法

6.4基于搜索窗的焊缝位置检测模型

6.4.1搜索窗

6.4.2实现焊缝定位的判据结构

6.4.3检测焊缝位置时搜索窗的移动规则

6.5焊缝定位试验结果

6.5.1搭接接头

6.5.2对接接头焊缝定位结果

6.5.3对接V型坡口焊缝定位结果

6.5.4角接接头焊缝定位结果

6.5.5斜坡焊缝定位结果

6.5.6环形接头焊缝定位结果

6.6本章小结

第七章焊缝跟踪模型建立与试验结果

7.1引言

7.2焊炬3D坐标与焊缝3D坐标关系模型

7.3焊缝特征点数据传递机制

7.4ABB机器人特点与系统通讯

7.5焊缝跟踪模型

7.5.1 ABB机器人运行轨迹插补模型

7.5.2基于“小线段逼近”焊缝跟踪模型

7.6基于环形激光视觉传感机器人焊缝跟踪系统软件组成

7.7焊缝跟踪试验结果

7.7.1焊缝图像实时处理

7.7.2焊缝跟踪结果与误差分析

7.8本章小结

第八章结论与展望

8.1结论

8.2下一步工作展望

本文的创新点

攻读博士学位期间发表及待发表的论文与专利

致谢

参考文献