焊接机器人视觉焊缝跟踪系统研究

摘要

焊接在工业中的应用越来越广泛，以往工业上常用的人工焊接、半自动焊接方式由于焊接质量的难以保证或缺乏通用性等原因，逐渐被焊接机器人取代。焊接机器人突破了手工焊接的缺陷，提高了生产效率，降低了人力成本，在工业制造自动化领域中的需求越来越大。本文将结构光视觉原理应用在焊接机器人上，通过非接触式的视觉测量，引导焊接机器人实现对于焊缝的跟踪。 本文设计了一套焊接机器人视觉焊缝跟踪系统，可以实现焊接机器人对于焊缝的自动识别、精确定位以及焊缝跟踪的功能。基于焊缝跟踪的精度要求与结构光视觉原理，设计了焊缝跟踪传感器的机械结构，并使其可以灵活固定在焊枪上，形成Eye-in-Hand系统，用于采集结构光焊缝图像。六轴机器人作为系统的运动搭载部件，将焊枪固定在机器人的末端，通过六轴机器人实现焊枪与焊缝跟踪传感器的灵活移动。工控机通过以太网与焊缝跟踪传感器与六轴机器人进行通信，为系统的控制中心，可以通过焊缝跟踪传感器采集结构光焊缝图像进行处理，并结合六轴机器人的位置信息计算焊缝位置，并控制机器人实现焊缝的跟踪。本文研究了结构光焊缝图像的焊点提取算法，通过对结构光焊缝图像进行边缘截取、图像滤波、阈值分割、光条中心提取，并对焊点大致位置两侧直线分别进行最小二乘拟合直线求交点的算法，实现了焊点像素坐标的采集可以达到亚像素级。本文还研究了结构光焊缝跟踪传感器中相机内部参数的标定方法。针对650nm滤光片导致标定图像难以采集的问题，提出使用背光源提升标定棋盘格的亮度的方法，实现结构光平面方程以及相机手眼参数的标定，并通过实验采集数据修正了相机手眼参数，进一步提升了系统标定的精确度。 本文对焊接机器人视觉焊缝跟踪系统进行了系统软件编写，设计了机器人、工控机、相机之间的通信程序。在焊接机器人工作范围内进行了焊缝跟踪精度的实验测试。焊缝跟踪实验结果表明，系统对于X轴、Y轴方向的跟踪精度较高，平均误差在0.5mm以内，而在Z轴方向的跟踪误差较大，平均误差为0.95mm，能够满足中厚板V型角接焊缝跟踪的精度要求。

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