机器人脉冲MAG焊过程视觉与电弧特征提取及焊缝跟踪控制

摘要

目前生产中应用的焊接机器人主要在“示教-再现”模式下工作，即精确重复预先示教的动作进行焊接生产。因此为了得到较高的焊接质量，就要求焊缝与示教轨迹应该尽可能一致。但由于一些干扰因素的存在，如工件的加工误差，焊前的装配误差以及焊接过程中的热变形等，实际生产时焊缝往往会在不同程度上偏离示教轨迹，从而影响机器人焊接的质量。针对这一问题，本文以脉冲MAG焊在低碳钢中的应用为背景，采用被动视觉传感技术获取焊接过程的视觉信息，实现焊缝的左右跟踪；同时针对焊枪高度信息难以通过视觉传感技术所获得这一不足，引入电弧传感技术，实现焊枪高度方向的跟踪；最后基于这两种传感技术，实现机器人脉冲MAG焊三维空间焊缝的跟踪。随着焊接机器人价格的降低和性能的提高，以及制造业劳动力成本的上升和熟练焊工的短缺，本文研究的实时焊缝跟踪技术对促进焊接机器人在实际生产中的应用，提高中国制造业的自动化水平有重要的意义。
　　为了实现焊缝跟踪功能，本文首先对传统“示教-再现”型机器人系统进行了改造。在对脉冲MAG焊的工艺特点以及电弧光谱进行分析的基础上，研制了一套视觉传感器，能够稳定地获取焊接过程的视觉信息；采用霍尔电流和电压传感器测量焊接过程的电信号，并开发了基于DSP的信号采集与处理程序；在Visual C++环境下，利用多线程技术编写开发了主控软件，可以实现视觉信息和电弧信息的同时采集、处理以及对DSP与机器人的控制。
　　针对带有一级反射光路的CCD摄像系统，本文通过分析空间中同一点在不同坐标系下坐标的内在联系，建立了图像坐标系与机器人坐标系间的映射关系。在此基础上，分析了该映射关系成立的条件，并分别对其在机器人直角坐标系与机器人关节坐标系下的表达形式进行了修正，为实现不同机器人姿态下的焊缝跟踪提供了依据。
　　本文研究了低碳钢脉冲MAG焊中的图像特征，提出了一种自适应窗口分割方法，用于将电弧与焊缝区域从背景图像中分割出来。在分析电弧图像灰度分布的基础上，提出了基于阈值分割的焊丝投射点提取方法。在分析焊缝形态特性的基础上，针对单一判据难以准确区分噪声边缘与焊缝边缘的不足，提出了一种多判据目标识别方法，并采用角度-间隙辅助焊缝定位法定位焊缝边缘，提高了焊缝边缘检测的准确性。
　　本文根据脉冲MAG焊的电源特点，通过实验得到了与焊枪高度相关的若干电弧特征。在对电弧信号进行分析的基础上，提出了一种防异常干扰滑动平均滤波法，能够有效减少噪声信号的干扰，提高电弧特征表征焊枪高度的准确性和稳定性。针对电弧特征间的信息冗余以及焊缝跟踪实时性的要求，利用特征选择的方法确定采用平均电流表征焊枪高度，并得到了滑动平均窗口的参考尺寸。在此基础上，建立了平均电流与焊枪高度之间的关系模型。
　　本文研究了机器人运动空间的直线插补算法与圆弧插补算法，实现了主控计算机对机器人轨迹的控制，能够对机器人轨迹进行实时调整。针对焊接过程的多参数时变非线性特点，设计了一种模糊自适应PID控制结合模糊控制的双模复合控制系统。通过对视觉处理滞后引入的误差成因进行分析，推导出误差的估计公式，并在此基础上提出一种基于焊丝投射点预测修正的误差补偿算法。通过实验，证明该方法可以提闻焊缝跟踪的精度和稳定性。
　　最后，在上述研究的基础上，建立了一套具有三维焊缝跟踪功能的弧焊机器人系统并进行了焊缝跟踪控制实验。实验表明，该系统能够实现对不同类型焊缝的跟踪，焊缝成形良好，跟踪精度满足实际生产要求。

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第一章绪论

1 .1 引言

1 .2 机器人焊接的发展及应用现状

1 .3 焊缝跟踪中的传感技术

1 .4 焊接过程控制的研究现状

1 .5 课题研究意义

1 .6 课题研究内容

第二章脉冲MAG焊机器人智能焊接系统平台

2 .1 引言

2 . 2 脉冲MAG焊机器人智能焊接系统的整体设计

2 .3 视觉传感模块

2 .4 电弧传感模块

2 .5 通讯模块

2 .6 机器人智能焊接系统软件平台

2 .7 本章小结

第三章焊接机器人视觉传感系统的标定

3 .1 引言

3 .2 标准转换公式

3 .3 标准转换公式成立的条件

3 .4 转换公式的修正

3 .5 本章小结

第四章基于视觉信息的脉冲MAG焊焊缝偏差提取

4 .1 引言

4 . 2 脉冲MAG焊的视觉特征参数

4 .3 图像的自适应窗口分割

4 .4 基于阈值分割的焊丝投射点提取

4 .5 基于先验知识的焊缝信息提取

4 .6 焊缝偏差的计算方法

4 .7 图像处理算法的实验验证

4 .8 图像处理效率和离线分析软件

4 .9 本章小结

第五章基于电弧信息的焊枪高度提取

5 .1 引言

5 .2 电弧信号脉冲参数的定义

5 .3 电弧信号处理方法

5 .4 特征选择及参数优化

5 .5 关系模型

5 .6 模型验证

5 .7 本章小结

第六章脉冲MAG焊三维焊缝跟踪控制方法研究

6 .1 引言

6 .2 机器人焊接轨迹调整方法

6 .3 焊缝跟踪控制器

6 .4 视觉信息处理滞后的分析及补偿

6 .5 本章小结

第七章脉冲MAG焊三维焊缝跟踪实验及分析

7 .1 引言

7 .2 实验设计

7 . 3 脉冲MAG焊平面焊缝跟踪实验及其分析

7 . 4 脉冲MAG焊局度跟踪实验及其分析

7 . 5 脉冲MAG焊三维焊缝跟踪实验及其分析

7 .6 本章小结

第八章结论与研究展望

结论

研究展望

本文创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表及待发表的论文及专利

致谢