基于机器视觉的激光焊缝自动跟踪系统的研究

摘要

激光焊接具有能量密度高、加热区小、焊接距离长、可焊材料种类多、易于焊接过程自动化等诸多优势，现已被逐渐广泛应用在机械制造、航空航天、能源交通、石油化工等行业当中。随着其应用的深入，相应的工艺、焊接过程控制等方面也得到了广泛的研究。由于激光焊接具有非线性、时变且干扰因素多的特点，焊接过程会出现焊缝变形而导致焊枪偏离焊缝，因此，焊缝自动跟踪系统便成为焊接自动化研究的一个重要方向。
　　本文在吸纳相关成熟的焊缝视觉检测技术的基础上，借助于本课题中的激光焊接专用机床，设计了一种基于机器视觉的焊缝自动跟踪系统，并对其实现方法作了详细阐述。
　　针对航空领域两种常见焊缝：对接焊缝和T型接头角焊缝的各自特点，分别采用了基于微景深和基于线结构光的测量方法并在此基础上进行方案实施。结合激光焊接专用机床的结构特点，在分析了两种焊缝偏差调整方式：分解式和独立式的各自优劣后，确立了独立式的焊缝自动跟踪系统执行机构方案。
　　通过利用焊接专用机床基于开放式数控系统的控制结构扩展性好、兼容性强的特点，设计了焊缝自动系统控制系统的硬件实现。对焊接跟踪过程的轨迹进行了建模，推导出基于前瞻处理的焊缝跟踪处理公式，并在基础上完成焊缝跟踪的控制策略设计。针对航空领域T型接头角焊缝的双光束焊接作了焊缝跟踪应用分析和路径优化研究。结果表明，本文设计的焊缝自动跟踪系统可以准确的对焊接过程中出现的偏差进行实时调整，能够满足实际加工中的焊接要求。

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1 绪论

1.1 课题来源及研究背景

1.2 激光焊接的特点及应用

1.3 焊缝自动跟踪系统发展概述

1.4 本文的主要研究内容

2 焊缝跟踪控制系统组成及硬件实现

2.1 焊缝自动跟踪控制系统实现的需求分析

2.2 焊缝测量方案的选择及实现

2.3 激光焊接专用机床的机械结构

2.4 焊缝自动跟踪系统的控制系统硬件组成及结构

2.5 焊缝自动跟踪实施流程

2.6 本章小结

3 焊缝自动跟踪的超前偏差处理及全闭环跟随控制策略

3.1 存在前瞻量的弯曲焊缝跟踪超前处理公式推导

3.2 基于模糊PID控制焊缝跟踪策略的提出及实现

3.3 控制器的软件功能实现及结果分析

3.4 本章小结

4 双光束激光焊接T型焊缝跟踪控制技术的研究

4.1 T型接头角焊缝的激光焊接跟踪应用分析

4.2 双光束激光焊接的路径优化研究

4.3 本章小结

5 激光焊接焊缝跟踪实验

5.1焊缝跟踪实验总体实施步骤及验证平台搭建

5.2焊缝跟踪的PLC控制程序实现

5.3焊缝跟踪实验及实验结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1全文总结

6.2全文展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ 攻读硕士学位期间发表的学术论文