基于激光视觉的相贯线焊接机器人系统研究

摘要

随着科技日新月异的发展，自动化技术的普及性也越来越高.机器人技术作为自动化技术和智能制造技术的代表，越来越受到各个发达国家的青睐。就圆管相贯线焊接领域而言，大部分公司采用工人手工焊接的方法来实现，存在着劳动强度较大、焊接环境差、焊接质量和焊接效率低等缺点;部分公司采用专机的形式对其进行焊接，但是这种方式适用性较差，无法满足所有需求;而各大机器人公司运用弧焊机器人对圆管相贯线进行焊接，大部分采用的是分段直线拟合相贯线的方式，这种方法的示教过程复杂，焊接精度和质量较差。
　　因此，本文在当前存在的问题和国内外相贯线焊接的研究基础上，针对不同尺寸大小的正交型圆管相贯线焊缝，设计了一款基于激光视觉的相贯线焊接机器人系统。
　　整个系统的工作流程为先用线激光器对正交型圆管相贯线焊缝进行预扫描，得到实际的焊缝信息，然后根据焊缝信息对轨迹进行拟合插补，完成相贯线焊接任务。
　　本文的主要研究内容如下:
　　针对整个预扫描焊接过程需要机器人末端控制焊枪、激光器和变位机的配合运动，本文建立了6自由度机器人坐标系模型，分别对焊枪和线激光器与机器人末端之间的变换矩阵进行了标定计算，为后面的研究打下基础。
　　针对相贯线焊缝的复杂性，本文建立了正交型圆管相贯线理论模型，对预扫描过程中的运动速度及轨迹插补进行了规划，并对扫描结果进行提取得到焊缝中心点位姿信息。针对出现扫描误差问题，提出了一种基于角度和距离的方法来对焊缝中心点中的误差点进行排除。
　　根据一系列的实际相贯线焊缝中心点的位姿信息，设计了NURBS曲线拟合和插补算法，并分析了弓高误差对于插补的影响。
　　本文分析了焊接过程中的影响因素，并在搭建的实验平台上进行了实际的焊接实验，验证了系统的实用性和相关算法的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 焊接机器人的研究现状

1．3 基于激光视觉的焊缝跟踪的研究现状

1．4 相贯线焊接研究现状

1．5 主要研究内容

第2章 6自由度机器人系统的建立以及工具坐标系的标定

2．1 概述

2．2 6自由度机器人正逆解分析

2．2．1 6自由度机器人正解

2．2．2 6自由度机器人逆解

2．3 6自由度机器人工具坐标系的建立

2．3．1 焊枪坐标系的建立

2．3．2 激光器坐标系的建立

2．4 本章小结

第3章 相贯线预扫描时相关算法研究

3．1 概述

3．2 相贯线焊缝预扫描的运动规划

3．2．1 理论相贯线轨迹方程的建立

3．2．2 理论相贯线轨迹的插补

3．2．3 理论相贯线扫描时姿态的确定

3．3 相贯线焊缝特征提取

3．3．1 计算相贯线焊缝中心点位置

3．3．2 计算相贯线焊缝坡口拐点位置

3．3．3 计算焊缝坡口角

3．3．4 相贯线焊缝中心点的选取

3．4 本章小结

第4章 相贯线焊缝轨迹的拟合与插补

4．1 概述

4．2 相贯线轨迹拟合

4．2．1 NURBS曲线数学方程

4．2．2 计算节点矢量

4．2．3 差值法反求可控制顶点

4．3 相贯线轨迹插补

4．3．1 插补速度的规划

4．3．2 NURBS曲线插补

4．3．3 弓高误差对于NURBS曲线插补精度影响

4．4 实验验证

4．5 本章小结

第5章 基于激光视觉的相贯线焊接机器人系统设计及实验验证

5．1 概述

5．2 实验平台的搭建

5．2．1 实验平台的硬件构成

5．2．2 实验平台的软件构成

5．3 相贯线焊接实验验证

5．3．1 焊接质量影响因素分析

5．3．2 相贯线管件焊接实验

5．4 本章小结

总结与展望

总结

创新点

展望

参考文献

致谢