基于激光视觉传感的机器人焊接系统及多层多道规划研究

摘要

在中厚板的焊接中，多层多道焊是常用的焊接方法之一。现阶段实际应用中多采用人工焊接，劳动强度大、焊接作业环境恶劣，急需一种可以用弧焊机器人替代人力的自动化智能化焊接方法。目前大量使用的“示教-再现”型机器人的焊接路径和焊接参数是预先设置的，如果焊接过程中焊接条件发生变化，焊接机器人无法感知并做出相应的反馈，将会导致焊接质量下降甚至无法完成正常焊接。
　　针对弧焊机器人在中厚板焊接生产中的应用，本文开发了一套用于弧焊机器人的激光视觉传感系统，该系统包括激光视觉传感器、图像采集卡和主控计算机，可以显著提高弧焊机器人中厚板焊接的自动化和智能化水平。
　　本文根据激光传感器获取的图像特征对图像处理算法进行了分析和综合，通过提取感兴趣区域减少运算量，排除弧光和飞溅的干扰，提高了图像处理的准确度和稳定性。结合重心法和二阶导数极值寻找出焊缝特征点在图像中的位置并且还原出其在空间中的三维坐标。为了实现焊缝的实时跟踪处理，引入了目标跟踪技术中的目标区域模板，结合图像处理和特征点识别方法，可以满足焊接过程中焊缝边缘稳定连续提取的要求。经过实验验证，焊缝边缘的跟踪精度在 X-Y方向为0.7mm，Z方向为0.8mm，可以满足实际焊接要求。
　　本文基于等面积焊道规划方法，建立了中厚板焊缝坡口间隙变化情况下的焊道规划解析模型。该模型首先将多层多道焊接的坡口截面简化为梯形截面焊道和平行四边形截面焊道，并分别推导了两种截面下焊接工艺的规划方法。针对变间隙情况下的多层多道焊接，该方法通过建立解析模型计算出焊接速度、焊枪摆幅和焊枪姿态的修正量，最终实现焊道层高和焊后成形的稳定，提高了焊接机器人对焊接条件变化的适应能力。为了验证该方法的正确性，对坡口间隙变化的工件进行了多层多道焊接的工艺规划，并用规划的结果进行实验验证。通过还原焊接过程中每一层焊缝表面的三维形貌，验证了该方法对焊道层高和成形的控制是有效的，可以满足弧焊机器人实际生产的要求。

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第一章 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2焊接工业机器人发展

1.3视觉传感技术及其在焊接领域的应用

1.4中厚板焊接自动化技术研究现状

1.5本文主要研究内容

第二章 智能化焊接机器人系统

2.1 系统构成

2.2机器人本体

2.3焊接设备

2.4 激光视觉传感系统

2.5本章小结

第三章 视觉系统标定

3.1 摄相机标定技术

3.2 摄像机标定方法

3.3 摄像机标定实验与结果

3.4 线结构光标定

3.5 线结构光标定实验与结果

3.6 本章小结

第四章 图像采集及特征提取算法

4.1 焊接过程激光条纹采集

4.2 焊缝图像预处理

4.3 感兴趣区域获取

4.4 激光条纹中心提取

4.5 焊缝特征点识别

4.6 本章小结

第五章 多层多道焊缝跟踪及焊道规划修正控制

5.1 焊缝特征点跟踪方法

5.2 目标区域提取与特征点识别

5.3 变间隙焊道规划原理

5.4 变间隙焊道规划修正方法

5.5 变间隙多层多道焊接实验

5.6 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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