基于视觉传感的焊缝自动跟踪系统研究

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1、上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1．1引言目前，国内外已有大量的焊接机器人系统应用于各类自动化生产线上，这些焊接机器人系统从整体上看大多还属于第一代的“示教－再现”型或少量第二代的离线编程型机器人。这些焊接机器人的焊接路径和焊接参数是根据作业条件预先设置的，使他们可以在工作空间内高精度重复已经示教的动作。但这也带来一定局限性，那就是应变能力很差，对工件的装配精度要求较严，重复性要好[1]。但在实际焊接过程中，作业条件是经常变化的，如焊接过程中工件受热及散热条件改变会造成焊道变形，工件加工和装配上的误差会

2、造成焊缝位置和尺寸的变化。同时为了避免机器人工作时发生危险，操作人员不宜进入机器人的工作区域，使操作者不能近距离实时监视焊接过程并作必要的调节控制。所以，为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性，需要焊接机器人系统能够在线实时调整位姿，保证焊枪对准焊缝中心，从而保证焊接质量，它是实现焊接过程自动化的重要研究方向。1．2焊缝跟踪技术发展现状所谓焊缝跟踪就是在焊接时实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。由于工件的加工误差

3、、装夹精度以及焊接时的热变形等因素的存在，以示教－再现方式工作的弧焊机器人在焊接时常常因为焊缝和示教轨迹有偏差而导致焊接质量下降，所以焊缝跟踪是保证弧焊机器人焊接质量的一个重要方面。我国早在20世纪40年代就已经开始关注焊缝跟踪技术，并且经过几十年的研究和实践，焊缝跟踪技术已经取得了长足的进步。70年代前，焊缝跟踪主要以接触式传感实现焊缝跟踪，获取焊缝信息，但是精度很低；70年代起，非接触式传感被进行了大量研究，但是因为结构复杂而没有很明显的成果。80年代到90年代，闭环控制和焊缝跟踪技术已经开始慢慢成熟

4、，大大提高了焊接质量和效率。目前，采用激光、光纤、CCD传感、图像处理等高新技术，使得焊缝跟踪系统的性能和效率有了非常大的提高，焊缝跟踪的研究取得了非常大的成果。基于视觉传感焊缝跟踪技术的研究就是随着视觉传感器、计算机技术、图像处理方法和智能控制技术的发展而兴起的。目前在机器人弧焊所使用的传感器中，电弧传感器和视觉传感器占有突出位置，其中电弧传感器用得最多，而视觉传感器被认为是最有前途得焊缝跟踪传感-1-上海交通大学硕士学位论文器。视觉焊缝跟踪主要分为两个方面：一是主动视觉焊缝跟踪，研究内容包括提高激光跟

5、踪的鲁棒性，跟踪中快速稳定的图像处理方法，传感器设计及焊缝跟踪中的控制问题。二是被动视觉焊缝跟踪，主要研究内容包括取像系统设计，图像处理算法及控制器设计。自80年代以来，由于第二代机器人的研究，视觉传感技术作为焊接机器人智能部件，得到更迅速的发展，并在焊接领域的研究与应用方面展现更广阔前景。美国WorthingtonIndustries公司开发一种焊缝跟踪设备对激光焊接进行跟踪，据报道其定位精度可达±0.050mm。加拿大ModularVisionSystem公司向市场上推出了一种三维激光视觉传感器，可对

6、仅有0.050mm的根部开口或误差的待焊接头在高达20m/min的焊接速度下进行跟踪，跟踪精度为0.02mm[2]。英国的MetaMachinesLtd的LaserPilotMTR和LaserPilotMTF激光光学焊缝跟踪系统可用于所有的弧焊方法和激光焊接，定位精度小于0.1mm。韩国的研究者研制了一个基于视觉传感的焊缝跟踪系统，该系统主要应用于钢管根部焊道的GMAW焊接，焊接过程中能够实时调整焊炬位置和焊接条件来获取良好的焊件，具有良好的焊缝跟踪能力，系统焊缝跟踪精度达到±2mm/140mm[3]。印

7、度的研究者利用视觉传感器拍摄焊缝图像，借助弧光来识别焊缝轨迹，根据得到偏差来控制步进系统实现纠偏运动，该实时焊缝跟踪系统跟踪精度可达±0.2mm[4]。我国从20世纪60-70年代后期就开始发展基于视觉传感的焊缝跟踪技术，其中哈工大、清华大学、上海交大、华南理工大学、华中理工大学、天津大学等高等院校在焊缝自动跟踪方面取得了许多应用成果。清华大学的研究者采用线阵CCD作为传感元件，并对光路结构进行了改进，通过对信号的数字滤波和图像处理获得焊缝中心位置，使用“开环自学习，闭环纠错误”的轨迹控制算法，实现焊缝实

8、时跟踪。该系统的焊接速度有100mm/min，焊接过程中95%以上的宽度值集中在偏离给定值±10%范围内[5]。哈尔滨工业大学的研究者研究了无辅助光源图像法TIG焊缝跟踪系统，该系统用被动视觉方法采集焊缝图像，采用了图像采集与焊接规范同步控制、阈值与图像协调处理、传感器可靠密封、冷却等系列有效措施，使系统即使在300℃的高温环境下也稳定可靠工作。该系统的静态检测精度为0.07mm，动态跟踪精度0.2mm，处理周期300ms，检