基于離線傳感器規(guī)劃的弧焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)光視覺焊縫跟蹤技術(shù)研究.pdf

1、激光視覺焊縫跟蹤是焊接智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。國外自上世紀(jì)70年代末即展開研究,至今已推向?qū)嶋H應(yīng)用,而國內(nèi)無論是關(guān)鍵技術(shù),還是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均存在較大差距。本研究在江蘇省重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目《焊接機(jī)器人成套裝備》資助和昆山華恒焊接股份有限公司的協(xié)助下,通過結(jié)合機(jī)器人離線編程環(huán)境下的傳感器規(guī)劃技術(shù),形成了弧焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)光視覺焊縫跟蹤的完整技術(shù),不僅實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)光視覺檢測技術(shù)與機(jī)器人離線編程技術(shù)的有效地結(jié)合,提升了焊接檢測技術(shù)的智能化程度,而且通過對

2、焊縫跟蹤關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新性改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了不同焊縫(包括空間曲線焊縫)精確可靠地跟蹤,對推動(dòng)我國焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展具有積極的意義。
　　 本項(xiàng)研究取得的主要成果有:
　　 1.提出了基于離線傳感器規(guī)劃的結(jié)構(gòu)光視覺焊縫跟蹤方法。首先同時(shí)考慮焊槍運(yùn)動(dòng)和傳感器視點(diǎn)約束,并通過CAD焊接特征的驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人焊縫跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡離線規(guī)劃。進(jìn)一步通過建立軌跡特征間的對應(yīng)性,完成了離線規(guī)劃軌跡與檢測焊縫路徑的有效合成,并獲得了在線跟蹤軌跡。

3、試驗(yàn)表明該方法能夠保證焊槍與傳感器視點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性,并在局部焊縫檢測失敗的情況下保持傳感頭對焊縫方向變化的可靠跟蹤。
　　 2.提出了基于分層混合視覺控制策略的焊縫接頭識(shí)別算法。通過虛擬傳感器獲取待測接頭輪廓模型。自下而下地依次采用分割與聚類方法,完成了激光信號(hào)的初步提取,并生成了關(guān)于接頭輪廓的假設(shè),隨后自上而下地進(jìn)行分層搜索。同時(shí)結(jié)合局部自適應(yīng)灰度閾值分割方法,恢復(fù)了初始處理階段因干擾而未被提取的輪廓特征,實(shí)現(xiàn)了輪廓的完整匹

4、配。試驗(yàn)表明該方法可以在圖像具有較大干擾的情況下,保證較好的識(shí)別成功率和檢測實(shí)時(shí)性。
　　 3.提出了基于“預(yù)測-估計(jì)”的實(shí)時(shí)焊縫路徑提取方法。利用結(jié)構(gòu)光視覺觀測模型,獲得了待測接頭輪廓在圖像中的預(yù)測搜索窗,以降低強(qiáng)干擾下輪廓匹配的時(shí)間和空間復(fù)雜度:利用時(shí)間模型的補(bǔ)償確保了焊縫路徑位置的提取精度；采用基于可信度融合的加權(quán)多項(xiàng)式擬合,有效地判斷和利用焊縫路徑檢測數(shù)據(jù)集中的“外點(diǎn)”與“內(nèi)點(diǎn)”,完成了焊縫路徑的平滑估計(jì)。試驗(yàn)表明該方法

5、能夠保證曲線焊縫跟蹤的抗干擾性與精確度。
　　 4.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于6自由度弧焊機(jī)器人的單條紋結(jié)構(gòu)光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng),并利用一種基于剛體運(yùn)動(dòng)最小二乘估計(jì)的手眼參數(shù)補(bǔ)償法,確保了該系統(tǒng)的三維測量精度。對多種類型接頭(包括對接、搭接、V型坡口)與不同形狀(包括直線、平面曲線、空間曲線)焊縫進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn),分別通過手工測量和三坐標(biāo)機(jī)測量的方式,從焊縫路徑位置以及焊縫路徑形狀兩方面評價(jià)了焊縫跟蹤精度。試驗(yàn)表明對于不同的焊縫,平均跟蹤