基于環(huán)形激光視覺的焊縫3D建模與跟蹤.pdf

1、機器人與計算機技術的迅速發(fā)展使焊接自動化程度日益提高.影響自動化焊接質量的因素不僅包括被焊工件的厚度、接頭形式、表面狀態(tài)、焊接材料的化學成分等焊接的結構因素,還包括焊接方法、焊接速度、焊矩路徑規(guī)劃、工件位置檢測等工藝因素.特別是被焊工件的三維位置檢測,一直是焊接自動化所面臨的一個重要問題.焊接過程提升到自動化和人工智能化水平需要焊縫信息識別、定位與跟蹤技術的相應發(fā)展.沒有精確、高效且反應快速的傳感器,焊接自動化的目標就無法實現(xiàn).

2、 為了實現(xiàn)焊接自動化,實時自動地獲得焊縫的位置信息,已經(jīng)開發(fā)了許多傳感技術,其中,視覺傳感器由于具有非接觸、反應快速、抗干擾能力強等特點而受到廣泛關注.由于熔池強光的干擾作用,主動光技術無法用于焊接熔池的信息傳感,焊接熔池的自動控制通常采用被動視覺傳感方法,該方法不能直接提取焊縫的深度信息,僅能通過攝像機標定、陰影恢復法、光度立體等技術實現(xiàn)焊縫深度信息的提取.主動光傳感技術采用結構光法或光學掃描方法產(chǎn)生一定的激光軌跡并將其投射到待焊接的

3、區(qū)域,利用激光三角測量原理,計算焊縫空間位置.目前,已有點狀激光、單線激光、雙線激光、五線激光和基于線狀CCD攝像機的環(huán)形激光作為焊縫位置視覺傳感的應用研究,而且其中部分已經(jīng)進入了產(chǎn)品化階段,取得了很大的成功,但其對復雜形狀構件自動識別、焊縫自動跟蹤時,存在著信息量少；解釋模糊；跟蹤精度差和僅能一維或二維方向跟蹤等問題.利用線陣CCD作為接收器的環(huán)形激光視覺傳感器由于同樣采用三角測量方法,要求傳感器各部件的空間位置符合Scheimpfl

4、ug條件,所以測量效率較低,而面陣CCD的出現(xiàn),使得研究工作者開發(fā)"下一代視覺傳感器"成為可能. 論文在調查國內外視覺傳感、焊縫跟蹤研究的基礎上,結合環(huán)形激光視覺傳感思想與面陣CCD的優(yōu)點,開發(fā)出一種新型的視覺傳感器.提出了一種差分算法和模板方法來識別焊接接頭的特征,并利用攝像機成像規(guī)律和基于錐形激光傳感器的"半徑.深度關系"算法,建立了焊縫特征點的三維坐標計算模型.實現(xiàn)了焊縫位置的迅速、準確且高效的定位與跟蹤.利用正負透鏡組合

5、技術,設計開發(fā)了一種基于環(huán)形激光的光學掃描系統(tǒng),構建了環(huán)形激光視覺傳感器.研究了掃描驅動系統(tǒng)機械振動狀態(tài)對環(huán)形激光視覺器的焊縫成像的影響,提出采用理論采集效率T1l、實際采集效率η,2>與損耗效率η<,3> 來表征電樞電壓變化和機械振動之間的關系. 在試驗的基礎上,通過對電樞電壓值和環(huán)形激光掃描速率參數(shù)的優(yōu)化,改善了掃描驅動系統(tǒng)的穩(wěn)定性. 研究了電動機電壓變化、圖像細化質量和機械振動之間的關系,機械振動分析試驗結果表明

6、:當電動機電壓過低時(低于 11.8V),圖像采集效率下降,從而導致環(huán)形激光焊縫圖像部分數(shù)據(jù)丟失,無法獲得完整的反映焊縫形態(tài)的環(huán)形激光軌跡圖像,嚴重影響圖像細化質量,在圖像中表現(xiàn)為主體骨架周圍形成許多細小毛刺,降低焊縫圖像的識別精度；而當電動機電壓過高時(22V-額定電壓),由于電動機扭矩變大,掃描速度過快,使整個視覺傳感系統(tǒng)發(fā)生強烈振動,可能會影響焊縫圖像識別精度.本文研究了攝像機內參數(shù)和傳感器系統(tǒng)空間參數(shù)的計算問題,利用激光法和改進

7、的顯示標定方法對攝像機內參數(shù)進行了標定.分析了激光錐體坐標系原點、攝像機比例系數(shù)、分離角對焊縫3D計算的影響,.提出了一種利用激光成像的原理來計算各參數(shù)的方法.實際試驗表明:該方法既避免了工具空間測量誤差較大的難題、也解決了使用空間三維測量儀造成的投資較大和利用率不高的問題.標定精度能夠滿足焊接應用要求. 論文針對環(huán)形激光焊縫圖像存在的噪聲問題,將小波變換用于圖像去噪處理,試驗結果表明,3層Harr小波不僅去除了環(huán)形激光焊縫圖

8、像中的噪聲,而且最大程度地保留了焊縫細節(jié)信息；針對光線弱化的問題,提出了一種順序統(tǒng)計量非線性濾波技術一以模板內最大值減1來代替模板中值作為計算值來進行濾波的方法,實際濾波結果表明,光線弱化問題得到完全解決；此外根據(jù)環(huán)形激光焊縫圖像的特點,開發(fā)了基于灰度最大值統(tǒng)計與區(qū)域分割的兩步法分割技術.試驗結果表明,該分割方法能夠實現(xiàn)環(huán)形激光焊縫圖像的準確分割.論文討論了如何根據(jù)圖像中的二維像素坐標計算焊縫3D坐標的問題,建立了三種焊縫深度計算數(shù)學模

9、型,并給出了完整的推導公式；研究了焊縫深度(Z<,L>)隨著分離角(β)的變化規(guī)律.試驗結果表明,利用基于"半徑-深度關系和攝像機放大系數(shù)"的焊縫3D計算模型能夠實時計算多種焊縫的3D坐標；論文計算了"對接V_型坡口接頭、對接I型接頭、搭接接頭、角接接頭、環(huán)形焊縫及斜坡焊縫"的3D坐標,并將焊縫三維坐標的計算值與測量值進行對比分析,結果表明焊縫位置三維坐標的計算精度完全可以用于焊縫特征點提取、定位與跟蹤. 論文基于焊縫激光視覺圖

10、像分析了不同焊接接頭上的環(huán)形激光圖像形態(tài).結果表明,不同焊接接頭形式,其環(huán)形激光形態(tài)各異:焊縫部分的環(huán)形激光在搭接焊縫條件下的圖像形狀呈缽形,在對接I型接頭呈曲柄形,在角接焊縫條件下呈蝶形,在對接V型坡口焊縫條件下呈蝙蝠形.針對環(huán)形激光檢測圖像的特點,論文提出了三種基于環(huán)形激光軌跡的焊縫特征點搜尋算法:移動模板算法、梯度算法和搜索窗算法,結合建立的焊縫3D坐標的計算模型,確定焊縫特征點在機器人本體坐標系中的坐標,實現(xiàn)焊縫的定位.論文利用

11、移動模板模型尋找焊縫位置,并采用基于"半徑-深度關系和攝像機放大系數(shù)"的焊縫3D坐標計算模型計算了焊縫特征點的3D坐標.試驗結果表明,提出的焊接接頭特征點搜尋技術能夠準確地檢測到焊縫特征點的位置,計算值和測量值對比分析表明,三維坐標計算結果的最大誤差約為0.8mm,基本滿足鎢極氬弧焊焊縫跟蹤系統(tǒng)對定位精度的要求. 本文研究了焊縫跟蹤系統(tǒng)模型,針對焊縫檢測點與焊接點不一致的問題,構建了一個動態(tài)數(shù)組.動態(tài)數(shù)組用于存儲機器人運行路徑上

12、激光視覺傳感器系統(tǒng)依次檢測并計算的各個焊縫特征點的3D坐標值,當機器人移動焊炬到達上述激光視覺傳感器檢測點時,依次調用相應點位置參數(shù)實施焊縫跟蹤.針對通用工業(yè)(ABB)機器人無法實現(xiàn)移動路徑上傳感器檢測數(shù)據(jù)的實時插補,論文提出了一種基于"小線段逼近"的焊縫跟蹤模型.試驗結果表明,該方法能夠解決焊縫跟蹤過程中機器人代碼封閉的問題.本文基于C語言和RAPID語言的軟件和論文提出的焊縫特征的3D坐標算法模型,開發(fā)了基于模塊化和可視化的機器人焊