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焊缝磨抛机器人视觉伺服系统研究

王滨  
【摘要】:由于轨道客车技术的发展以及人们对铁路运载能力要求的提升,高速化成为未来的发展趋势,由此带来的对轨道客车车体安全性和技术性的要求也越来越高。焊接作为一种成熟的加工技术,已经广泛地应用于铝合金列车车体的成型加工中,而焊接后处理是提高车体安全性、技术性以及美观性的重要途径。 本课题以国家自然科学基金项目为背景,以长春轨道客车厂为依托,针对轨道客车车体等大型结构件焊缝后处理中手工磨抛强度大、效率低、精度难以保证的难题,结合视觉伺服技术和图像处理技术,研究了微小移动机器人视觉伺服自主作业模式与行为模型,开发了适合于焊缝磨抛机器人的视觉伺服系统,解决了焊缝磨抛机器人在线检测与实时监控的技术问题。 论文通过对视觉伺服关键技术及其在焊缝处理方面应用的了解与分析,针对焊缝磨抛机器人的工作空间和加工要求,确定了焊缝磨抛机器人视觉伺服工作流程,提出了双目视觉结合结构光的视觉伺服系统模型,并对焊缝数字图像处理进行理论研究和算法整合,对焊缝离散化和坐标系转换进行理论计算。 根据视觉伺服系统模型进行了硬件参数计算和选型以及关键零部件的结构设计。视觉系统与机器人系统的连接方式为:CCD通过相机法兰和减振支撑杆固接在机器人底盘上,改变法兰盘上安装孔的位置实现CCD中心距变位;画线激光器与Y向模组固接,利用Y模组沿X向的运动实现焊缝加工区域的扫掠。为了验证视觉伺服系统模型的可行性以及优化系统结构参数,设计搭建了焊缝磨抛机器人视觉伺服实验台。 视觉伺服系统软件开发采用分层模块化开发的方法,在HALCON软件环境下,对图像处理的底层模块进行编程,包括图像采集模块、图像增强模块、二值单像素化模块、特征点提取模块、三维测量模块等;通过底层模块的组合调用,实现一键标定、参考零点计算、机器人导航、自动图像处理等中层模块功能集成;高层模块集成实现了焊缝图像处理的全自动化。并且在VC++环境下开发焊缝磨抛机器人控制界面,将视觉伺服软件各层模块集成到控制面板上,从而实现视觉伺服系统操作可视化。 利用视觉伺服实验台对影响视觉伺服系统精度的参数进行优化实验。根据硬件特点以及机器人工作空间要求,对影响视觉精度的CCD中心距b、CCD夹角2和物距z三个结构参数进行三因素三水平的正交实验,根据正交实验结果进行误差和误差带分析,优化视觉伺服系统结构参数。


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