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面向焊缝跟踪的线激光检测技术研究

王研博  
【摘要】:现在的焊接机器人主要是采用人工“示教再现”的焊接模式,焊接过程中由于工件热变形的存在以及待焊工件的装夹误差等因素影响,导致实际的焊缝轨迹与理论轨迹之间存在较大的误差,预先示教的焊接轨迹不能满足实际的焊接要求,因此需要对实际的焊缝轨迹进行在线辨识。为此,本文提出了面向焊缝跟踪的线激光检测技术,在焊接机器人的焊枪末端加装视觉传感器,采用基于高斯核相关的线激光焊缝跟踪方法,实时的提取出焊缝特征点的像素坐标值,将坐标值的偏差量通过自适应模糊控制器计算后得到的偏置电压发送给机器人,引导机器人完成自动焊接过程。本文研究了激光视觉传感器与焊接机器人之间的手眼标定方法。首先完成了工业相机内外参数的标定,然后建立了线激光平面相对于工业相机坐标系的平面方程,从而完成从像素坐标到激光平面坐标的转换。最后针对视觉传感器与焊接机器人的“Eye-in-Hand”系统,提出了一种手眼标定方法,获得了齐次变换矩阵的各个参数,从而完成了从二维像素坐标值到机器人三维基坐标值的转换。本文研究了焊缝特征点的目标跟踪方法。焊接开始前,通过视觉传感器采集图像进行形态学处理,获得焊缝特征点的初始坐标值和特征点所在的目标区域。焊接开始后,采用目标跟踪的方法对焊缝特征点进行跟踪提取,构建了用以将图像分类的分类器,对于焊接开始之后采集的大噪声图像,通过高斯核相关算法,计算出候选区域与目标区域的相似度,选取相似度最高的区域作为目标区域,从而得到了特征点的一系列坐标值。本文研究了机器人位移量的智能控制算法。通过将得到的焊缝特征点坐标值与基准坐标值相减,得到焊接机器人需要移动的位移量,但是,由于焊接机器人数学模型未知,不能直接将位移量发送给机器人。为此,本文研究设计了自适应模糊控制算法,采用多输入单输出模糊控制器,将偏差值和偏差变化率输入到模糊控制器中,输出一系列较为平滑的机器人偏置电压,将得到的偏置电压发送给焊接机器人的控制器,引导机器人完成自动焊接过程。本文设计和搭建了一个六自由度机器人自动跟踪焊接平台。硬件系统包括安川六自由度焊接机器人和激光视觉传感器等,控制系统包括安川DX200型控制器、A/D转换模块和运行Windows系统的上位机软件模块,根据偏移距离的不同,该平台对三种不同类型的曲线焊缝进行了六组焊缝特征点的跟踪焊接实验。实验结果表明:在有强烈弧光和飞溅噪声的干扰下,该系统能实现待焊工件的实时自动跟踪焊接,跟踪误差小于0.32mm,传感器的测量频率达20Hz,能够满足实际焊接使用的要求。


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